李 禮，翟崇治，王 軍，許麗萍，劉芮伶，蔣昌潭

重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,城市大氣環(huán)境綜合觀測與污染防控重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401147

重慶市主城區(qū)大氣水溶性離子在線觀測分析

李 禮，翟崇治，王 軍，許麗萍，劉芮伶，蔣昌潭

重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,城市大氣環(huán)境綜合觀測與污染防控重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401147

PM2.5；水溶性離子；在線觀測；污染特征

各種固體或液體微粒均勻分散在空氣中形成一個龐大的分散體系——?dú)馊苣z體系，氣溶膠體系中分散的各種粒子稱為大氣顆粒物，粒徑多在0.001～100 μm之間。由于顆粒物對人體健康、大氣輻射平衡、氣候變化及能見度有重要的影響，對大氣顆粒物的研究已受到越來越多的關(guān)注[1-6]。大氣顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)是建立污染排放管制及追蹤控制策略重要的信息來源[7]，但單純的顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測不足以提供足夠豐富的信息，尤其在先進(jìn)的空氣質(zhì)量模式預(yù)測評估中存在一定的缺陷[8]。實(shí)時在線觀測水溶性離子成分，掌握大氣顆粒物的化學(xué)特性數(shù)據(jù)，對于污染源貢獻(xiàn)分析、人體健康影響評估，以及開展相關(guān)區(qū)域性灰霾生消規(guī)律的研究等工作具有十分重要的意義[9-11]。

研究利用在線氣體與氣溶膠成分監(jiān)測儀(IGAC)，在重慶市大氣超級站開展了一段時間的試用觀測分析，高時間分辨率、全自動化實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，實(shí)時反映出即時的大氣污染狀況和化學(xué)組分特征，通過觀測結(jié)果捕捉和分析出特定的污染來源，并結(jié)合空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的常規(guī)污染物予以驗(yàn)證，為大氣環(huán)境管理提供必要的技術(shù)支撐。

1 觀測方法

1.1觀測儀器

1.2觀測時間

觀測時間為2015年12月18日—2016年3月31日，共108 d，觀測數(shù)據(jù)分辨率為1 h，共獲取2 212組數(shù)據(jù)。

1.3觀測地點(diǎn)

觀測地點(diǎn)位于重慶市大氣超級站，站點(diǎn)位于重慶北部新區(qū)青楓北路18號鳳凰C座樓頂，地理坐標(biāo)為106°29′51″E，29°36′57″N，海拔高度為326 m，距離地面高度為35 m。重慶市大氣超級站周邊地勢平坦開闊，周邊為寫字樓、公園、居住區(qū)，還分布著一些車輛噴涂、制藥等企業(yè)，人口密集，觀測點(diǎn)周邊交通系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)，屬于城市與工業(yè)區(qū)的過渡區(qū)域。同時，該站點(diǎn)作為常年連續(xù)觀測點(diǎn)，開展多參數(shù)在線綜合觀測，站點(diǎn)具有較好的代表性，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠客觀反映重慶市主城區(qū)范圍的大氣環(huán)境質(zhì)量水平和變化規(guī)律。

2 觀測結(jié)果分析

2.1水溶性離子及氣態(tài)污染物濃度特征

圖1是觀測期間PM2.5中水溶性離子濃度的時間序列圖。

圖1 水溶性無機(jī)離子濃度時間序列Fig.1 Time series of concentration of water-soluble inorganic ions

圖2是觀測期間細(xì)顆粒物的氣態(tài)前體物濃度分布。

圖2 氣態(tài)污染物濃度時間序列Fig.2 Time series of concentration of gaseous pollutants

由圖2可見，NH3和SO2是最主要的氣態(tài)污染物，平均質(zhì)量濃度分別為4.02、14.66 μg/m3，占總體積濃度的92.34%；HCl、HNO2和HNO3平均質(zhì)量濃度分別為0.54、1.62、1.10 μg/m3。

第2次污染過程發(fā)生在2016年2月5—12日(即春節(jié)期間)，重慶市主城區(qū)16個國控評價站點(diǎn)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果顯示，此次過程主要為PM2.5污染，SO2和NO2日均質(zhì)量濃度無明顯波動。2月5—7日為輕度污染，PM2.5日均質(zhì)量濃度為80 μg/m3左右，2月8、9日上升至重度污染，PM2.5日均質(zhì)量濃度超過150 μg/m3，隨后污染逐日減輕。污染期間大氣層結(jié)具有明顯的日變化，未觀察到逆溫現(xiàn)象，風(fēng)速大部分集中在0.5～1 m/s；相對濕度呈現(xiàn)“凹”字特征，最低值出現(xiàn)在2月7日，只有50%左右。該次污染過程PM2.5中的銨鹽、硫酸鹽、硝酸鹽等二次組分濃度明顯低于第1次，而K+和Cl-等一次組分濃度在2月7日(除夕)和2月8日(春節(jié))急劇上升，且整個污染過程期間濃度均較高。其中K+和Cl-是指征生物質(zhì)燃燒的示蹤物[14]，表明春節(jié)假日期間空氣重污染過程PM2.5主要是來自于一次組分的貢獻(xiàn)，且主要受煙花爆竹燃放的影響。

2.2主要離子濃度的日變化特征

圖3描述的是PM2.5中主要水溶性離子及氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度日變化特征。

圖3 PM2.5中主要水溶性離子及氣態(tài) 污染物質(zhì)量濃度日變化特征Fig.3 Diurnal characteristics of major water soluble inorganic ions in PM2.5 and gaseous pollutants

2.3重污染過程的離子組分特征

圖4和圖5是觀測期間氣態(tài)污染物和PM2.5中水溶性離子濃度隨時間變化圖。

圖5 氣溶膠中水溶性離子濃度隨時間變化Fig.5 Time series of concentration of water soluble ions in aerosol

為主要的污染組分。

表1 氣態(tài)污染物濃度分布

表2 氣溶膠中水溶性離子濃度分布

2.4水溶性離子間相關(guān)性及來源分析

表3和表4分別顯示了元旦期間和春節(jié)期間PM2.5中各種水溶性離子質(zhì)量濃度的相關(guān)性矩陣。

表3 元旦期間水溶性離子濃度的相關(guān)性矩陣

注：“**”為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“*”為在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。下同。

表4 春節(jié)期間水溶性離子濃度的相關(guān)性矩陣

3 結(jié)論

2015年12月—2016年3月期間，利用在線氣體與氣溶膠成分監(jiān)測儀(IGAC)在重慶市大氣超級站開展連續(xù)觀測分析，并捕捉到2次持續(xù)時間較長的空氣重污染過程，分析研究得出如下結(jié)論：

[1] 朱恩云,馬駮. 中國大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2008,33(12):57-59.

ZHU Enyun, MA Bo. The present situation of aerosol research in China [J]. Environmental Science and Management,2008,33(12):57-59.

[2] 岳玎利,鐘流舉,沈勁,等. 珠三角地區(qū)不同季節(jié)顆粒物數(shù)譜分布特性[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2015,31(2):29-34.

YUE Dingli,ZHONG Liuju,SHEN Jin,et al.Properties of particle number size distributions during different seasons in the pearl river delta region[J].Environmental Monitoring in China,2015,31(2):29-34.

[3] 王曉利,張良,魏亞楠,等. 城市間氣態(tài)污染物與細(xì)顆粒物的相關(guān)性分析[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2016,32(1):1-4.

WANG Xiaoli, ZHANG Liang, WEI Ya’nan, et al. Correlation analysis of gaseous pollutants and fine particulate matter about cities [J]. Environmental Monitoring in China,2016,32(1):1-4.

[4] 郭淘,馬永亮,賀克斌. 區(qū)域大氣環(huán)境中PM2.5/PM10空間分布研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報,2009,3(1):147-150.

GUO Tao, MA Yongliang, HE Kebin. Study on spatial distributions of PM2.5/PM10in regional atomospheric environment [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2009,3(1):147-150.

[5] JONATHAN I L, STEVEN R H. Spatial and temporal variability in urban fine particulate matter concentrations [J]. Environmental Pollution, 2011,159(8-9):2 009-2 015.

[6] DANIEL B H,PAUL D R,ANNE E S,et al.Determinants of exposure to fine particulate matter (PM2.5) for waiting passengers at bus stops [J]. Atmospheric Environment,2010,44(39):5 174-5 182.

[7] MOHR C, RICHTER R, DECARLO P F, et al. Spatial variation of chemical composition and sources of submicron aerosol in zurich: Factor analysis of mobile aerosol mass spectrometer data[J]. Atmospheric Chemistry and Physics,2011,11(4):12 323-12 365.

[8] SU Yongyang, LI Zhiming, LI Mei, et al. Development of aerosol sample introduction interface coupled with ICP-MS for direct introduction and quantitative online monitoring of environmental aerosol[J]. Aerosol Science and Technology,2014,48(1):99-110.

[9] 王靜,高曉梅,壽幼平,等. 濟(jì)南春季大氣PM2.5水溶性組分的半連續(xù)在線觀測[J]. 中國環(huán)境科學(xué),2010,30(1):18-24.

WANG Jing, GAO Xiaomei, SHOU Youping, et al.Semi-continuous analysis on the water-soluble inorganic ions of PM2.5in spring in Jinan city [J]. China Environmental Science,2010,30(1):18-24.

[10] 陳楠,全繼宏,田一平,等. 灰霾期間武漢城市區(qū)域大氣污染物的理化特征[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2016,32(2):20-25.

CHEN Nan,QUAN Jihong,TIAN Yiping,et al.The physical and chemical properties of atmospheric pollutant in Wuhan urban area during the haze[J]. Environmental Monitoring in China,2016,32(2):20-25.

[11] 孫韌,張文具,董海燕,等. 天津市PM10和PM2.5中水溶性離子化學(xué)特征及來源分析[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2014,30(2):145-150.

SUN Ren, ZHANG Wenju, DONG Haiyan, et al. Chemical character and source analysis of water-soluble irons in PM10and PM2.5in Tianjin city [J].Environmental Monitoring in China,2014,30(2):145-150.

[12] 張攀,仲勉,管晶晶,等. 應(yīng)用溶蝕器/后置膜系統(tǒng)分析上海大氣PM2.5中水溶性離子的組成及采樣誤差[J].地球化學(xué),2013,42(3):197-204.

ZHANG Pan, ZHONG Mian, GUAN Jingjing, et al. Concentrations and sampling artifacts of water-soluble ions in PM2.5in Shanghai sampled using denuder/backup-filter system [J]. Geochimica, 2013,42(3):197-204.

[13] 吳利瑞,陳步超,高艷芳,等. 利用水溶液吸收空氣中甲醛的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境工程,2009,27(S):326-330.

WU Lirui, CHEN Buchao, GAO Yanfang, et al. Experimental study on formaldehyde in the air absorbed by aqueous solution[J].Environmental Engineering,2009,27(S):326-330.

[14] 黃眾思,修光利,朱夢雅,等. 上海市夏冬兩季PM2.5中碳組分污染特征及來源解析[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2014,37(4):124-129.

HUANG Zhongsi, XIU Guangli, ZHU Mengya, et al. Characteristics and sources of carbonaceous species in PM2.5in summer and winter in Shanghai [J]. Environmental Science & Technology,2014,37(4):124-129.

[15] 沈建東,焦荔,何曦,等. 杭州城區(qū)春節(jié)PM2.5中水溶性離子在線觀測[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2014,30(2):151-157.

SHEN Jiandong, JIAO Li, HE Xi, et al. Online measurement of the water-soluble ions in PM2.5during spring festival in Hangzhou[J].Environmental Monitoring in China,2014,30(2):151-157.

OnlineDetectionandAnalysisofAtmosphericWater-SolubleIonsinChongqingUrbanArea

LI Li,ZHAI Chongzhi,WANG Jun,XU Liping,LIU Ruiling,JIANG Changtan

Key Laboratory for City Atmospheric Environment Integrated Observation & Pollution Prevention and Control of Chongqing,Ecological Environment Monitoring Centre of Chongqing,Chongqing 401147,China

PM2.5;water soluble ions;online detection;pollution characteristics

X84

A

1002-6002(2017)05- 0022- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.04

2017-03-10;

2017-07-20

重慶市2014年度應(yīng)用開發(fā)計劃重點(diǎn)項(xiàng)目“重慶市主城區(qū)秋冬季節(jié)空氣質(zhì)量重污染過程追因技術(shù)研究”(cstc2014yykfa20005)

李 禮(1983-)，男，湖南湘潭人，博士，高級工程師。