杜嵩山，胡肇?zé)j

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210036， 2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230000)

1 引 言

2014年南京青奧會(huì)期間，針對大型化工園區(qū)采取了限產(chǎn)措施，對青奧期間自8月1日起實(shí)施工業(yè)源排放管控措施，全省8月份共落實(shí)企業(yè)限產(chǎn)741家、企業(yè)停產(chǎn)554家；162家燃煤電廠全部使用含硫量低于0.7%的優(yōu)質(zhì)煤，發(fā)電量同比下降15%；揚(yáng)子、金陵石化等重點(diǎn)化工企業(yè)停用部分生產(chǎn)裝置，壓縮產(chǎn)能20%以上；南鋼、梅鋼等主要鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)、球團(tuán)、焦化等生產(chǎn)減產(chǎn)30%。所有這些控制措施的效果都需要及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測與評估。目前對于高架點(diǎn)源，采用的常規(guī)測量系統(tǒng)為連續(xù)排放測量系統(tǒng)(CEMS)，有插入式的煙道光譜測量方法，或有抽取式的采樣稀釋光學(xué)測量(紫外熒光法、化學(xué)發(fā)光法)；也有采用電化學(xué)方法測量，但其壽命較短，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，一般應(yīng)用于定期檢測。對于包含多個(gè)點(diǎn)源的工業(yè)區(qū)和面源只能以在線監(jiān)測和污染源調(diào)查為主。被動(dòng)式DOAS技術(shù)，以天頂太陽散射光作為光源，通過測量天頂紫外/可見吸收光譜來研究大氣中痕量氣體的垂直柱密度和空間分布情況，目前國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于污染源污染氣體的排放測量[1～7]。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 被動(dòng)DOAS原理

被動(dòng)DOAS技術(shù)以自然光為光源，利用氣體的“指紋”吸收特性來監(jiān)測痕量氣體的濃度。入射光經(jīng)氣體吸收和散射之后而發(fā)生衰減，光線衰減前、后光強(qiáng)的變化關(guān)系可用Lambert-Beer定律來描述：

I(λ)=I0(λ)·exp(-σ(λ)·c·L)

(1)

其中，I0(λ)表示初始光強(qiáng)，I(λ)為穿過氣體吸收層后的光強(qiáng)，L為光程，c為吸收物質(zhì)的濃度，σ(λ)表示大氣中對該波段光輻射具有吸收的物質(zhì)在波長λ處 的吸收截面。

實(shí)際大氣觀測時(shí)，除了痕量氣體的吸收之外還包括了大氣分子和氣溶膠顆粒物的散射作用。此外，由于儀器自身的透射作用也會(huì)使光強(qiáng)減少，最終導(dǎo)致波束展寬。綜合以上考慮，我們對式(1)表示的Lambert-Beer定律進(jìn)行擴(kuò)展，在擴(kuò)展的方程中將影響光強(qiáng)變化的各種因子(包括分子的吸收、散射、氣溶膠散射等)考慮進(jìn)去，表示如下：

I(λ)=I0(λ)·exp[-L·(∑(σj(λ)·cj)+εR(λ)+εM(λ))]·A(λ)

(2)

式中，cj表示大氣中對該波段光輻射具有吸收的氣體j的濃度，σj(λ)表示吸收氣體j在λ波長處的吸收截面，εR(λ)表示瑞利散射系數(shù)，εM(λ)為米散射系數(shù)，儀器效應(yīng)和湍流作用以A(λ)表示。

DOAS方法的核心就是將大氣的消光過程分為快變化部分(米散射和瑞利散射)和慢變化(分子窄帶吸收)部分，通過數(shù)字濾波濾除慢變化部分，從而獲得痕量氣體的窄帶吸收。因此公式(2)又可以寫作

(3)

在實(shí)際中，DOAS系統(tǒng)通過測量原始光譜I0(λ)和吸收光譜I(λ)，對兩者之商進(jìn)行數(shù)字濾波以去除波長作慢變化的寬帶結(jié)構(gòu)，保留光譜中的快變化部分，取對數(shù)后得到差分光學(xué)厚度，對多種吸收氣體吸收進(jìn)行最小二乘求解，最終得到痕量氣體的SCD。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和通量計(jì)算

（2）基床頂面的最大應(yīng)力為485.6 kPa，根據(jù)測量資料，工程區(qū)域地基承載力極限值為1529.6 kPa，可見工程區(qū)域地基能夠承受基床頂面的應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理。

圖1為車載被動(dòng)式DOAS系統(tǒng)示意圖，車頂放置微型車載氣象站、GPS模塊，車內(nèi)放置光譜采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖1 車載被動(dòng)式DOAS觀測系統(tǒng)和通量計(jì)算Fig.1 Vehicle passive DOAS observation system and flux calculation

觀測得到的太陽光信號(hào)經(jīng)過編制好的計(jì)算機(jī)程序處理之后可以獲得汽車移動(dòng)路徑上污染物的柱濃度分布VCD。然后用描述守恒量傳輸?shù)倪B續(xù)性方程來計(jì)算通量，如式(4):

(4)

如果我們將方程(4)對體積積分，則有

(5)

(6)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 城區(qū)移動(dòng)觀測和分析

針對青奧期間南京可能的污染物來源影響，利用車載DOAS進(jìn)行繞城觀測，路線如圖2所示。

圖2 南京環(huán)城觀測路線Fig.2 Observation route around the city

2014年8月5日、8月10日、8月15日、8月17日、8月26日和8月28日共進(jìn)行了6次繞城觀測，得到了南京環(huán)城的SO2和NO2排放特征并研究了特殊風(fēng)場下污染物的對主城的影響。

如圖3所示，8月5日在東南風(fēng)場下，測量路線的北部靠近揚(yáng)子石化路段有SO2和NO2高值，為工業(yè)區(qū)污染氣團(tuán)擴(kuò)散產(chǎn)生，測量路線中其他路段濃度較低，表明在東南風(fēng)場下整個(gè)南京主城區(qū)大氣較為清潔，沒有外來輸送。8月10日在西北風(fēng)場下，整個(gè)繞城路線SO2沒有大的濃度變化，NO2存在分散高值，分析認(rèn)為是車站和路口交通排放所致。8月15日在偏北風(fēng)場下觀測到測量路線的東部和東南部出現(xiàn)高值，結(jié)合風(fēng)場軌跡(見圖3)發(fā)現(xiàn)高值來自江北工業(yè)園區(qū)，在偏北風(fēng)場影響下向南輸送，產(chǎn)生連續(xù)高值。8月17及25日，在偏東風(fēng)場作用下，可以明顯看到在觀測路段北段，即揚(yáng)子石化下風(fēng)向出現(xiàn)柱濃度高值，但南京主城區(qū)受到的影響較小，大氣較為清潔，部分交通擁堵路段存在NO2高值。8月28日在東北風(fēng)場下，江北出現(xiàn)濃度高值，但江南所受影響較小。

圖3 不同風(fēng)場下南京繞城SO2和NO2柱濃度空間分布Fig.3 Spatial distribution of SO2 and NO2 column density around Nanjing under different wind fields

圖4 環(huán)城觀測SO2和NO2排放通量Fig.4 SO2 and NO2 fluxes around the city

圖4給出了6次南京繞城觀測的SO2和NO2的輸送通量，“-”表示向內(nèi)輸入，“+”表示向外輸出?？梢钥闯銮鄪W會(huì)管制期間排放通量相對較低，在偏北風(fēng)場下外部對南京城區(qū)有一定輸入，應(yīng)該和江北工業(yè)園區(qū)有較大關(guān)系。通過氣流后向軌跡分析(圖5)可以看出主要是揚(yáng)子石化的影響。

3.2 揚(yáng)子石化廠區(qū)觀測和分析

2014年8月5日，11日，12日，20日，30日對揚(yáng)子石化進(jìn)行了5次有效測量，獲取了觀測期間的SO2、NO2柱濃度空間分布及排放量信息，并結(jié)合風(fēng)場研究了對南京主城區(qū)的輸送情況，圖7是揚(yáng)子石化在三種典型風(fēng)場下的排放情況。

圖5 8月15日 SO2柱濃度分布和風(fēng)場后向軌跡示意圖Fig.5 SO2 column density distribution and wind field backwards trajectory on August 15

圖6 揚(yáng)子石化位置及觀測路線(揚(yáng)子石化位于左圖A標(biāo)記處)Fig.6 Yangzi petrochemical company location and observation route

圖7 不同風(fēng)場下?lián)P子石化工業(yè)區(qū)SO2和NO2空間分布示意Fig.7 Spatial distribution of SO2 and NO2 in Yangzi petrochemical company under different wind fields

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)園區(qū)有較強(qiáng)的SO2和NO2排放。8月5日在東南風(fēng)場下，測量路線的西側(cè)區(qū)域觀測到SO2和NO2高值，根據(jù)揚(yáng)子石化和市區(qū)的位置關(guān)系，在這種風(fēng)場下，南京主城區(qū)位于上風(fēng)向，揚(yáng)子石化的排放對市區(qū)影響較小。8月12日在偏北風(fēng)場影響下，測量路線的南側(cè)出現(xiàn)SO2和NO2高值，由于揚(yáng)子石化工業(yè)區(qū)位于南京主城區(qū)的偏北方向，所以在該風(fēng)場條件下?lián)P子石化產(chǎn)生的污染氣體會(huì)對南京主城區(qū)產(chǎn)生影響，污染物會(huì)在風(fēng)場作用下對市區(qū)產(chǎn)生輸送。8月30日在偏東風(fēng)場下，同樣由于南京主城區(qū)位于工業(yè)園上風(fēng)向，揚(yáng)子石化排放對市區(qū)影響較小。

圖8 揚(yáng)子石化工業(yè)區(qū)SO2和NO2排放通量Fig.8 Yangzi petrochemical industrial zone SO2 and NO2 emissions flux

圖8給出了5次揚(yáng)子石化觀測的SO2和NO2的輸送通量，“-”表示向內(nèi)輸入，“+”表示向外輸出?？梢钥闯銮鄪W期間管控措施還是減少了排放，青奧結(jié)束后的8月30日排放量明顯增加。

4 結(jié) 論

車載被動(dòng)式DOAS系統(tǒng)作為一種快速、靈活的觀測手段，可以在重大賽會(huì)期間空氣質(zhì)量保障工作上發(fā)揮重要作用。本文在青奧會(huì)前后對南京市環(huán)城和江北工業(yè)區(qū)進(jìn)行了多次觀測，獲得了南京地區(qū)SO2、NO2的分布和輸送規(guī)律。

4.1 在東北和偏北風(fēng)場情況下，江北工業(yè)園區(qū)對南京主城區(qū)有一定影響，而偏東和東南風(fēng)場下影響較小。

4.2 在青奧會(huì)期間的管控措施取消后，SO2的排放有明顯增加。

參考文獻(xiàn)：

[1] McGonigle A J S，Oppenheimer C，Galle B，et al．Walking traverse and scanning DOAS measurements of volcanic gas emission rates[J]．Geophysical Research Letters，2002，29(20)：1-4．

[2] Li A，Liu C，Xie P H，et al．Monitoring of SO2emissions from industry by passive DOAS[C]．Proceedings of SPIE，2005，5832(1)：371-378．

[3] 李 昂, 謝品華, 劉文清,等. 被動(dòng)差分吸收光譜法測量區(qū)域內(nèi)污染氣體排放通量的方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2009,29(1):28-32.

[4] 李 昂, 謝品華, 劉文清,等. 被動(dòng)差分光學(xué)吸收光譜法監(jiān)測污染源排放總量研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27 (9): 1537-1542.

[5] 王珊珊, 周 斌, 葉 慶,等. 車載被動(dòng)差分吸收光譜在城市道路空氣污染監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 2645-2649.

[6] 朱燕舞, 謝品華, 竇 科,等. 大氣污染物垂直廓線掃描差分吸收光譜方法研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2009, (1):297-302.

[7] Johansson. M, Rivera, C., Foy, B. de. et al., Mobile mini-DOAS measurement of the outflow of NO2and HCHO from Mexico City[J]. Atmos. Chem. Phys.,2009， 9: 5647-5653.