唐櫻殷，張翠英，李智軍

(巴中市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 巴中 636000)

1 前 言

現(xiàn)如今大氣顆粒物已然成為影響環(huán)境空氣質(zhì)量的重要污染物，其中PM2.5(空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于2.5μm的顆粒物)是造成我國城市霧霾以及空氣質(zhì)量超標(biāo)的主要因素[1-2]。 PM2.5主要來源于化石燃料燃燒(燃煤、燃油等)、工廠排放、道路塵、建筑塵、汽車尾氣和生物質(zhì)燃燒排放等人為活動過程中所產(chǎn)生的顆粒物以及大氣化學(xué)過程所產(chǎn)生的二次顆粒物[3]。PM2.5本身具有致突變性[2-3]，其粒徑小、比表面積大而復(fù)雜，對有毒物質(zhì)的吸附特別強(qiáng)[4]，可隨呼吸進(jìn)入體內(nèi)沉積在主氣管、支氣管、肺泡等部位，甚至可穿透肺泡進(jìn)血液循環(huán)，損害呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)[5-6]。因此, PM2.5的污染狀況受到政府及公眾的高度重視，在新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中，把PM2.5納入常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)。

我國幅員遼闊，區(qū)域空氣資源稟賦，擴(kuò)散條件差異顯著[7]，其中四川盆地成渝城市群PM2.5的研究多集中于成都、重慶等大城市[8]，對于盆地周邊低山丘陵區(qū)同時又是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)如巴中市研究較少，而這些地區(qū)具有獨特的地形植被，又面臨城市經(jīng)濟(jì)急需快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)壓力的主要矛盾，呈現(xiàn)出與以往及與其他地區(qū)不同的特征。2016年巴中市除了PM2.5未達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，而其他的空氣質(zhì)量指標(biāo)PM10、SO2、NO2、CO 和O3均達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，由此可見PM2.5是影響巴中市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物。然而，巴中市有關(guān)PM2.5污染的研究記錄幾乎沒有，因此，本文以巴中市4個國控空氣自動監(jiān)測站點的大氣污染數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了PM2.5質(zhì)量濃度的分布規(guī)律及其主要相關(guān)因素，并分析其季節(jié)變化規(guī)律和空間分布特征，以期為巴中市大氣污染治理提供科學(xué)依據(jù)，以及為區(qū)域的大氣污染防治措施的制定提供參考。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

巴中市地處四川盆地東北部，屬盆周邊遠(yuǎn)山區(qū)，位于中國第二大蘇區(qū)——川陜革命根據(jù)地的中心和首府，素有“紅軍之鄉(xiāng)” “川東北氧吧”之稱，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°21′～107°45′，北緯31°15′～32°45′，地處大巴山系米倉山南麓，東鄰達(dá)州，南接南充，西抵廣元，北接陜西漢中，共下轄2區(qū)3縣。巴中市城區(qū)共設(shè)江北新城區(qū)(市環(huán)保局點)、江南老城區(qū)(巴中中學(xué)點)、南壩居住區(qū)(市職業(yè)中學(xué)點) 、清潔對照點(蘇山坪點)四個國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，分別代表居住區(qū)、商混區(qū)、工業(yè)區(qū)和背景點位。4個站點都屬于環(huán)境空氣質(zhì)量二類區(qū)，監(jiān)測點位的布設(shè)滿足環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的要求，監(jiān)測方法按照《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范(試行)》及《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》(HJ653-2013)、《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》(HJ654-2013)的要求執(zhí)行。數(shù)據(jù)發(fā)布按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)、及《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)的有關(guān)規(guī)定發(fā)布日報。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

為了客觀分析巴中市城區(qū)PM2.5污染特征，研究數(shù)據(jù)源自巴中市四個國控監(jiān)測站點的PM2.5實際監(jiān)測值，包括了其他主要大氣污染物指標(biāo)。選取數(shù)據(jù)的時間范圍為2016年3月1日～2017年2月28日，包含了一個自然年的四個季節(jié)。

3 結(jié)果與討論

3.1 PM2.5 質(zhì)量濃度的分布規(guī)律

采用SPSS 和Excel軟件對2016 年3 月至2017 年2 月的PM2.5日均濃度進(jìn)行了統(tǒng)計分析并以5μg/m3為間隔進(jìn)行分組，統(tǒng)計出各組對應(yīng)的頻率，如圖1所示。日均PM2.5濃度值的單樣本K-S 檢驗的顯著性為0，PM2.5濃度值對數(shù)的檢驗顯著性為0.038，通過0.01 的顯著程度檢驗，表明巴中市城區(qū)PM2.5日平均質(zhì)量濃度不是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，但對數(shù)值大致接近正態(tài)分布特征。PM2.5日均濃度的分布區(qū)間較寬，為3～151μg/m3，說明各時間段的污染程度之間有較大差異。頻率最高的濃度區(qū)間為20～25μg/m3，其次為10～15μg/m3和15～20μg/m3，處于一個較低的濃度水平，但PM2.5濃度在35～40μg /m3時概率密度達(dá)到最大值1.52%，反映了PM2.5濃度的平均水平(37.3μg/m3)，略高于離空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(35μg/m3)。

圖1 PM2.5 日均濃度概率分布圖Fig.1 Probability distribution of daily mean PM2.5 concentrations

3.2 PM2.5與其他大氣污染物的相關(guān)分析

在較短時段或某次具體的事件中區(qū)域大氣細(xì)顆粒物可能受氣象要素影響較大，但從長時間的影響程度上看，細(xì)顆粒物的前體物是其主要的影響因子[9]。因此選取了其他大氣污染物作為相關(guān)因子進(jìn)行分析，PM10與PM2.5在測度上有包含關(guān)系，故相關(guān)性分析不作討論。分析之前將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除量綱影響，PM2.5分別和SO2、CO、NO2、O3的相關(guān)性見下表，結(jié)果表明，其他大氣污染物與PM2.5濃度的相關(guān)性都比較大，具有明顯的線性關(guān)系。與PM2.5相關(guān)系數(shù)從大到小依次是CO>NO2> SO2>O3。SO2、O3與PM2.5相關(guān)系數(shù)達(dá)0.45以上， CO、NO2與PM2.5相關(guān)系數(shù)則高達(dá)0.7以上，呈強(qiáng)相關(guān)，CO和NO2都與城市機(jī)動車尾氣污染具有緊密聯(lián)系[10-11]，表明機(jī)動車尾氣污染對PM2.5做出了主要貢獻(xiàn)。

表 PM2.5和其他主要大氣污染物質(zhì)量濃度線性回歸及相關(guān)性分析結(jié)果Tab. Results of linear regression and correlation analysis of PM2.5and the other main air pollutants

3.3 PM2. 5的季節(jié)變化特征及影響因素分析

巴中市城區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，不同季節(jié)的PM2.5濃度水平存在著差異，如圖2所示：冬季 PM2.5平均濃度最大為68.76μg/m3，是夏季(17.28μg/m3)的4倍，是秋季(32.24μg/m3)和春季(31.70μg/m3)的2倍多；冬季 PM2.5濃度范圍廣但高濃度概率較大，25%分位濃度高達(dá)44.75μg/m3，高于春、夏、秋季的75%分位濃度。PM2.5污染的變化規(guī)律表現(xiàn)為：冬季最嚴(yán)重，其次是春秋季節(jié)，污染最輕的為夏季。巴中市夏季太陽輻射強(qiáng)烈，地表溫度較高，2016年盛夏平均氣溫高達(dá)28.7℃，因此空氣對流與湍流強(qiáng)，可以促使細(xì)顆粒物PM2.5得到有效擴(kuò)散。夏季植被最繁茂，PM2.5吸附能力強(qiáng)，蒸騰作用可以增加空氣濕度，降低空氣溫度，形成有利于PM2.5沉降的有利氣候條件[12]。冬季太陽輻射弱，地表溫度最低，2016年季均溫度為8.6℃，抑制了空氣對流，加之盆地地形影響，逆溫天氣發(fā)生的頻率高且持續(xù)時間長，有利于PM2.5的累積[13]。冬季植被凋零，燃煤量大，降水稀少，城區(qū)全季降水總量僅為57.9mm，對PM2.5的清除作用不大，故冬季PM2.5污染程度最高。 春、秋季的氣溫、降雨以及植被覆蓋率都比冬季高，所以污染程度低于冬季。

圖2 PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of PM2.5 mass concentration

統(tǒng)計分析得到4個季節(jié)首要污染物是PM2.5的天數(shù)占比，如圖3所示：首要污染物是PM2.5的天數(shù)占比從高到低的排序為：冬季(83.3%)>秋季(33%)>春季(14.1%)>夏季(1.1%)，反映了各個季節(jié)的PM2.5污染狀況，與PM2.5質(zhì)量濃度的變化規(guī)律一致。首要污染物是PM2.5且空氣污染程度為輕度污染及以上的天數(shù)占比在冬季高達(dá)41.1%，而在春、夏、秋季則為0%，反映了PM2.5污染是冬季環(huán)境空氣質(zhì)量變差的主要原因。

PM2.5是PM10的重要細(xì)粒組成部分，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94，表明兩者在空氣中遵循相同的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。如圖3所示：PM2.5與PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)在夏、春季低于于秋、冬季節(jié)，這種差異與PM2.5污染程度緊密相關(guān)。PM2.5與PM10的比值作為受二次污染影響程度的表征指標(biāo)[14]，也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征：春季最低為0.535，反映了該地區(qū)大氣顆粒物中PM2.5所占比重較小，大氣顆粒物污染具有一定的復(fù)合性；其次是PM2.5污染程度最小的夏季為0.618，表明夏季的氣候條件對PM2.5與PM10兩者的稀釋、擴(kuò)散及沉降均有顯著效果；冬季達(dá)到最高0.717，表明冬季的污染排放強(qiáng)度和不利擴(kuò)散的氣候條件有利于PM2.5的二次轉(zhuǎn)化生成。

注：A代表首要污染物是PM2.5的天數(shù)；B代表首要污染物是PM2.5的污染天數(shù)

3.4 PM2.5的空間分布特征及影響因素分析

對巴中市城區(qū)市環(huán)保局點、巴中中學(xué)點、市職業(yè)中學(xué)點、蘇山坪點四個國控監(jiān)測站點的PM2.5日均濃度變化趨勢進(jìn)行對比分析，如圖4所示，這四個監(jiān)測站點的PM2.5變化趨勢一致，表現(xiàn)為2016年12月～2017年2月(冬季)的PM2.5濃度水平明顯高于其他月份且變化劇烈，2016年6月～2017年8月(夏季)的PM2.5濃度水平最低且平穩(wěn)。

圖4 不同監(jiān)測站點的PM2.5日平均濃度變化Fig.4 Daily mean PM2.5 concentration variation of different monitoring stations

空間差異率(COD) 值可評價2 個不同站點的濃度差異程度。COD 值越趨近于0 則表明2 個站點差異越小，越趨近于1則表明差異越大[15]。分別取不同站點全年的PM2.5日均濃度作為數(shù)據(jù)值，定量評價不同區(qū)域的差異程度，結(jié)果顯示各個站點相互關(guān)聯(lián)的COD 值很低，最小值為0.134(市環(huán)保局和職業(yè)中學(xué)站點)，最大值僅為0.210(巴中中學(xué)和職業(yè)中學(xué)站點)，各站點的PM2.5濃度差異非常小。另外，從各個站點相互關(guān)聯(lián)的COD 值分布圖來看，如圖5所示，各站點之間的差異程度比較均衡，表明PM2.5污染具有明顯的區(qū)域性特征，受局地源影響較小。

圖6 不同監(jiān)測站點PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal variation of PM2.5 mass concentration in different monitoring stations

從圖6可以看出，4個站點的PM2.5濃度表現(xiàn)出相同的季節(jié)變化規(guī)律即夏季<春季<秋季<冬季。其中比較明顯的是：巴中中學(xué)站點的PM2.5濃度無論在任何季節(jié)都高于其他站點。這是因為巴中中學(xué)站點位于老城區(qū)，屬于商混區(qū)，人口比較聚集，人類活動較其他三個區(qū)域強(qiáng)，機(jī)動車和燃煤等人為源的排放也較強(qiáng)，在相同氣象條件的情況下，較強(qiáng)的人為排放源可以增大了PM2.5的質(zhì)量濃度。蘇山坪站點位于郊區(qū)，人類活動較弱，其在冬季的PM2.5濃度明顯低于其他站點，表明在不利氣象條件下，局地污染源排放越小，PM2.5的濃度可以得到一定的控制。

4 結(jié) 論

4.1 在一個自然年內(nèi)，巴中市城區(qū)PM2.5日均質(zhì)量濃度不滿足標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，但對數(shù)值接近正態(tài)分布特征。頻率最高的濃度區(qū)間為20～25μg/m3，在35～40μg/m3時概率密度達(dá)到最大值。

4.2 PM2.5與其他大氣污染物的相關(guān)性大，具有明顯的線性關(guān)系。SO2、O3與PM2.5相關(guān)系數(shù)達(dá)0.45以上， CO、NO2與PM2.5相關(guān)系數(shù)則高達(dá)0.7以上，反映了巴中市城區(qū)機(jī)動車尾氣污染對PM2.5影響顯著。

4.3 在季節(jié)變化上，巴中市城區(qū)PM2.5污染受氣候條件和盆地地形影響，PM2.5平均濃度從高到底依次是冬季、秋季、春季、夏季，這與首要污染物是PM2.5的天數(shù)占比以及PM2.5和PM10相關(guān)系數(shù)的季節(jié)變化一致。首要污染物是PM2.5且空氣污染程度為輕度污染及以上的天數(shù)占比在冬季高達(dá)41.1%，而在其他季節(jié)均為0%。PM2.5與PM10的濃度比值從大到小依次是冬季、秋季、夏季、春季，春季最低為0.535，反映了該地區(qū)大氣顆粒物中PM2.5所占比重較大，夏季的氣候條件對PM2.5與PM10兩者的稀釋、擴(kuò)散及沉降均有明顯效果，冬季不利擴(kuò)散的氣候條件有利于PM2.5的累積。

4.4 巴中市城區(qū)4個監(jiān)測站點的PM2.5變化趨勢一致，相互之間濃度差異小且比較均衡，表明PM2.5污染具有明顯的區(qū)域性特征，受局地源影響較小。巴中中學(xué)站點的PM2.5濃度無論在任何季節(jié)都高于其他站點，蘇山坪站點在冬季的PM2.5濃度明顯低于其他站點，反映了與人類活動強(qiáng)度相關(guān)的局地污染對PM2.5污染具有一定影響。

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