彭 潔，董發(fā)勤,2，霍婷婷，李海龍，李冬坤

(1. 西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010； 2. 西南科技大學(xué) 固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程加劇，大氣氣溶膠的污染狀況日益嚴(yán)重，中國(guó)嚴(yán)重的氣溶膠污染問(wèn)題已越來(lái)越引起全世界的廣泛關(guān)注(肖悅等，2018)?；?016年中國(guó)361個(gè)城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)全國(guó)空氣質(zhì)量在空間變化上整體呈現(xiàn)出由南到北逐漸下降的趨勢(shì)，PM10(粗顆粒物)與PM2.5(細(xì)顆粒物)成為北方城市氣溶膠污染的罪魁禍?zhǔn)?彭艷梅等，2013； 鄭潤(rùn)琴，2015)。PM10與PM2.5對(duì)人體和環(huán)境的危害很大，尤其是PM2.5，能夠通過(guò)鼻腔進(jìn)入人體肺泡和血液中，對(duì)呼吸系統(tǒng)、心血管等系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，從而誘發(fā)各種呼吸道疾病和癌癥(Kongetal.，2013)。氣溶膠顆粒物還能吸收和散射太陽(yáng)光線，減小地球表面的熱通量，降低能見(jiàn)度，導(dǎo)致灰霾現(xiàn)象日益增多等。因此，開(kāi)展大氣顆粒物污染特征，找尋大氣顆粒物污染變化規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步研究氣溶膠顆粒物污染具有重要意義。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)城市環(huán)境空氣中大氣顆粒物的污染及變化進(jìn)行了研究。大氣顆粒物可以經(jīng)歷成核、凝結(jié)、化學(xué)老化、溶解-沉淀等大氣過(guò)程，產(chǎn)生復(fù)雜的多組分氣溶膠，還會(huì)引發(fā)非均相化學(xué)反應(yīng)(Anetal.，2013)。顆粒物中的礦物顆粒作為大氣環(huán)境中最活躍的氣溶膠粒子(Sossoetal.，2016)，既是大氣顆粒物的重要組成，又可以為二次顆粒物的形成提供活性場(chǎng)所。Duan等(2006)在對(duì)北京市PM2.5質(zhì)量濃度變化特征的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物濃度2月和10月為全年最高，白天PM2.5質(zhì)量濃度顯著低于夜間，且PM10和PM2.5日均濃度變化均呈現(xiàn)“W”型。細(xì)顆粒物與可吸入顆粒物濃度比值為冬季最高而春季最低，這可能是由于北方城市冬季采暖對(duì)細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)更大，春季多沙塵天氣而對(duì)粗顆粒物的貢獻(xiàn)更為明顯(楊復(fù)沫等，2002)。蘭州PM2.5、PM10超標(biāo)率分別為32.3%～167.7%和23.1%～48.0%，其中細(xì)顆粒物在粗顆粒物中的占比一直高于60%，細(xì)顆粒物污染狀況嚴(yán)重(瞿德業(yè)等，2013)。冬季貴陽(yáng)城區(qū)的PM10和PM2.5濃度較郊區(qū)更高，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)二者污染來(lái)源大致相同(王永紅等，2016)。

隨著《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)、《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》即“大氣十條”、《打響藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等一系列大氣污染防治措施的出臺(tái)，我國(guó)大氣污染治理總體上成效顯著，2017年全國(guó)338個(gè)地級(jí)及以上城市可吸入顆粒物平均濃度比2013年下降22.7%，京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角區(qū)域細(xì)顆粒物平均濃度比2013年分別下降39.6%、34.3%、27.7%。但我國(guó)北方中西部地區(qū)顆粒物污染形勢(shì)仍然不容樂(lè)觀，較嚴(yán)重的污染主要集中在盆地城市，包括蘭州、銀川、臨汾、太原、南陽(yáng)。2016年，蘭州、銀川、臨汾、太原PM2.5濃度相比2015年上升了3.8%、9.8%、25.4%、6.5%，其中，臨汾繼2016年P(guān)M2.5不降反升、未達(dá)到年度目標(biāo)后，2017年P(guān)M2.5年均濃度繼續(xù)上升12%至83 μg/m3(亞洲清潔空氣中心，2016(1)亞洲清潔空氣中心. 2016. 大氣中國(guó)： 中國(guó)大氣污染防治進(jìn)程.)；南陽(yáng)市受盆地地形以及城市自身發(fā)展的影響，從2013年以來(lái)霧霾次數(shù)不斷增多，持續(xù)時(shí)間不斷增長(zhǎng)，據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境公報(bào)顯示，細(xì)顆粒物是南陽(yáng)的首要污染物，其次為可吸入顆粒物(尹延震等，2018)。

目前，對(duì)大氣顆粒物污染特征的研究常是局限于單個(gè)城市或特定時(shí)段的污染特征，結(jié)合盆地地形、多年度及多個(gè)城市的系統(tǒng)分析研究尚不多見(jiàn)。本研究選取蘭州、銀川、臨汾、太原、南陽(yáng)5個(gè)城市作為我國(guó)北方中小型盆地城市代表，利用中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)發(fā)布的數(shù)據(jù)，分析5個(gè)城市2014～2018年P(guān)M2.5和PM10的濃度變化規(guī)律，并初步探討造成其濃度變化差異的原因，建立PM2.5和PM10的相關(guān)性分析回歸方程式，以反映其PM10與PM2.5的污染狀況以及整體污染趨勢(shì)，為全面衡量其PM10與PM2.5污染情況提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，網(wǎng)址https://www.aqistudy.cn/historydata/monthda-ta.php?city=。

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5日均濃度值標(biāo)準(zhǔn)為75 μg/m3，年均濃度值標(biāo)準(zhǔn)為35 μg/m3；PM10日均濃度值標(biāo)準(zhǔn)為150 μg/m3，年均濃度值標(biāo)準(zhǔn)為70 μg/m3。

2 2014～2018年顆粒物超標(biāo)狀況

2.1 PM10和PM2.5年平均濃度超標(biāo)率分析

如圖1所示，2014～2018年除2018年銀川PM2.5濃度達(dá)標(biāo)之外，其余情況均超標(biāo)。通過(guò)對(duì)比PM10和PM2.5年均濃度超標(biāo)率，發(fā)現(xiàn)蘭州和銀川PM10濃度超標(biāo)率高于PM2.5濃度超標(biāo)率，蘭州PM10和PM2.5濃度超標(biāo)率總體呈遞減的趨勢(shì)，銀川PM10濃度超標(biāo)率總體呈遞減趨勢(shì)，而PM2.5濃度超標(biāo)率不降反增；臨汾和南陽(yáng)PM2.5濃度超標(biāo)率高于PM10濃度超標(biāo)率，南陽(yáng)PM10和PM2.5濃度超標(biāo)率總體呈逐年遞減趨勢(shì)，2018年P(guān)M2.5濃度超標(biāo)率出現(xiàn)回升；臨汾PM10呈逐年遞增趨勢(shì)；臨汾PM2.5、太原PM10和PM2.5濃度超標(biāo)率波動(dòng)不大，逐年穩(wěn)定維持在一個(gè)高超標(biāo)率數(shù)值附近。由此可見(jiàn)我國(guó)北方中小盆地城市PM10和PM2.5污染情況還相當(dāng)嚴(yán)峻，不容樂(lè)觀。

圖 1 2014～2018年蘭州、銀川、臨汾、太原、南陽(yáng)PM10和PM2.5年平均濃度超標(biāo)率Fig. 1 Excess ratio of annual average PM10 and PM2.5 concentrations in the basins of Lanzhou, Yinchuan, Linfen, Taiyuan and Nanyang during 2014～2018

2.2 年均PM10和PM2.5濃度超標(biāo)天數(shù)分析

5個(gè)中小盆地城市2014～2018年P(guān)M10和PM2.5濃度超標(biāo)天數(shù)如表1。由表1可知，2014～2018年5個(gè)小盆地城市PM10和PM2.5濃度超標(biāo)天數(shù)在12至152天不等，5年內(nèi)PM10平均超標(biāo)天數(shù)比率(剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后，超標(biāo)天數(shù)/全年總監(jiān)測(cè)天數(shù)即為一年的超標(biāo)天數(shù)比率，再取5年的平均值)為：蘭州18.92%、銀川13.80%、臨汾17.76%、太原28.36%、南陽(yáng)24.66%，5年內(nèi)PM2.5平均超標(biāo)天數(shù)比率為： 蘭州14.50%、銀川11.90%、臨汾29.1%、太原29.66%、南陽(yáng)29.60%，由此可見(jiàn)，我國(guó)北方5個(gè)中小盆地城市PM10和PM2.5污染天數(shù)均占據(jù)相當(dāng)大的比例，大氣顆粒物污染態(tài)勢(shì)不容忽視。

表 1 PM10及PM2.5濃度超標(biāo)天數(shù) 天Table 1 The number of days when PM10 and PM2.5 exceeded the standard

3 顆粒物濃度的時(shí)間變化特征

3.1 年變化特征

如圖2所示，5個(gè)城市空氣質(zhì)量總體偏差。2014～2018年5市PM10和PM2.5年平均濃度變化特征具有明顯的差異，蘭州、銀川和南陽(yáng)PM10和PM2.5年平均濃度整體呈逐年下降趨勢(shì)，南陽(yáng)下降最明顯，與2014年相比，南陽(yáng)2018年P(guān)M10濃度下降36.88%、PM2.5濃度下降34.85%，說(shuō)明南陽(yáng)顆粒物污染治理成效顯著，這得益于2013年來(lái)國(guó)家實(shí)施的一系列大氣污染防控措施，不斷強(qiáng)化對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、工業(yè)廢氣、道路和工地?fù)P塵、燃煤鍋爐等方面的治理(陳芳等，2019)。臨汾PM10和PM2.5年平均濃度總體呈逐年上升趨勢(shì)，相比2014年，2018年P(guān)M10濃度上升了30.10%、PM2.5濃度上升13.02%；太原PM10和PM2.5年平均濃度一直維持在一個(gè)高濃度狀態(tài)。污染形勢(shì)最為嚴(yán)峻的臨汾和太原都位于山西省，山西作為煤炭大省，又是我國(guó)重要的能源重化工基地，煤炭冶金、機(jī)械等支柱性產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中排放出大量的顆粒物，導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染(閆雨龍等，2010)。2017年1月初山西全省開(kāi)始實(shí)施“煤改電”，這一舉措雖很有意義，但環(huán)境治理成效緩慢。

3.2 月變化特征

如圖3所示，5個(gè)城市PM10月均濃度在65～195.4 μg/m3之間，PM2.5月均濃度在30.6～131.4 μg/m3之間。PM10和PM2.5濃度的月變化趨勢(shì)相同，1～3月、11～12月維持在一個(gè)高濃度水平，4～10月濃度較低，呈兩邊高、中間低的“U”型分布。從四季劃分看，1、2、12月屬冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季。5個(gè)城市PM10和PM2.5濃度峰值主要出現(xiàn)在1月、11月、12月(冬)，夏、秋季顆粒物污染較輕，不同于胥密等(2016)報(bào)道的北京市全年污染最嚴(yán)重的月份出現(xiàn)在2月，5～9月污染較輕，與Chai等(2014)研究的北方城市顆粒物濃度的峰值出現(xiàn)在1月一致。

由圖3可直觀發(fā)現(xiàn)PM10、PM2.5的濃度呈現(xiàn)冬季高，夏秋低。冬季峰值的出現(xiàn)說(shuō)明北方冬季燃煤供暖是造成該季節(jié)顆粒物污染嚴(yán)重的主要因素。另一方面，冬季大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,邊界層和氣溫低，降水少，靜穩(wěn)天氣多，加之盆地環(huán)境較為封閉，易形成逆溫層，而不利于污染物擴(kuò)散，使污染物積累增多，因此，冬季成為我國(guó)灰霾高發(fā)的主要季節(jié)。夏、秋季北方降水增多，空氣濕度增大，大氣濕沉降增多，污染物來(lái)源量減小(相對(duì)于冬季)，空氣質(zhì)量自然相對(duì)較好。就PM10和PM2.5月均濃度的分布而言，高濃度值主要出現(xiàn)在冬季。因此冬季應(yīng)成為顆粒物污染的嚴(yán)控時(shí)段(薛國(guó)強(qiáng)等，2014)。

3.3 PM10和PM2.5的濃度比值

PM2.5/PM10值代表PM10中PM2.5的含量，是反映地區(qū)粗細(xì)顆粒物分布特征、來(lái)源的重要指標(biāo)。PM2.5多為二次顆粒物，PM10多為一次顆粒物(王濤等，2017)。由圖4可知，臨汾、南陽(yáng)PM2.5/PM10值最高分別為0.57～0.65、0.52～0.62，均大于0.5(過(guò)半)，說(shuō)明臨汾和南陽(yáng)細(xì)顆粒物污染更為嚴(yán)重；臨汾PM2.5/PM10值呈反復(fù)波動(dòng)的年變化趨勢(shì)，2014年最大，為0.65；南陽(yáng)PM2.5/PM10值呈“U”型變化趨勢(shì)，2018年最高，為0.62。太原2017年以前以細(xì)顆粒物污染為主，之后以粗顆粒物污染為主。蘭州和銀川PM2.5/PM10值均低于0.5，說(shuō)明兩市顆粒物污染以粗顆粒物為主。由圖5可知，PM2.5/PM10值峰值主要出現(xiàn)在1月、2月、7月、11月、12月(冬、夏)，PM2.5/PM10谷值出現(xiàn)在4月、10月(春、秋)。PM2.5/PM10值變化規(guī)律整體呈“W”型，冬季>夏季>秋季>春季。

圖 2 2014～2018年蘭州、銀川、臨汾、太原、南陽(yáng)PM10和PM2.5年平均濃度Fig. 2 Comparison of annual average PM10 and PM2.5 concentrations in the basins of Lanzhou, Yinchuan, Linfen, Taiyuan and Nanyang during 2014～2018

圖 3 2014～2018年蘭州、銀川、臨汾、太原、南陽(yáng)PM10和PM2.5月平均質(zhì)量濃度變化Fig. 3 Monthly average PM10 and PM2.5 concentrations in the basins of Lanzhou,Yinchuan, Linfen,Taiyuan and Nanyang during 2014～2018

圖 4 PM2.5/PM10濃度比值逐年變化 圖 5 PM2.5/PM10濃度比值逐月變化Fig. 4 The variation of ratio of PM2.5/PM10 year by year Fig. 5 The variation of ratio of PM2.5/PM10 month by month

春秋兩季濃度比值較低是因?yàn)榇杭臼茱L(fēng)沙揚(yáng)塵影響較大，沙塵主要是粒徑大于2.5 μm的粗顆粒物；秋季受建筑施工影響，項(xiàng)目為趕在冬季之前完成年度施工任務(wù)，施工強(qiáng)度較大，造成的粗顆粒物污染更為嚴(yán)重(郝明途等，2006)，此外秋季正值農(nóng)作物成熟時(shí)節(jié)，秸稈焚燒現(xiàn)象頻繁，產(chǎn)生較多的PM10(黃仁東等，2015)，沙塵源和秸稈焚燒源顯著抬升PM10濃度，導(dǎo)致PM2.5/PM10濃度比值降低。夏季濃度比值較高是因?yàn)橄募竟饣瘜W(xué)煙霧多發(fā)，高溫和光照均有利于二次顆粒物的生成，同時(shí)夏季雨季降水頻繁，降水對(duì)空氣中PM10的清除作用較PM2.5而言更大；冬季濃度比值較高是因?yàn)楸狈蕉救济喝∨^(guò)程排放的SO2、NOx和NH3等氣態(tài)污染物通過(guò)在大氣顆粒物表面發(fā)生非均相反應(yīng)生成硫酸鹽等二次顆粒物，硫酸鹽是大氣顆粒物的主要成分之一，占我國(guó)PM2.5含量的10%～30%(Yangetal.，2011)。由于細(xì)顆粒物對(duì)人體健康的危害更大(Maetal.，2011)，所以應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大氣顆粒物在冬季和夏季對(duì)北方人群的健康風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 PM10和PM2.5相關(guān)性分析

圖6可見(jiàn)，PM10和PM2.5濃度之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2均較高：蘭州0.826 2、銀川0.805 9、臨汾0.936 0、太原0.747 3、南陽(yáng)0.947 6，R2(南陽(yáng))>R2(臨汾)>R2(蘭州)>R2(銀川)>R2(太原)，說(shuō)明南陽(yáng)市的粗細(xì)顆粒物間相關(guān)性最顯著，太原最不顯著。方程斜率代表可吸入顆粒物中細(xì)粒子的含量，它可以反映顆粒物的污染水平，顆粒物中細(xì)顆粒占比越大，污染水平越高。通常認(rèn)為方程斜率值在30%～40%屬于輕度污染，在50%～70%之間屬重度污染(覃國(guó)榮，2014)。2014～2018年間各市PM2.5占PM10的質(zhì)量載荷分別為56.74%、65.28%、85.57%、75.06%、78.70%，細(xì)粒子在PM10中占據(jù)了一半以上的比重，均為重度污染；且各市質(zhì)量載荷大小順序?yàn)榕R汾>南陽(yáng)>太原>銀川>蘭州，即臨汾市顆粒物中細(xì)顆粒物占比最大，蘭州最小。細(xì)粒子占比越大，則對(duì)人體和環(huán)境的潛在影響就越大。

圖 6 PM10濃度和PM2.5度相關(guān)回歸關(guān)系Fig. 6 Correlation and regression of PM10 and PM2.5 concentrations

4 結(jié)論

我國(guó)北方5個(gè)典型中小盆地城市2014～2018年P(guān)M10和PM2.5濃度變化有以下特征：

(1) 除了銀川2018年P(guān)M2.5年均濃度值達(dá)標(biāo)外，其余城市各年份PM10和PM2.5濃度均超過(guò)國(guó)家年均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。蘭州、銀川和南陽(yáng)PM10與PM2.5濃度呈逐年下降趨勢(shì)；南陽(yáng)下降最明顯；臨汾PM10與PM2.5濃度呈逐年上升趨勢(shì)；太原PM10與PM2.5穩(wěn)定維持在一個(gè)高濃度狀態(tài)。

(2) PM2.5和PM10濃度的季節(jié)變化特征相同：冬季高、夏秋低。冬季濃度高主要受冬季取暖及不利污染物擴(kuò)散的氣象因素影響；春季濃度高源于北方頻繁的沙塵天氣；夏秋濃度低是由于降水多，顆粒物濕沉降增多。

(3) 對(duì)PM2.5/PM10逐年變化而言，臨汾和南陽(yáng)比值最大，均大于0.5；蘭州和銀川比值均小于0.5，太原大于和小于0.5年份都有。PM2.5/PM10的季節(jié)變化：冬季>夏季>秋季>春季，冬夏季比值高受取暖和降水的影響，春秋季受沙塵和秸稈焚燒及建筑施工的影響；且5個(gè)城市主要顆粒物污染類(lèi)型不同：蘭州和銀川以粗顆粒物為主，臨汾和南陽(yáng)以細(xì)顆粒物為主，太原2017年之前以細(xì)顆粒物為主，之后是粗顆粒，這主要是由氣候、盆地地形及人為因素共同導(dǎo)致。

(4) 5個(gè)城市PM2.5和PM10濃度的相關(guān)性均良好，太原相關(guān)系數(shù)為0.747 3，其余四季均大于0.8，說(shuō)明PM2.5為大氣污染物的主要成分；各市細(xì)顆粒物占比大小順序： 臨汾>南陽(yáng)>太原>銀川>蘭州；細(xì)顆粒物占比越大，則對(duì)人體和環(huán)境的潛在影響就越大。