李 娟，肖亮洪，郭 巖，黃宜耀，張宇烽，陳舒遲

(廣東省汕頭市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣東 汕頭 515041)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，環(huán)境空氣質(zhì)量惡化日趨嚴(yán)重，大氣顆粒物已成為我國(guó)大部分城市的首要大氣污染物。大氣細(xì)顆粒物與暴露人群的健康狀況有很強(qiáng)相關(guān)性[1-2]，也是引起能見(jiàn)度下降的主要因素[3-4]。尤其是以京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角為代表的城市群頻繁遭遇灰霾襲擊。灰霾天氣已經(jīng)成為一種常見(jiàn)的環(huán)境污染事件，因其對(duì)于能見(jiàn)度、人體健康以及全球氣候的影響，受到各方的廣泛關(guān)注[5]。

隨著汕頭市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生了一定程度的負(fù)面影響，灰霾天氣時(shí)有發(fā)生。研究表明，灰霾天氣的形成除受氣象條件的影響外，還與懸浮細(xì)顆粒物(PM2.5)的濃度直接相關(guān)[6]，因而弄清楚PM2.5的源排放特征是進(jìn)行來(lái)源解析、制定相應(yīng)法規(guī)、進(jìn)而實(shí)施相應(yīng)防控措施的必要前提[7]。本文選取汕頭市澄海區(qū)為研究對(duì)象，采用了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的在線高時(shí)間分辨率單顆粒氣溶膠飛行質(zhì)譜直接測(cè)量法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)源排放單個(gè)顆粒物的化學(xué)成分和粒徑大小，全面了解澄海區(qū)環(huán)境空氣顆粒物的變化，進(jìn)而判斷大氣污染成因，為政府決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和有力的科技支撐，因此開(kāi)展汕頭市澄海環(huán)境空氣細(xì)顆粒物源解析研究工作具有十分重要和現(xiàn)實(shí)的社會(huì)意義。

1 方 法

1.1 觀測(cè)點(diǎn)位

采樣點(diǎn)設(shè)置在汕頭市澄海區(qū)環(huán)保局六樓(汕頭市環(huán)境空氣國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn))，該測(cè)點(diǎn)距離地面高度約12 m，屬于居住區(qū)和商業(yè)區(qū)的混合區(qū)，受周邊人群活動(dòng)的局部影響較小。觀測(cè)時(shí)間為2015年3月14日17:00-3月23日9:00，歷時(shí)9天，24 h不間斷觀測(cè)。

1.2 儀器設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)試儀器為在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS0515，廣州禾信分析儀器有限公司)，是目前國(guó)際首臺(tái)細(xì)顆粒物在線源解析監(jiān)測(cè)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物實(shí)時(shí)在線源解析的唯一手段。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)顆粒物信息

監(jiān)測(cè)期間得到具有粒徑信息的顆粒物563.5萬(wàn)個(gè)，其中有正負(fù)質(zhì)譜圖的顆粒117萬(wàn)個(gè)。如圖1所示，監(jiān)測(cè)期間SPAMS采獲的小時(shí)顆粒數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致(相關(guān)系數(shù)R2為0.51)，說(shuō)明顆粒數(shù)的變化趨勢(shì)可一定程度上反映大氣顆粒物的污染狀況。

圖1 SPAMS小時(shí)顆粒數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)間變化趨勢(shì)圖

2.2 細(xì)顆粒物粒徑分析

澄海區(qū)顆粒粒徑分布如圖2所示，從圖2可以看出，細(xì)顆粒物粒徑主要分布0.32～0.88 μm，峰值出現(xiàn)在0.62 μm處，粒徑分布呈現(xiàn)較好的正態(tài)分布。

圖2 顆粒粒徑分布圖

2.3 整體細(xì)顆粒物成分分析

圖3 整體細(xì)顆粒物化學(xué)成分平均質(zhì)譜圖

澄海區(qū)大氣細(xì)顆粒物中的離子比例如表1所示，從表1可以看出，多數(shù)顆粒含有鉀離子、硫酸鹽和硝酸鹽，另外鈉離子、銨離子、氯離子、鈣離子和鐵離子的含量也都在10%以上，占比較高。

表1 大氣細(xì)顆粒物中的離子比例

2.4 總體細(xì)顆粒物分類結(jié)果

利用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法(Art-2a)對(duì)細(xì)顆粒物進(jìn)行了分類，分類過(guò)程中使用的分類參數(shù)為：相似度0.65，學(xué)習(xí)效率0.05。分類后，再經(jīng)過(guò)人工合并，最終確定了9類細(xì)顆粒物，分別為：元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、富鉀顆粒(K)、富鈉鉀顆粒(NAK)、重金屬(HM)、礦物質(zhì)(SIO3)、有機(jī)碳(OC)、高分子有機(jī)碳(HOC)以及左旋葡聚糖顆粒(LEV)。

澄海區(qū)細(xì)顆粒物分類結(jié)果如圖4所示，可看到首要細(xì)顆粒物類別為元素碳，占總細(xì)顆粒物的49.7%，其次是有機(jī)碳，占總細(xì)顆粒物的13.7%，第三位是混合碳，占總細(xì)顆粒物的9.5%，其他類細(xì)顆粒物占比相對(duì)較少。

圖4 細(xì)顆粒物分類結(jié)果

2.5 總體細(xì)顆粒物來(lái)源分析

基于監(jiān)測(cè)結(jié)果，參照《大氣顆粒物來(lái)源解析技術(shù)指南》，結(jié)合當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，按照環(huán)境管理需求對(duì)顆粒物排放源進(jìn)行分類，可將澄海區(qū)細(xì)顆粒物污染來(lái)源歸結(jié)為八大類，分別為海鹽、揚(yáng)塵源、生物質(zhì)燃燒源、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源、燃煤源、工業(yè)工藝源、純二次無(wú)機(jī)源和其他。

澄海區(qū)細(xì)顆粒物源分析結(jié)果如圖5所示，可看到首要污染源是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源，占總細(xì)顆粒物的32.3%，其次是燃煤源，占總細(xì)顆粒物的22.8%，第三位是工業(yè)工藝源，占總細(xì)顆粒物的12.3%，揚(yáng)塵源占比10%，其它源類貢獻(xiàn)率均在10%以下。

圖5 細(xì)顆粒物來(lái)源分析

2.6 污染源變化堆疊圖

監(jiān)測(cè)期間對(duì)澄海區(qū)各類污染源實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)和貢獻(xiàn)比例進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。圖中橫軸為時(shí)間，縱軸為各類源所占比例，在縱軸跨度越大，代表貢獻(xiàn)率越高。由圖6可看出：機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中為首要污染源，最高比例達(dá)到66.5%；燃煤源波動(dòng)較大，3月19日出現(xiàn)輕度污染天氣，且當(dāng)天燃煤源占比明顯高于其他顆粒源，出現(xiàn)最大峰值，是當(dāng)天的首要污染源。生物質(zhì)燃燒源在監(jiān)測(cè)期間變化幅度較大，最低和最高比例分別為0.6%和29.8%；揚(yáng)塵源、工業(yè)工藝源等在監(jiān)測(cè)期間變化不大。

圖6 細(xì)顆粒物來(lái)源比例時(shí)間序列

監(jiān)測(cè)期間，各源類細(xì)顆粒物數(shù)濃度時(shí)間序列如圖7所示。從圖7中可看出，隨時(shí)間推移各源顆粒數(shù)與顆粒物濃度變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為同增同減。在顆粒數(shù)累積上升的過(guò)程中，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源和燃煤源顆粒增加更為明顯。

圖7 各源類細(xì)顆粒物數(shù)濃度時(shí)間序列

2.7 機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源重點(diǎn)分析

監(jiān)測(cè)期間機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源占比隨時(shí)間變化如圖8所示，連續(xù)9天的監(jiān)測(cè)中，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源排放高峰時(shí)段基本都分布在每天早上8點(diǎn)左右或晚上6點(diǎn)之后，顯然主要是受到上下班車(chē)流高峰的影響。3月19日06：00-12：00期間，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)明顯的峰值，隨后濃度逐漸減低，而此期間機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源的濃度占比較低，結(jié)合圖6可知，該時(shí)段燃煤源的占比出現(xiàn)最大峰值，PM2.5質(zhì)量濃度主要受燃煤源的影響較大。其余時(shí)段，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)高峰，同時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源的占比均出現(xiàn)明顯上升，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源和PM2.5質(zhì)量濃度的整體變化趨勢(shì)較為一致，說(shuō)明在監(jiān)測(cè)期間該區(qū)PM2.5主要受機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣影響。

圖8 機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源比例及PM2.5質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化

3 結(jié) 論

(1)監(jiān)測(cè)期間SPAMS采獲的小時(shí)顆粒數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，一定程度上可反映大氣顆粒物的污染狀況；

(2)澄海區(qū)大氣細(xì)顆粒物中，多數(shù)顆粒含有鉀離子、硫酸鹽和硝酸鹽，鈉離子、銨離子、氯離子、鈣離子和鐵離子的含量也都在10%以上，占比較高；

(3)監(jiān)測(cè)期間，澄海區(qū)細(xì)顆粒物分類結(jié)果來(lái)看，首要細(xì)顆粒物類別為元素碳，占總細(xì)顆粒物的49.7%，其次是有機(jī)碳，占總細(xì)顆粒物的13.7%，第三位是混合碳，占總細(xì)顆粒物的9.5%，其他類細(xì)顆粒物占比相對(duì)較少；

(4)監(jiān)測(cè)期間，澄海區(qū)細(xì)顆粒物源解析結(jié)果來(lái)看，首要污染源是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源(32.3%)，其次是燃煤源(22.8%)，工業(yè)工藝源(12.3%)，揚(yáng)塵源(10%)，其它源類貢獻(xiàn)率均在10%以下；

(5)監(jiān)測(cè)期間，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源排放高峰時(shí)段基本都分布在每天早上8點(diǎn)左右及晚上6點(diǎn)之后，主要是受到上下班車(chē)流高峰的影響；

(6)監(jiān)測(cè)期間，3月19日出現(xiàn)輕度污染天氣，通過(guò)對(duì)發(fā)生的污染過(guò)程的數(shù)據(jù)綜合分析可基本確定，污染過(guò)程產(chǎn)生的主要原因是當(dāng)天風(fēng)速較低，出現(xiàn)氣象擴(kuò)散條件不利的情況，由于燃煤源排放的顆粒物富集過(guò)多導(dǎo)致的，因此在重污染天氣時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)燃煤源采取管控措施。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源在3月19日出現(xiàn)占比下降的趨勢(shì)，但其在大多數(shù)時(shí)間段均占比較高，尤其在上下班等高峰期對(duì)空氣質(zhì)量影響較為顯著，因此在重污染天氣或特殊時(shí)段也應(yīng)成為優(yōu)先考慮采取管控措施的對(duì)象。