趙秋月，陳 鳳，李慧鵬，陳 東，張 妍

（江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036）

0 引言

江蘇省是航運(yùn)大省，內(nèi)河水運(yùn)發(fā)達(dá)，登記在冊(cè)的船舶超過(guò)5 萬(wàn)艘，常年在江蘇水域航行、停泊、作業(yè)的外省籍運(yùn)輸船舶也近5 萬(wàn)艘。長(zhǎng)江江蘇段以長(zhǎng)江通航里程1/7 的長(zhǎng)度，承擔(dān)超過(guò)長(zhǎng)江全線70%的貨運(yùn)量，365 km 的干線航道上分布了7 個(gè)億t 級(jí)大型港口和400 多個(gè)萬(wàn)t 級(jí)以上泊位，年均進(jìn)、出港船舶達(dá)到250 萬(wàn)艘次。大量航運(yùn)帶來(lái)物流運(yùn)輸便捷與低成本的同時(shí)，船舶污染給大氣環(huán)境質(zhì)量改善也帶來(lái)較大壓力。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)2019》 顯示：2018年我國(guó)船舶排放的二氧化硫（SO2）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）分別為58.8，8.9，151.1 和10.9 萬(wàn)t，其中NOx和PM 分別占移動(dòng)源排放總量的13%和12%，影響顯著。

船舶引擎以柴油機(jī)為主，排放的尾氣污染物成分復(fù)雜，包括NOx，SOx，CO，CO2，HC，PM 等，其中NOx和SOx為主要污染物，IMO 將其列為首要控制的船舶尾氣污染物[1-2]。SO2全部由燃料中的硫轉(zhuǎn)化而來(lái)，所以尾氣中的SO2只與燃油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，而與發(fā)動(dòng)機(jī)功率、類型等無(wú)關(guān)。NOx主要來(lái)自于空氣中N2的氧化，燃燒和高壓環(huán)境更容易促進(jìn)其產(chǎn)生。當(dāng)這些污染物質(zhì)隨大氣向內(nèi)陸進(jìn)行遷移，就可能加重城市的空氣污染狀況，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成危害[3-4]。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)、外許多學(xué)者都已開始重視船舶污染問(wèn)題[5-6]，相繼開展了船舶排放測(cè)試[7-8]、清單編制[9-10]、健康與氣候影響評(píng)估[11]等相關(guān)研究，但對(duì)內(nèi)河航道空氣質(zhì)量的實(shí)測(cè)研究尚未見報(bào)道[12-14]。2018年底國(guó)家交通運(yùn)輸部發(fā)布了《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，表明我國(guó)政府管理部門對(duì)船舶排放控制與減排的決心，隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，水運(yùn)業(yè)將更加繁榮，由此帶來(lái)的船舶大氣污染問(wèn)題也將更加突出。對(duì)長(zhǎng)江、內(nèi)河大氣污染狀況開展較全面的摸底監(jiān)測(cè)，研究其污染特征及變化規(guī)律，可為大氣污染控制政策的制定提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江江蘇段走航從南京浦口公園龍?zhí)陡燮鸷剑刃旭傊聊暇┡c安徽交界處，再折返順流而下，途經(jīng)南京、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、泰州、常州、無(wú)錫、南通、蘇州，最后行駛至太倉(cāng)瀏河入長(zhǎng)江口，在江蘇省境內(nèi)完成一個(gè)全航段的走航觀測(cè)，具體路線見圖1。

圖1 走航觀測(cè)線路示意

1.2 觀測(cè)設(shè)備和方法

為掌握長(zhǎng)江江蘇段大氣污染情況，采用船舶走航移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行走航觀測(cè)，該平臺(tái)由氣象觀測(cè)系統(tǒng)、大氣成分觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)等組成。船舶走航移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)常規(guī)6 參數(shù)分別采用Thermo 43i 型SO2分析儀、17i 型氨分析儀、49i 型O3分析儀、48i 型CO 分析儀及5014i 型顆粒物監(jiān)測(cè)儀等儀器測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中SO2，NO2，O3，CO，PM2.5和PM10的濃度。研究時(shí)段為2019年8月24～31日共8 d，連續(xù)24 h 在線觀測(cè)。研究采用的國(guó)控站點(diǎn)常規(guī)污染物監(jiān)測(cè)值來(lái)自江蘇省生態(tài)環(huán)境廳生態(tài)監(jiān)控中心的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

采樣設(shè)備為武漢天虹TH-16A 型4 通道大氣顆粒物智能采樣儀；采樣濾膜為47 mm 的聚丙烯濾膜和石英濾膜，聚丙烯膜用于無(wú)機(jī)元素分析，石英膜用于碳和離子組分分析。采樣時(shí)間為每日上午09:00至次日上午08:00，每個(gè)樣品采樣時(shí)長(zhǎng)為23 h（特殊天氣除外，視污染程度而定），采樣完成后將樣品置于冰箱保存。利用離子色譜法分析NH4+，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，SO42-，PO43-，Cl-，NO3-和Br-等10 種水溶性離子組分；利用DRI Model 2015 多波長(zhǎng)熱/光學(xué)碳分析儀和IMPROVE 熱光反射實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行碳組分分析；采用XRF-1800 型X 射線熒光光譜儀（日本島津）測(cè)定顆粒物樣品中Li，Be，Sc，Ti，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Ga，Ge，As，Se，Sr，Mo，Pd，Cd，Sn，Cs，Ba，Pb 和Bi 等22 種無(wú)機(jī)元素含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)江江蘇段大氣總體污染水平

利用環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI值）對(duì)走航途經(jīng)的7 個(gè)江段進(jìn)行空氣質(zhì)量綜合對(duì)比，走航沿途城市空氣質(zhì)量狀況見圖2。由圖2 可以看出，走航觀測(cè)期間，空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良（AQI值在0～100）的僅有長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段、揚(yáng)州段和泰州段，長(zhǎng)江南京段、無(wú)錫段為輕度污染（AQI值在101～150），而長(zhǎng)江南通段、蘇州段達(dá)到中度污染水平（AQI值在151～200），首要污染物主要是NO2和O3。

圖2 走航沿途城市空氣質(zhì)量狀況

2.2 長(zhǎng)江江蘇段大氣污染物的污染特征

為進(jìn)一步識(shí)別長(zhǎng)江江蘇段大氣污染程度，將主要污染物的走航監(jiān)測(cè)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表1。并將其與國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日均值進(jìn)行對(duì)比可知，觀測(cè)期間長(zhǎng)江南京段NO2超標(biāo)54%；而O3除了鎮(zhèn)江段、揚(yáng)州段、泰州段外其余江段均超標(biāo)，尤其蘇州段超標(biāo)39%，其他污染物均達(dá)標(biāo)。與距離江面最近的國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)平均值進(jìn)行對(duì)比，江面大氣污染物濃度普遍高于最近國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)值。

表1 走航觀測(cè)平均值與最近國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)污染物濃度統(tǒng)計(jì)

長(zhǎng)江江蘇段走航監(jiān)測(cè)平均值與周邊最近國(guó)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)平均值見圖3。由圖3 可以看出，SO2，NO2，O3，PM2.5，PM10和CO 等6 項(xiàng)污染物的走航監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度平均值分別為18.7，76.0，169.3，30.9，50.50 μg/m3和1.035 mg/m3，比周邊最近的國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)平均值分別高出146%，214%，48%，33%，25%和50%，說(shuō)明NO2，SO2，CO 和O3是長(zhǎng)江江蘇段大氣污染的主要污染因子。

圖3 長(zhǎng)江江蘇段走航監(jiān)測(cè)平均值與周邊最近國(guó)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)平均值

2.3 長(zhǎng)江江蘇段大氣污染物空間分布特征

由于走航觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)反映了時(shí)間和空間的變化，按照走航所經(jīng)地區(qū)進(jìn)行時(shí)間平均，則可以反映空間上的變化[15]。根據(jù)走航監(jiān)測(cè)平均值超出周邊最近國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)平均值比例在100%～200%為較嚴(yán)重，超出比例大于200%為很嚴(yán)重，從而識(shí)別污染高值區(qū)空間分布。

長(zhǎng)江江蘇段船舶走航大氣污染物濃度分布示意見圖4。由圖4 可以看出，觀測(cè)期間長(zhǎng)江南京段SO2的影響最為顯著，SO2指標(biāo)主要與使用燃油的硫的百分含量有關(guān)，由此反映出沿江區(qū)域船用油品質(zhì)量問(wèn)題；NO2在全航段污染都較為嚴(yán)重；O3，PM2.5，PM10和CO 在鎮(zhèn)江段、揚(yáng)州段、泰州段一帶均出現(xiàn)高值，同時(shí)O3污染在泰州至蘇州段影響也較為明顯。

圖4 長(zhǎng)江江蘇段船舶走航大氣污染物濃度分布示意

2.4 長(zhǎng)江江蘇段PM2.5 化學(xué)組成特征

觀測(cè)期間長(zhǎng)江江蘇段測(cè)得水溶性離子、碳組分及主要元素在PM2.5中的平均質(zhì)量濃度分別為23.55，8.79，0.58 μg/m3，占比分別為60.98%，22.76%，1.5%。以南通超級(jí)站（2020年8月）手工采樣數(shù)據(jù)作為陸域?qū)φ罩?，水溶性離子、碳組分及主要元素在PM2.5中的平均質(zhì)量濃度分別為14.17，5.33，1.08 μg/m3，占比分別為57.93%，21.79%，4.39%。兩者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，江域的水溶性離子和碳組分質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于陸域，說(shuō)明江域受船舶污染排放及沿江工業(yè)排放等的影響更大。江域與陸域PM2.5化學(xué)組成對(duì)比見表2。

表2 江域與陸域PM2.5 化學(xué)組成對(duì)比

為進(jìn)一步探究污染特征，對(duì)觀測(cè)期間ρ（SO42-）和ρ（NO3-）比值特征進(jìn)行分析。一般情況下，NO3-/SO42-代表移動(dòng)源和燃煤源的特征[16]。江域和陸域的ρ（NO3-）/ρ（SO42-）分別為0.65 和0.66，說(shuō)明含硫油品或燃煤對(duì)其影響較大。

通常EC 被認(rèn)為來(lái)源于一次排放[17]，OC 既來(lái)自一次排放也來(lái)自二次轉(zhuǎn)化，二次生成的OC 主要由氣態(tài)碳?xì)浠衔锝?jīng)過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生[18]。兩者相關(guān)性研究可用來(lái)初步判定來(lái)源的一致性和穩(wěn)定性[18]，江域和陸域測(cè)得OC 和EC 的線性關(guān)系見圖5。

圖5 PM2.5 中OC，EC 擬合關(guān)系

由圖5 可以看出，R2值分別達(dá)到0.48，0.61，說(shuō)明OC 和EC 來(lái)源較為一致。

OC 與EC 的濃度比常被用來(lái)評(píng)價(jià)顆粒物的來(lái)源和二次有機(jī)物的形成。研究認(rèn)為：如ρ（OC）/ρ（EC）大于2，則認(rèn)為存在二次污染[19]。江域與陸域的ρ（OC）/ρ（EC）分別為1.56，1.73，小于2，說(shuō)明只存在一次污染，應(yīng)以控制一次污染排放為主。

從元素組分來(lái)看，通常認(rèn)為Ca 主要來(lái)自建筑揚(yáng)塵，Si，F(xiàn)e，Al 等主要來(lái)自土壤揚(yáng)塵，Mn，Pb，Se，As，Cu等則主要由工業(yè)以及燃燒等人為源貢獻(xiàn)。江域同樣受揚(yáng)塵影響，但相關(guān)元素濃度遠(yuǎn)低于陸域，還可能受沿岸堆場(chǎng)及裸土的影響；江域中Mn，Pb 等濃度高于陸域，推斷原因受船舶污染排放和沿江工業(yè)排放等影響。

3 結(jié)論

（1）走航觀測(cè)期間，空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良（AQI值在0～100）的僅有長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段、揚(yáng)州段和泰州段，長(zhǎng)江南京段、無(wú)錫段為輕度污染（AQI值在101～150），而長(zhǎng)江南通段、蘇州段達(dá)到中度污染（AQI值在151～200），主要污染物為NO2和O3。

（2）長(zhǎng)江江蘇段航道主要大氣污染物濃度普遍高于最近國(guó)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)值，SO2，NO2，O3，PM2.5，PM10和CO 等6 項(xiàng)污染物走航監(jiān)測(cè)平均值比周邊最近的國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)平均值分別高出146%，214%，48%，33%，25%和50%。

（3）觀測(cè)期間長(zhǎng)江南京段SO2的影響最為顯著，一定程度上反映出沿江區(qū)域船用油品的質(zhì)量問(wèn)題；NO2在全航段污染都較為嚴(yán)重；O3，PM2.5，PM10和CO 等的走航監(jiān)測(cè)平均值在鎮(zhèn)江段、揚(yáng)州段、泰州段一帶普遍較高，O3污染在泰州段至蘇州段影響也較為明顯。

（4）江域中水溶性離子和碳組分濃度遠(yuǎn)高于陸域，說(shuō)明江域受船舶污染排放和沿江工業(yè)排放等影響更大，其中ρ（NO3-）/ρ（SO42-）比值較小，說(shuō)明含硫油品影響較大，同時(shí)江域還受沿岸堆場(chǎng)及裸土的影響，OC，EC 相關(guān)性及其比值特征也表明應(yīng)以控制一次污染排放為主。

（5）總體上長(zhǎng)江江蘇段船舶污染排放對(duì)空氣質(zhì)量影響較大，同時(shí)沿線工業(yè)企業(yè)和港口碼頭的污染排放影響也較為顯著，建議應(yīng)加強(qiáng)對(duì)船舶污染排放的日常監(jiān)管，推動(dòng)船舶清潔化改造，強(qiáng)化對(duì)沿江企業(yè)、港口碼頭的污染排查與整治工作。