鄭尼娜,徐雅琦,潘玲陽

(安徽新華學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,安徽 合肥 230088)

二氧化硫(SO2)是一種常見的大氣污染物,主要來源于工業(yè)生產(chǎn)過程中化石燃料的燃燒[1].SO2在光化學(xué)氧化劑的作用下可轉(zhuǎn)化為硫酸[2]和硫酸鹽氣溶膠,這是環(huán)境酸化的重要前體[3-4],也是霧霾污染的元兇之一[5].高質(zhì)量濃度的SO2會對人體產(chǎn)生不利影響[6-7],主要表現(xiàn)為對呼吸道和肺部的強烈刺激.臭氧(O3)作為大氣中重要的氧化劑之一.在對流層中,O3主要由其前體污染物[8](如氮氧化物和揮發(fā)性有機化合物VOCs等)[9-10]的光化學(xué)反應(yīng)生成.若空氣中持續(xù)存在高質(zhì)量濃度O3,則容易造成光化學(xué)煙霧等污染,這會嚴重影響人類的正常生產(chǎn)和生活.同時,高質(zhì)量濃度O3對人體健康有不利影響,會刺激甚至損害人類眼睛和呼吸系統(tǒng)的黏膜組織[11-13].隨著機動車數(shù)量和工業(yè)排放的增加,城市O3污染形勢日益嚴峻.近年來環(huán)境保護部發(fā)布的74個城市空氣質(zhì)量狀況顯示,夏季部分地區(qū)O3已取代顆粒物成首要污染物[14].大氣中二氧化氮(NO2)多數(shù)來源于化石燃料燃燒過程,污染源通常包括火力發(fā)電廠[15]、工業(yè)窯爐、民用鍋爐等.城市大氣NO2主要來自機動車排放[16-17].隨著機動車保有量的不斷攀升,氮氧化物污染呈增長趨勢,特別是在北京、上海、廣州、武漢等大城市,汽車尾氣已成為城市空氣污染的主要來源[18].NO2達到一定質(zhì)量濃度會引起呼吸疾病,損害肺功能,甚至造成肺水腫.此外,當空氣中同時存在碳氫化物和NO2時,碳氫化物可以和NO2產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng),形成光化學(xué)煙霧.光化學(xué)煙霧產(chǎn)生的一次和二次污染物對人的鼻、喉、呼吸道和肺部有強烈的刺激性作用,甚至?xí)l(fā)病變,長期暴露下,肺部組織易受損和老化.

合肥市位于中國中東部,作為經(jīng)濟迅猛發(fā)展的長江城市群副中心,近年來發(fā)展迅速.城市化和工業(yè)化進程的加快,導(dǎo)致大氣污染物排放量不斷增加,引發(fā)一系列環(huán)境問題,如霧霾天氣多發(fā),空氣質(zhì)量下降,能見度降低等[19-21].前人關(guān)于合肥市大氣污染的研究大多集中在氣溶膠、顆粒物(PM2.5)、能見度和O3等方面[22-27].本研究基于長光程差分吸收光譜系統(tǒng)對合肥市高新區(qū)大氣SO2,O3和NO2開展連續(xù)觀測,分析氣體污染特征,結(jié)合風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)找出可能存在的污染源,為制定有效的環(huán)境調(diào)控政策提供一定科學(xué)依據(jù).

1 觀測地點與觀測儀器

1.1 觀測地點

觀測地點及周邊環(huán)境如圖1所示.觀測點位于合肥市高新區(qū)安徽新華學(xué)院內(nèi).觀測點西北面緊鄰大蜀山國家森林公園,其余方位均為城市建設(shè)群,見圖1(a).觀測點周圍無明顯建筑物阻擋,也沒有工業(yè)污染源,人為活動主要表現(xiàn)為交通和居民的生產(chǎn)生活.望遠鏡放置在學(xué)院教學(xué)1號樓的6層(距地面高度約18 m),角反射器置于學(xué)院教職工宿舍6層頂樓,總光程為460 m,見圖1(b).

圖1 觀測地點及周邊環(huán)境Fig. 1 Environment of Observation Site and the Surrounding Area

1.2 觀測儀器

測量儀器采用安徽藍盾光電子公司生產(chǎn)的LGH-01A長光程差分吸收光譜(DOAS)系統(tǒng).該系統(tǒng)的主要組成包括光源(150 W氙弧燈)、Cassegrain望遠鏡(發(fā)射和接收一體)、角反射鏡、Avantes光譜儀(分辨率0.373 nm,波段246.1～415.4 nm)、光纖和CCD探測器等.儀器為連續(xù)24 h在線監(jiān)測.通過定期對儀器進行零點、滿量程和精度檢查來保證儀器觀測數(shù)據(jù)的準確性.

2 污染特征分析

2.1 日變化

SO2,NO2和O3質(zhì)量濃度的日變化曲線如圖2所示.早晨受人為燃燒(炊事)活動影響,SO2在大氣中累積,質(zhì)量濃度極大值10.92 μg/m3出現(xiàn)于09：00,其后質(zhì)量濃度呈下降趨勢,15：00時出現(xiàn)極小值6.54 μg/m3,這是因為下午地面溫度較高,大氣湍流有利于污染物的稀釋擴散,之后質(zhì)量濃度又逐漸升高,21：00時達峰值10.0 μg/m3,之后下降.

圖2 日變化曲線Fig. 2 Diurnal Variation Curve

NO2質(zhì)量濃度日變化呈單峰單谷型.NO2質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在17：00-21：00;谷值出現(xiàn)在13：00-16：00.交通早高峰時(05：00-09：00),NO2質(zhì)量濃度由32 μg/m3升至36 μg/m3,質(zhì)量濃度小幅增加.09：00以后,太陽輻射增強,NO2光解速率加快,質(zhì)量濃度緩慢下降.16：00后太陽輻射減弱,光化學(xué)反應(yīng)趨向緩慢,加之交通晚高峰的來臨,導(dǎo)致NO2質(zhì)量濃度明顯上升,由32 μg/m3升至42 μg/m3.從交通早晚高峰時NO2質(zhì)量濃度升幅來看,交通晚高峰對NO2影響大于早高峰.此外,NO2全日質(zhì)量濃度持續(xù)偏高(35～45 μg/m3)且日變化較小,說明除機動車尾氣外,還存在其他重要的氮氧化物排放源.

O3有明顯的日變化趨勢.午夜到清晨04：00,大氣中O3及其前體物質(zhì)量濃度略有降低,此階段的O3處于全日低質(zhì)量濃度區(qū),質(zhì)量濃度維持在55 μg/m3左右.清晨7：00—8：00,上班高峰車流排放的NO會消耗部分O3,加之早晨太陽輻射弱,不利于O3生成,08：00時O3質(zhì)量濃度最低,為42 μg/m3.09：00開始O3抑制階段結(jié)束,O3質(zhì)量濃度上升,午后16：00時達到日峰值(83 μg/m3).16：00至午夜是O3消耗階段,這一時段太陽輻射減弱,加之傍晚下班車流排放的NO消耗了部分O3,導(dǎo)致O3質(zhì)量濃度逐漸下降.

2.2 季節(jié)變化

SO2,O3和NO2季節(jié)分布如圖3所示.由圖3可知：NO2質(zhì)量濃度在冬季最高,春秋季次之,夏季最低.冬季大氣邊界層降低不利于污染物的擴散遷移,因此氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度通常保持較高水平;而夏季太陽輻射強、氣溫高,NO2光解反應(yīng)劇烈,加之降水頻繁,濕沉降作用明顯,導(dǎo)致NO2質(zhì)量濃度降低.相反地,O3質(zhì)量濃度表現(xiàn)為春夏季比秋冬季高.春、夏季太陽輻射比較強烈,有利于發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),生成O3.春季O3質(zhì)量濃度高于夏季,是因為夏季只觀測了6月份O3質(zhì)量濃度,且當月陰雨天達67%.SO2質(zhì)量濃度變化較小,秋冬季最高,春夏季節(jié)變化不大.冬季SO2質(zhì)量濃度偏高的原因,一方面是冬季地表溫度較低,大氣邊界層低,污染物不易擴散遷移,另一方面可能與人為取暖燃煤排放有關(guān).

圖3 SO2,O3和NO2季節(jié)分布Fig. 3 Seasonal Distribution of SO2,O3 and NO2

3 污染源分析

在觀測點附近存在許多SO2,O3和NO2的可能污染源,包括制藥工廠(東側(cè)方向,貝克生物制藥廠,距離約500 m,安徽國森藥業(yè)有限公司、合肥中大動物藥業(yè)、安徽圣鷹藥業(yè)有限公司、合肥華威藥業(yè)有限責(zé)任公司,距離約1.5 km;東偏北方向,立方制藥,距離約1.5 km,安徽威爾曼制藥有限公司,距離約2.0 km;西側(cè)方向,安徽美欣制藥有限公司、合肥立方藥業(yè)有限公司,距離約4 km)和涂料廠(東側(cè)方向,安徽愛迪爾新材料科技有限公司,距離約1.2 km;南側(cè)方向,合肥燕美粉末涂料公司,距離約3 km).另外,觀測點西側(cè)方向約4 km處有合肥卷煙廠,東北方向約11 km有皖能合肥發(fā)電廠.

風(fēng)在大氣污染物的擴散中起到重要的作用,風(fēng)向決定了污染物水平輸送的方向,而風(fēng)速的大小直接影響了污染物的稀釋程度.筆者從Weather Underground網(wǎng)站下載2016年合肥駱崗機場的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù),繪制污染物質(zhì)量濃度-風(fēng)向-風(fēng)速玫瑰圖(圖4).由圖4可知：在西北偏北和東南偏東兩個風(fēng)向呈現(xiàn)SO2高質(zhì)量濃度,其中,西北偏北方向(風(fēng)速大于8 m/s)的SO2高值可能與觀測點西北側(cè)郊區(qū)居民生活燃煤有關(guān);而東南風(fēng)向下SO2高質(zhì)量濃度受觀測點東南側(cè)藥業(yè)公司和涂料廠的無組織排放影響.NO2高質(zhì)量濃度點集中在東北、東偏北和東偏南3個風(fēng)向下.其中,低風(fēng)速(風(fēng)速小于2 m/s)下NO2高質(zhì)量濃度的累積,一方面受觀測點以北100 m望江西路的機動車尾氣排放影響,另一方面與觀測點東側(cè)1.5 km內(nèi)多個制藥廠的污染排放有關(guān),而東北偏東(風(fēng)速大于6 m/s)的NO2高值可能與東北方向皖能合肥發(fā)電廠及繁華市區(qū)機動車尾氣排放的遠距離傳輸有關(guān).O3與NO2質(zhì)量濃度分布相反.O3作為一種氧化性較強的氣態(tài)污染物,在NO2等污染物質(zhì)量濃度較高時,常常會與污染物相互反應(yīng),從而導(dǎo)致O3質(zhì)量濃度較低;反之,在污染物擴散條件良好的高風(fēng)速(風(fēng)速大于8 m/s)下和來自純凈區(qū)域[28-30]的風(fēng)向(西北偏北風(fēng),觀測點西北側(cè)是大蜀山國家森林公園)下,O3出現(xiàn)高質(zhì)量濃度.

圖4 污染物的風(fēng)向-風(fēng)速玫瑰圖Fig. 4 Wind Direction and Wind Speed Rosette of Pollutants

為了解NO2對大氣O3的貢獻,以二者小時均值數(shù)據(jù)進行線性擬合,獲得線性方程y=-0.845 6x+75.066 6,R=-0.429 6(圖5).擬合結(jié)果說明,NO2質(zhì)量濃度一定程度上影響著大氣中O3質(zhì)量濃度,但兩者相關(guān)性系數(shù)僅為-0.429 6,推測合肥市高新區(qū)大氣中可能存在其他重要的O3前體污染物,比如觀測點附近藥廠排放的各種有機污染物等等,這有待進一步深入研究.

圖5 NO2和O3的相關(guān)散點Fig. 5 Relevant Scatter Plots of NO2 and O3

4 結(jié)論

(1)日變化顯示,SO2夜間質(zhì)量濃度較高,白天(特別是午后)質(zhì)量濃度低;NO2質(zhì)量濃度日變化呈單峰單谷型,交通晚高峰對NO2質(zhì)量濃度有一定貢獻.NO2全日質(zhì)量濃度持續(xù)偏高(35～45 μg/m3)且日變化較小,說明除機動車尾氣外,存在其他重要的氮氧化物排放源.O3與NO2呈相反變化趨勢,白天因光化學(xué)作用質(zhì)量濃度高,在午后16：00時出現(xiàn)最大值,夜間質(zhì)量濃度低,凌晨出現(xiàn)最低值.

(2)冬季大氣邊界層低不利于大氣污染物擴散,NO2和SO2質(zhì)量濃度能保持較高水平,而夏季光解反應(yīng)劇烈,濕沉降明顯,污染物質(zhì)量濃度較低.與NO2相反,O3質(zhì)量濃度表現(xiàn)為春夏季比秋冬季高,因為春、夏季太陽輻射強,有利于發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生更多的O3.

(3)SO2高質(zhì)量濃度主要與觀測點西北面居民生活燃煤及東南側(cè)制藥公司和涂料廠的無組織排放有關(guān).低風(fēng)速下NO2高質(zhì)量濃度受觀測點以北100 m望江西路的機動車尾氣排放及東側(cè)制藥廠的污染排放影響,而東北偏東(風(fēng)速大于6 m/s)的NO2高值可能與皖能合肥發(fā)電廠及繁華市區(qū)機動車尾氣排放的遠距離傳輸有關(guān).O3與NO2風(fēng)速、風(fēng)向分布基本相反.在污染物擴散條件良好的高風(fēng)速下和來自純凈區(qū)域的風(fēng)向(西北偏北風(fēng))下,O3出現(xiàn)高質(zhì)量濃度.NO2和O3相關(guān)性分析結(jié)果顯示,NO2對高新區(qū)大氣O3有一定貢獻,但兩者相關(guān)性系數(shù)僅為-0.429 6,推測該區(qū)大氣中存在其他重要的O3前體污染物.