廣州市大氣氣態總汞含量季節和日變化特征

劉 明,陳來國,陶 俊,許振成,朱李華,錢冬林,范瑞芳 (.環境保護部華南環境科學研究所,城市環境研究中心,廣東 廣州 50655；.華南師范大學生命科學學院,廣東 廣州 5063)

廣州市大氣氣態總汞含量季節和日變化特征

劉 明1,2,陳來國1*,陶 俊1,許振成1,朱李華1,錢冬林1,范瑞芳2(1.環境保護部華南環境科學研究所,城市環境研究中心,廣東 廣州 510655；2.華南師范大學生命科學學院,廣東 廣州 510631)

利用高時間分辨率自動測汞儀(tekran 2537B),于2010-11～2011-11對廣州市大氣氣態總汞(TGM)進行了連續1a的觀測.結果表明,廣州市大氣氣態總汞的年平均含量為(4.86±1.36)ng/m3,表明該地區受到了一定程度的大氣汞污染.TGM濃度按季節表現為:春季＞冬季＞秋季＞夏季.TGM 污染呈現春高夏低的現象,氣象因素如邊界層、靜止風是影響其季節分布不同的主要原因.日變化趨勢為中午最低,早晚出現 2個高峰,邊界層和溫度對TGM日變化有很大影響.對廣州市大氣氣態汞的可能來源分析結果表明,TGM主要來源于本地人為排放,其中市內燃煤電廠和水泥廠等人為源排放可能是廣州市大氣氣態總汞的主要來源.

廣州市；氣態總汞；季節變化；日變化；來源

大氣中汞的循環在全球汞的生物地球化學循環演化中占有極其重要的地位.氣態單質汞在大氣中的駐留時間長達 0.5～2a,能隨大氣循環在全球尺度上傳輸,使大氣成為不同環境介質中汞遷移轉化的重要傳輸通道[1].對城市大氣氣態總汞(TGM)的監測可以反映城市大氣中汞的污染水平,國內外很多學者已經開展了城市 TGM的相關研究[2-9],這些研究對于城市TGM的污染以及遷移過程具有重要的參考價值.短期研究表明,廣州城區TGM含量高達(13.5±7.1)ng/m3[4],這比國外其他城市[2-3]高出 10多倍.本研究選取廣州市作為觀測點,目的在于開展 TGM的長時間高分辨率觀測,探討其季節和日變化特征,以期更加全面認識目前廣州市大氣汞污染現狀、變化特征及可能來源,為廣州市大氣污染防治和空氣環境改善提供依據.

1 材料與方法

1.1 監測點概況

廣州市現轄10個區和2個縣級市,屬于南亞熱帶季風海洋氣候,溫暖多雨,夏長冬短.冬半年盛行偏北風,夏半年盛行偏南風,同時受地方風如熱島環流、海陸風的影響.廣州年平均氣溫為 21.4～21.9℃,年均降雨量為 1982.7mm,平均相對濕度為 77%.全年中,4～6月為雨季,8～9月天氣炎熱.本研究監測點設在廣州市天河區華南環境科學研究所綜合樓 13樓的大氣超級觀測站(113°21′E,23°07′N),距離地面約 50m,采樣點周邊是居住區,2km范圍內無明顯汞人為排放點源.

1.2 監測方法

采用高時間分辨率自動測汞儀(Model 2537B,Tekran Inc., Toronto, Canada)連續監測大氣中的TGM濃度,采樣流速為1.5L/min,每次采樣5min,儀器最低檢測限為0.1ng/m3.華南環境科學研究所大氣超級觀測站配備的自動氣象站(MAWS,Vaisala Inc., Finland)提供同步風向、風速、氣溫等氣象參數,監測時間段為 2010年 11月～2011年11月,共采集104251個有效數據.

1.3 質量保證與質量控制

為了保證TGM數據質量,每25h儀器通過內置汞源自動校正 1次,采樣期間使用外置汞源(Tekran 2505)校正儀器,內外汞源數據偏差不超過10%.

2 結果與討論

2.1 廣州市TGM含量總體狀況

如圖1所示,監測期間廣州市TGM含量范圍為 2.66～11.10ng/m3,均值(4.86±1.36ng/m3),明顯高于全球背景值(1.5～2.0ng/m3)[10],表明廣州市受到一定程度的大氣汞污染.由表1可以看出,與國外城市相比,明顯高于紐約和韓國首爾[2-3];與國內城市相比,廣州TGM濃度低于長三角、北京和貴陽[4-6],明顯低于重慶和廈門[7-8].較大的 TGM變化范圍也表明監測點明顯受周邊的人為汞排放源影響[11].本研究 TGM 的含量顯著高于萬頃沙(廣州郊區)冬季期間(2008年11～12月)數據[9](均值 2.94ng/m3).這可能因為萬頃沙位于珠三角東部的珠江入海口處,鄰近地區無工業污染源,地理條件也有利于污染物的擴散.但是本研究數據明顯低于Wang等[4]報道值(13.5±7.1) ng/m3(2005年 1月).原因可能在于經過多年的治理,廣州市的空氣質量有了顯著的改善[12],自 2007年開始廣州開始采取了一系列措施,如關閉單機容量 5萬以下常規發電小火電廠和落后及污染嚴重的水泥生產企業,2010年廣州亞運會的召開導致廣州市進一步加大了空氣污染治理工作的力度.

圖1 廣州市大氣TGM濃度Fig.1 TGM concentration of the ambient air in Guangzhou City

2.2 廣州TGM季節變化特征

如圖2所示,廣州市大氣TGM含量的平均值按季節表現為:春季(3～5月)＞冬季(12～2月)＞秋季(10～11月)＞夏季(6～9月).四季大氣TGM含量波動較小,相對比較穩定(SD=1.25,1.21,0.97, 1.61ng/m3),可能表明監測點的TGM濃度主要受周邊本地源的影響.春季 TGM 平均濃度為5.21ng/m3,夏季為4.16ng/m3,秋冬二季的TGM季節變化不明顯(均值 4.3,4.4ng/m3).但是冬季波動較大,秋季最為穩定.研究表明,廣州污染物主要來源于本地排放[13-15],由于廣州并無采暖期與非采暖期的區別,各季節能耗大致相同,因此大氣污染源排放量的季節變化并不明顯[16].大氣污染程度除了取決于污染源的位置和排放強度外,還受周圍氣象因素的影響[13],造成廣州春季大氣TGM 較高的原因可能主要與氣象因素有關.每年春季由于華南準靜止風的持續影響及其低空暖漂流的相互作用,1000m范圍內總逆溫頻率達55%,低空逆溫占到70%[13],大氣污染物濃度與逆溫強度和頻率呈正相關[17],由此引起 TGM 無法迅速擴散和稀釋導致春季 TGM濃度偏高,而夏季由于溫度較高,邊界混合層厚度較高,對 TGM的稀釋有一定的促進作用.

表1 不同類型地區大氣氣態總汞的含量水平Table 1 TGM concentration in different types of areas

圖2 廣州市氣態總汞含量的季節分布Fig.2 Seasonal variation of total gaseous mercury in Guangzhou City

2.3 廣州市TGM的日變化特征

由圖 3可知,廣州市 TGM 白天含量為4.72ng/m3,夜間為5.16ng/m3,屬于夜間控制型[18].早上08:00開始,廣州市TGM的濃度開始下降,最小值出現在下午 14:00,這與廣州萬頃沙地區監測的TGM 日變化趨勢一致,不同于貢嘎山的研究[19].廣州市城市空氣污染具有早晚重于中午的時間變化規律[13],TGM在08:00和22:00出現2個峰值,這與邊界層高度日變化趨勢一致[13,20],早晨時邊界混合層高度厚度較薄,而午后邊界混合層高度厚度較厚,大氣湍流作用較強,利于污染物的擴散[21].再者太陽輻射量與汞濃度成正相關[8],中午太陽輻射強烈以及早晨和傍晚低太陽輻射也是導致 TGM濃度呈現這種變化的原因之一.另外TGM的日變化與溫度成明顯的負相關(r=-0.814,P＜0.001).有研究表明,溫度升高會增加地表汞的釋放[22],但是由于廣州市城市化高,地面硬化范圍廣,地表汞排放較小,對大氣中 TGM 的濃度影響較小. 因此廣州市TGM 的日變化主要是受到邊界混合層高度的影響.而早上00:00～ 07:00 TGM濃度逐漸升高這種現象在很多研究都有報道,原因是早上隨著太陽升起自然源的汞排放活躍[23-24].

圖3 廣州市TGM與氣溫的日變化Fig.3 Diel variation of total gaseous mercury and atmospheric temperature in Guangzhou City

2.4 廣州大氣氣態總汞的可能來源

圖4 廣州市風向相對頻率分布和大氣氣態總汞含量的風向分布Fig.4 Frequency distribution of wind directions and mean distribution of TGM in Guangzhou City

TGM 的風向分布圖表明,采樣期間任何方向的風都會帶來較高含量的大氣汞(圖 4b),東北和東南風是主導風向(圖 4a),但東北風攜帶的汞含量相對于其他方向低,西北風雖然不是主導風向,但是其攜帶汞含量相對其它的方向高,東南方向的風也攜帶了較高含量的汞,表明在東南和西北方向有明顯更強的人為汞排放源.實際上在監測點西北方向大約14 km有目前中心城區內唯一的一個燃煤電廠,2007年其燃煤消耗量占廣州火電燃煤消耗量的 1/10.監測點東南大約 15km,有廣州市內最大的燃煤發電廠,而燃煤電廠是主要的人為汞排放源之一[25].由此可見,燃煤電廠可能是廣州市內主要和直接的大氣汞排放源.另外在監測點西北方向有部分水泥廠,而水泥生產所用的煤與原料中都含有汞,若是水泥廠協同處置污泥及廢棄物時,更會存在額外汞排放的問題[26].也有研究表明,水泥廠周邊的農田存在汞超標的現象[27],這些水泥廠也可能是主要的人為汞排放源,但是由于大氣污染的復雜性,具體的汞排放源還有待進一步的研究.

3 結論

3.1 廣州市大氣TGM含量較高,年平均含量為(4.86±1.36)ng/m3,明顯高于全球大氣汞含量背景值,表明此地區受到一定程度的大氣汞污染.

3.2 大氣TGM季節變化特征按含量高低為:春季＞冬季＞秋季＞夏季.日變化趨勢出現波動,最大值出現在早上 8:00和晚上 22:00.最小值出現在下午14:00,變化趨勢呈雙峰分布.

3.3 廣州市內的燃煤電廠和水泥廠可能為大氣TGM 的主要來源,但具體排放源有待進一步的研究.

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Seasonal and diurnal variation of total gaseous mercury in Guangzhou City.

LIU Ming1,2, CHEN Lai-guo1*, TAO Jun1, XU Zhen-cheng1, ZHU Li-hua1, QIAN Dong-lin1, FAN Rui-fang2(1.Center for Research on Urban Environment, South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China；2.College of Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1554～1558

Total gaseous mercury (TGM) was continuously monitored using high-resolution automatic atmospheric mercury vapor analyzer (Tekran 2537B) from November 2010 to November 2011 in Guangzhou. The annual average TGM concentration was (4.86±1.36)ng/m3, suggesting that the atmosphere was polluted by mercury in this area. The TGM level exhibited distinct seasonal variation by the following order: spring＞winter＞autumn＞summer. TGM pollution was more serious in winter but less in summer, which was caused by meteorological factors such as boundary layer, static wind. The diurnal variation showed that the minimum concentration was at noon and dual peaks appeared in the morning and evening, respectively. Boundary layer and temperature had significant impact on the diurnal variation. According to the source appointment of gaseous mercury in Guangzhou, local coal-fired power and cement plants may be the major contributors to the TGM in Guangzhou.

Guangzhou City；total gaseous mercury；seasonal variation；diurnal variation；source

2012-02-10

國家環境保護公益性行業科研專項項目(200809011)

* 責任作者, 高級工程師, chenlaiguo@scies.org

X131.1

A

1000-6923(2012)09-1554-05

劉 明(1985-),湖北天門人,環境保護部華南環境科學研究所碩士研究生,主要從事大氣污染物的監測與治理方面的研究.發表論文3篇.