洛陽市可吸入顆粒物(PM10)時間分布特征與成因分析

胡云川，張雪欽，朱新玉*

(1.商丘師范學院 生物與食品學院，河南 商丘 476000；2. 商丘師范學院 測繪與規劃學院，河南 商丘 476000)

PM10，即可吸入顆粒物，它是指顆粒直徑在10μm以下的固態和液態顆粒物，在環境空氣中長期漂浮，輸送距離遠，因而又被稱為“飄塵”.它與PM2.5都屬于可吸入顆粒物，但二者最主要的區別在于顆粒大小的不同，PM2.5的粒徑是指2.5μm以下的可吸入空氣懸浮顆粒物，就像沙粒與沙塵的關系[1].可吸入顆粒物的形成主要來源于以下幾個方面：其一，各種工業過程(燃煤、冶金、化工、內燃機等)直接排放的超細顆粒物；其二，城市機動車大量的尾氣排放；其三，在未鋪瀝青、水泥的路面上行使的車輛、被風揚起的塵土以及各種材料進行碾磨破碎處理過程造成的粉末；其四，大氣中二次形成的超細顆粒物與氣溶膠等.其中，第一種途徑是可吸入顆粒物的主要形成源，也是可吸入顆粒物污染控制的重要對象[2].研究表明越細小的顆粒活性越強，有毒物質也容易富集在小顆粒上，這些污染物通過人的呼吸從而進入人體，沉積在肺泡內，對人體健康構成很大的威脅[3]，因此，對空氣中PM10濃度變化趨勢的研究以及如何減少PM10的濃度都有著重要的社會意義.

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

洛陽市位于河南省的西部，地處北緯33°35′～35°05′，東經111°08′～112°59′之間.洛陽素有“九州腹地”之稱，北跨黃河與焦作相接壤，南鄰平頂山與南陽兩地，東接省會鄭州，西邊與三門峽相鄰，占地約15208 km2.洛陽地理條件優越，地處南暖溫帶與亞熱帶北側的過渡地帶，氣候類型主要為溫帶季風氣候和亞熱帶季風氣候，全年四季分明，氣候宜人.年平均降水量偏少且主要集中在夏季；傾向率為-13.733 mm/10 a，且降水量呈明顯減少趨勢；降水量大體呈現出西多東少、南多北少的分布規律[7].洛陽市境內有干、支河流及較大溝溪2.7萬余條，流域面積在100 km2以上的有高達34條，面積約為12355 km2，占全市總面積的81.7%；境內的山脈均屬于秦嶺東延的余脈，由西南向東北延伸[8].地形復雜多樣，地勢西高東低，呈扇形，山川丘陵交錯.另一方面，由于洛陽市三面環山，其靜風頻率高達30%，地形和氣候的特點使得環境空氣中的大氣污染物不易擴散.隨著城市的快速發展，燃煤、化工、冶金、施工、機械制造、交通等各個方面給大氣污染所造成的危害日趨嚴重.

1.2 數據獲取

本文數據來源于洛陽市環境監測站，現選擇7個空氣質量監測點數據(1#市監測站、2#河南林校、3#中信二小、4#豫西賓館、5#開發區監委會、6#市委黨校、7#市委新辦公區)[9]，對洛陽市PM10濃度的時間分布特征進行分析.數據選取時段為2015～2017年，統計3年來每日0點至23點共24 h PM10_24 h的監測數據，并取其平均值代表每日PM10的濃度.然后再分別進行年、季節、月3個時間維度的數據統計分析處理.

按照楊國棟[10]在《中國東部地區物候季節劃分的初步探索》一文中就有提到“近代氣象、水文學上通常采用的季節劃分方法，一般按照陽歷3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～來年2月為冬季”.本文所提到的4個季節就是根據這種方法來劃分的；對選取數據進行剔除和校對后，2015～2017年每年春季共92個數據、夏季共92個數據、秋季共91個數據、冬季共90個數據；以及全年一共1095 h的數據.

1.3 研究方法

運用文獻研究法，搜集整理相關研究背景資料，為研究做準備.對所獲取的監測數據采用了Excel 2013軟件進行分析統計處理，使用Origin 9.0繪圖軟件來繪制柱狀圖和折線圖.結合具體數據對柱狀圖以及折線圖進行比較分析，以得出洛陽市PM10各個時間維度的分布特征.再根據所得出的結果，進行簡要的污染源分析并為大氣治理手段提供科學依據.

2 結果與分析

2.1 洛陽市PM10年平均濃度變化

對2015～2017年PM10濃度變化進行分析.由圖1可知，2015～2017年來的PM10年日均值濃度變化差距極小，但是從具體數據上來看總體還是呈現略微上升的趨勢，2015～2016年PM10濃度每立方米上升1μg，2016～2017年PM10濃度每立方米上升0.5 μg，可以看出3年來PM10濃度上升趨勢有所下降.另外，根據環境空氣質量標準(GB3095-2012)中的 PM10濃度限值：年均一級濃度值為40 μg/m3，二級濃度值為70 μg/m3；然而，從表1的數據可以清楚的看出，近3年來洛陽市年日均值均在126.3～128.8 μg/m3之間，遠遠超過二級濃度值，濃度高約一級濃度值的3倍有余，可見洛陽市的可吸入顆粒物污染濃度居高不下，并且有日漸嚴重的趨勢，說明洛陽市空氣治理效果不是很明顯，大氣環境的治理力度還需加強.

圖1 2015-2017洛陽市PM10年平均濃度變化特征

表1 2015-2017洛陽市PM10年平均濃度

2.2 洛陽市PM10季節性濃度變化

從圖2柱狀圖可以看出，2015～2017年洛陽市PM10的濃度隨季節變化的趨勢大致相同，具體可以表現為冬季最高，春、秋兩季較高，夏季3年來均較低.洛陽冬季寒冷屬取暖期，燒鍋爐、暖氣片和地暖等取暖設施使得燃煤量增加，冬日的逆溫氣象特征導致大氣污染物得不到及時的遷移擴散.春秋時節，中原地區氣候多風干旱，這樣的氣候特點導致洛陽的沙塵天氣較多，故PM10的濃度值均處于較高的污染水平.

夏日高溫太陽輻射能增加，使得地面升溫加快，近地面的大氣對流運動也隨之變強，有利于空氣環境中污染物的擴散.除了高溫外，洛陽市降水量主要集中在夏季，雨水對PM10起到了沖刷作用，不利于顆粒物在空氣中懸浮，使得PM10的濃度大大減小.其次，夏季溫度高，燃煤量少，主要污染源減少，因此夏季的空氣質量會明顯的優于其他季節，其中2016年最為明顯.

圖2 2015年-2017年洛陽市PM10濃度季節變化特征

由圖2折線圖所示，可以看出四季的PM10濃度呈 “V字型”變化[11]，3年來都是先降低后增加.2016年春季與 2015年春季相比PM10濃度下降了10.49%，2017年春季與2016年春季相比PM10濃度上升了6.78%；2016年夏季與 2015年夏季相比PM10濃度下降了32.28%，2017年夏季與2016年夏季相比PM10濃度又回升了32.68%，與2015年幾乎持平；2016年秋季與 2015年秋季相比PM10濃度上升了42.13%，增加了近乎一半，2017年秋季與2016年秋季相比PM10濃度又下降了12.1%；2016年冬季與 2015年冬季相比PM10濃度上升了8.68%，2017年春季與2016年春季相比PM10濃度下降了12.79%.通過對各季節相對于上年同期PM10濃度的分析，各季節對比于上年同期有升有降，波動性強，特別是在夏季，升降幅度尤為明顯，2015年到2016年秋季PM10濃度變化幅度最大.

2.3 洛陽市PM10月濃度變化

2015～2017年共計有36個月，將各年PM10濃度月平均值按12個月進行分析見圖3所示.可以看出3年來PM10濃度都是先降低后增加，其中7、8、9、10四個月份的濃度較低，而11、12、1三個月份的濃度比較高，從這里進一步也能反映出春、冬兩季污染嚴重，夏、秋兩季污染較輕的特征，尤其是在冬季有加重的趨勢，這與上文PM10季節性濃度變化特征相呼應.同樣的，總體上來看，各年PM10濃度與上年同月相比有升有降，呈現略微不穩定變化的特征.

圖3 2015年-2017年洛陽市PM10月平均濃度變化特征

3 洛陽市PM10污染原因分析

近年來，洛陽市環境空氣中可吸入顆粒物PM10的濃度居高不下，要想把如此高的污染降低到標準以下，找出PM10的污染原因至關重要.考慮PM10可能來自的污染源，我們可以從以下幾個方面進行淺析，然后針對這些原因選擇適當的控制對策，制定可行的污染控制規劃，逐步實現環境空氣質量的根本性好轉，達到爭創綠色模范城市的環境目標.

3.1 工業污染源方面的影響分析

近年來，洛陽市為了加強大氣污染的防治，持續有效地改善大氣環境，采取了“藍天工程”、《河南省2017年持續打好打贏大氣污染防治攻堅戰行動方案》以及《洛陽市2017年大氣污染防治攻堅戰實施方案》等行動，一方面盡管有效地控制工業大氣污染排放，但是工業污染源的排放量仍占據著重要的地位.2015年，洛陽市全社會原煤消費3080.4萬t，其中規模以上工業企業原煤消費2532.4萬t，占全市煤炭消費的82.2%.2014年，洛陽市規模以上工業原煤的消費量發展指數為96.4；洛陽市規模以上工業企業焦炭消費量高達233587.9 t.

3.2 生活污染源方面的影響分析

根據多年的統計資料和近期的調查顯示，居民的生活用氣量達85%以上，僅有不到15%的居民用煤，再加上冬季地暖、鍋爐和飲食行業等用煤量大，使得生活耗煤量高達28萬t，年排放煙塵8463 t，生活污染占市區環境空氣中PM10污染濃度的8.4%.

3.3 交通污染方面的影響分析

交通污染對城市中PM10的影響主要包括兩個方面：一方面是機動車自身尾氣排放的煙塵污染，另一方面則是機動車行駛過程中的揚塵污染[12].隨著人們生活水平的日益提高，私家車出行變得普遍起來，但是這不僅對交通造成了壓力，對大氣環境更是形成了巨大的影響.所以現在大力提倡使用公共交通，如地鐵、公交、單車等出行方式，更加綠色、低碳環保.

3.4 各類施工工程的影響分析

眾所周知，施工所造成的揚塵，對城市環境空氣TSP(Total Suspended Particulate，即總懸浮顆粒物)的污染比較嚴重.近幾年來，洛陽市為了提高城市品位，加快城市的發展建設，進行大量的房屋道路改造工程，大拆大建日新月異.雖然城市的面貌改變了許多，但與此同時所帶來的拆建過程中的不文明、不科學的施工方式也日益增多，從而加重了洛陽市TSP的污染濃度.

3.5 氣象因素方面的影響分析

洛陽市，環境空氣質量除了受到以上的4個方面的因素影響之外，還受自然條件、氣象因素的影響.由于我國冬季盛行西北季風，使得重污染地區的大氣污染物隨氣流南下，從而影響了洛陽市的空氣質量.再加上洛陽市的地形屬于四面環山，地處盆地，年平均的風速較小，靜風頻率高，極其不利于空氣環境中的污染物擴散，容易形成局部環流，從而造成污染物的富集.

4 洛陽市PM10污染防治對策

4.1 工業污染源控制

由于工業污染源的排放量仍占據著重要的地位，建議進一步加強工業污染控制，在鞏固煙塵控制成效的基礎上，突出做好細小顆粒物的防治，重視二次顆粒物的污染防治，嚴格工業氣態污染物(SO2、NOX)排放的控制和治理[13].具體措施：采用低氮燃燒的方法，減少工業燃燒NOX的排放量；提高煙塵治理水平，實施布袋除塵技術，減少顆粒物排放；實施重點源脫硫工程，提高SO2的去除率；分期實施重污染企業的關停或搬遷等手段.

4.2 交通污染源和生活污染源控制

進一步加強對機動車的尾氣控制，遏制上升勢頭較快的汽車尾氣污染物的排放，對洛陽市機動車的保有應推行“不限制擁有，但限制使用”的政策；開發和生產對大氣無污染的新型能源車輛(如太陽能電能車輛等)，從根本上解決車輛尾氣污染問題；完善用車維護、檢測制度(I/M制度[14])，控制汽車污染物——NOX、C顆粒和VOC(Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物)排放；建立市場準入制度，跨過歐2直接采用歐3或歐4標準.引導城市居民進行廚房革命減輕生活，沒造成對大氣的污染[15].

4.3 揚塵污染的控制

加大執法力度，嚴格控制揚塵污染，加強路面沖洗保潔力度，嚴禁車輛帶泥上路，重點抓好建筑物料和渣土裝運過程密閉化，加強煙花爆竹管理，建議加強對揚塵控制的科學研究.提高控制措施的有效性和針對性，城市道路保潔和城市有序發展等問題.對在建工地進行拉網式排查強化巡夜檢查嚴防施工污染.

4.4 做好城市綠化

應該加強城市綠化工程的建設，利用綠色植被進行殺菌、滯塵，吸收有毒有害氣體，對大氣污染進行控制，改善城市的整體環境[16].加大城市綠化和美化工作資金投入，優選并推廣本地綠化樹種和草種，實施裸露地面的軟硬覆蓋，提高水面面積比率，進一步降低揚塵造成的影響.

4.5 完善監測體系

進一步完善大氣顆粒物污染監測體系，對顆粒物進行深入的源解析研究.由于大氣顆粒物的污染來源復雜，因此建議進一步完善監測體系以提供更全面、更詳實的研究數據[17]，特別是要通過污染源解析，找到從源頭防治大氣顆粒物污染的方法，確保洛陽市在發展建設的大潮中，實現經濟社會與環境保護的協調發展.

5 結果與討論

通過對洛陽市近3年(2015～2017年)來可吸入顆粒物PM10濃度的時間分布特征分析，并分別從年平均濃度分布、季節性濃度分布以及月平均濃度分布3個時間維度進行進一步的特征研究.

結果得出，整年的日均值濃度變化甚微，但還是有略微地上升.可以看出雖然近年來洛陽市也采取了大量的大氣治理工程和各種工作計劃，但是總體的效果還不是很明顯，可見這些治理措施都沒有抓住根本性問題；從4個季節上來看，呈現出冬季高、夏季低的“V”字型趨勢，這與其季節性的氣候以及生活用煤量的影響都息息相關；在月濃度變化上則是呈現出先降低后增加的模式，反映出春、冬兩季的污染較嚴重，夏、秋兩季的污染較輕的特征，這一特點也與季節性變化的特征相呼應.

綜上所述，伴隨著工業化進程的加快和城市化水平的提高，可吸入顆粒物已經成為了首要的大氣污染物，對于城市的環境以及人們的健康影響巨大，相關技術人員和環保部門應該做好對于可吸入顆粒污染狀況的分析和研究，采取相應的防治措施，推動社會的可持續發展.因此，洛陽市現在的首要任務就是要找出大氣污染的根本性原因，從影響大氣環境空氣的幾個重要的污染源入手，并且針對具體的污染源制定相對應的措施，做到“對癥下藥”，制定出真正科學可行的污染控制規劃，做到事半功倍，為逐步實現更美的洛陽市而努力.