株洲市區(qū)大氣污染防治特護期輕度污染期間PM2.5組分特征及來源分析

曾珊珊 劉燦 郭曉輝

1. 株洲市生態(tài)環(huán)境事務中心 湖南 株洲 412000；

2. 長沙市天心區(qū)委員會辦公室 湖南 長沙 410004；

3. 株洲市淥口生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 湖南 株洲 412100

引言

秋冬季節(jié)是污染天氣的高發(fā)時段，而PM2.5超標是影響環(huán)境空氣質量和優(yōu)良率的最大因素。為改善空氣質量，減少污染物排放，2015年湖南省針對長株潭地區(qū)提出了大氣污染防治特護期的概念，特護期時段為每年10月16日至次年3月15日，并制定了一系列管控措施，環(huán)境空氣質量得到了較大改善。監(jiān)測數據表明：株洲市2016–2017特護期，空氣質量優(yōu)良率58.3%，而2020–2021年特護期，空氣質量優(yōu)良率提升到70.2%，同時中、重度污染天數明顯減少，但輕度污染改善幅度不大，且首要污染因子均為PM2.5。

從特護期污染發(fā)生的程度來看，以輕度污染為主，但現有的研究多是針對重污染天氣典型過程的氣象條件及大氣顆粒物來源。部分學者對湖南通道城市的重污染過程做了深入分析，周益平等對2017年衡陽冬季重污染過程進行了氣流后向軌跡分析，得出了重污染源于河南北部[1]，鐘學才等通過分析比較傳輸通道城市PM2.5濃度的時序變化，推測株洲當次典型重污染天氣過程是以外來源輸送為主[2]，周莉等人根據氣象條件的水平和垂直擴散能力，以及地面濕度和動力條件等分析了長沙2017年冬季重度霾污染天氣，認為特定的氣象條件是造成重度霾污染的關鍵[3]。因此，重污染天氣多為傳輸或極端不利氣象條件導致，通過人為干擾或本地管控效果有限。從本地管控手段的有效性來看，秋冬季輕度污染期間PM2.5濃度的控制尤為關鍵，有效的措施可實現將輕污染天氣轉為優(yōu)良天氣，達到降低PM2.5濃度、提高環(huán)境空氣質量優(yōu)良率的目的。因此，本文通過對株洲市特護期輕度污染期間PM2.5在大氣中組分特征及來源進行分析，為特護期環(huán)境空氣質量控制措施的制定提供科學依據。

1 時段選取與數據來源

數據分析選取時段為2020年10月16日–2021年3月15日期間的輕度污染日。該時段內株洲市累計輕度污染33天，日均PM2.5濃度范圍在77~114μg/m3之間，平均濃度為93.5μg/m3，中位數濃度為92μg/m3。

監(jiān)測地點分別為株洲市6個環(huán)境空氣質量國控站（市一中、云田中學、天臺山莊、市監(jiān)測站、市四中、株冶醫(yī)院）和位于株洲市天元區(qū)銀海學校五樓樓頂的組分站。國控站監(jiān)測參數包括常規(guī)6參數（PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2、O3）和氣象參數，數據類型包括小時值和日均值，本論文國控數據來源于國家環(huán)境監(jiān)測總站網。組分站的顆粒物組分監(jiān)測參數包括OC/EC、硝酸根離子、銨根離子、硫酸根離子、氯離子、鈣離子等水溶性離子，數據類型包括小時值和日均值。

2 數據分析

2.1 PM2.5及其他常規(guī)參數分析

2.1.1 常規(guī)參數之間的相關性。因臭氧在秋冬季濃度低、影響較小，故只選取特護期株洲市6個國控點小時均值數據繪制如下5項污染參數相關性圖。由圖1看出，其中PM2.5與PM10相關性最高，為0.84，表明株洲市輕度污染期間粗細顆粒物同源性高，基本由同類或相同排放源排放所致；PM10與NO2、CO以及SO2的相關性分別為0.48、0.47、0.35，PM2.5與上述3項一次污染物相關性整體較PM10低，表明一次污染物排放貢獻突出，同時存在氣態(tài)污染物的二次轉化過程。NO2與CO、SO2等一次氣態(tài)污染物之間兩兩相關性在0.44~0.58之間，相關性較高，而城區(qū)NO2和CO多為移動源尾氣排放，SO2主要為燃煤排放導致。結合株洲市實際產業(yè)和能源結構，初步推斷株洲市輕度污染期間主要排放來源為道路移動源，同時在一定程度上受到城區(qū)內燃煤電廠的影響。

圖1 特護期輕度污染期間大氣污染物五參數小時均值相關性比較

2.1.2 重點污染物日變化趨勢分析。將PM2.5、PM10、NO2以及CO4種相關性較高的污染物進行日變化趨勢對比分析，如圖2所示。日變化規(guī)律圖顯示PM10、PM2.5以及CO濃度呈現出雙峰形態(tài)，NO2則呈現單峰形態(tài)，無明顯早高峰。PM10、PM2.5以及CO于早間6時左右濃度開始上升，于9-10時出現峰值，其中CO早間峰值濃度幾乎為每天的最大值，存在明顯的早高峰效應，但相同時段內NO2濃度整體變化趨勢表現為平滑的下降過程；早間10時后隨著太陽輻射的逐步增強，環(huán)境溫度升高，大氣垂直擴散條件逐步改善，各項污染物濃度不斷下降。直至日落晚高峰開始（17-18時），4種污染物開始表現出同步升高趨勢，其中NO2增幅最大、最顯著，其次為CO，并于晚間22時左右到達峰值。PM10、PM2.5、CO的雙峰效應和NO2的單峰效應表明移動源早晚高峰對株洲市污染物貢獻較大。日變化規(guī)律圖反映污染物晚高峰整體較早高峰高，一方面夜間擴散條件轉差，存在明顯不利氣象條件影響，另一方面與柴油車相關，晚間22時后是中重型車輛非禁限行期，柴油車相對活躍，汽油車數量相對日間減少，表明晚間污染物濃度升高在很大程度上受柴油車排放影響。同時通過進一步觀察發(fā)現，NO2早高峰時期僅減緩了NO2濃度下降趨勢，推測與南方冬季溫度低、濕度大，所排放的NO2易轉化為水溶性離子有關，但具體情況還有待于進一步的分析。

圖2 特護期輕度污染期間PM2.5、PM10、NO2、CO日小時均值變化趨勢

2.2 組分站數據分析

2.2.1 顆粒物組分成分分析。組分站配備了水溶性離子、碳組分分析設備。特護期輕度污染時期監(jiān)測的PM2.5組分情況如圖3所示，硝酸根離子22.44ug/m3（41%）＞銨根離子12.69ug/m3（23%）＞硫酸根離子8.29ug/m3（15%）＞OC為6.97ug/m3（13%）＞其他物質2.17ug/m3（4%）＞氯離子1.14ug/m3（2%）＞EC為0.84ug/m3（1.5%）＞鈣離子為0.25ug/m3（0.5%）。

圖3 特護期輕度污染期間水溶性離子及碳組分占比圖

水溶性離子中硝酸根離子占比最大，而硝酸根離子主要來源于道路移動源排放尾氣中的氮氧化物轉化，表明株洲市區(qū)PM2.5濃度受道路移動源影響較大。銨根離子占比其次，其來源則較為復雜，在城區(qū)銨根離子同樣主要來源于道路移動源排放尾氣中的氮氧化物轉化[4]，還有部分來自于工業(yè)企業(yè)脫硝過程，在農村地區(qū)，則有較大部分來源于農業(yè)排放源，如化肥施用等農業(yè)過程，硫酸根離子主要來源于固定源燃煤燃燒以及工業(yè)過程源排放等。

OC/EC值可用來反映大氣中二次有機物污染程度，若OC/EC比值超2.0[5-6]，表明存在氣態(tài)前體物VOCs向顆粒態(tài)有機物的二次轉化，比值越高，說明受二次轉化的程度越大。觀測期間，OC/EC比值為8.33，說明顆粒物組分中的有機碳組分以二次生成為主。

2.2.2 顆粒物組分變化規(guī)律分析。由輕度污染期間顆粒物主要組分小時濃度變化趨勢圖（圖4）不難看出，夜間各組分整體濃度均高于日間，一方面受晚間不利氣象條件影響，另一方面也與晚間污染排放量增大有關，因此進一步結合特征組分日變化規(guī)律圖進行分析（圖5）。硝酸根離子日變化規(guī)律圖顯示，硝酸根離子于早間7-8時升高，10~12時之間存在明顯峰值，升高時段及峰值時段均滯后早高峰1~2小時，充分證明NO2未出現早高峰是由于轉化為硝酸根離子導致。硝酸根離子晚高峰顯著低于早高峰，可能與晚間溫度低，不利于氮氧化物的水溶性離子轉化有關，也進一步解釋了晚間NO2濃度顯著高于日間，但晚間硝酸根離子顯著低于日間這一現象。硫酸根離子日變化規(guī)律圖與其他組分存在較為明顯的差異，但與日間生產生活、供暖用電時段較為吻合，推測與城區(qū)燃煤電廠存在密切聯系。EC為不完全燃燒的產物，多為以柴油為燃油方式的重型機械的示蹤物質，EC日變化規(guī)律圖顯示，日間EC呈現波動狀態(tài)，無明顯峰值，早高峰時段僅存在短暫升高，晚間20時后開始出現快速增長，22時達到峰值，與柴油車活躍時段一致。進一步表明株洲市輕度污染期間受移動源影響較大（尤其是晚間柴油車等重型載貨車輛貢獻突出），同時在一定程度上受城區(qū)燃煤電廠影響。

圖4 特護期輕度污染期間水溶性離子及碳組分日變化趨勢圖

圖5 硝酸根離子、硫酸根離子、EC特護期輕度污染期間日均變化趨勢圖

3 結束語

株洲市2020–2021年度特護期輕度污染期間，從污染因子的相關性分析，PM10與PM2.5相關性最高；PM10與NO2、CO以及SO2的相關性整體高于PM2.5與這三個污染物的相關性；NO2與CO、SO2也呈現較高相關性。由此說明，株洲市區(qū)粗細顆粒物的同源性高，結合產業(yè)和能源結構，污染物主要為道路移動源，同時在一定程度上受到城區(qū)內燃煤電廠影響，存在氣態(tài)污染物的二次轉化過程。

PM10、PM2.5以及CO日變化濃度呈現早高峰和凌晨峰值的雙峰形態(tài)，NO2日變化濃度為凌晨單峰曲線，硝酸根離子在上午達到最大值，因此表明移動源早晚高峰對株洲市污染物貢獻突出；而夜間各項污染因子濃度均上升并達到最大值，說明不利氣象條件對污染濃度變化影響明顯。

通過組分站數據分析，觀測期間PM2.5主要來源為道路移動源，夜間柴油車等重型載貨車輛影響明顯，城區(qū)燃煤電廠也有較大貢獻。OC/EC比值為8.33，說明顆粒物組分中的有機碳組分以二次生成為主。