2017-2019年天水市污染物時空變化特征

孔祥如 王靖雅

摘要：本文基于2017-2019年天水市主城區三個國控站點逐時的污染物質量濃度監測數據分析了天水市大氣污染物的時空變化特征，揭示了天水市大氣污染的變化情況。研究結果表明：（1）污染物具有明顯的季節變化特征，臭氧濃度呈現“夏高冬低”的變化趨勢;SO2、NO2、顆粒物和CO的濃度均呈現“冬高夏低”的變化趨勢。（2）臭氧濃度小時變化特征呈“單峰型”，峰值出現在15：00-16：00;其他5種污染物則呈“雙峰型”變化趨勢，峰值分別出現在10：00-11：00和21：00-22：00，谷值出現在16：00-17：00。（3）SO2和PM2.5均呈“北高南低”的空間分布特征，進步巷和文化館兩個主城區的站點濃度明顯高于仙人崖站點;O3高值區出現在天水市城區的中部區域，仙人崖背景點和文化館站點的O3濃度高于進步巷監測點。

關鍵詞：顆粒物;臭氧濃度;季節變化;空間分布

中圖分類號：X51 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

伴隨著經濟的快速發展，工業化進程不斷推進，大氣污染問題日益嚴重[1]。大氣污染已經成為影響提高民生福祉和幸福感的嚴重阻礙。近年來霧霾天氣和沙塵天氣頻發，給人民的正常出行和生產生活造成諸多困擾。環境污染不僅會影響空氣質量和能見度，還會嚴重危害人體健康，也會對區域生態環境和全球氣候變化產生重要影響[1]。因此，大氣污染物的研究受到國內外學者的的高度重視。天水位于甘肅省東南部，地勢西北高，東南低，東西長、南北窄，呈“兩山夾一河”的特殊地理形態[2]。根據發布的生態環境狀況公報顯示，2016-2018年連續三年天水市的可吸入顆粒物和細顆粒物均超過國家二級標準。因此，通過研究天水市大氣污染物的時空變化特征，可以揭示天水市大氣污染的變化情況，對于改善天水市的環境空氣質量，確保居民的身心健康具有重要意義。

本文基于2017-2019年天水市3個國控站點監測的6項大氣污染物（PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3）的逐時質量濃度數據，分析了其月變化特征和日變化特征;同時利用ArcGIS中的Kriging插值法對天水市6種大氣污染物的空間分布特征進行了研究[11]，以期為天水市今后的空氣污染防治等提供科學依據。

1 資料與方法

污染物濃度資料來源于天水市主城區3個環境空氣質量國控站點2017-2019年的逐時監測數據。使用Excel 2010、Origin8.0 和ArcGIS10.4.1進行數據處理與分析工作。

2 顆粒物質量濃度的變化特征

2.1 時間變化特征

2.1.1 月變化特征

由圖1可知，天水市主城區3個國控點臭氧濃度的月變化均呈“夏高冬低”的變化趨勢，其主要原因為：夏季溫度較高，太陽輻射較強，導致光化學反應增強，臭氧濃度隨之升高;而冬季溫度最低，太陽輻射最弱，光化學反應受到抑制，臭氧濃度隨之降低[12-17]。此外，仙人崖站點的臭氧濃度值高于進步巷和文化館站點。

3個國控點PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO濃度月變化特征均呈“夏低冬高”的變化趨勢，冬季污染物濃度最高主要與冬季燃煤取暖以及冬季擴散條件較差有關，而夏季溫度較高，上層空氣和下層空氣交換比較頻繁，水平風速較大，垂直輸送和水平擴散條件都比較好，所以污染物的濃度最低[14-19];此外，仙人崖背景點PM2.5、PM10、SO2、CO和NO2濃度均低于進步巷和文化館站點，因為仙人崖站點屬于空氣質量背景點，受人為源排放影響較小。進步巷和文化館站點的顆粒物濃度在11月-次年5月出現超標現象，11月-次年3月顆粒物超標主要與冬季燃煤供暖有關，大量煤炭等化石燃料的燃燒導致顆粒物濃度迅速增加;4月-5月顆粒物超標主要與沙塵天氣有關。進步巷與文化館站的NO2濃度超標出現在冬季，與冬季燃煤供暖有關。除此之外，SO2和CO月均濃度在三個站點均無超標現象出現。

2.1.2 小時變化特征

由圖2可知，天水市主城區3個國控點臭氧濃度的日變化特征均呈現典型的“單峰型”，峰值出現在15：00-16：00，其主要原因是午后溫度不斷升高，太陽輻射增強，紫外線較強，相對濕度不斷降低，光化學反應持續增強，氮氧化物不斷被消耗轉化為臭氧，臭氧濃度逐漸升高，并在16時左右達到峰值[12]。之后，隨著太陽輻射的減弱，光化學反應強度降低，臭氧的生成受到限制，所以臭氧濃度急劇下降。

SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO小時濃度變化特征大致呈“雙峰型”，峰值分別出現在10：00-11：00和21：00-22：00，谷值出現在16：00-17：00。主要原因是早上8點之后，人類各項生產生活活動開始進行，交通進入早高峰，機動車開始工作，汽車尾氣排放較多，使得NO2、CO、SO2和顆粒物濃度都較高[13-14];之后，隨著溫度的升高，邊界層高度也逐漸升高，擴散條件相對較好;而21：00之后，溫度下降，空氣及顆粒物下沉，大氣層結穩定，相對濕度增大，擴散條件較差，污染物濃度再次升高，達到第二個峰值。

2.2 空間變化特征

利用ArcGIS中的Kriging插值法得到天水市城區2017-2019年SO2、PM2.5以及O3-8h平均質量濃度的空間分布如圖3所示（因為SO2、CO、NO2的空間分布圖基本相同，PM10與PM2.5的空間分布圖基本相同，所以本文只給出SO2、PM2.5、O3的空間分布圖）。由圖3可知，SO2、PM2.5以及O3年均濃度具有鮮明的空間分布特征：SO2和PM2.5的空間分布相差不大，均呈“北高南低”的分布趨勢，進步巷和文化館兩個主城區的站點濃度明顯高于生態植被優良的仙人崖站點，說明SO2和PM污染的主要來源為人為源排放（排放高值區位于水泥建材企業和集中供熱企業所處區域）。O3高值區出現在天水市城區的中部區域，仙人崖背景點和文化館站點的O3濃度高于進步巷監測點。仙人崖背景點O3濃度高主要是因為植物所釋放的大量揮發性有機物為光化學反應的發生提供了大量前體物，從而導致O3濃度較高;而文化館站點O3濃度較高主要與周邊分布有較多的工業企業有關。

3 結論

（1）PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO濃度月變化特征呈“夏低冬高”的變化趨勢，且仙人崖站點的污染物濃度均低于進步巷和文化館監測點;臭氧濃度的月變化呈“夏高冬低”的變化趨勢，且仙人崖站點的臭氧濃度值高于進步巷和文化館站點;SO2、NO2和CO冬季的濃度明顯高于其它季節，表明冬季供暖對城市空氣質量影響較大。

（2）受太陽輻射的影響，臭氧濃度的日變化特征均呈現典型的“單峰型”，峰值出現在15：00-16：00;SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO小時濃度變化特征大致呈“雙峰型”，峰值分別出現在10：00-11：00和21：00-22：00，谷值出現在16：00-17：00。

（3）SO2和PM2.5均呈“北高南低”的分布趨勢，進步巷和文化館兩個主城區的站點濃度明顯高于生態植被優良的仙人崖站點，說明SO2和PM污染的主要來源為人為源排放。仙人崖背景點和文化館站點的O3濃度高于進步巷監測點。

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