三明市城區(qū)非甲烷總烴的污染特征與影響分析

陳成淼

(福建省三明環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 三明 365000)

1 概述

隨著三明市工業(yè)的快速發(fā)展以及常住人口、機動車保有量的不斷增加，三明市城區(qū)環(huán)境空氣的首要污染物從2017年開始由PM2.5轉(zhuǎn)變?yōu)镺3，復(fù)合型污染特征極其明顯。夏季、秋季的O3污染最為嚴重，具有明顯的季節(jié)變化特征，且與氣象因素密切相關(guān)。而大氣中的VOCs是生成O3的重要前體物，在高溫光照條件下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3[1]，同時VOCs能與大氣中的其他物質(zhì)通過物理、化學(xué)反應(yīng)生成二次有機氣溶膠[2]，導(dǎo)致大氣中PM2.5濃度升高。由于VOCs種類較多，測量方法復(fù)雜且成本高，很難在日常監(jiān)測中進行普及。非甲烷總烴(NMHC)通常是指除甲烷以外的其他可揮發(fā)性碳氫化合物，主要是(C2～C8)的總稱，是VOCs中最主要的一類物質(zhì)，具有光化學(xué)活性強的特性，在一定程度上可以簡單直觀地反映大氣中VOCs污染的總體情況。本文以三明市城區(qū)2021年1—12月陳大空氣站的NMHC在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及大氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，分析了三明市城區(qū)NMHC的污染特征、變化趨勢及影響，為三明市城區(qū)未來大氣污染防治工作提供技術(shù)支持。

2 實驗部分

2.1 監(jiān)測時間

2021年1月1日—12月31日。

2.2 監(jiān)測點位

監(jiān)測地點位于三明市三元區(qū)陳大鎮(zhèn)，該站點處于三明市城區(qū)工業(yè)、商業(yè)、教育、居住等綜合區(qū)域，周邊相對開闊，無高大樹木、建筑物遮擋，無固定污染排放源。采樣點距離地面高度約25m，符合環(huán)境空氣氣態(tài)污染物自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，能夠真實反映三明市城區(qū)的空氣質(zhì)量狀況，具體監(jiān)測點位見圖1。

圖1 三明市城區(qū)NMHC監(jiān)測點位(陳大空氣站)

2.3 監(jiān)測儀器與分析方法

譜育科技EXPEC2000型在線式氣相色譜分析儀采用120℃高溫伴熱，雙閥雙柱單氫火焰離子化檢測器(FID)技術(shù)進行甲烷/非甲烷總烴的檢測。在采樣泵的作用下，樣品經(jīng)內(nèi)置過濾器過濾后，被同時采集到兩個定量環(huán)中，然后通過載氣將兩個定量環(huán)中的樣品分別送入兩根色譜柱。總烴先從第一根色譜柱中流出進入FID檢測器，然后甲烷從第二根色譜柱中流出進入FID檢測器，再切換閥位置，將第二根色譜柱中的高沸點物質(zhì)反吹出色譜柱，一次循環(huán)分析可得到甲烷、總烴的含量，通過差減法計算得出NMHC的含量。設(shè)備運行管理參照環(huán)境空氣顆粒物和氣態(tài)污染物儀器的相關(guān)質(zhì)控技術(shù)規(guī)范進行，對NMHC等7種環(huán)境空氣污染物進行24h在線連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測儀器與分析方法見表1。

表1 監(jiān)測儀器與分析方法

2.4 數(shù)據(jù)來源與質(zhì)量控制

分析數(shù)據(jù)來自三明市三元區(qū)陳大空氣自動站，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制，NMHC數(shù)據(jù)換算成體積濃度參與計算。技術(shù)人員對氣態(tài)污染物監(jiān)測儀每周進行1次零點/跨度檢查校準、每月進行1次精密度檢查、每季度進行1次多點線性校準，每季度對臭氧校準儀進行1次標準傳遞，每半年對顆粒物監(jiān)測儀進行1次流量校準和標準膜校準。

氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)包括氣溫、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓，數(shù)據(jù)來自陳大空氣站安裝的德國LUFFT氣象參數(shù)監(jiān)測儀。

3 結(jié)果與討論

3.1 NMHC的總體特征

2021年三明市城區(qū)NMHC等7項環(huán)境空氣污染物濃度統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 2021年三明市城區(qū)環(huán)境空氣污染物濃度統(tǒng)計

環(huán)境空氣中的NMHC主要來自工業(yè)生產(chǎn)、機動車尾氣、煤炭燃燒、油氣揮發(fā)和溶劑蒸發(fā)等排放[3]。2月份處于春節(jié)假期，三明市城區(qū)工業(yè)生產(chǎn)生活及機動車使用強度降低，NMHC的排放總量減少，導(dǎo)致三明市城區(qū)環(huán)境空氣中NMHC的含量也隨之降低。從表2可以看出，由于春節(jié)期間的工業(yè)生產(chǎn)和機動車使用強度降低，直接排放的一次污染物NO2濃度較整個冬春季節(jié)顯著減少。三明市城區(qū)NMHC時間變化規(guī)律為春夏季節(jié)高，秋冬季節(jié)低。

3.2 NMHC濃度與空氣中6項污染物濃度的相關(guān)性

NMHC濃度與SO2、NO2、CO濃度呈顯著的正相關(guān)性,說明三明市城區(qū)環(huán)境空氣中的NMHC與NO2、CO、SO2的來源基本一致，主要來源于工業(yè)生產(chǎn)與機動車尾氣。環(huán)境空氣中的NMHC與NOx、CO等污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)可生成二次有機氣溶膠，是顆粒物的重要組成部分。NMHC與PM10呈正相關(guān)，與PM2.5呈弱負相關(guān)，說明三明市城區(qū)近地面的環(huán)境空氣光化學(xué)反應(yīng)條件不利于二次有機氣溶膠的生成，光化學(xué)反應(yīng)生成的顆粒物較少，顆粒物大部分都是由污染源直接排放的一次污染物，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物占比相對較少，相關(guān)性見表3。

表3 NMHC濃度與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5濃度的相關(guān)性

從表3可見，NMHC濃度與二次污染物O3濃度呈顯著負相關(guān)，NMHC作為O3的前體物具有十分顯著的季度變化特征。在高溫、強光照等環(huán)境下，近地面的光化學(xué)反應(yīng)條件較好，大量NMHC經(jīng)過二次反應(yīng)生成O3，因此三明市城區(qū)的NMHC在秋季濃度最低。冬季的時候，三明市城區(qū)的氣象擴散條件較差，易于污染物累積，在這種光照較弱、低溫、高濕的靜穩(wěn)環(huán)境條件下，NMHC與NOx、CO等光化學(xué)反應(yīng)能力比較低，二次反應(yīng)生成的O3較少[4]，被消耗的NMHC也較少，因此，冬季三明市城區(qū)的NMHC濃度最高。但NMHC能與大氣中的其他物質(zhì)通過物理、化學(xué)反應(yīng)形成二次有機氣溶膠，從而導(dǎo)致三明市城區(qū)大氣顆粒物的濃度升高，這也是三明市城區(qū)冬季、春季顆粒物濃度較高的原因之一。2021年春節(jié)期間，受新冠肺炎疫情影響，三明市城區(qū)及周邊居民的生產(chǎn)生活強度有所降低，春節(jié)期間的SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5污染來源減少。加上環(huán)保部門提倡全體市民減少燃放煙花爆竹，城區(qū)未出現(xiàn)大量燃放煙花爆竹現(xiàn)象，且春節(jié)期間正逢雨季，較好的氣象擴散條件加速了SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的清除，同時也為O3生成創(chuàng)造了良好的條件，形成2月份的SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5度較低，而O3濃度較高的“春節(jié)效應(yīng)”現(xiàn)象。

3.3 NMHC與氣象因子的關(guān)系

2021年三明市城區(qū)陳大空氣站的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 2021年三明市城區(qū)陳大空氣站氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用線性方程分析大氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)速四個氣象因子對三明市城區(qū)環(huán)境空氣中NMHC濃度的影響，結(jié)果表明，NMHC濃度與風(fēng)速和氣溫呈顯著的負相關(guān)，與大氣壓和相對濕度呈正相關(guān)，風(fēng)速和氣溫對三明市城區(qū)的NMHC濃度的影響最大，大氣壓和相對濕度對NMHC的影響相對較小，見表5。

表5 NMHC與氣象因子的相關(guān)性

3.3.1 NMHC與大氣壓的關(guān)系

三明市城區(qū)呈狹長型，一條沙溪河穿城而過，河谷兩側(cè)以中低山脈及丘陵為主，主城區(qū)地勢較低。冬季逆溫現(xiàn)象較多且大氣邊界層較低，主風(fēng)向為西南風(fēng)，日間近地面氣溫上升，氣壓開始升高，郊區(qū)近地面氣溫升高速度快于城區(qū)，污染物從郊區(qū)向城區(qū)聚集，而光化學(xué)反應(yīng)消耗的NMHC的速率小于累積速度，受逆溫層的影響，城區(qū)垂直方向上的空氣流動性較差，環(huán)境空氣中的NMHC的濃度升高，因此氣壓升高是NMHC濃度升高的一個因素。

3.3.2 NMHC與氣溫的關(guān)系

氣溫是影響光化學(xué)反應(yīng)的重要因素，有研究表明，溫度越高，太陽輻射越強，光化學(xué)反應(yīng)也越強，使得O3的生成加快[5]，O3前體物NMHC的消耗速率也加快。由表5可見，三明市城區(qū)的NMHC與氣溫呈顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.1604。

3.3.3 NMHC與相對濕度的關(guān)系

由表5可見,NMHC與相對濕度呈正相關(guān)，主要原因是相對濕度較高時，大氣中的水汽影響了太陽光紫外線的輻射強度，進而導(dǎo)致了大氣光化學(xué)反應(yīng)減弱[6]，作為O3前體物的NMHC的消耗率降低，造成NMHC的含量升高。每年2—6月為三明市城區(qū)的雨季，相對濕度較高，加上省內(nèi)新冠肺炎疫情結(jié)束后大量工業(yè)企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，NMHC的污染排放強度升高，這是二季度NMHC含量最高的一個關(guān)鍵因素。

3.3.4 NMHC與風(fēng)速的關(guān)系

2021年三明市城區(qū)風(fēng)速月均值為0.2～0.9m/s,由表5可見，NMHC與風(fēng)速呈極強的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.4030。風(fēng)速越高，使得大氣在垂直和水平方向的擴散效果越強[7]，對NMHC濃度起到的稀釋作用越大。

3.3.5 NMHC與風(fēng)向的關(guān)系

從圖2—圖5可以看出，陳大站點主要受東南風(fēng)向、西南風(fēng)向影響，全年風(fēng)速整體較低，西北、北、東北方向風(fēng)頻較低。

第一季度主要受南邊較遠距離的污染傳輸影響，陳大空氣站附近存在多個污染源，西和西南方向污染點位更大，推測為西南側(cè)工業(yè)園區(qū)和三鋼廠區(qū)的工業(yè)污染源排放，東和東南方向上近距離的污染源較多，分布零散，主要為交通排放源，見圖2。

圖2 2021年第一季度NMHC污染玫瑰圖

第二季度NMHC污染主要來自東南方向和西南方向，其中東南方向污染源距離稍遠，西南方向污染源距離更近。結(jié)合點位周邊環(huán)境分析，站點主要受到西南方向三鋼廠區(qū)的工業(yè)污染源排放和東南方向上道路交通和工廠排放的影響，此外，站點還受到正南方向的物流園區(qū)的污染影響，見圖3。

圖3 2021年第二季度NMHC污染玫瑰圖

第三季度污染稍低，受東南方向上污染排放影響更大，周邊污染源包括站點周邊工業(yè)企業(yè)、物流園及交通干道的汽車尾氣等，見圖4。

圖4 2021年第三季度NMHC污染玫瑰圖

第四季度污染主要來自正南方位上稍遠距離，該方向主要污染為物流工業(yè)園區(qū)的汽車尾氣、車輛維修、燃料揮發(fā)等，此外該方位有重要交通樞紐，車流量大，尾氣排放量大。本季度西南方位上整體污染較低，東和東南方向存在零散污染源，見圖5。

圖5 2021年第四季度NMHC污染玫瑰圖

4 結(jié)論

①2021年三明市城區(qū)NMHC的平均質(zhì)量濃度(以碳計)為0.17mg/m3，時間變化規(guī)律為春夏季節(jié)高，秋冬季節(jié)低，NMHC主要來源于工業(yè)污染源、機動車尾氣的排放。

②春節(jié)期間，受工業(yè)生產(chǎn)、居民生活和出行等活動強度降低的影響，三明市城區(qū)的NMHC含量較低，“春節(jié)效應(yīng)”明顯。

③三明市城區(qū)環(huán)境空氣中的NMHC含量與SO2、NO2、CO、PM10均呈正相關(guān)，且相關(guān)性達到顯著水平，與O3呈顯著負相關(guān)。

④三明市城區(qū)環(huán)境空氣中的NMHC含量與大氣壓、相對濕度呈正相關(guān)，與氣溫和風(fēng)速呈顯著負相關(guān)。其中，風(fēng)速對NMHC的影響最大，氣溫次之，相對濕度對NMHC的影響最小。

⑤三明市城區(qū)NMHC受西南風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)影響較大，其主要來自西南方向的三明鋼鐵廠和工業(yè)園區(qū)等工業(yè)污染源，以及南面的物流園和交通干道的機動車尾氣排放。