龙游县PM2.5化学组分特征及来源解析*

2021-02-01陈雳华武燕燕韩黎霞叶心妤

环境污染与防治 2021年1期

杨圣陈雳华武燕燕韩黎霞叶心妤

(1.衢州市生态环境局龙游分局，浙江衢州 324400；2.浙江省环境科技有限公司，浙江杭州 310023；3.浙江大学能源工程学院，浙江杭州 310027)

大气PM2.5污染对能见度、生态环境和人体健康等都有不可忽视的影响，近年来受到诸多研究人员的广泛关注[1]。我国已针对京津冀、长三角、珠三角和成渝地区开展了大量PM2.5的研究，并根据研究结果对主要排放源进行了合理管控，已初见成效，但其他地区仍有许多城市亟待解决大气PM2.5污染问题[2-5]。

本研究于2018年春季、夏季、秋季和冬季在龙游县3个代表性点位采集了环境PM2.5样品，并实地采集了污染源样品，分析了PM2.5主要化学组分的污染变化特征，并利用化学质量平衡模型(CMB)对PM2.5进行来源解析，得到不同季节不同污染源对PM2.5的贡献率，为后续有针对性地开展颗粒物污染防治工作提供合理依据。

1 研究方法

1.1 环境PM2.5样品的采集

于2018年春季、夏季、秋季和冬季，分别在衢州市生态环境局龙游分局(以下简称环保局，119°10′2.9″E、29°2′20.9″N，位于县城城区，属办公、住宅混合区)、夏金(119°6′7.3″E、28°59′36.1″N，位于龙游县西部边界，属农村)、湖镇(119°18′59.4″E、29°5′3.2″N，位于龙游县东部边界，属农村)3个代表性点位采集环境PM2.5样品，每个点位都在距地面5～20 m的空间内采集。采样期间每个点位每日使用两台空气采样器(PQ200)分别用直径47 mm的石英滤膜(供含碳组分和水溶性无机离子分析)和特氟龙滤膜(供无机元素分析)连续采样23 h，切割粒径为2.5 μm，流量为16.7 L/min，每个季节至少采集5 d，取平均值。采样后立即将滤膜放置在4 ℃下密封冷藏保存。通过称量法获得PM2.5浓度。

1.2 污染源PM2.5样品的获取和采集

通过对龙游县自然环境、经济社会、能源结构、城市建设、工业现状及主要大气污染特征的调查识别出龙游县大气PM2.5的污染源主要有7类：工业、机动车尾气尘、道路扬尘、土壤风沙尘、建筑水泥尘、二次硫酸盐、二次硝酸盐。机动车尾气尘和建筑水泥尘形成的PM2.5样品化学组分特征使用参考文献[11]中的数据；二次硫酸盐和二次硝酸盐形成的PM2.5样品化学组分特征采用纯硫酸铵和纯硝酸铵建立虚拟成分谱[12]；其他排放源形成的PM2.5样品均由现场采集得到，具体采样方法参见生态环境部的《环境空气颗粒物来源解析监测技术方法指南》，共采集工业样品4个、道路扬尘样品14个、土壤风沙尘样品14个。

1.3 样品分析方法

2 结果与讨论

2.1 龙游县PM2.5化学组分特征

图1展示了2018年龙游县3个点位PM2.5质量浓度的季节变化，3个点位的PM2.5平均质量浓度春季为39.63 μg/m3、夏季为29.93 μg/m3、秋季为62.80 μg/m3、冬季为92.33 μg/m3，季节差异较为明显，冬季远高于春季、夏季，秋季也相对较高，总体表现为冬季>秋季>春季>夏季。因为夏季降水较多，有利于环境PM2.5浓度降低，同时夏季气团主要来自海洋，携带污染物较少；而冬季相反，降水较少，气团又主要来自内陆地区。根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)，PM2.5日均质量浓度为150～250 μg/m3时属重度污染。由此判断，龙游县冬季采样期间1月18日达到了重度污染。这次重度污染形成过程中，PM2.5实时质量浓度从1月17日清晨开始升高，在夜间有一个积累过程，到1月18日3：00左右达到最大值(约190 μg/m3)，此后维持在150～183 μg/m3，直到15:00后下降。对于同一季节而言，环保局、夏金、湖镇间的空间差异则较小。

图1 2018年龙游县3个点位PM2.5质量浓度的季节变化Fig.1 Seasonal changes of PM2.5 mass concentrations for 3 sites in Longyou,2018

图2 PM2.5中水溶性无机离子和碳组分的季节变化特征Fig.2 Seasonal changes of water-soluble inorganic ions and carbon components in PM2.5

图3 PM2.5中水溶性无机离子和碳组分的空间分布特征Fig.3 Spatial distribution of water-soluble inorganic ions and carbon components in PM2.5

图4、图5分别为PM2.5中无机元素的季节变化特征和空间分布特征。冬季Fe、Si、Ca、Ti、Mg、Al、K等元素浓度较高，而春季Fe、Al、Na、K等元素浓度较高，说明不同元素在不同季节的来源不同。从空间分布来看，环保局和湖镇的各元素浓度总体比较接近，而与夏金差异较大，说明城市和农村可能并不是造成这些元素浓度差异的原因，具体原因值得进一步深入研究。

图4 PM2.5中无机元素的季节变化特征Fig.4 Seasonal changes of inorganic elements in PM2.5

图5 PM2.5中无机元素的空间分布特征Fig.5 Spatial distribution of inorganic elements in PM2.5

2.2 来源解析

将环境和污染源类样品PM2.5各化学组分数据纳入CMB进行计算[16-18]，得到龙游县各污染源对环境中PM2.5的贡献率，结果见图6。

春季PM2.5浓度较低，不同污染源的贡献率相对比较平均。夏季PM2.5浓度最低，工业、二次硝酸盐的贡献与春季相比明显降低。秋季与冬季PM2.5浓度较高，各污染源贡献也有一定的相似之处，主要表现为机动车尾气尘、二次硫酸盐、二次硝酸盐贡献率较大，而建筑水泥尘贡献率很低。秋季与冬季主要的区别是秋季工业贡献率只有10.93%，而冬季工业贡献率高达23.73%。冬季的PM2.5污染最为严重，工业、机动车尾气尘、二次硝酸盐和二次硫酸盐是冬季PM2.5最主要的4类污染源，贡献率总和达到85.82%。对重度污染的1月18日专门进行污染源贡献率分析发现，与整个冬季相比，其二次硝酸盐、二次硫酸盐贡献率大大增加，尤其是二次硝酸盐贡献率，由28.62%增加到了36.50%。全年总体分析，龙游县2018年各类污染源贡献率大小依次为：机动车尾气尘(29.28%)>工业(23.08%)>二次硝酸盐(21.95%)>二次硫酸盐(10.99%)>土壤风沙尘(2.79%)>建筑水泥尘(2.55%)>道路扬尘(2.13%)。

与长三角其他城市[19]比较(见表1)发现，长三角典型城市PM2.5的最主要污染源基本均为工业、机动车尾气尘、二次硫酸盐和二次硝酸盐，二次污染对各城市PM2.5浓度有非常重要的影响。4个城市的PM2.5均有民用来源解析出，主要包括餐饮油烟、厨房天然气使用、农田秸秆燃烧等来源，而本研究未对这一来源进行考虑，很有可能包含在其他来源中，后续的研究应把这部分来源考虑进去。

3 结论

(1) 2018年龙游县3个点位PM2.5平均质量浓度春季为39.63 μg/m3、夏季为29.93 μg/m3、秋季为62.80 μg/m3、冬季为92.33 μg/m3，季节差异较为明显，总体表现为冬季>秋季>春季>夏季。

(3) 来源解析结果显示，龙游县2018年全年各类污染源的贡献率大小依次为：机动车尾气尘(29.28%)>工业(23.08%)>二次硝酸盐(21.95%)>二次硫酸盐(10.99%)>土壤风沙尘(2.79%)>建筑水泥尘(2.55%)>道路扬尘(2.13%)，机动车尾气尘、工业、二次硝酸盐和二次硫酸盐为最主要的污染源，这在冬季表现得尤为明显。