焦作市2021年PM_(2...)来源解析及组成特征的变化_彭首雄.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：彭首雄（），男，硕士研究生，研究方向为 源解析及防治。通讯作者：李艳利（），女，博士，副教授，研究方向为氮地球化学循环、水生态管理。焦作市焦作市 年年 来源解析及组成特征的变化来源解析及组成特征的变化彭首雄，李艳利（河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 ）摘要：为探究焦作市 年度 来源及其组分特征的变化情况，对其样品数据进行了统计，分析了其 中的无机水溶性离子（）、碳组分、元素浓度及组成变化。结果表明：二次源及燃烧源是焦作市大气 主要污染来源。二次污染物来自一次污染，其中 占比最高，而 又以、为主。轨 迹 显 示 该 市 大 气 跨 区 域 污 染 来 源 于 郑 州、亳 州 及 淮 北 市。年 平 均 浓 度 为 ，冬季平均浓度为 。关键词：模型；组成特征：源解析；运输路径中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），：；：；引言随着我国工业化进程加快，污染也越发严重。降低大气能见度，降低空气质量，危害人体健康。年，国家开始实施“”战略，以北京、上海为主要城市，辐射周围 个城市进行了大气污染防治，焦作市也在其中。年秋冬季 平均含量分别为：、，超出国家 二级排放标准：。实施污染防治后，焦作年均 浓度从 年的 下降到 年的 。材料与方法 样品采集采样地为焦作市太极体育广场站点，取 年 大气连续在线监测数据。分析方法模型将观测的组分浓度矩阵 分解为源浓度廓线矩阵 和因子贡献矩阵（式），其中为 残差矩阵，即模型模拟值与实际观测值的差值。将每个观测数据的残差与其误差估计比值的平方和定义为，模型求解过程即为将最小化过程。模型可表示为：（，）（）DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.043彭首雄，等：焦作市 年 来源解析及组成特征的变化环境与安全 计算方法：（）（）计算方法：（）（）式（）、（）中，值表示分子量的数量。模型基于 软件中 工具对焦作市进行后向轨迹和聚类分析。受点位置是太极体育站点，模拟计算 年月份、月份期间典型时 刻 后 向 轨 迹，模 拟 高 度 选 为 、。结果与讨论 浓度特征 年焦作市 平均浓度为 ，最大含量为 ，四季平均浓度分别为：，。冬季温度降低，边界层下降，环境容量降低以及低风速和逆温等天气增加，不利于污染物扩散，而夏季高风速，降雨量明显增加，含量显著减少。浓度随 含量增加而增加，变化范围：，其主要成分以、为主，三者浓度变化范围分别是：、，占 的比重分别为：、。其中 占比较高，可见 在 生成中起 着 重 要 作 用。、及 值 将 随 浓度的增加而增大，年、均值含量分别是：、，夏季含量远低于秋冬季，夏季、均值含量仅为：、。而 年、及 的最大含量分别为：、，因此应着力降低秋冬季、排放，减少生物质 燃烧。当 ，时，与发生二次转化。本文秋冬季 、分别为 、，因此焦作市 受二次生成物贡献显著（图）。图 年焦作市 组分浓度变化 组分特征、及是 中重要的化学组分，由气态前体物、和等在大气中反应经二次转化形成。主要包 括：、等。研究期间焦作市 的主要组分依次为：。其 中、，含量相对较低，即使在秋冬季也均未超过。对 平均贡献率为，而、是 的主要组成。由于对 采取严格控制，有效降低了大气中 含量。但随着私家车数量急剧增加，排放的尾气将导致大气中二次无机气溶胶中 含量增加。、可能与局部生物质燃烧有关。含量与 和 成正比关系，表现为同增同减。年 及 均值含量分别为 、，且有明显的季节性变化，夏季含量低，两者都最低含量分别为：、，冬季最大含量分别 年 月绿 色 科 技（）第 期为：、。值是一个相对稳定的特征值，主要用以指示污染物的种类，研究表明如果 和 之间有良好相关性，表明它们具有共源性。本文将 日均值根据国家 环境空气质量标准（）日均二级标准限值（）分为个等级：清洁天（）、轻度污染天（）与 重 污 染 天（），气象条件是影响 的一个重要因素，高风速能够促进大气流动，使大气污染物扩散、稀释，同时低风速会使污染物凝聚；相对湿度能够通过吸湿增长，进而促使核膜态粒子转化为积聚模态，造成大气颗粒物不断累积。不利气象条件和高强度排放污染物是促进霾形成的主要因素，因此夏季 各组分含量相对低。当雾霾严重时，空气中的 和 含量非常高，机动车尾气和燃煤排放分别是 和 主要贡献源，且二者都属于酸性气体，这也是造成酸雨的主要原因。同时大气中浓度和湿度增大促进了转化，应将 和 协同管控，重视 和 减排。当湿度在 以上时显著增长，说明冬季硫化物含量将明显增加。在低湿度下，来源于大气间反应和煤炭燃烧。酸碱度也是影响大气化合物形成的重要因素，研究期间根据 （），表明焦作市 处于贫铵状态，呈酸性，表明焦作市大气酸度较高，有利于 向 转化，而氨气主要来自农业活动。此外，“”城市 化学组分浓度年际变化相似，即随空气污染加重，硝酸盐、硫酸盐和铵盐占 的比例均上升。本文还发现、及 浓度都随 含量增加而增加，含量也随之增大。年焦作市冬季氮氧化率均值为 ，氮氧化物的转化在雾霾严重时期明显高于清洁天，此外，白 天 随 着 太 阳 光 照 加 强，大 气 湿 度 逐 渐 下 降，与 的比值显著增长。湿度低不利于大气反应，导致 累积。和 被认为来源于燃料燃烧和机动车尾气，值有助于判断碳组分的主要来源。白天 峰值出现在上午 点左右，接着含量开始逐渐降低。夜间 的浓度高于白天，这与污染物累积有直接关系。来源 呈现出明显的季节性变化，秋冬季含量明显高于夏季。冬季 累积，二次无机盐起到了主导作用。和 主要产生于各自的气态物。一般来说 主要是来自煤炭燃烧，氮氧化物主要来源于化石燃料燃烧及汽车尾气。冬季 中的、占比分别为：、。研究期间 值为 ，表明 含量低于。水溶性离子中 和 等离子含量远低于、的量。由于焦作是一座内陆城市，距离海洋较远，因此 主要是来自生物质或煤炭燃烧产生的。此外，一些金属离子 、等可能来源于工业生产。而 、及主要与燃烧相关，一般来自于生物质和化石燃料燃烧。来源解析有研究将 主要来源划分为：扬尘；煤炭燃烧（煤 的 燃 烧 因 子 以 、和 为主）；生物质燃烧；石油燃烧；汽车尾气排放；钢铁和锌制造；冶炼铜等重金属；燃放烟花；二次富硫酸盐；二次富硝酸盐。生活中人类向大气中排放的污染物将破坏大气环境，使 污染加重。通过实验发现 中包含地壳元素、有机碳和无机碳等。为找到污染物来源，有研究自二次源（）、机动车源（）、生物质燃烧 源（）、煤 炭 燃 烧 源（）及 扬 尘 源（）。表明二次污染及机动车尾气排放是造成焦作市 污染的主要原因。本研究采用 及 模型软件进行运算，分析 中 、的含量、来源及其运输路径等。来源广泛，除了污染源的一次排放外，还包括由、和 等气态前体物化学生成的二次颗粒物。通过 模型对焦作市 来源进行解析，因子以二次无机离子、和 为 主，二次离子、是最主要的水溶性离子，代表了光化学反应生成的二次无机离子和二次有机物；二次硝酸的生成主要受气态前体物、大气氧化性和气象条件等影响，是主要的 大 气 氧 化 剂，和对 硝 酸 盐 影 响 较大。来自于化石燃料的燃烧；细颗粒物中 主要来自 和 在大气中结合形成的 ，我国大气中的 主要来自煤燃烧，因此 是燃煤的标识性元素；、均属于地壳元素，元素常作为扬尘源的示踪元素，而 是地壳中含量较高的元素；此外，、等与水泥石灰等建筑材料相关（图）。综上所述，将因子判定为二次源（），因子 为生 物质燃 烧 源（），因子 为扬尘源（），因子为燃烧源（），因子为不确定源，因子为燃煤源（）。因此焦作市主要污染源是二次源、生物质源及机动车源。建议焦作市在防治 污染过程中，主要以减少二次源为主，同时推广清洁能源，在秋冬季限行。尽管二次污染难以人为控制，但其主要是来自燃煤和机动车等一次污染物的二次反应。而一次污染源来源广泛，且有人为可控性。彭首雄，等：焦作市 年 来源解析及组成特征的变化环境与安全图 年焦作市 源解析因子 运输路径大气有流动性，裹挟其中的污染物会随之迁移。运行 模 型 后 发 现：大 气 中、等二次离子与测试点区域排放特征相似，具有较高相似度，因此焦作市 污染物除本地以外，还来自其周边地区，因而有必要加强区域协作。追溯上述条来自不同高度的污染气流来源分别是郑州市、亳州市及淮北市。因此 污染防治需要三地信息 年 月绿 色 科 技（）第 期共享。以减少二次污染物的生成作为重点，重视扬尘治理（图）。图 年焦作市 运输路径 结论（）年均浓度为（），秋冬高 春 夏 低，夜 间 高 于 白 天。冬 季 平 均 浓 度 为 。夏季最低，平均浓度为 。（）研究期间 主要组分以二次污染源（以 为主）、化石燃料及生物质燃烧、扬尘、机动车尾气。二次离子、生物质源及扬尘源占比较高，分别占：、。（）防治建议：一是加大对一次污染源的管控，推广清洁能源的使用；二是不断促进高耗能企业转型升级，推进煤改电进程。三是秋冬季实现汽车限行，提倡公共交通出行；四是对全市范围内工地、工厂进行监管，设置喷水等降污设施。参考文献：，（）：，（）：，（）孙天乐，邹北冰，黄晓锋，等，深圳市大气 来源解析 中国环境科学，（）：杨留明，王申博，郝祺，等郑州市 中水溶性离子特征及来源分析环境科学，（）：李丽平 青岛大气 中水溶性无机离子及其前体气体的浓度特征和气粒平衡关系 青岛：中国海洋大学，（）：，：，（）：杨丹，年度西安市主城区秋冬季 组分特征及来源解析环境科学与资源利用，（）孟媛媛，符超峰，席建建，等渭南市冬春季 和 时间分布特征及与气象因素的关系地球环境学报，（）：，：，（）：王申博，范相阁，和兵，等河南省零星节 组分特征中国环境科学 ，（）：刀谞，吉东生，张显，等 京津冀及周边地区采暖季 化学组分变化特征环境科学研究，（）王申博赵孝囡杨洁茹，等郑州市 组分、来源及其演变特征环境科学，（）：，：，：，（）：，：唐孝炎，张远航，邵敏 大气环境化学 版 北京：高等教育出版社，：，（）：