2023年三大典型城市大气污染物的变化特征研究.docx

三大典型城市大气污染物的变化特征研究 缪佳慧 万升理 张梦琦 潘星任 秦鹏飞 ：选取北京、济南和临沂这三大典型城市各月份的大气污染物监测数据，分析了大气中的主要污染物（PM10、PM2.5、N02、S02和03）的月平均变化，发现不同地区的地形条件、气象条件和能源结构等是影响大气污染状况的重要因素。其中，机动车尾气是北京大气污染的主要来源，重工业是济南大气污染的主要来源，临沂那么是复合型污染。以期为大气颗粒物的风险评估和环境空气质量监控提供参考。 关键词：大气污染;PM2.5;NOx 中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（ 2022） 24-0094-04 1 引言 近年来，随着我国城市化和工业化进程的加快以及机动车保有量的迅速增长，空气污染问题日趋严重，直接威胁人类的健康，并对气候和生态环境产生重大的影响。大气污染已经成为政府和社会共同面临的严峻问题。据世界卫生组织（WHO）估计，全球每年有近300万人死于大气污染相关疾病，约占全球年死亡总数的5%。城市大气环境中的污染问题主要包括：二氧化硫（SO2）含量较高、总悬浮颗粒物（TSP）浓度较高、机动车数量的增多导致污染物排放量增多、氮氧化物（ NOx）浓度高，造成大气污染日趋严重，特别是近些年来，细颗粒物（PM2.5）污染的加重等多种现象已引起了社会各界的高度重视。 大气环境污染是一个区域性的污染问题，污染情况受到当地地理气象条件、工业污染等因素的影响，存在着比较明显的时空分布特征。不同地区地形和地面的影响、山脉的阻滞作用和城市的高层建筑等都会对当地大气污染的流通传播产生不同的影响。 2 三个典型城市大气代表性污染物变化特征分析 2.1 调查方法 本文以北京、济南和临沂作为三个典型城市，以2022年8月至2022年4月的监测数据资料为根底数据，结合各地区特有的地理、气象条件，用比照分析的方法对大气污染物变化特征分析了大气中的主要污染物（PM10、PM2.5、N02、S02、03）的月平均变化，气态污染物之间的相关性，以期得到不同地区秋冬季各污染物的变化趋势以及不同地区之间的差异，以及同一地区各污染物的月际变化趋势以及不同污染物之间的关联。为了更准确的比照不同区域污染物之间的差异，各监测点数据均来自国家监测网站和山东省城市环境空气质量信息网，从而为大气颗粒物的风险评估和环境空气质量监控提供参考。 2.2 污染物总体变化情况 由图1可以发现，特征污染物浓度由高到低依次是PM10、PM2.5、N02、S02，其中济南和临沂地区的PM10、PM2.5和NO2浓度在1月份到达浓度顶峰后略有下降，但03的变化趋势与之相反，而北京污染物浓度相对变化不明显。济南和临沂PM10、PM2.5、S02浓度都比北京高且在冬季有峰值，而北京大气污染物浓度波动较小。济南和临沂污染物浓度整体呈季节性，冬季到达污染物峰值，夏季污染物浓度较低。 2.3 典型污染物比照分析 2.3.1 大气颗粒物浓度变化分析 调查发现，颗粒物的浓度随季节变化比较大。如图2所示，济南和临沂PM10、PM2.5浓度整体变化趋势相似呈倒V型，浓度顶峰都在冬季，北京的PM10、PM2.5浓度相对较低的，浓度峰值在11月份。 据北京市环保局对外公布的数据说明北京市全年PM2.5来源中本地污染排放奉献占2/3，区域传输奉献约占1/3。区域传输是造成北京空气污染严重的重要原因之一，在没有区域传输下，污染物的浓度本应随风速降低，但是北京周围多工业区，主要指河北重工业地带产生的大气污染物经过区域传输到北京，给北京大气带来极大的影响。北京周边城市地区大气污染物排放量大，常年情况下，区域传输对北京PM2.5污染的影响为28%～36%;在极端不利气象条件下，外来传输对北京大气污染的影响高达50%左右。而近年来北京推行天然气取暖，绿色能源结构，北京的冬季大气污染物浓度降低，符合图2中的冬季污染物浓度较低变化趋势。另外，北京的春季短促，平均只有53 d，但其中有近20 d出现尘沙天气。每当尘暴来临，外来污染物经过区域传输进入北京形成沙尘污染。据统计，日降水量大于等于1 mm时，北京空气质量的达标率是74%，但北京是北温带季风气候，降水多集中在夏季，湿沉降在夏季除污效果明显[1]。 据济南市环保局对外公布的PM2.5来源分析结果，细颗粒物是此次重污染的主要污染物[2]。济南PM2.5主要来自于本地的污染排放，本地污染排放奉献占68%—80%，区域传输奉献占20%～32%。其中燃煤、扬尘、工业生产和机动车是主要的来源。济南特殊地形，四周地形都高于市区，城区呈现浅碟状态，这样的地理位置更容易形成逆温，逆温层大约在100 m左右，而排放的污染物分布在150 m以下，这样就会使得污染物无法向外排放。济南高浓度区域的大气污染物排放均量高于全国平均水平[3]，除此之外机动车、扬尘和生活源的污染物排放强度也很大，而且过度集中在扩散条件差的城区区域。济南处于供暖区，燃煤供暖加大了污染，惡劣的气象条件使污染物浓度峰值出现在冬季1月份[4]。 临沂大气颗粒物中PM10来源广泛，成分复杂。根据临沂市气象局所做的大气颗粒物来源分析结果，主要来自于土壤，机动车尾气和煤烟尘，其次是建筑灰尘和冶炼尘。冬季供暖期煤烟灰尘比重较非供暖期会上升1O%左右，而非供暖期土壤灰尘占总来源的比例高达55%以上，土壤灰尘的88%是来自于人类活动产生的二次扬尘[5]。因此，临沂市大气颗粒物污染是包括煤烟灰尘、扬尘、建筑灰尘和机动车尾气在内的复合型污染，人类活动所形成的二次扬尘和机动车尾气已经成为临沂市大气颗粒物污染的主要来源。 2.3.2 N02的变化情况分析 大气中N02的来源分为自然源和人为源两种。化石燃料的燃烧和机动车尾气排放是N02的主要来源。各地的研究说明，机动车对氮氧化物排放量奉献在40%～60%之间，而因为近地排放的原因，其对环境二氧化氮的浓度奉献在70%以上，远高于非机动车排放源的奉献，机动车尾气排放已成为城市氮氧化物污染的主要原因[6]。北京作为首都，交通量巨大，临沂是山东物流之都，机动车数量居山东首位，济南是名副其实的堵城，在道路拥堵二氧化氮浓度更易累积，且济南和临沂地形特殊污染物难扩散。从图3中可以看出，济南和临沂两城市N02的月际变化趋势根本相同，两城市都在1月份的时候出现污染物浓度顶峰。冬天燃煤供暖会排放更多的污染物，而且气温低，风级减小更加不利于污染物的扩散稀释。北京的NO2浓度较低，空气质量较稳定，在冬季从西北来的季风使污染物向东南转移，使北京的NO2浓度11月到达浓度顶峰后呈现出下降的趋势，在2月份受季风气候的影响三市的NO2浓度到达了浓度的最低值。浓度明显波动的在3月，这是因为3月是春季，北京多沙尘天气加剧了空气的污染，空气中的污染物会聚集吸附在沙尘上危害更大。 2.3.3 S02的浓度分析 图3说明，临沂、济南的S02浓度呈倒“V〞型，北京浓度相对较低，低于环境空气质量标准（ GB3095 -2022）。北京重工业区很少，山东相对来讲重工业区比较多，工业源SO：排放量远比生活源大。临沂不仅板厂等高污染工业众多，还是物流之都，机动车等数量居山东省首位，板材生产的污染物和机动车尾气是临沂大气污染的一大问题。季节性变化明顯，SO2浓度冬春两季高于夏秋两季。三市为季风性气候，冬季枯燥少雨，北京受西北风影响较大但伴有沙尘天气，济南临沂地形多形成逆温现象，不利于污染物扩散稀释，夏季雨水充分，常伴有强对流天气，有利于S02湿沉降。北方冬季供暖期需要燃烧大量的煤炭，煤炭含硫量约为0. 7%，冬季燃煤增多S02浓度升高。 2.3.4 S02、NOx与03间的相关性 研究说明，对流层03的产生主要来自光化学反响，03浓度变化速率与太阳紫外线辐射强度、挥发性有机物（ VOCs）及NOx等物质密切相关[7]。液态水含量是影响大气中03浓度下降的最关键因子[8]，所以形成了三市的03的“U〞型曲线。SO2浓度变化的倒“V〞型曲线和03浓度变化的“U〞型曲线相联系，三市S02和03浓度的变化是负相关，但在图4中北京S02和03浓度没表现出明显的相关性，主要与SO2浓度低波动小有关。三市N02和03浓度的比照由图5可以看出，随着N02浓度的升降03浓度降升，变化相反，呈现出明显的负相关性。其原因一是N02会破坏臭氧层导致臭氧层的空洞，二是发生的光化学过程会导致NOx的减少和03的积累，因此两者的变化趋势是相反的。该研究结果与王海燕等对呼和浩特市大气污染特征的研究结果相似。间接证明N02、S02之间具有同源性，因为这些污染物主要来自于化石燃料的燃烧和汽车尾气的排放，直接得出大气污染物03浓度与NO2、S02浓度之间呈极显著负相关性[9]。 3 结论 大气污染物浓度变化分析结果说明，三大城市的大气污染季节性明显，夏季污染物浓度较小，冬季污染物浓度较高。北京是政治经济文化开展中心，大气污染主要受污染物迁移、机动车尾气、季风气候、人类生产生活等影响，近年北京实行的绿色能源结构减少了污染物产生。济南和临沂是以重工业为主的城市，重工业城市定位以及工业布局不合理、能源消费结构不合理、供气供热等根底设施建设滞后、机动车尾气及扬尘重、地形特殊不利于大气污染物扩散等，是引起济南和临沂地区大气污染的主要因素。 在空气治理方面，必须要优化工业布局，绿色能源结构，环保建材，施工期间做好扬尘污染防治，改进防治措施，加强环境污染防治宣传力度，绿色出行，提升公民环保意识。大气污染的治理应结合各城乡开展需要和长远规划，制定完善和可行的大气污染监测、管理和防治机制，切实践行可持续开展理念，有效解决大气污染治理问题。 参考文献： [1]周江兴，北京市几种主要污染物浓度与气象要素的相关分析[J].应用气象学报，2022（S1）：123—127. [2]刘盈盈，殷宝辉，王静，等，济南冬季大气重污染过程颗粒物组分变化特征J].环境化学，2022，37（12）：2749—2757。 [3]孙玉伟，周学华，袁琦，等.济南市秋末冬初大气颗粒物和气体污染物污染水平及来源[J].环境科学研究.2022，25（3）： 245～252. [4]徐萌，张春鑫，徐林，等，毕节市区大气污染特征及影响因素分析[J].平安与环境工程，2022， 25（5）：64～71. [5]魏巍，张维东.青岛市大气颗粒物污染特征及变化规律[J].环境与开展，2022，31（7）：130-132. [6]韩伟明，严向军，徐海岚等.杭州市大气NOx来源及控制对策研究[J].环境科学研究，2002，15（1）：34—37. [7]Liu Y S，Hu Z C， Li M， et al. Applications of LA - ICP - MS inthe Elemental Analyses of Geological Samples [J]. Chinese Sci-ence Bulletin， 2022， 58（32）： 3863-3878. [8]安俊琳，王跃思，李听，等，北京地面紫外辐射与空气污染的关系研究[J].环境科学，2022. 29（4）：1053—1058. [9]李立忠，朱璐，金焰，等，黄石市大气颗粒物的特征分析J].中南民族大学学报（自然科学版）.2022（4）：14—16. 收稿日期：2022-11-20 基金工程：山东省大学生创新创业方案训练工程（编号：S202210452022）;临沂大学教学改革与研究工程“互联网十时代背景下环境学科本科生自主学习能力培养途径的探索与实践〞;临沂大学校级教学质量工程工程“环境化学课程课堂教学模式的改革〞 作者简介：缪佳慧（1998-），女，临沂大学资源环境学院学生。 通讯 秦鹏飞（1985-），女，副教授，研究方向为环境检测与健康。