广州市大气气态总汞含量季节和日变化特征

刘 明,陈来国,陶 俊,许振成,朱李华,钱冬林,范瑞芳 (.环境保护部华南环境科学研究所,城市环境研究中心,广东 广州 50655；.华南师范大学生命科学学院,广东 广州 5063)

广州市大气气态总汞含量季节和日变化特征

刘 明1,2,陈来国1*,陶 俊1,许振成1,朱李华1,钱冬林1,范瑞芳2(1.环境保护部华南环境科学研究所,城市环境研究中心,广东 广州 510655；2.华南师范大学生命科学学院,广东 广州 510631)

利用高时间分辨率自动测汞仪(tekran 2537B),于2010-11～2011-11对广州市大气气态总汞(TGM)进行了连续1a的观测.结果表明,广州市大气气态总汞的年平均含量为(4.86±1.36)ng/m3,表明该地区受到了一定程度的大气汞污染.TGM浓度按季节表现为:春季＞冬季＞秋季＞夏季.TGM 污染呈现春高夏低的现象,气象因素如边界层、静止风是影响其季节分布不同的主要原因.日变化趋势为中午最低,早晚出现 2个高峰,边界层和温度对TGM日变化有很大影响.对广州市大气气态汞的可能来源分析结果表明,TGM主要来源于本地人为排放,其中市内燃煤电厂和水泥厂等人为源排放可能是广州市大气气态总汞的主要来源.

广州市；气态总汞；季节变化；日变化；来源

大气中汞的循环在全球汞的生物地球化学循环演化中占有极其重要的地位.气态单质汞在大气中的驻留时间长达 0.5～2a,能随大气循环在全球尺度上传输,使大气成为不同环境介质中汞迁移转化的重要传输通道[1].对城市大气气态总汞(TGM)的监测可以反映城市大气中汞的污染水平,国内外很多学者已经开展了城市 TGM的相关研究[2-9],这些研究对于城市TGM的污染以及迁移过程具有重要的参考价值.短期研究表明,广州城区TGM含量高达(13.5±7.1)ng/m3[4],这比国外其他城市[2-3]高出 10多倍.本研究选取广州市作为观测点,目的在于开展 TGM的长时间高分辨率观测,探讨其季节和日变化特征,以期更加全面认识目前广州市大气汞污染现状、变化特征及可能来源,为广州市大气污染防治和空气环境改善提供依据.

1 材料与方法

1.1 监测点概况

广州市现辖10个区和2个县级市,属于南亚热带季风海洋气候,温暖多雨,夏长冬短.冬半年盛行偏北风,夏半年盛行偏南风,同时受地方风如热岛环流、海陆风的影响.广州年平均气温为 21.4～21.9℃,年均降雨量为 1982.7mm,平均相对湿度为 77%.全年中,4～6月为雨季,8～9月天气炎热.本研究监测点设在广州市天河区华南环境科学研究所综合楼 13楼的大气超级观测站(113°21′E,23°07′N),距离地面约 50m,采样点周边是居住区,2km范围内无明显汞人为排放点源.

1.2 监测方法

采用高时间分辨率自动测汞仪(Model 2537B,Tekran Inc., Toronto, Canada)连续监测大气中的TGM浓度,采样流速为1.5L/min,每次采样5min,仪器最低检测限为0.1ng/m3.华南环境科学研究所大气超级观测站配备的自动气象站(MAWS,Vaisala Inc., Finland)提供同步风向、风速、气温等气象参数,监测时间段为 2010年 11月～2011年11月,共采集104251个有效数据.

1.3 质量保证与质量控制

为了保证TGM数据质量,每25h仪器通过内置汞源自动校正 1次,采样期间使用外置汞源(Tekran 2505)校正仪器,内外汞源数据偏差不超过10%.

2 结果与讨论

2.1 广州市TGM含量总体状况

如图1所示,监测期间广州市TGM含量范围为 2.66～11.10ng/m3,均值(4.86±1.36ng/m3),明显高于全球背景值(1.5～2.0ng/m3)[10],表明广州市受到一定程度的大气汞污染.由表1可以看出,与国外城市相比,明显高于纽约和韩国首尔[2-3];与国内城市相比,广州TGM浓度低于长三角、北京和贵阳[4-6],明显低于重庆和厦门[7-8].较大的 TGM变化范围也表明监测点明显受周边的人为汞排放源影响[11].本研究 TGM 的含量显著高于万顷沙(广州郊区)冬季期间(2008年11～12月)数据[9](均值 2.94ng/m3).这可能因为万顷沙位于珠三角东部的珠江入海口处,邻近地区无工业污染源,地理条件也有利于污染物的扩散.但是本研究数据明显低于Wang等[4]报道值(13.5±7.1) ng/m3(2005年 1月).原因可能在于经过多年的治理,广州市的空气质量有了显著的改善[12],自 2007年开始广州开始采取了一系列措施,如关闭单机容量 5万以下常规发电小火电厂和落后及污染严重的水泥生产企业,2010年广州亚运会的召开导致广州市进一步加大了空气污染治理工作的力度.

图1 广州市大气TGM浓度Fig.1 TGM concentration of the ambient air in Guangzhou City

2.2 广州TGM季节变化特征

如图2所示,广州市大气TGM含量的平均值按季节表现为:春季(3～5月)＞冬季(12～2月)＞秋季(10～11月)＞夏季(6～9月).四季大气TGM含量波动较小,相对比较稳定(SD=1.25,1.21,0.97, 1.61ng/m3),可能表明监测点的TGM浓度主要受周边本地源的影响.春季 TGM 平均浓度为5.21ng/m3,夏季为4.16ng/m3,秋冬二季的TGM季节变化不明显(均值 4.3,4.4ng/m3).但是冬季波动较大,秋季最为稳定.研究表明,广州污染物主要来源于本地排放[13-15],由于广州并无采暖期与非采暖期的区别,各季节能耗大致相同,因此大气污染源排放量的季节变化并不明显[16].大气污染程度除了取决于污染源的位置和排放强度外,还受周围气象因素的影响[13],造成广州春季大气TGM 较高的原因可能主要与气象因素有关.每年春季由于华南准静止风的持续影响及其低空暖漂流的相互作用,1000m范围内总逆温频率达55%,低空逆温占到70%[13],大气污染物浓度与逆温强度和频率呈正相关[17],由此引起 TGM 无法迅速扩散和稀释导致春季 TGM浓度偏高,而夏季由于温度较高,边界混合层厚度较高,对 TGM的稀释有一定的促进作用.

表1 不同类型地区大气气态总汞的含量水平Table 1 TGM concentration in different types of areas

图2 广州市气态总汞含量的季节分布Fig.2 Seasonal variation of total gaseous mercury in Guangzhou City

2.3 广州市TGM的日变化特征

由图 3可知,广州市 TGM 白天含量为4.72ng/m3,夜间为5.16ng/m3,属于夜间控制型[18].早上08:00开始,广州市TGM的浓度开始下降,最小值出现在下午 14:00,这与广州万顷沙地区监测的TGM 日变化趋势一致,不同于贡嘎山的研究[19].广州市城市空气污染具有早晚重于中午的时间变化规律[13],TGM在08:00和22:00出现2个峰值,这与边界层高度日变化趋势一致[13,20],早晨时边界混合层高度厚度较薄,而午后边界混合层高度厚度较厚,大气湍流作用较强,利于污染物的扩散[21].再者太阳辐射量与汞浓度成正相关[8],中午太阳辐射强烈以及早晨和傍晚低太阳辐射也是导致 TGM浓度呈现这种变化的原因之一.另外TGM的日变化与温度成明显的负相关(r=-0.814,P＜0.001).有研究表明,温度升高会增加地表汞的释放[22],但是由于广州市城市化高,地面硬化范围广,地表汞排放较小,对大气中 TGM 的浓度影响较小. 因此广州市TGM 的日变化主要是受到边界混合层高度的影响.而早上00:00～ 07:00 TGM浓度逐渐升高这种现象在很多研究都有报道,原因是早上随着太阳升起自然源的汞排放活跃[23-24].

图3 广州市TGM与气温的日变化Fig.3 Diel variation of total gaseous mercury and atmospheric temperature in Guangzhou City

2.4 广州大气气态总汞的可能来源

图4 广州市风向相对频率分布和大气气态总汞含量的风向分布Fig.4 Frequency distribution of wind directions and mean distribution of TGM in Guangzhou City

TGM 的风向分布图表明,采样期间任何方向的风都会带来较高含量的大气汞(图 4b),东北和东南风是主导风向(图 4a),但东北风携带的汞含量相对于其他方向低,西北风虽然不是主导风向,但是其携带汞含量相对其它的方向高,东南方向的风也携带了较高含量的汞,表明在东南和西北方向有明显更强的人为汞排放源.实际上在监测点西北方向大约14 km有目前中心城区内唯一的一个燃煤电厂,2007年其燃煤消耗量占广州火电燃煤消耗量的 1/10.监测点东南大约 15km,有广州市内最大的燃煤发电厂,而燃煤电厂是主要的人为汞排放源之一[25].由此可见,燃煤电厂可能是广州市内主要和直接的大气汞排放源.另外在监测点西北方向有部分水泥厂,而水泥生产所用的煤与原料中都含有汞,若是水泥厂协同处置污泥及废弃物时,更会存在额外汞排放的问题[26].也有研究表明,水泥厂周边的农田存在汞超标的现象[27],这些水泥厂也可能是主要的人为汞排放源,但是由于大气污染的复杂性,具体的汞排放源还有待进一步的研究.

3 结论

3.1 广州市大气TGM含量较高,年平均含量为(4.86±1.36)ng/m3,明显高于全球大气汞含量背景值,表明此地区受到一定程度的大气汞污染.

3.2 大气TGM季节变化特征按含量高低为:春季＞冬季＞秋季＞夏季.日变化趋势出现波动,最大值出现在早上 8:00和晚上 22:00.最小值出现在下午14:00,变化趋势呈双峰分布.

3.3 广州市内的燃煤电厂和水泥厂可能为大气TGM 的主要来源,但具体排放源有待进一步的研究.

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Seasonal and diurnal variation of total gaseous mercury in Guangzhou City.

LIU Ming1,2, CHEN Lai-guo1*, TAO Jun1, XU Zhen-cheng1, ZHU Li-hua1, QIAN Dong-lin1, FAN Rui-fang2(1.Center for Research on Urban Environment, South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China；2.College of Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1554～1558

Total gaseous mercury (TGM) was continuously monitored using high-resolution automatic atmospheric mercury vapor analyzer (Tekran 2537B) from November 2010 to November 2011 in Guangzhou. The annual average TGM concentration was (4.86±1.36)ng/m3, suggesting that the atmosphere was polluted by mercury in this area. The TGM level exhibited distinct seasonal variation by the following order: spring＞winter＞autumn＞summer. TGM pollution was more serious in winter but less in summer, which was caused by meteorological factors such as boundary layer, static wind. The diurnal variation showed that the minimum concentration was at noon and dual peaks appeared in the morning and evening, respectively. Boundary layer and temperature had significant impact on the diurnal variation. According to the source appointment of gaseous mercury in Guangzhou, local coal-fired power and cement plants may be the major contributors to the TGM in Guangzhou.

Guangzhou City；total gaseous mercury；seasonal variation；diurnal variation；source

2012-02-10

国家环境保护公益性行业科研专项项目(200809011)

* 责任作者, 高级工程师, chenlaiguo@scies.org

X131.1

A

1000-6923(2012)09-1554-05

刘 明(1985-),湖北天门人,环境保护部华南环境科学研究所硕士研究生,主要从事大气污染物的监测与治理方面的研究.发表论文3篇.