太原市冬季SO2、PM10和PM2.5浓度城郊变化特征研究

王浩宇 王三平 郭志明 韩 震 巩鑫磊 李 杨

(中国辐射防护研究院，山西 太原 030006)

当前我国的大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到有效控制的情况下，以细颗粒物(PM2.5)等为特征的区域性复合大气污染日益增多，制约社会经济的发展，威胁人民群众身体健康［1］。太原市作为能源大省山西省的省会，地处山西省的中部太原盆地，属于传统重工业城市，由于其特殊的工业结构及地形条件，大气污染较为严重。根据国家重点区域大气污染防治十二五规划，太原市属于山西省北中部城市群重点控制区，本文收集和整理了太原市区冬季环境质量数据，分析了SO2、PM10和PM2.5的浓度变化污染特征，可为太原市冬季空气污染状况分析及大气环境管理提供一定借鉴和依据。

1 数据来源

本文所利用的SO2、PM10和PM2.5浓度来自中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台对外发布的太原市上兰和小店的空气质量实时数据，平台根据《环境空气质量标准》(GB3095－2012)的有关规定，发布全国空气质量状况。数据采集时段为2013年12月21日至2014年1月22日，每日记录了上一日11 时至当日10 时的SO2、PM10和PM2.5的24 小时浓度均值，各项大气污染物共采集了30 个有效数据。上兰监测点位于太原市区西北部，位于城区主导风向的上风向，属于城市郊区，人口稀疏，交通流量小，属于清洁对照点。小店监测点位于太原市区南部，位于城区主导风向的下风向，属于市区内部人口拥挤，交通密集区域。

2 结果与分析

2.1 浓度值变化分析

2.1.1 SO224 小时浓度平均值变化

在两个监测点采样结果可知，上兰监测点SO2浓度为11～140μg/m3，平均值为51.5μg/m3，SO224 小时平均值国家二级标准为150μg/m3，上兰监测点位超标率为0，小店监测点SO2浓度为24～321μg/m3，平均值为149.6μg/m3，超标率为53.3%，见表1 所示。

监测期间位于采暖期，SO2超标主要受工业企业和居民燃煤采暖排放SO2影响。由于上兰监测点周边工业企业、居民区较少且位于城区上风向，而小店监测点周边工业企业和居民区较多且位于下风向，SO2浓度污染较上兰监测点严重。上兰监测点和小店监测点地形条件、气象条件基本一致，两个监测点SO2浓度变化趋势基本一致。如图1 所示。

表1 SO224 小时浓度值监测结果

2.1.2 PM1024 小时浓度平均值变化

PM10指环境空气中空气动力学当量直径小于等于10μm 的颗粒物，也称可吸入颗粒物［2］，PM10可通过呼吸道进入人体，引发许多疾病。在两个监测点采样结果可知，上兰监测点PM10浓度为33－144μg/m3，平均值为69.8μg/m3，PM1024 小时平均值国家二级标准为150μg/m3，上兰监测点位超标率为0，小店监测点PM10浓度为56～275μg/m3，平均值为136.3μg/m3，超标率为36.7%，监测结果见表2。

图1 SO2 24 小时的平均值月变化

表2 PM10 24 小时浓度值监测结果

PM10主要来源于燃煤、冶金、化工、内燃机等污染源排放的颗粒物，总体而言，小店监测点PM10浓度污染较清洁对照点上兰监测点严重，而两监测点PM10浓度变化趋势基本一致。

图2 PM10 24 小时的平均值月变化

2.1.3 PM2.524 小时浓度平均值变化

PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm 的颗粒物，也称细颗粒物［2］，细颗粒物来源复杂，约50%来自燃煤、机动车、扬尘、生物质燃烧等直接排放的一次细颗粒物;约50%是空气中二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等气态污染物经过复杂化学反应形成的二次细颗粒物。PM2.5是典型的大气累积性的复合污染形态［3］。由于体积小，重量轻，PM2.5可以在空气中滞留很长的时间，而其巨大的比表面积能吸附更多的细菌、病毒、重金属等各种对人体有害的污染物［4］。

在两个监测点采样结果可知，上兰监测点PM2.5浓度为13～110μg/m3，平均值为43.1μg/m3，PM2.524 小时平均值国家二级标准为75μg/m3，上兰监测点位超标率为13.3%，小店监测点PM2.5浓度为13－183μg/m3，平均值为76.3μg/m3，超标率为46.7%。结果见下表3所示。由图3 可知，总体而言，小店监测点PM2.5浓度污染较清洁对照点上兰监测点严重，而两监测点PM2.5浓度变化趋势基本一致，同时与PM10的浓度变化趋势也基本一致。

2.1.4 PM2.5/PM1024 小时平均浓度比值变化

在两个监测点采样结果可知，上兰监测点PM2.5/PM10浓度比值为0.22～0.83，平均值为0.59，小店监测点PM2.5/PM10浓度比值为0.19～0.80，平均值为0.52。比值结果见表4。有研究表明，污染越重的地区PM2.5/PM10浓度比值也越大，污染较轻的城市比值在0.3～0.4 之间，而污染较重的在0.5～0.7 之间［5］。两监测点位监测期间PM2.5/PM10浓度比值范围为0.19～0.83，污染程度不同，既有重污染日又有轻污染日。两监测点PM2.5/PM10浓度比值变化趋势基本一致，说明两监测点污染程度变化趋势基本一致，区域污染物的来源相同或相近，见图4。

表3 PM2.5 24 小时浓度值监测结果

表4 PM2.5/PM10浓度比值结果

图3 PM2.5 24 小时的平均值月变化

图4 PM2.5和PM10 24 小时的平均值月变化

2.2 污染物相关性分析

2.2.1 PM2.5与PM10相关性分析

通过对PM10与PM2.5浓度之间的相关性分析，可以初步判断两者是否来自相同的污染源，还可以根据PM 10的质量浓度来估算PM2.5的质量浓度［6］。

将PM 2.5和PM10的24 小时平均浓度做相关分析(见图5)。根据最小二乘法分别对两个监测点PM2.5做回归方程，得到线性方程。小店监测点PM2.5=0.7185PM10－ 21.606，上兰监测点方程为PM2.5=0.9058PM10－20.157。相关系数分别为R 小店=0.97，R 上兰=0.90，均为高度相关。表明二者的污染来源基本相同或相近。

图5 PM2.5与PM10浓度相关曲线

2.2.2 PM2.5与SO2相关性分析

将PM2.5和SO224 小时平均浓度做相关分析(如图6)。根据最小二乘法分别对两个监测点PM2.5做回归方程，得到线性方程。小店监测点PM2.5=0.5119SO2－0.294，上兰监测点方程为PM2.5=0.6469SO2+9.76。相关系数分别为R 小店=0.88，R 上兰=0.84，均为高度相关。表明PM2.5与SO2的关系较为密切，有研究表明，太原市目前仍属于燃煤型污染［7］，燃煤排放细颗粒物和SO2往往具有显著的正相关关系。

图6 PM2.5与SO2 浓度相关曲线

3 结 论

当前我国的大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到有效控制的情况下，以细颗粒物(PM2．5)等为特征的区域性复合大气污染日益增多，制约社会经济的发展，威胁人民群众身体健康。太原市作为能源大省山西省的省会，地处山西省的中部太原盆地，属于传统重工业城市，由于其特殊的工业结构及地形条件，大气污染较为严重。根据国家重点区域大气污染防治“十二五”规划，太原市属于山西省北中部城市群重点控制区，本文收集和整理了太原市区冬季环境质量数据，分析了SO2、PM10和PM2．5的浓度变化污染特征，可为太原市冬季空气污染状况分析及大气环境管理提供一定借鉴和依据。主要研究结论如下:

(1)上兰监测点SO2、PM10和PM2.524 小时平均值浓度范围分别为11～140μg/m3、33～144μg/m3和13～110μg/m3，超标率分别为0，0 和13.3%;在小店监测点SO2、PM10和PM2.524 小时平均值浓度范围分别为24～321μg/m3、56～275μg/m3和13～183μg/m3，超标率分别为53.3%，36.7%和46.7%。

总体而言，上兰空气质量污染较轻，小店污染较重。这是由于冬季为采暖期，污染源来源于工业污染、燃煤烟气、机动车尾气等。上兰监测点位于城区主导风向的上风向，周边工业企业、居民区、城市道路分布较少，而小店监测点位于太原市区中南部，位于城区主导风向的下风向，属于城市工业、人口、交通道路密集地区。

(2)尽管SO2、PM10和PM2.524 小时平均值浓度城郊差异明显，但城郊地形条件、气象条件基本一致，因此，城郊各污染物浓度月变化曲线趋势基本一致。

(3)虽然城郊PM2.5和PM10的污染程度不同，但PM2.5和PM10的比值范围与均值差别较小，PM2.5和PM10的比值变化趋势基本一致，说明城郊污染程度变化趋势基本相同，区域颗粒物污染物的来源相同或相近。

(4)通过相关性分析表明，太原冬季PM2.5分别与PM10和SO2均为高度相关的正相关关系，三者的污染源存在较大一致性，区域污染主要以燃煤排放大气污染物为主要特征。

［1］环境保护部．重点区域大气污染防治“十二五”规划，2012．10．

［2］环境保护部，国家质量监督检验检疫总局．环境空气质量标准(GB3095－2012)．中国环境科学出版社，2012．

［3］徐映如，王丹侠，张建文．PM10和PM2．5危害、治理及标准体系的概况．职业与健康，2013，1:117－119．

［4］李广德，李效文．北京市区春夏PM2．5和PM10浓度变化特征研究．环境科学与管理，2013，38(5):52－56．

［5］徐敬，丁国安，颜鹏，等．北京地区PM2．5的成分特征及来源分析．应用气象学报，2007，18(5):645－654．

［6］郭清彬，程学丰，侯辉，等．冬季大气中PM10和PM2．5污染特征及形貌分析．中国环境监测，2010，26(4):55－58．

［7］李瑞金，耿红，蔡宗苇，等．太原市冬季PM2．5中多环芳烃、硝基多环芳烃、和NO 3－的污染特征．建材技术与应用，2014，1:12－15．