太原市可吸入颗粒物变化规律及影响因素分析

2015-06-05杨增荣

山西建筑 2015年9期

关键词：采暖期可吸入颗粒物环境空气

杨增荣

(太原市环境监测中心站，山西太原 030002)

太原市可吸入颗粒物变化规律及影响因素分析

杨增荣

(太原市环境监测中心站，山西太原 030002)

对太原市2009年大气中可吸入颗粒物浓度进行了实时监测，得到月平均浓度值，并结合当年各月的平均风速和降水量进行分析，结果表明，采暖期内由供热锅炉以及各种采暖设施排出的大量废气污染物是引起太原市可吸入颗粒物浓度月均值变化的主要影响因素，另一方面，风速的增加会加速大气中可吸入颗粒物的扩散，而当风速较弱时，一定量的降水会对大气中可吸入颗粒物起到冲刷作用。

可吸入颗粒物，采暖期，风速，降水

随着城市规模的扩张及工业的迅猛发展，城市大气环境质量不容乐观。环境空气中大气颗粒物来源多、地区特性强，是环境空气中化学组成最复杂、危害最大的污染物之一，特别是空气动力学当量直径小于10 μm的可吸入颗粒物(Inhalable Particulate Matter,PM10)，可以随呼吸进入人体，沉积于肺部，对人体造成直接危害[1-4]。我国在1996年颁布的GB 3095—1996环境空气质量标准中规定了PM10的标准，并在空气质量日报中统一采用PM10指标。可吸入颗粒物已经逐渐成为我国许多大中城市的首要空气污染物[5，6]。房春生等人研究了长春市大气中可吸入颗粒物的来源，结果表明：工业燃煤和以钢铁尘为主的工业尘是外来可吸入颗粒物的最主要来源，非采暖期、采暖期的贡献率分别为13.04%，32.56%和29.75%，14.66%；而机动车尾气和道路尘则是本体可吸入颗粒物的最主要来源，非采暖期、采暖期贡献率分别为39.24%和33.86%[7]。吕效谱等人分析了我国2013年1月份大范围雾霾的成因及特点，分析结果表明多数城市表现出明显的复合污染特征，其中以机动车尾气及煤烟型复合污染为主[8]。包贞等人亦研究了杭州市PM10的污染来源，研究结果表明各主要源类对PM10贡献率依次为土壤尘7.0%、机动车尾气尘16.9%、硫酸盐14.3%、煤烟尘13.9%、硝酸盐粒8.2%、建筑水泥尘8.0%、燃油尘5.5%、海盐粒子3.4%、冶金尘3.2%[9]。胡敏等人总结了2000年以来我国近30个城市大气可吸入颗粒物PM10源解析研究,结果表明我国大气颗粒物PM10主要来自:扬尘(土壤尘、道路尘、建筑尘);燃煤;工业排放;机动车排放[10]。

太原市位于黄土高原东侧边缘、山西省中部、晋中盆地北端。地处东经111°30′～113°09′、北纬37°27′～38°25′之间。太原市东、西、北三面环山，中部和南部为汾河冲积扇平原，地势低平，东西最宽处约144 km，南北最长处约107 km。南宽北窄呈扇形，汾河自北向南贯穿全市，整个地形北高南低逐渐倾斜，呈簸箕形，海拔落差达700 m左右。大气污染物的扩散过程受到北、西、东三面山体的阻隔，极易造成局地污染物浓度富集和干湿沉降，加重大气污染的程度。

本文对太原市全年大气中可吸入颗粒物浓度进行现状监测，对可吸入颗粒物的浓度水平和逐月变化进行分析和讨论。

1 试验

1.1 试验方法与仪器

太原市环境空气监测相关的采样以及分析方法均按HJ/T 193—2005环境空气自动监测技术规范和国家规定的方法进行。可吸入颗粒物的监测分析仪器为TH-β25B，其分析方法为β射线法。

1.2 采样点和采样时间

太原市市区的环境空气自动监测点共9个，分别为：上兰、涧河、尖草坪、金胜、南寨、桃园、坞城、小店和晋源。环境空气中可吸入颗粒物监测采用自动监测系统，全年365 d每天24 h连续运行。采样时间为2009年全年。

2 结果与讨论

1)太原市可吸入颗粒物溶度值。图1为太原市2009年环境空气中可吸入颗粒物浓度值月变化分布情况。从图1中可见，可吸入颗粒物月均浓度呈现出1月，2月，11月，12月污染最重，9月、10月次之，3月～8月污染程度较低的特征。影响环境空气中可吸入颗粒物浓度有两个方面：污染的来源和污染的消散。

太原市作为传统的能源重化工基地、全国唯一的资源型省会城市，产业结构依然以重工业为主，其中又以资源型、高耗能、高污染、粗加工行业居多[11，12]。2009年烟尘排放量中的64.53%来源于工业废气污染物，35.47%的烟尘排放量来源于生活废气。但是，考虑到工业生产在全年中持续进行，各月的废气排放量并无明显变化，故工业废气污染物只会影响可吸入颗粒物浓度的年平均值，而不会影响其各月的变化。影响各月间废气排放量显著变化的，是由冬季供热产生的废气排放[13,14]。太原市地处华北中部，冬季寒冷，每年11月至次年3月为采暖期，供热锅炉以及各种采暖设施的运行使得排入大气中的污染物大幅增加，空气质量状况较其他月份具有明显不同的变化特征，表现为11月后可吸入颗粒物浓度月均值的急剧增加。

2)热岛效应对太原市可吸入颗粒物浓度值的影响。取太原市海拔高度相差不大的平川区域为例，北部取尖草坪，中部取市区平阳路，南部取清徐，以这三点的温度资料(2009年)进行分析。2009年不同月份月均气温统计情况见表1。市区平阳路纬度较清徐高、海拔也较清徐高。但从表1中可见，平阳路的月均气温均不低于清徐的月均气温，这说明太原市区城市热岛效应已经存在。再加上地形引起的山谷风环流，这都不利于太原市区空气污染物的向外扩散[15，16]。

表1 2009年逐月平均气温统计情况表 ℃

3)风速对太原市可吸入颗粒物浓度值的影响。由图1可以看出，虽然9月份,10月份不是采暖期，但是其月均可吸入颗粒物浓度却显著高于前六个月。这说明在采暖期废气排放量增大之外，还有其他因素影响着可吸入颗粒物浓度的变化。其中，风速便是重要的影响因素之一。图2中方形数据点为2009年太原市风速月平均值，数据单位参见右侧坐标轴；三角形数据点为2009年太原市可吸入颗粒物浓度月平均值，数据单位参见左侧坐标轴。可见，3月～6月的月平均风速较大，9月～11月的月平均风速较小，其他月份的月平均风速居中。3月份虽然处于采暖期，但由于此月的月平均风速较大，有利于大气污染物的扩散，使得3月份的可吸入颗粒物浓度较2月份大幅降低。此后的4月～8月，月平均风速呈下降趋势，可吸入颗粒物浓度持续处于较低水平。直至9月份，月平均风速大幅降低，对大气污染物的输送和稀释能力下降，使污染物容易聚集，导致9月份的可吸入颗粒物浓度显著上升。10月份的月平均风速仍然处于较低水平，故此月的可吸入颗粒物浓度继续上升。进入采暖期的第一个月(11月)后，废气排放量大幅增加，同时又无大风将污染物输送和稀释，导致本月的可吸入颗粒物浓度达到全年最高水平。进入12月后，由于本月风速的增大，有利于大气中污染物的扩散，使得该月可吸入颗粒物浓度有所降低。次年1月、2月的空气质量情况可认为同本年1月、2月份，在采暖期污染物的高排放量和较大月平均风速的共同作用下，可吸入颗粒物浓度低于11月的水平。

4)降水对太原市可吸入颗粒物浓度值的影响。除了风速之外，降水也是降低大气中可吸入颗粒物浓度的又一重要途径。大气降水对城市环境空气中的污染物具有冲刷作用，可起到净化空气的作用。特别是太原市这样一个干旱缺水城市，降水对大气的净化作用尤其明显。然而太原市年降水量偏少，降水对污染物的净化作用有限。但太原市各季节间的降水量有很大差异，春季(3月～5月)降水占年降水量的11%，夏季(6月～8月)降水占年降水量的56%，秋季(9月～11月)降水占年降水量的31%，冬季(12月～次年2月)降水占年降水量的2%。大气降水的这种季节分布对污染物净化作用影响非常明显。

由图2可以看出，7月、8月份的月平均风速相对于3月～6月已明显下降，但这两个月份的可吸入颗粒物月平均浓度却没有上升，反而在8月达到了年最低值，这便可能是降水的作用。图3为2009年太原市月平均降水量和可吸入颗粒物浓度月变化图。结合图2和图3可知，当7月份的月平均风速开始下降时，此月的降水量却大幅上升，以大气降水对城市环境空气中污染物的冲刷作用弥补了逐渐减弱的大气污染物扩散作用。使得大气中的可吸入颗粒物浓度继续维持在较低水平。进入8月份，降水量继续增大，以至于此月的可吸入颗粒物浓度月均值达到了年最低水平。9月份，随着月平均风速和月平均降水量的同时减小，大气中的可吸入颗粒物浓度开始上升。10月份，降水量急剧减小，此时几乎只有风对大气污染物的扩散作用，且风速相对于3月～8月份较小，故此月的月平均可吸入颗粒物浓度值继续上升。进入11月，采暖导致大气污染物的排放量急剧上升，虽有一定量的降水，但此月的月平均可吸入颗粒物浓度仍达到年最高值。12月后，月平均降水量很少，此时只有风对大气污染物的扩散作用。

关于风速和降水量对可吸入颗粒物浓度影响的权重，可结合图2和图3进行分析。在3月～6月时，月均降水量偏小，月均风速较大，可吸入颗粒物浓度处于较低水平。在9月时，降水量较大，月均风速为全年最低水平，此时可吸入颗粒物浓度有所上升。由以上两种情况可得，风速在影响太原市可吸入颗粒物浓度扩散的方面起主要作用，降水量起辅助作用。