石家庄市秋季以NO2为主的气态污染物典型污染案例分析

王　玮,王　烁，强　杰,周静博，李亚飞，任振科

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄　050022)



石家庄市秋季以NO2为主的气态污染物典型污染案例分析

王玮,王烁，强杰,周静博，李亚飞，任振科

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄050022)

摘要：为保障空气质量明显改善，石家庄市采取了一系列举措治理大气污染，然而2015年9月出现了一次以NO2为首要污染物的气态污染物典型污染过程,各项气态污染物浓度明显高于历史同期水平。NO2作为二次颗粒物及光化学污染的重要前体物，研究其污染来源及影响因素，对于保护公众健康及提高大气污染综合治理水平具有重要的指导意义。对污染过程中NO2的浓度变化、时空变化及气象条件对NO2的影响等方面进行了分析。结果表明：2015年9月由于气象条件与区域污染的影响，造成空气中气态污染物聚集，浓度高于去年同期水平。大气环境中的NO2主要来源于东南部工业和燃煤源的排放，与机动车保有量增加、大型车辆多活动于夜间、晚出行高峰时段拥堵造成的尾气排放量增加也有直接关系。

关键词：大气污染防治工程；石家庄市；NO2；气象影响；区域污染

石家庄市是河北省的政治、经济、文化中心，同时也是中国重要的工业基地之一，大气污染比较严重。2014年，石家庄市空气质量综合指数同比改善了26.6%，6项污染物平均浓度全面下降[1-2]。2015年,为确保空气质量得到明显改善，石家庄市采取了一系列举措治理大气污染，然而9月却出现了一次以NO2为首要污染物的典型污染过程，NO2浓度明显高于历史同期水平。典型污染过程作为大气污染水平最突出的表现，与一般污染过程相比，其受污染源排放、气象条件及区域传输等污染水平因素的影响更明显。对典型污染过程进行研究,更有利于深化对污染特点及形成机理的认识。本文通过对石家庄市2015年9月典型NO2污染案例分析，从气象条件影响、区域污染分布演变特征等进行剖析，探寻该案例的形成原因及主要影响因素，一方面为政府决策提供理论依据和数据支持，另一方面也可以为其他城市提供参考[3]。

1案例过程基本分析

1.12015年9月石家庄市空气质量整体状况

按照新的环境空气质量标准(GB 3095—2012)[4]进行评价，2015年9月，石家庄市空气质量一级优天气8天，二级良天气14天，三级轻度污染天气8天，优良率为73.3%，重污染比率为0。其中有8天的首要污染物为O3，6天首要污染物为PM2.5，5天首要污染物为NO2，2天首要污染物为PM10，1天首要污染物为PM10和O3。对各项污染物进行分担率评价，颗粒物的污染分担率为28.8%(其中PM10的污染分担率为14.6%，PM2.5的污染分担率为14.2%)；NO2的污染分担率为27.4%；O3的污染分担率为25.2%；SO2的污染分担率为9.5%；CO的污染分担率为9.0%，对大气污染贡献最大的为颗粒物，其次为NO2和O3。2015年9月，石家庄市空气质量综合指数为5.40，其中NO2的空气质量分指数(IAQINO2)为1.15，成为仅次于颗粒物(PM10，PM2.5的空气质量分指数分别为1.21，1.20)的大气污染贡献较大的气态污染物。

图1　2015年9月石家庄市各项污染物　　　浓度同比环比情况Fig.1　Pollutant concentration on gear-on-year basis and link relative ratio basis in September 2015 of Shijiazhuang City

2015年9月，石家庄市环境空气的各项污染物浓度同比环比情况见图1。由图1发现，虽然颗粒物浓度较历史同期明显下降，但各项气态污染物浓度明显高于历史同期水平。同比去年，PM10的质量浓度下降了26.7%，PM2.5下降了41.7%，SO2上升了33.3%，NO2上升了76.9%，CO日均值第95百分位质量浓度上升了25.0%，O3日最大8 h均值第90百分位质量浓度上升了44.4%，空气质量综合指数下降了5.3%；环比8月也呈现颗粒物浓度均下降，气态污染物浓度均上升的态势。其中，SO2，NO2，CO和O3的质量浓度与8月相比分别上升了84.6%，58.6%，50.0%，9.0%，PM10和PM2.5分别下降了24.8%，33.3%，空气质量综合指数下降了3.1%。

1.22015年9月气态污染物时间变化规律

统计9月各项气态污染物24 h浓度变化，如图2所示。由图2可见，SO2浓度于一天中11:00—12:00达到最大值，2:00—4:00达到最小值，全天呈现波浪形走势。NO2浓度于一天中15:00—17:00达到最小值，然后逐渐升高，23:00—24:00达到最大值，全天呈现“U”形走势。CO浓度于一天中17:00—18:00达到最小值，8:00—9:00达到最大值，全天呈现较平稳走势。O3浓度于一天中16:00—17:00达到最大值，7:00—8:00达到最小值，全天呈现剧烈的“倒U”形走势。

由图2可以看出，NO2与O3变化趋势具有负相关性，而NO2与CO变化趋势具有正相关性。观察9月的NO2浓度日变化趋势发现，NO2浓度呈现双峰形分布，在早上7:00—8:00出现第1个峰值，在夜间的23:00—24:00之间出现第2个峰值且第2个峰值浓度明显高于第1个峰值。2次峰值的出现反映了机动车尾气污染对城市的影响[5]。早上的峰值与交通早高峰比较一致，夜间的峰值可能与夜间NO和O3反应生成NO2，而NO2光解反应停滞，浓度逐渐积累有关，推测原因，首先是施工车、渣土车等大型、重型车辆多活动于夜间，以NO为主的汽车尾气排放量大且夜间道路较为顺畅使得尾气燃烧充分造成氮氧化物排放显著增加；其次由于晚高峰时段道路拥堵，车流总量大且机动车怠速时间延长造成尾气氮氧化物排放逐步累积。

图2　石家庄市2015年9月气态污染物时间序列图Fig.2　Time sequence diagram of gaseous pollutants in September 2015 of Shijiazhuang City

1.32015年9月气态污染物空间变化规律

1.3.1石家庄市区气态污染物空间变化规律

选取石家庄市主城区的7个国控空气自动监测点数据进行分析，2015年9月各点位气态污染物浓度见图3。可以看出，9月，石家庄市SO2质量浓度最高点位为高新区(33 μg/m3)；NO2质量浓度最高点位为职工医院(57 μg/m3)；CO日均值第95百分位质量浓度最高点位为职工医院(2.1 mg/m3)；O3日最大8 h均值第90百分位质量浓度最高点位为世纪公园(191 μg/m3)。由此可以看出，SO2的污染分布受工业污染源和生活污染源的局部燃煤污染影响较大，同时受风向影响直接造成市区东部污染较重。NO2和CO的区域分布与机动车行驶密度分布关系密切。NO2和CO浓度最高的职工医院测点毗邻交通干线且道路周边附近有地铁工程的围挡施工，机动车行驶密度较大且较易造成道路拥堵，受机动车排放的NO2和CO污染影响相对较重[6]。

图3　石家庄市各点位2015年9月气态污染物浓度图Fig.3　Concentration of gaseous pollutants in September 2015 of Shijiazhuang City

1.3.2石家庄市域气态污染物空间变化规律

2015年9月，石家庄市17个县(市)区的气态污染物浓度分布情况见图4。由图4可知，赵县的SO2质量浓度最高(46 μg/m3)，灵寿最低(18 μg/m3)，并且仅灵寿、鹿泉、赞皇3个县(市)区的SO2质量浓度低于市区水平；而对于NO2，栾城的质量浓度最高(51 μg/m3)，新乐最低(29 μg/m3)，并且市区的NO2质量浓度仅低于栾城、赵县、元氏3个县(市)区水平；对于O3日最大8 h均值第90百分位质量浓度，高邑最高(211 μg/m3)，栾城最低(127 μg/m3)，并且仅栾城、无极2个区(县)的O3日最大8 h均值第90百分位质量浓度低于市区水平；对于CO日均值第95百分位质量浓度，正定最高(1.9 mg/m3)，新乐最低(1.1 mg/m3)，并且仅新乐、行唐、灵寿、无极、晋州5个县(市)区的CO日均值第95百分位质量浓度低于市区水平。

并且，SO2，NO2与O3在全市域范围内的浓度分布基本呈现出东部平原县(市)区明显高于西部山区县(市)区的态势，CO的浓度分布基本呈现西北山区高于东部平原。

图4　2015年9月石家庄市域气态污染物浓度分布情况Fig.4　Gaseous pollutants concentration distribution in September 2015 of Shijiazhuang City

1.3.3河北省内城市间气态污染物浓度对比

2015年9月，河北省11个城市的气态污染物浓度与去年同期对比结果见图5，各城市的NO2浓度空间分布情况与去年同期对比结果见图6。从图5可以发现，与2014年同期相比，河北省11个城市中，石家庄、邢台2个城市的4项气态污染物浓度均上升；唐山、邯郸有3项气态污染物浓度上升；秦皇岛、沧州、廊坊、衡水有2项气态污染物浓度上升；保定、张家口、承德有1项气态污染物浓度上升。气态污染物浓度对比中，石家庄市的SO2，NO2及O3日最大8 h均值第90百分位浓度略高于河北省平均水平，CO日均值第95百分位浓度低于省内平均水平。结合图1、图5及图6发现，2015年9月除张家口、承德、秦皇岛基本与往年持平外，全省NO2浓度普遍高于历史同期水平，且呈典型区域性污染状态。

图5　2015年9月河北省11个城市气态污染物　　　浓度与去年同期对比Fig.5　Concentration of gaseous pollutant monitoring in September 2015 of 11 cities in Hebei Province compared with the same period of last year

图6　2015年9月河北省NO2浓度空间分布情况与去年同期对比Fig.6　NO2 concentration distribution in September 2015 of Hebei Province compared with the same period of last year

1.42015年9月气象条件对比

2015年9月，石家庄市平均湿度为71%，平均风速为1.8 m/s。2014年同期，平均湿度为74%，平均风速为1.0 m/s。对比气象条件发现，2015年9月风速较大，使得颗粒物尤其是细颗粒物更易扩散，而较低湿度使得气态污染物不易反应形成硫酸盐、铵盐、硝酸盐沉降[7]，因此造成空气中气态污染物形成聚集，浓度高于去年同期水平。且根据2015年9月石家庄市风向频率图(见图7)可以发现，9月的石家庄市多以西风到西南风以及西风为主，这也是石家庄市域气态污染物浓度东部明显高于西部的原因之一。

图7　2015年9月石家庄市风向频率图Fig.7　Wind direction frequency in September 　　　2015 of Shijiazhuang City

2重污染时段NO2比较分析

2.1重污染时段NO2空间分析

2015年9月石家庄及周边城市中(北京、唐山、邯郸、邢台、保定、廊坊、衡水、郑州)以NO2为首要污染物天数统计见表1(数据来源于全国城市空气质量实时发布平台)。选取石家庄首要污染物为NO2的日期分别为9月的13日、20日、23日、26日、30日，比较9月13日周边城市(保定、北京、邯郸、衡水、济南、邢台、唐山、郑州)首要污染物发现，9个城市中(含石家庄)共5个城市的首要污染物为NO2，占55.6%；20日、23日，2个城市的首要污染物为NO2，占22.2%；26日，3个城市的首要污染物为NO2，占33.3%；30日，4个城市的首要污染物为NO2，占44.4%。同时对比图6发现，2015年9月河北省各城市的NO2浓度除张家口、承德、秦皇岛与往年基本持平外，其余各市普遍高于历史同期水平，因此可以认为本次NO2污染过程是区域性污染造成的。

表12015年9月石家庄及周边城市以NO2

为首要污染物的天数统计表

Tab.1Number of major pollutants of NO2in September 2015 of Shijiazhuang and surrounding cities

项 目城 市石家庄 北京唐山邯郸邢台保定廊坊衡水郑州NO2为首要污染物天数5411231724总监测天数303030303030303028

2.2重污染时段气象条件比较

统计石家庄市首要污染物为NO2的日期的气象数据：平均湿度为63.8%，平均风速为1.6 m/s，城市以东南风及南风到东南风为主，风向频率占34.32%。选取9月NO2浓度最重的5天(分别为17日、16日、22日、20日、27日)，统计石家庄市的气象数据：平均湿度为64.2%，平均风速为1.5m/s，风向以东南风及南风到东南风为主，风向频率占31.46%。对比湿度及风向频率可以得出：1)随着湿度的降低，NO2浓度升高[8]；2)当石家庄市主导风向为东南风时，受东南部裕华热电、宏源热电、良村热电、高新区热电煤气公司等大型热电厂影响，石家庄市的NO2浓度会明显升高。

3NO2源解析

参照《大气颗粒物来源解析技术指南》，将石家庄市颗粒物污染来源进行归类，依据石家庄市污染源谱库，应用Matlab数据处理软件提取9月23日至9月30日来自燃煤、机动车尾气、工业工艺和生物质燃烧4类主要排放源的小时颗粒物数浓度与NO2质量浓度的小时进行相关性分析，结果如图8所示。

图8　NO2质量浓度与主要排放源颗粒物数浓度的小时变化相关性Fig.8　Correlation of NO2 mass concentration and the number of major emission sources with hours

从图8可以看出，9月23日至9月30日期间，NO2小时浓度与燃煤源和工业源的相关系数较大，其次为机动车尾气源，与生物质燃烧源也有一定的相关性。初步推测，9月23日至9月30日期间，大气环境中的NO2可能主要来源于工业和燃煤源的排放。

4结语

2013年以来，为进一步确保空气质量得到明显改善，石家庄市采取了一系列举措治理大气污染。2015年9月，石家庄市出现了一次以气态污染物尤其是NO2为首要污染物的典型污染过程，风速变大、湿度减小等气象条件的影响，使得颗粒物尤其是细颗粒物更易扩散，而气态污染物不易与其反应形成硫酸盐、铵盐、硝酸盐沉降，从而造成空气中气态污染物聚集，且其浓度高于2014年同期水平。大气环境中的NO2主要来源于东南部工业和燃煤源的排放。与机动车保有量增加、大型车辆多活动于夜间、晚出行高峰时段拥堵造成的气态污染物排放量增加也有直接关系。同时，河北省大部分城市以NO2为主的气态污染物浓度较历史同期有所增长，说明本次过程呈现区域污染状态。

近年来，虽然石家庄市的大气污染防治工作取得了一定成效，但改善空气质量的道路仍是曲折而漫长的。NO2是二次颗粒物及光化学污染的重要前体物，研究其污染成因及影响因素对于保护公众健康及大气污染综合治理具有重要的指导意义。防治NO2污染是一个系统工程，需要政府、企业、个人共同努力，可考虑采取如下几方面措施。

1)优化城市工业布局，合理调整产业结构，逐步实现城市中心污染型工业空心化[9]。

2)加强对东南部热电厂等大型消耗燃煤企业的监控检查力度，特别是加大对辖区内燃煤锅炉、炉窑等的监督管理力度，确保其脱硫、脱氮等污染治理设施的正常运行和达标排放。继续推进集中供热的采暖方式，加快城市工业和民用煤气、液化石油气的发展，逐步推广使用天然气、煤气和石油液化气，加强可再生能源的开发利用[10]，按国家产业政策淘汰和关停落后的产量低、大气污染物排放量高的生产工艺和设备，降低面源污染排放[11]。加强对垃圾、秸秆焚烧的环境监管力度，减少无组织气体排放[12]。

3)加强对机动车的系统管理，减少汽车废气排放[10]，主要是加强机动车排放管理和提高燃油品质及燃烧质量。首先，可采用行政和市场经济等手段发展公共交通网络[13]、适时采取“限号”、“区域限行”等措施限制机动车数量的过快增长，降低机动车使用频率；其次，应加强对机动车尾气排放的污染防治力度，加强技术创新，积极推广新型燃料汽车[14]，鼓励“黄标车”的提前报废和换新，对机动车尾气排放实施定期检测的动态管理，对尾气排放不合格的车辆应进行限期治理；最后，应加强晚高峰时段的道路疏导，减少拥堵，同时加强对夜间大型车辆的检查，减少大型车辆夜间进入市区。

4)加强区域联防联治[15]。大气污染的形成与区域大气环境密切相关，石家庄市应与周边城市统筹考虑，推动区域一体联动，在治理时加强地区联手，力求达到最佳治理效果。

5)加强绿化造林，培育人工草场，加快生态恢复和建设生态环境，利用植物吸收污染物，从而减轻大气污染程度，提高生态承载力[16]。

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Pollution episode analysis of typical air pollutants mainly full of NO2in autumn of Shijiazhuang City

WANG Wei, WANG Shuo, QIANG Jie, ZHOU Jingbo, LI Yafei, REN Zhenke

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang，Hebei 050022, China)

Abstract:In order to ensure significantly air quality improvement, a series of measures for controlling air pollution of Shijiazhuang City has been taken. However, in September 2015, there appeared in Shijiazhuang City a typical pollution process by gaseous pollutants, with NO2 as primary pollutants, and the amounts of all the gaseous pollutants reached their peak value. As an important precursor of the secondary particle and photochemical pollution, NO2 has important significance in the protection of public health and the comprehensive treatment of air pollution. The paper analyzes the effects of NO2 concentration, the temporal and spatial variation and the effect of meteorological conditions on NO2. The results show that: affected by meteorological conditions and regional transport in September, gaseous pollutants accumulate in the air, and the concentration is higher than that of last year; NO2 in the atmosphere is mainly from the industrial and coal combustion sources in southeastern; the increasing motor vehicle ownership, the large vehicles travelling most at night and the increasing emission during late rush-hour congestion also have directly relationship with the pollution.

Keywords:atmospheric pollution control engineering；Shijiazhuang City；NO2；meteorological influence；regional pollution

文章编号：1008-1534(2016)03-0258-07

收稿日期：2015-12-21;修回日期：2016-03-10；责任编辑：王海云

作者简介：王玮(1986—)，男，河北石家庄人，工程师，硕士，主要从事环境监测方面的研究。E-mail:wayever@126.com

中图分类号：X51

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03014

王玮,王烁，强杰,等.石家庄市秋季以NO2为主的气态污染物典型污染案例分析[J].河北工业科技,2016,33(3):258-264.

WANG Wei, WANG Shuo, QIANG Jie, et al.Pollution episode analysis of typical air pollutants mainly full of NO2in autumn of Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):258-264.