秦皇岛市大气重污染特征及防控策略

龙小菊

（东北石油大学秦皇岛分校，河北秦皇岛066000）

秦皇岛市大气重污染特征及防控策略

龙小菊

（东北石油大学秦皇岛分校，河北秦皇岛066000）

2016年采样期间和重污染期间，秦皇岛市区PM2.5浓度分别为85.9 μg/m3和180.7 μg/m3，表明重污染期间大气复合污染更为严重。采样期间水溶性离子浓度为39.7 μg/m3，其中SO42-、NO3-和NH4+占总离子的66.5%，重污染期间水溶性离子浓度是采样期间浓度均值的1.5倍。重污染天气主要是受大陆均压场控制，导致污染物不易扩散。因此，建议从完善重污染应急措施、调整产业与能源结构、提高能源利用率、加强生态农业建设、建立大气污染联防联控合作机制等方面进行重污染防控。

PM2.5；重污染；防控策略；秦皇岛市区

区域大气复合污染问题已经成为近几年制约我国经济发展的重要因素之一，尤其是京津冀地区[1]。秦皇岛市位于河北省东北部，是环渤海地区重要的港口城市。2015年秦皇岛市PM2.5、PM10、NO2年均浓度分别为45 μg/m3、99 μg/m3、45 μg/m3，分别超过国家二级浓度标准0.37倍、0.41倍和0.12倍，SO2和O3年均浓度分别为38 μg/m3、107 μg/m3，均达到国家标准限值要求。虽然与京津冀地区的邢台、保定等城市相比，秦皇岛市大气环境质量相对较好，2015年全年达标天数比例为73.7%，但秦皇岛市环境空气质量仍有96 d达到轻度污染及以上级别。尤其是冬季，燃煤量的增加以及不利于污染物扩散的气象条件，使得重污染天气频发。天气后报网站的污染物监测结果显示，2015年1月份秦皇岛市PM2.5浓度为21～173 μg/m3，平均为73.1 μg/m3，其中1月份超过国家二级浓度标准（75 μg/m3）的天数占51.6%。较高的PM2.5浓度对大气环境、室内环境及生态系统均有严重的负面影响[2-4]。一方面，重污染天气下大气层结构比较稳定，容易造成污染物集聚、水汽聚集，促进环境阴霾的形成，高浓度PM2.5对太阳光具有很强的吸收和散射能力[3]，导致能见度降低，对公众健康和出行产生不利影响[4]；另一方面，重污染天气下较低的风速使得PM2.5在大气环境中滞留时间更长，有机物和重金属等有害物质更易通过呼吸系统进入人体，对人体支气管等系统产生负面影响[5]，而且医学研究已证明重污染与呼吸系统的发病率存在明显相关性[6]。

目前，国内外学者对大气复合污染已经展开了一系列前瞻性研究[7-8]。例如陈衍婷等[9]对海西城市群PM2.5中重金属元素的污染特征及健康风险进行了研究，结果显示建筑尘等排放源的分布，导致PM2.5中重金属分布特征与PM2.5浓度不一致，解析结果显示PM2.5中痕量重金属主要来自燃煤、机动车尾气、混合源以及其他工业源，PM2.5中Cr、Ni、As等致癌重金属的风险值低于一般可接受风险水平，表明该组分未对人体健康造成危害；张宝贵等[10]对秦皇岛市PM2.5、SO2、NO2、CO和O3的分布特征进行了研究，结果表明秦皇岛市冬季有16 d处于重度及以上污染，秋冬季PM2.5浓度在午夜出现峰值，春夏季峰值出现在早晚；葛琳琳等[11]对温州市PM2.5中水溶性离子的污染特征、化学组分和来源进行了分析，离子总浓度的季节变化特征为冬季最高，夏季最低，水溶性离子主要来源于燃煤、生物质燃烧、机动车尾气等排放源。但目前对秦皇岛市大气重污染特征的研究相对不足，为此，本研究在秦皇岛市设置大气环境采样点，于2016年12月份重污染期间进行大气PM2.5采集，分析PM2.5及主要水溶性离子的污染特征，并提出重污染天气应对策略，以期为政府及管理部门减缓大气重污染提供科学支撑。

图1 采样期间秦皇岛市各污染物日均浓度

1 实验部分

1.1 样品采集

秦皇岛市大气PM2.5采样点设置在市区一办公楼楼顶，采样点周围主要是办公区、商业区和居民区，采样点距离地面垂直高度为20 m左右。PM2.5采样时间为2016年12月9日—12月31日，采样设备为武汉天虹有限公司生产的大气颗粒物采样器，样品采集时间为早9：00—次日早8：00，样品采集于纤维素滤膜上用于PM2.5质量浓度和水溶性离子浓度分析。

1.2 水溶性离子分析

将1/2纤维素滤膜剪碎后放置于容积约为20 ml的试管中，并加入10 ml高纯水密封，于超声波清洗器内进行超声萃取1 h。随后采用离子色谱仪对PM2.5中的SO42-、NO3-、F-、Cl-、NO2-、Mg2+、Ca2+、NH4+、Na+和K+共10种水溶性离子的浓度进行测试。水溶性离子浓度上机测试过程中，设置3组空白膜样品，并采用同样的方法进行测试分析，水溶性离子组分的最终浓度结果均扣除3组空白膜的均值。

2 结果与分析

2.1 采样期间PM2.5浓度变化特征

秦皇岛市PM2.5、SO2、NO2、O3浓度变化如图1所示。采样期间秦皇岛市PM2.5浓度为15.5～222.0 μg/m3，平均为85.9 μg/m3，是环境空气质量标准二级浓度的1.1倍，采样期间超标天数占采样天数的39.1%；采样期间SO2、NO2、O3浓度分别为49.7 μg/m3、60.2 μg/m3、23.1 μg/m3。PM2.5与SO2、NO2具有较好的相关性，相关系数分别为0.62，0.85，表明三者具有较相似来源；PM2.5与O3呈负相关（-0.77），主要是由于重污染频发的冬季，静稳型天气下易发生二次化学反应，消耗O3等氧化剂。

重污染期间（PM2.5浓度大于150 μg/m3）PM2.5、SO2、NO2、O3浓度分别为180.7 μg/m3、61.9 μg/m3、87.3 μg/m3和10.1 μg/m3，可见与采样期间浓度均值相比，重污染期间PM2.5、SO2、NO2浓度升高明显，其中PM2.5日均最高浓度可达222.0 μg/m3，是环境空气质量标准二级浓度的3.0倍，PM2.5的重要前体物SO2、NO2浓度分别是采样期间的1.2和1.5倍。由此可见，重污染期间以PM2.5为主的大气复合污染更为严重。

2.2 采样期间水溶性离子浓度变化特征

采样期间和重污染期间10种水溶性离子在PM2.5中含量示意如图2所示。结果显示，采样期间10种水溶性离子浓度均值为39.7 μg/m3，可占PM2.5质量浓度的46.2%，可见水溶性离子是PM2.5的主要组分。其中，SO42-、NO3-和NH4+（二次无机气溶胶，SIA）是含量较多的3种组分，主要是通过SO2和NOx等气态污染物的二次反应生成，其质量百分比分别为12.6%、10.7%和7.4%，三者浓度之和占总水溶性离子的66.5%。重污染期间各水溶性离子浓度均有明显升高，浓度均值为57.6 μg/m3，是采样期间浓度均值的1.5倍，尤其是SIA，重污染期间三者浓度之和占PM2.5质量浓度的46.2%。

图2 采样期间和重污染期间秦皇岛市水溶性离子含量

SO42-浓度较高主要是由于秦皇岛市冬季排放源以燃煤等高污染排放源为主，秦皇岛市统计局数据显示，秦皇岛市2015年能源消费总量1 027.78万t标准煤，原煤产量高达37.5亿t，原油、粗钢和钢材产量分别为21 455.6万t、80 382.5万t和112 349.6万t[12]，企业排放的前体物SO2在静稳型天气下易转化为SO42-。NO3-浓度较高主要是由于前体物NOx主要来自于机动车排放，2015年底秦皇岛市机动车保有量为56.5万辆左右，较2014年增长8.8%[13]，大气环境中的NOx90%左右均来自于机动车尾气排放。NH4+主要来自NH3的转化，采样点NH3浓度受化肥施用及人畜排放的影响较大，NH4+与SO42-、NO3-结合生成（NH4）2SO4、NH4HSO4和NH4NO3，因此NH3排放对PM2.5浓度的影响也不容忽视。SO42-与NO3-的质量比大于1与否，通常可以用来评估固定源和移动源对大气环境中SO2与NO2贡献大小[14-15]。采样期间秦皇岛市SO42-与NO3-的质量比为1.2，表明与移动源相比，电厂、燃煤锅炉等固定源对SO2与NO2的贡献较大。

作为沿海城市，采样期间秦皇岛市的海盐气溶胶（sea-salt aerosols，SSA）特征组分Na+和Cl-浓度分别占PM2.5质量浓度的2.1%和5.3%。国内外通常采用3.246倍Na+的浓度定量估算SSA的含量，本研究中SSA可占PM2.5的6.8%。采样期间周边居民的生物质燃烧使得K+的浓度达到1.9 μg/m3，占PM2.5质量浓度的2.3%。Ca2+、Mg2+是无组织扬尘的特征组分，采样期间两者可占PM2.5浓度的5.7%，因此应加强建筑扬尘、道路扬尘等无组织排放的监管与控制。

2.3 重污染天气的形成过程分析

区域大气重污染现象具有突发性，是复杂的大气物理、大气化学和天气过程共同作用的结果。我国华北地区的地理环境与气象条件较为复杂，易形成污染物的辐合汇聚带，在均压场天气条件下易造成区域性的大气环境高浓度污染。本研究以采样期间2016年12月13日—22日典型重污染过程为例，分析重污染天气的形成过程。

重污染过程一般分为三个阶段，分别为浓度上升阶段、浓度持续积累阶段和浓度下降阶段（图3）。13日—16日为本次重污染的浓度上升阶段，此时秦皇岛市主要受持续数日的大陆高压均压控制，大气混合层高度开始降低、逆温层厚度大、污染物不易扩散，虽然此时各污染物浓度较低，PM2.5、SO2和NO2浓度分别为36.4 μg/m3、36.0 μg/m3和42.9 μg/m3，但各污染物浓度均呈现明显上升趋势（O3除外），第二个阶段秦皇岛市主要受大陆低压均压场控制，地面主要以静风为主，不利于第一阶段中污染物的扩散，导致污染物浓度进一步升高达到峰值（O3除外），17日PM2.5、SO2和NO2浓度分别高达189.7 μg/m3、90.9 μg/m3和90.5 μg/m3，前两个过程中O3浓度整体上呈现下降趋势，主要是由于在静稳型重污染天气下，硫酸盐、硝酸盐和铵盐等发生二次化学反应消耗了一定量的O3。第三个阶段（18日—22日）秦皇岛市主要受高压梯度场控制，气压梯度较大，有利于污染物扩散，到22日，各污染物浓度均达到此次重污染过程的最低值。

图3 采样期间和重污染期间水溶性离子含量

3 重污染防控策略

3.1 深入完善重污染应急措施，妥善应对重污染天气

目前，京津冀区域已经统一了重污染天气预警分级标准，并建立了大气重污染应急管理决策平台。针对重污染天气，秦皇岛市应提高应对能力，加强工业企业、机动车、生物质燃烧、建筑施工工地等排放源的环境执法监察，尤其是对重点区域重点企业的排污状况进行实时监测、监察，最大限度降低重污染天气造成的危害，保障人民群众身体健康。

3.2 调整产业结构

2015年秦皇岛市第一、二、三产业比例分别为9.0%，40.5%，50.5%，虽然与服务业相关的第三产业比例高于河北省整体情况（40.2%），但与英国、美国等发达国家相比，秦皇岛市仍需合理规划产业布局，淘汰落后产能，大力发展居民服务、旅游等无污染服务业[16]。

3.3 调整能源结构，提高能源利用率

2011年河北省能源生产结构调查结果显示，河北省煤炭在能源生成量中的比重高达85.6%，石油、天然气和水电的比例分别为13.0%、1.3%和0.1%[17]。秦皇岛市同样以煤炭作为主要能源[18]，因此建议推广使用天然气、水电等清洁能源或符合标准的低硫优质煤，逐步推进城市居民集中供暖，新能源汽车替代，降低粉尘、SO2和NOx排放量；淘汰落后产能和生产工艺，改进现有落后的燃烧方式，例如采用先进的燃气轮机发电设备，减少对大气环境的污染。

3.4 加强生态农业建设

3.5 建立秦皇岛市与周边省市的大气污染联防联控合作机制

污染物在边界层中的扩散、输送、湍流运动、积累、清除受到大尺度环境背景场的影响，除当地排放的污染物在局部地区积累之外，外来污染物向本地的输送是形成重污染的原因之一。虽然重污染时段是静稳型天气，但是区域性气象背景场的湍流可能会造成污染物传输。因此，为了缓解秦皇岛市的PM2.5污染，不仅需要减少本地的排放，也需要加强重污染期间与周边省市的大气污染联防联控合作机制建立。

4 结论

本研究选取秦皇岛市区为采样点，于2016年12月份重污染期间进行PM2.5样品采集，分析PM2.5和水溶性组分的污染特征，并提出重污染天气应对策略，研究结果表明：

（1）采样期间秦皇岛市PM2.5浓度为85.9 μg/m3，超标天数占采样天数的39.1%；重污染期间各污染物浓度升高明显，PM2.5浓度为180.7 μg/m3，由此可见，重污染期间以PM2.5为主的大气复合污染更为严重。

（2）采样期间水溶性离子浓度为39.7 μg/m3，可占PM2.5质量浓度的46.2%，S、N和N是含量较多的3种组分，其质量百分比分别为12.6%、10.7%和7.4%；重污染期间水溶性离子浓度是采样期间浓度均值的1.5倍。

（3）重污染天气的形成过程分析表明，秦皇岛市重污染天气主要是受大陆高压均压、大陆低压均压场控制，导致污染物不易扩散。

（4）建议从完善重污染应急措施等方面进行重污染防控。完善重污染应急措施、调整产业与能源结构、提高能源利用率、加强生态农业建设、建立秦皇岛市与周边省市的大气污染联防联控合作机制等方面进行重污染防控。

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（编辑：程俊）

Atmospheric Heavy Pollution Characteristics and Prevention and Control Strategies in Qinhuangdao Urban Area

Long Xiaoju
（Northeast Petroleum University at Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

The concentrations of PM2.5were 85.9 and 180.7 μg/m3during sampling period and during heavy pollution period,respectively in Qinhuangdao urban area in 2016,which indicated that the combined air pollution was more serious during heavy pollution.The concentrations of water soluble ions were 39.7 μg/m3during sampling period,and the sum concentrations of SO42-, NO3-,and NH4+accounted for 66.5%of PM2.5.The concentrations of water soluble ions during heavy pollution were 1.5 times higher than that during sampling period.The heavy pollution was mainly controlled by uniform pressure field,and it was not easy for pollutants to diffuse.Therefore, this paper suggested to prevent and control the heavy pollution from the following aspects, including improving the heavy pollution emergency measures,adjusting the industrial structure and energy structure,improving energy efficiency,promoting the construction of ecological agriculture, and setting up mechanisms for joint prevention and control atmospheric pollution.

PM2.5,heavy pollution,prevention and control strategies,Qinhuangdao urban area

X51

A

1008-813X（2017）03-0082-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.22

2017-02-07

龙小菊（1978-），女，河北秦皇岛人，毕业于大庆石油学院矿产勘探与普查专业，硕士，讲师，主要从事大气污染治理的研究工作。