高速公路服务设施大气污染物的变化规律与特征研究

贺胜义

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

高速公路作为重要交通基础设施，对推动区域经济发展和社会进步发挥了十分重要的作用。然而，随着高速公路建设运营的快速发展，不可避免地带来了一系列生态破坏和环境污染问题。通过高速公路运营期环境监测工作，可有效掌握环境质量和污染源排放状况及变化趋势，为高速公路周边环境空气变化及防控措施研究提供科学依据。

本研究利用山西省交通运输环境监测网络试点工程4套环境空气在线自动监测系统（分别位于太旧、太长高速服务区，忻阜、侯禹高速收费站），分析了高速公路服务区、收费站环境空气中VOCS、PM10、O3、NO、NO2、NOx、SO2等污染物浓度变化规律及特征。

1 材料与方法

1.1 监测站点

本研究选择4个环境空气在线自动监测站点2014年10月—2015年9月的连续监测数据资料进行分析研究，同时采集温度、压力、湿度、风速、主导风向等气象参数。站点布设见表1。

1.2 监测方法

采用连续自动在线监测方法，在线监测系统由子站连接信息平台，信息平台协调整个监测系统的运行，完成对各种监测仪器的数据采集和远程通讯控制、数据处理，最终形成统计报表[1]。

1.3 评价依据

该研究空气质量评价指标污染物浓度限值依据主要为《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定》（HJ 663—2012）等。

表1 环境空气在线监测站点布设[2]

1.4 数据处理

采用Excel2010和SPSS16.0软件进行数据整理、绘图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 太旧高速阳泉服务区北区

2.1.1 大气污染物月变化趋势[3]

表2列出了2014年10月—2015年9月期间甲烷、非甲烷烃、PM10和O3的逐月日均值浓度及超标情况。图1给出了监测站点大气污染物浓度的月变化情况。

甲烷的日均值变化范围为0.007～4.296 mg/m3，平均浓度为2.081 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为70%，12月份浓度值最高，3月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势；非甲烷烃的日均值变化范围为0.006～1.823 mg/m3，平均浓度为0.125 mg/m3。2014年10月—2015年9月期间全部达标，7月份浓度值最高，1月份浓度值最低，整体呈现出波动上升的变化趋势。PM10的日均值变化范围为0.043～0.591 mg/m3，平均浓度为0.238 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为83%，5月份浓度值最高，11月份浓度值最低，整体呈现出中间高两侧低的正态分布变化趋势。O3的日均值变化范围为0.001～0.130 mg/m3，平均浓度为0.027 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间全部达标，6月份浓度值最高，1月份浓度值最低，整体呈现出缓慢上升的变化趋势。

表2 阳泉服务区北区环境空气逐月日平均值统计 mg/m3

图1 阳泉服务区北区大气污染物月变化

2.1.2 大气污染物季度变化趋势

图2为大气污染物浓度的季度变化情况。甲烷在冬季的平均浓度最高，为2.508 mg/m3，夏季平均浓度最低，为1.999 mg/m3，整体呈下降的变化趋势。非甲烷烃在秋季的平均浓度最高，为0.211 mg/m3，冬季平均浓度最低，为0.071 mg/m3，整体呈上升的变化趋势。PM10在夏季的平均浓度最高，为0.326 mg/m3，秋季平均浓度最低，为 0.138 mg/m3，整体呈先上升后下降的变化趋势。O3在夏季的平均浓度最高，为0.041 mg/m3，冬季平均浓度最低，为0.016 mg/m3，整体呈上升的变化趋势。

图2 阳泉服务区北区大气污染物季度变化

2.1.3 大气污染物年度日均值贡献率

甲烷年度日均浓度值为2.081 mg/m3，非甲烷烃年度日均值为 0.125 mg/m3，PM10年度日均值为0.238 mg/m3，O3年度日均值为 0.027 mg/m3，其中甲烷、非甲烷烃和O3达标率为100%，PM10达标率为12.2%。由图3可以看出，各类大气污染物年度日均值贡献率中，甲烷占比最高，为84%，PM10占比为10%，非甲烷烃占比为5%，O3占比最低，为1%。

图3 阳泉服务区北区大气污染物年度日均值贡献率

2.2 太长高速武乡服务区东区

2.2.1 大气污染物月变化趋势[3]

表3列出了2014年10月—2015年9月期间NO、NO2、NOx和 SO2的逐月日均值浓度及超标情况。图4给出了监测站点大气污染物浓度的月变化情况。

NO的日均值变化范围为0.001～0.125 mg/m3，平均浓度为 0.022 mg/m3，2014年 10月—2015年9月期间全部达标，11月份浓度值最高，6月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。NO2的日均值变化范围为0.001～0.104 mg/m3，平均浓度为0.034 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间全部达标，11月份浓度值最高，9月份浓度值最低，整体呈现出缓慢下降的变化趋势。NOx的日均值变化范围为 0.002～0.229 mg/m3，平均浓度为 0.057 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为8%，11月份浓度值最高，9月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。SO2的日均值变化范围为0.010～0.391 mg/m3，平均浓度为 0.085 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为8%，1月份浓度值最高，9月份浓度值最低，整体呈现出先上升后下降的变化趋势。

表3 武乡服务区东区环境空气逐月日平均值统计 mg/m3

图4 武乡服务区东区大气污染物月变化

2.2.2 大气污染物季度变化趋势

图5为大气污染物浓度的季度变化情况。NO在冬季的平均浓度最高，为0.047 mg/m3，夏季平均浓度最低，为0.006 mg/m3，整体呈先下降后上升的变化趋势。NO2在冬季的平均浓度最高，为0.041 mg/m3，秋季平均浓度最低，为 0.020 mg/m3，整体呈下降的变化趋势。NOx在冬季的平均浓度最高，为0.088 mg/m3，秋季平均浓度最低，为0.036 mg/m3，整体呈下降的变化趋势。SO2在春季的平均浓度最高，为 0.136 mg/m3，秋季平均浓度最低，为0.035 mg/m3，整体呈先上升后下降的变化趋势。

图5 武乡服务区东区大气污染物季度变化

2.2.3 大气污染物年度日均值贡献率

大气污染物中NO年度日均浓度值为0.022 mg/m3，NO2年度日均值为 0.034 mg/m3，NOx年度日均值为 0.057 mg/m3，SO2年度日均值为0.085 mg/m3，其中 NO、NO2达标率为 100%，NOx、SO2达标率分别为94.7%、88.6%。由图6可以看出，各类大气污染物年度日均值贡献率中，SO2占比最高，为43%，NOx占比为29%，NO2占比为17%，NO占比最低，为11%。

图6 武乡服务区东区大气污染物年度日均值贡献率

2.3 忻阜高速石咀收费站

2.3.1 大气污染物月变化趋势[3]

表4列出了2014年10月—2015年9月期间O3、SO2的逐月日均值浓度及超标情况。图7给出了监测站点大气污染物浓度的月变化情况。

O3的日均值变化范围为 0.002～0.166 mg/m3，平均浓度为0.038 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间全部达标，4月份浓度值最高，11月份浓度值最低，整体呈现出上下波动的变化趋势。SO2的日均值变化范围为 0.006～0.085 mg/m3，平均浓度为0.022 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间全部达标，11月份浓度值最高，7月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。

表4 石咀收费站环境空气逐月日平均值统计 mg/m3

图7 石咀收费站大气污染物月变化

2.3.2 大气污染物季度变化趋势

图8为大气污染物浓度的季度变化情况。O3在夏季的平均浓度最高，为0.056 mg/m3，冬季平均浓度最低，为0.025 mg/m3，整体呈先上升后下降的变化趋势。SO2在冬、春季的平均浓度最高，为0.033 mg/m3，秋季平均浓度最低，为 0.010 mg/m3，整体呈下降的变化趋势。

图8 石咀收费站大气污染物季度变化

2.3.3 大气污染物年度日均值贡献率

大气污染物中O3年度日均浓度值为0.038 mg/m3，达标率为 99.5%，SO2年度日均值为0.022 mg/m3，达标率为100%。由图9可以看出，两类大气污染物年度日均值贡献率中，O3占比为63%，SO2占比为37%，O3占比较SO2高26%。

图9 石咀收费站大气污染物年度日均值贡献率

2.4 侯禹高速龙门收费站

2.4.1 大气污染物月变化趋势[3]

表5列出了2014年10月—2015年9月期间CO、NO、NO2、NOx和 PM10的逐月日均值浓度及超标情况。图10给出了监测站点大气污染物浓度的月变化情况。

CO的日均值变化范围为0.588～24.758 mg/m3，平均浓度为 5.883 mg/m3，2014年 10月—2015年9月期间超标率为100%，10月份浓度值最高，3月份浓度值最低，整体呈现出上下波动的变化趋势。NO的日均值变化范围为0.001～0.199 mg/m3，平均浓度为0.057 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为16%，1月份浓度值最高，7月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。NO2的日均值变化范围为 0.002～0.120 mg/m3，平均浓度为0.058 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间全部达标，7月份浓度值最高，2月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。NOx的日均值变化范围为 0.013～0.300 mg/m3，平均浓 度为 0.115 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为66%，1月份浓度值最高，2月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。PM10的日均值变化范围为0.095～0.678 mg/m3，平均浓度为 0.279 mg/m3，2014年10月—2015年9月期间超标率为100%，1月份浓度值最高，7月份浓度值最低，整体呈现出波动下降的变化趋势。

表5 龙门收费站环境空气逐月日平均值统计 mg/m3

图10 龙门收费站大气污染物月变化

2.4.2 大气污染物季度变化趋势

图11为大气污染物浓度的季度变化情况。CO在冬季的平均浓度最高，为11.673 mg/m3，夏季平均浓度最低，为4.858 mg/m3，整体呈下降的变化趋势。NO在冬季的平均浓度最高，为0.074 mg/m3，秋季平均浓度最低，为0.040 mg/m3，整体呈下降的变化趋势。NO2在秋季的平均浓度最高，为0.064 mg/m3，冬、春季平均浓度最低，为0.056 mg/mm3，整体呈上升的变化趋势。NOx在冬季的平均浓度最高，为0.132 mg/m3，秋季平均浓度最低，为0.222 mg/mm3，整体呈下降的变化趋势。

图11 龙门收费站大气污染物季度变化

2.4.3 大气污染物年度日均值贡献率

大气污染物中CO年度日均浓度值为5.883 mg/m3，达标率为 44.5%，NO年度日均值为0.057 mg/m3，达标率为 100%，NO2年度日均值为0.058 mg/m3，达标率为 89.1%，NOx年度日均值为0.115 mg/m3，达标率为46.1%，PM10年度日均值为0.279 mg/m3，达标率为9.3%。由图12可以看出，各类大气污染物年度日均值贡献率中，CO占比最高，为92%，PM10占比为4%，NO、NO2占比最低，均为1%，NOx占比为2%。

图12 龙门收费站大气污染物年度日均值贡献率

2.5 大气污染物浓度影响因素相关分析[4]

2.5.1 太旧高速阳泉服务区北区

选择2014年10月—2015年9月期间压力、风速、温度和湿度为影响因素，甲烷、非甲烷烃、PM10和O3的逐月日均值浓度监测数据，运用SPSS19.0统计软件进行相关性分析。由表6可以看出，甲烷与压力呈负相关，与风速、温度和湿度呈正相关；非甲烷烃与风速呈负相关，与压力、温度和湿度呈正相关；PM10与压力、温度和湿度呈负相关，与风速呈正相关；O3与压力呈正相关，与温度呈极显著正相关，与风速和湿度呈负相关。

表6 阳泉服务区北区大气污染物浓度影响因素相关分析

2.5.2 太长高速武乡服务区东区

选择2014年10月—2015年9月期间温度、压力、湿度和风速为影响因素，NO、NO2、NOx和SO2的逐月日均值浓度监测数据，运用SPSS19.0统计软件进行相关性分析。由表7可以看出，NO与温度、湿度和风速呈负相关，与压力呈显著正相关；NO2与温度和湿度呈负相关，与压力和风速呈正相关；NOx与温度呈显著负相关，与湿度呈负相关，与压力和风速呈正相关；SO2与温度呈极显著负相关，与湿度呈负相关，与压力呈显著正相关，与风速呈正相关。

表7 武乡服务区东区大气污染物浓度影响因素相关分析

2.5.3 忻阜高速石咀收费站

选择2014年10月—2015年9月期间压力、温度、湿度和风速为影响因素，O3、SO2的逐月日均值浓度监测数据，运用SPSS19.0统计软件进行相关性分析。由表8可以看出，O3与压力呈显著负相关，与湿度呈负相关，与温度和风速呈正相关；SO2与压力呈极显著正相关，与风速呈正相关，与温度呈极显著负相关，湿度呈显著负相关。

表8 石咀收费站大气污染物浓度影响因素相关分析

2.5.4 侯禹高速龙门收费站

选择2014年10月—2015年9月期间温度、压力、湿度和风速为影响因素，CO、NO、NO2、NOx、PM10的逐月日均值浓度监测数据，运用SPSS19.0统计软件进行相关性分析。由表9可以看出，CO与温度和湿度呈正比，与压力和风速呈负相关；NO与温度呈极显著负相关，与湿度呈负相关，与压力呈极显著正相关，与风速呈正相关；NO2与温度和湿度呈正相关，与压力和风速呈负相关；NOx与温度和湿度呈负相关，与压力呈显著正相关，与风速呈正相关；PM10与温度呈极显著负相关，与湿度呈显著负相关，与压力呈极显著正相关，与风速呈显著正相关。

表9 龙门收费站大气污染物浓度影响因素相关分析

3 结论

通过对4个环境空气在线监测站点大气污染物的变化规律、影响因素的研究，得出如下结论：

a）从变化规律来看，甲烷第四季度浓度值高于其他3个季度，整体呈现出波动下降的变化趋势，平均浓度为2.081 mg/m3，按月全年超标率为70%。非甲烷烃第三季度浓度值高于其他3个季度，整体呈现出波动上升的变化趋势，平均浓度为0.125 mg/m3，按月全部达标。PM10在两个监测站点表现出不同的变化规律，这可能与监测站点周边气象因子、车流量等影响因素有关，按月全年超标率均超过80%，说明PM10为服务区、收费站区域大气污染物的重要组成。O3第二季度浓度值高，第四季度浓度值低，按月全年达标。NO、NO2、NOx基本表现为第四季度浓度值高于其他3个季度，整体呈现出波动下降的变化趋势，NO2全部达标，NO和NOx有不同程度的超标，实际情况表明：冬季煤炭运输车辆较多，重载车辆尾气对空气有一定影响。SO2呈整体下降的变化趋势，第一季度浓度值高于其他3个季度，按月全年超标率为8%，是服务区大气污染物的重要组成，根据现场调查结果，设置燃煤采暖锅炉对周边环境有一定影响，增加配套脱硫除尘设备，能有效降低SO2排放。CO整体呈现出上下波动的变化趋势，平均浓度为5.883 mg/m3，按月全年超标率为100%，说明高速公路收费站停留缴费车辆尾气排放是大气污染物重要组成。

b）从影响因素来看，甲烷与压力呈负相关，与风速、温度和湿度呈正相关。非甲烷烃与风速呈负相关，与压力、温度和湿度呈正相关。PM10与温度和湿度呈负相关，与风速呈正相关。O3与风速和湿度呈负相关，与温度和压力呈正相关。NO与温度和湿度呈负相关，与压力呈显著正相关。NOx与温度和湿度呈负相关，与压力和风速呈正相关。SO2与温度和湿度呈负相关，与压力呈显著正相关，与风速呈正相关。CO与温度和湿度呈正比，与压力和风速呈负相关。

该研究利用山西省交通运输环境监测网络试点工程已建的4套环境空气在线监测点连续1年的环境空气数据分析，得出了一定的变化规律和趋势特征，能清楚地反映高速公路服务区、收费站及沿线周边环境空气污染现状，可以为公路交通运输节能减排和大气污染防治工作提供重要的科学依据。