青奥会期间利用车载DOAS探测南京地区污染气体的分布和输送

杜嵩山，胡肇焜

(1.江苏省环境监测中心，南京 210036， 2.中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥 230000)

1 引 言

2014年南京青奥会期间，针对大型化工园区采取了限产措施，对青奥期间自8月1日起实施工业源排放管控措施，全省8月份共落实企业限产741家、企业停产554家；162家燃煤电厂全部使用含硫量低于0.7%的优质煤，发电量同比下降15%；扬子、金陵石化等重点化工企业停用部分生产装置，压缩产能20%以上；南钢、梅钢等主要钢铁企业的烧结、球团、焦化等生产减产30%。所有这些控制措施的效果都需要及时进行监测与评估。目前对于高架点源，采用的常规测量系统为连续排放测量系统(CEMS)，有插入式的烟道光谱测量方法，或有抽取式的采样稀释光学测量(紫外荧光法、化学发光法)；也有采用电化学方法测量，但其寿命较短，不能实现连续测量，一般应用于定期检测。对于包含多个点源的工业区和面源只能以在线监测和污染源调查为主。被动式DOAS技术，以天顶太阳散射光作为光源，通过测量天顶紫外/可见吸收光谱来研究大气中痕量气体的垂直柱密度和空间分布情况，目前国内外已经广泛应用于污染源污染气体的排放测量[1～7]。

2 实验原理

2.1 被动DOAS原理

被动DOAS技术以自然光为光源，利用气体的“指纹”吸收特性来监测痕量气体的浓度。入射光经气体吸收和散射之后而发生衰减，光线衰减前、后光强的变化关系可用Lambert-Beer定律来描述：

I(λ)=I0(λ)·exp(-σ(λ)·c·L)

(1)

其中，I0(λ)表示初始光强，I(λ)为穿过气体吸收层后的光强，L为光程，c为吸收物质的浓度，σ(λ)表示大气中对该波段光辐射具有吸收的物质在波长λ处 的吸收截面。

实际大气观测时，除了痕量气体的吸收之外还包括了大气分子和气溶胶颗粒物的散射作用。此外，由于仪器自身的透射作用也会使光强减少，最终导致波束展宽。综合以上考虑，我们对式(1)表示的Lambert-Beer定律进行扩展，在扩展的方程中将影响光强变化的各种因子(包括分子的吸收、散射、气溶胶散射等)考虑进去，表示如下：

I(λ)=I0(λ)·exp[-L·(∑(σj(λ)·cj)+εR(λ)+εM(λ))]·A(λ)

(2)

式中，cj表示大气中对该波段光辐射具有吸收的气体j的浓度，σj(λ)表示吸收气体j在λ波长处的吸收截面，εR(λ)表示瑞利散射系数，εM(λ)为米散射系数，仪器效应和湍流作用以A(λ)表示。

DOAS方法的核心就是将大气的消光过程分为快变化部分(米散射和瑞利散射)和慢变化(分子窄带吸收)部分，通过数字滤波滤除慢变化部分，从而获得痕量气体的窄带吸收。因此公式(2)又可以写作

(3)

在实际中，DOAS系统通过测量原始光谱I0(λ)和吸收光谱I(λ)，对两者之商进行数字滤波以去除波长作慢变化的宽带结构，保留光谱中的快变化部分，取对数后得到差分光学厚度，对多种吸收气体吸收进行最小二乘求解，最终得到痕量气体的SCD。

2.2 实验装置和通量计算

（2）基床顶面的最大应力为485.6 kPa，根据测量资料，工程区域地基承载力极限值为1529.6 kPa，可见工程区域地基能够承受基床顶面的应力，设计合理。

图1为车载被动式DOAS系统示意图，车顶放置微型车载气象站、GPS模块，车内放置光谱采集系统和计算机系统。

图1 车载被动式DOAS观测系统和通量计算Fig.1 Vehicle passive DOAS observation system and flux calculation

观测得到的太阳光信号经过编制好的计算机程序处理之后可以获得汽车移动路径上污染物的柱浓度分布VCD。然后用描述守恒量传输的连续性方程来计算通量，如式(4):

(4)

如果我们将方程(4)对体积积分，则有

(5)

(6)

3 实验结果

3.1 城区移动观测和分析

针对青奥期间南京可能的污染物来源影响，利用车载DOAS进行绕城观测，路线如图2所示。

图2 南京环城观测路线Fig.2 Observation route around the city

2014年8月5日、8月10日、8月15日、8月17日、8月26日和8月28日共进行了6次绕城观测，得到了南京环城的SO2和NO2排放特征并研究了特殊风场下污染物的对主城的影响。

如图3所示，8月5日在东南风场下，测量路线的北部靠近扬子石化路段有SO2和NO2高值，为工业区污染气团扩散产生，测量路线中其他路段浓度较低，表明在东南风场下整个南京主城区大气较为清洁，没有外来输送。8月10日在西北风场下，整个绕城路线SO2没有大的浓度变化，NO2存在分散高值，分析认为是车站和路口交通排放所致。8月15日在偏北风场下观测到测量路线的东部和东南部出现高值，结合风场轨迹(见图3)发现高值来自江北工业园区，在偏北风场影响下向南输送，产生连续高值。8月17及25日，在偏东风场作用下，可以明显看到在观测路段北段，即扬子石化下风向出现柱浓度高值，但南京主城区受到的影响较小，大气较为清洁，部分交通拥堵路段存在NO2高值。8月28日在东北风场下，江北出现浓度高值，但江南所受影响较小。

图3 不同风场下南京绕城SO2和NO2柱浓度空间分布Fig.3 Spatial distribution of SO2 and NO2 column density around Nanjing under different wind fields

图4 环城观测SO2和NO2排放通量Fig.4 SO2 and NO2 fluxes around the city

图4给出了6次南京绕城观测的SO2和NO2的输送通量，“-”表示向内输入，“+”表示向外输出。可以看出青奥会管制期间排放通量相对较低，在偏北风场下外部对南京城区有一定输入，应该和江北工业园区有较大关系。通过气流后向轨迹分析(图5)可以看出主要是扬子石化的影响。

3.2 扬子石化厂区观测和分析

2014年8月5日，11日，12日，20日，30日对扬子石化进行了5次有效测量，获取了观测期间的SO2、NO2柱浓度空间分布及排放量信息，并结合风场研究了对南京主城区的输送情况，图7是扬子石化在三种典型风场下的排放情况。

图5 8月15日 SO2柱浓度分布和风场后向轨迹示意图Fig.5 SO2 column density distribution and wind field backwards trajectory on August 15

图6 扬子石化位置及观测路线(扬子石化位于左图A标记处)Fig.6 Yangzi petrochemical company location and observation route

图7 不同风场下扬子石化工业区SO2和NO2空间分布示意Fig.7 Spatial distribution of SO2 and NO2 in Yangzi petrochemical company under different wind fields

从图中可以发现，工业园区有较强的SO2和NO2排放。8月5日在东南风场下，测量路线的西侧区域观测到SO2和NO2高值，根据扬子石化和市区的位置关系，在这种风场下，南京主城区位于上风向，扬子石化的排放对市区影响较小。8月12日在偏北风场影响下，测量路线的南侧出现SO2和NO2高值，由于扬子石化工业区位于南京主城区的偏北方向，所以在该风场条件下扬子石化产生的污染气体会对南京主城区产生影响，污染物会在风场作用下对市区产生输送。8月30日在偏东风场下，同样由于南京主城区位于工业园上风向，扬子石化排放对市区影响较小。

图8 扬子石化工业区SO2和NO2排放通量Fig.8 Yangzi petrochemical industrial zone SO2 and NO2 emissions flux

图8给出了5次扬子石化观测的SO2和NO2的输送通量，“-”表示向内输入，“+”表示向外输出。可以看出青奥期间管控措施还是减少了排放，青奥结束后的8月30日排放量明显增加。

4 结 论

车载被动式DOAS系统作为一种快速、灵活的观测手段，可以在重大赛会期间空气质量保障工作上发挥重要作用。本文在青奥会前后对南京市环城和江北工业区进行了多次观测，获得了南京地区SO2、NO2的分布和输送规律。

4.1 在东北和偏北风场情况下，江北工业园区对南京主城区有一定影响，而偏东和东南风场下影响较小。

4.2 在青奥会期间的管控措施取消后，SO2的排放有明显增加。

参考文献：

[1] McGonigle A J S，Oppenheimer C，Galle B，et al．Walking traverse and scanning DOAS measurements of volcanic gas emission rates[J]．Geophysical Research Letters，2002，29(20)：1-4．

[2] Li A，Liu C，Xie P H，et al．Monitoring of SO2emissions from industry by passive DOAS[C]．Proceedings of SPIE，2005，5832(1)：371-378．

[3] 李 昂, 谢品华, 刘文清,等. 被动差分吸收光谱法测量区域内污染气体排放通量的方法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2009,29(1):28-32.

[4] 李 昂, 谢品华, 刘文清,等. 被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究[J]. 光学学报, 2007, 27 (9): 1537-1542.

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[6] 朱燕舞, 谢品华, 窦 科,等. 大气污染物垂直廓线扫描差分吸收光谱方法研究[J]. 光学学报, 2009, (1):297-302.

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