利用SPAMS研究石家庄市细颗粒物污染特征及来源

曹会勇，高康宁，周静博

（1.石家庄市环境科学研究院，河北 石家庄 050022；2.石家庄学院 资源与环境科学学院，河北 石家庄 050035；3.河北省石家庄环境监测中心，河北 石家庄 050021）

0 引言

石家庄市是河北省省会，位于河北省中南部，西临太行山，地势西高东低，强风次数明显少于同纬度的其他地区，环境容量低；石家庄是华北地区重要的医药、化工基地，特殊的地理位置、气象条件和产业结构导致石家庄市空气污染频发，近年来在全国屡次排名倒数[1-3]，弄清大气污染成因并有的放矢采取有效措施治理大气污染成为石家庄的当务之急.

细颗粒物（PM2.5）对光散射和吸收作用会导致大气能见度降低，通过直接和间接作用影响全球气候变化，细颗粒物污染问题已引起人们的广泛关注[4-6].石家庄常年空气污染的首要污染物以PM2.5为主[7]，细颗粒物污染问题突出，弄清楚大气细颗粒物的化学成分及污染来源，是解决环境大气污染的关键所在.国内外对细颗粒物的研究有很多，包括手工采样分析浓度、组分和来源解析与在线监测成分组成、质谱特征等，单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）可直接、快速获得单颗粒粒径、化学成分及其来源信息，避免传统分析方法中样品前处理的困难[8]，该技术拥有极高的时间分辨率，避免了样品特性的变化对监测结果的影响[9]，已被广泛应用于污染在线监测[10]、气溶胶研究[11]、污染源解析[12]、特殊时段监测[13]和污染机理研究[14]等方面.

刘慧琳等[15]利用 SPAMS对南宁市冬季单颗粒气溶胶化学成分进行了初步研究；周静博等[16]利用SPAMS研究了石家庄市冬季连续灰霾天气的污染特征及成因.开展石家庄市大气颗粒物理化特性和来源解析，特别是采暖期和非采暖期差异化研究非常有必要，本研究利用SPAMS对石家庄市2017年春季采暖期和非采暖期前后大气PM2.5进行观测，对单颗粒气溶胶的粒径分布、化学组成和变化规律加以阐述.

1 仪器与方法

1.1 监测地点

观测地点位于石家庄市大气梯度监测站（石家庄广播电视塔）（东经 114°31′49″，北纬 38°01′11″），测点离地高度约20 m，该点位东南方向是世纪公园，西邻体育大街，北邻槐安路.

1.2 监测仪器及方法

监测仪器为广州禾信SPAMS0515.该仪器由进样系统、测径系统和质谱分析系统组成.基本原理：采用空气动力学透镜作为颗粒物接口，通过双光束测径原理进行粒径测量和计数，利用飞行时间质谱原理检测正负离子，实现单颗粒气溶胶化学成分和粒径同步检测.

采用Thermo Fisher公司TEOM1405-D颗粒物连续监测仪监测颗粒物的质量浓度和气象参数.

SPAMS数据分析方法[17]：数据处理采用SPAMS数据分析软件，粒子分类采用自适应共振神经网络算法（ART-2a）.

来源解析方法：污染源分为8类，分别为燃煤、机动车尾气、扬尘、生物质燃烧、工业工艺尾气、纯二次无机源、餐饮及其他.

本研究着重从采暖期和非采暖期空气中细颗粒的成分和来源占比方面展开.

2 结果与讨论

2.1 监测期间空气质量随时间变化趋势

监测时间为2017年3月2日10:00～2017年4月4日00:00，采暖期和非采暖期空气质量指数（AQI）以及首要污染物如图1所示.

采暖期除3月4日为重度污染之外，其余均为良或轻度污染；采暖期结束后，18～19日为一次重污染过程，17、22日为中度污染，其余均为良或轻度污染.冬春交换季节，以偏南风和偏东风为主的暖湿气流将大量水汽由南向北输送，容易出现高湿、静稳的天气，所以监测期间非采暖期与采暖期相比，空气质量并未见明显好转.

2.2 气象条件变化分析

采暖期和非采暖期重污染期间本测点获得的PM2.5质量浓度与风速、相对湿度的时间变化序列如图2所

图1 空气质量变化趋势

图2 气象因子与PM2.5质量浓度变化规律分析

示.3月4日16:00～3月5日4:00，世纪公园站点的地面平均风速为1.3 m·s-1，湿度逐渐增加，大部分时段平均风速在1.0 m·s-1以下，大气相对湿度最高达64%以上，颗粒物发生大量的累积，出现严重污染.3月18日0:00～3月19日23:00，世纪公园站点的地面平均风速为1.6 m·s-1，3月18日18:00～3月19日0:00，风速有所加大，污染物浓度有所下降，随后风速降低，湿度加大，污染物浓度再次抬升，达到严重污染，3月19日13:00之后风速加大，湿度降低，本轮重污染结束.

2.3 细颗粒物数浓度与PM2.5质量浓度的相关性分析

采暖期和非采暖期，对细颗粒物数浓度与PM2.5质量浓度分别作相关性分析，如图3所示，采暖期相关系数R2为0.61，非采暖期R2为0.66，非采暖期两者相关性好于采暖期，分析原因可能是采暖期燃煤排放量大，细颗粒物浓度较高，SPAMS数浓度监测上限为20个/h，存在质量浓度较高数浓度采集不完全的现象，所以非采暖期数浓度和质量浓度相关性较采暖期好.

总体来看，细颗粒物数浓度与PM2.5质量浓度有对应关系，单颗粒质谱监测数据在一定程度上能够反映细颗粒物的污染程度.

2.4 PM2.5污染变化分析

2.4.1 源颗粒物的质谱特征

采暖期大气细颗粒物成分谱图中有机碳（OC）、二次无机离子和的信息较强，OC容易与大气中的硝酸盐和硫酸盐结合，同时也有较强的峰值，颗粒物混合和老化现象明显.

春季采暖期结束后大气细颗粒物平均谱图元素碳（EC）信息显著，EC存在于直接排放的一次颗粒物中，二次无机离子中和的峰值较高，矿物质离子Ca2+、峰值明显，其中为扬尘源的特征离子.

2.4.2 细颗粒物来源解析

图3 数浓度与质量浓度相关性分析

表1 选取时段信息

根据细颗粒物质量浓度变化明显的时间节点选取6个时段进行细颗粒物来源解析，各时段信息见表1.3月2日～4月4日，石家庄空气质量主要以良、轻度污染为主，采暖期出现1天重度污染，采暖期结束之后出现了2天重度污染，从表1可以看出，采暖期和非采暖期分别出现1天重度以上污染，3月4日～3月5日出现重度污染，3月18日～3月19日出现1次重度—严重污染，18日傍晚至19日凌晨稍有缓和，降至中度污染，19日白天污染基本维持在重度—严重污染，傍晚19:00之后污染好转，降为中度—轻度污染.采暖期和非采暖期源解析结果如图4所示.

采暖期3月4日下午污染程度逐渐加重，16:00～22:00，空气质量由中度转变为重度污染，PM2.5浓度由161 μg·m-3上升至 210 μg·m-3，生物质燃烧和机动车尾气贡献率较大；3 月 5 日 0:00～6:00，细颗粒物浓度从最高217 μg·m-3下降至134 μg·m-3，空气质量由重度转为轻度，本轮污染过程结束，主要排放源为生物质燃烧和工业工艺尾气，机动车尾气源贡献率由23.3%降至21.4%，可以看出，重污染期间二次转化比较严重，同时反映出采暖期石家庄生物质燃烧采暖现象比较突出，散煤燃烧的贡献不容忽视.

图4 重污染期间PM2.5来源解析

非采暖期连续发生了2次重度以上污染，18日0:00～17:00，空气质量由中度变为重度，细颗粒物浓度从173 μg·m-3上升至 209 μg·m-3，18:00～19 日 0:00，降为轻度污染，稍有缓和. 从解析结果来看，机动车和工业工艺尾气对细颗粒物污染贡献较高.污染程度下降时，机动车尾气贡献率稍有下降，工业工艺源的贡献率明显降低，由24.3%降至17.5%，白天工业生产排放大，容易发生二次转化，工业工艺尾气对空气质量影响较大，夜间工业排放量减少，污染程度稍有下降.

19日1:00～18:00，污染物浓度骤升，全天空气质量均为重度—严重污染，细颗粒物浓度最高达260 μg·m-3，燃煤贡献率由15.6%升至20%，工业工艺尾气贡献率明显上升，由17.5%升至23.8%，整个重污染过程，机动车和工业工艺尾气对细颗粒物的贡献率较高；19:00之后，冷空气来临，空气质量开始好转，23:00空气质量达到二级良，本轮污染结束.空气好转过程中，工业工艺尾气贡献率下降明显，由23.8%降至13.2%，机动车尾气贡献率也有所下降，燃煤贡献率几乎没有变化.

从非采暖期的两次连续重污染过程中细颗粒物浓度变化规律可以看出，非采暖期机动车尾气和工业工艺尾气排放在重污染过程中贡献率较高，说明静稳天气条件下，本地机动车和工业排放是发生重污染的主要原因，同时发现工业工艺尾气贡献率随污染程度变化波动变化更为明显.

2.4.3 采暖期和非采暖期不同源的粒径分布

图5 源粒径分布图

本研究中采暖期和非采暖期各类源的粒径分布如图5所示.采暖期，扬尘和生物质燃烧产生的颗粒物在粒径段的占比较大，其次为机动车尾气源和工业工艺尾气，扬尘在大粒径段1.5～2.5 μm占有的比重较高，生物质燃烧主要分布在0.5～1.5 μm粒径段；机动车尾气和燃煤在小粒径段的占比较高，主要在0.0～0.5 μm，工业工艺尾气在0.5～2.0 μm占比较高，其余污染源在整个粒径段均匀分布.Michael等[18]也研究得出0.2～0.3 μm粒径段的颗粒物主要来自燃煤排放和机动车尾气.

在非采暖期，生物质燃烧源和扬尘比重明显减少，机动车尾气源比重明显增加，尤其在0.5～1.0 μm范围内，工业工艺源比重也有所增加，采暖期结束，取暖燃烧排放比重明显降低，可见，石家庄生物质燃烧取暖造成的无组织排放污染现象较为严重.

3 结论

1）2017年3月2日～4月4日监测期间，非采暖期与采暖期相比，空气质量并未见明显好转，均出现了不同程度的污染过程.

2）采暖期重污染上升阶段颗粒物的主要排放源为生物质燃烧和机动车尾气，下降阶段颗粒物的主要排放源为生物质燃烧和工业工艺尾气，发生重污染期间二次转化比较严重，反映出采暖期石家庄生物质燃烧采暖现象比较突出，散煤排放污染不容忽视.非采暖期重污染过程中机动车尾气、燃煤和工业工艺尾气排放贡献率较高，工业工艺尾气贡献率随着污染程度变化波动变化明显，静稳天气条件下，本地机动车和工业工艺尾气排放是发生重污染的主要原因.

3）采暖期，扬尘和生物质燃烧产生的颗粒物在粒径段的占比较大，其次为机动车尾气源和工业工艺尾气.非采暖期机动车尾气源比重明显增加，工业工艺源比重也有所增加，生物质燃烧源和扬尘比重明显减少，可见石家庄生物质燃烧取暖造成的无组织排放污染现象较为严重.

（责任编辑 王颖莉）