焦作市大气污染物特征和相关性分析

苑 丽，闫瑞敏

焦作市环境监测站，河南 焦作 454000

随着雾霾天气在全国相继出现，大气污染作为最直观的污染类型，引发了广泛的社会关注。目前，大气污染类型在全国范围内已经由煤烟型污染转变为混合型污染，SO2、NO2、CO、O3和颗粒物等多种污染物在对流层中共存[1]。其中，NO2、SO2形成酸沉降，损害人体呼吸系统，PM10是城市大气污染物的重要来源，PM2.5对人体健康造成的损害非常显著[2]，高浓度O3作为城市光化学烟雾的特征产物已经引起国内外的普遍关注[3]，CO污染随着城市机动车保有量的逐年增加，其危害也不容小觑[4]。京津冀区域是国内雾霾较重的地区，原环境保护部先后在京津冀及周边地区确定了“2+26”个大气污染传输通道城市，并印发《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》[5]。研究京津冀及周边区域大气污染的特征规律和污染物间关系具有战略意义。本研究以京津冀周边城市之一的焦作市为研究对象，对大气污染物特征进行分析，以期为大气污染治理与控制提供技术参考。

1 实验部分

1.1 研究区域

焦作市位于河南省西北部，北部是太行山脉，南部为黄河，东与新乡市毗邻，西与济源市接壤，南与郑州、洛阳市隔河相望，北与山西晋城搭界。焦作市市区位于行政区中北部，东西长30 km，南北宽19 km，面积424 km2，建成区面积113 km2。焦作市处于中纬度地区，属暖温带大陆季风气候，季节变化明显，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季干冷少雪。

1.2 监测点位和监测因子

研究采用2015—2017年焦作市城区范围内市环保局、市监测站、高新区政府、影视城等4个国控环境空气自动监测点位的监测数据。监测因子包括SO2、NO2、CO 等气态污染物和PM2.5、PM10等颗粒态污染物及O3日最大8 h平均值、空气质量指数(AQI)。

2 结果与讨论

2.1 大气污染物变化趋势

2.1.1 SO2、NO2、PM10、PM2.5的变化趋势

4项污染物的年际变化趋势如图1所示。 SO2年均质量浓度呈下降趋势，且均低于国家《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准(60 μg/m3)[6]。2017年SO2年均质量浓度为25 μg/m3，与2016年、2015年相比分别下降了37.5%和48.9%。说明近年来焦作市及周边地区落后产能淘汰、企业脱硫设施升级改造、煤改气、煤改电、大力推动集中供热等措施对SO2的减排取得显著成果。

图1 2015—2017年城市空气SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度年际变化趋势Fig.1 Annual variation of SO2、NO2、PM10、PM2.5 concentrations in 2015-2017

NO2年均质量浓度呈逐年下降趋势，但均略高于GB 3095—2012二级标准(40 μg/m3)。2017年NO2年均质量浓度为44μg/m3，与2016年、2015年相比分别下降了8.3%和12.0%。反映出焦作市在工业氮氧化物污染治理、机动车污染治理等方面取得一定成效，但机动车污染的治理仍要给予足够重视。

PM10和PM2.5年均质量浓度均呈下降趋势，但均远高于GB 3095—2012二级标准(70 μg/m3、35 μg/m3)。2017年PM10年均质量浓度为134 μg/m3，与2016年、2015年相比分别下降了5.6%和10.7%。2017年PM2.5年均质量浓度为77 μg/m3，与2016年和2015年相比分别下降了9.4%和11.5%。虽然焦作市实施了扬尘污染“一票停工制”“黑名单制”“道路扬尘管控路长制”等有力措施，颗粒物年际间浓度呈下降趋势，但2017年PM10和PM2.5年均质量浓度仍超出空气质量二级标准0.9倍和1.2倍，颗粒物仍为焦作市的主要污染物。

2.1.2 CO、O3的变化趋势

CO年际变化趋势如图2所示，CO第95百分位数质量浓度(CO-95per)呈下降趋势，且均低于GB 3095—2012二级标准(4 mg/m3)。2017年CO-95per为3.1 mg/m3，与2016年、2015年相比均下降了20.5%。

图2 2015—2017年城市空气CO、O3浓度年际变化趋势Fig.2 Annual variation of CO and O3concentrations in 2015-2017

O3年际变化趋势如图3所示， O3日最大8 h日均值第90百分位数质量浓度(O3-8 h-90per)呈上升趋势，除2015年外，均高于国家空气质量二级标准(160 μg/m3)。2017年O3-8 h-90per为208 μg/m3，与2016年、2015年相比分别上升了25.3%和38.7%。O3污染日益严重，应引起高度关注。

2.2 污染物的时间分布特征

2.2.1 SO2、NO2、PM10、PM2.5时间分布特征

图3显示2017年各站点及城区SO2、NO2、PM10、PM2.5月均质量浓度均具有显著的月变化特征，且变化规律基本一致，即1—3 月浓度较高，7—9月达到低值，10月后逐渐升高。按季节划分，浓度均呈现冬季>春季> 秋季>夏季的规律。

图3 2017年SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度月变化Fig.3 Monthly variation of SO2、NO2、PM10 and PM2.5 concentrations in 2017

2.2.2 CO、O3时间分布特征

图4显示2017年焦作市各站点及城区CO月均质量浓度1—5月呈下降趋势，6—12月呈上升趋势；其中，城区CO月均质量浓度最高值为1月的3.1 mg/m3，最低值为5月份的1.1 mg/m3。按季节划分，CO冬季污染较重，夏季污染较轻。

图4 2017年CO月浓度变化Fig.4 Monthly variation of CO concentrations in 2017

图5显示2017年各站点及城区O3-8 h月均值1—6月为呈上升趋势，6月达到最高值，7—11月呈下降趋势。城区最高月均质量浓度为6月的193 μg/m3，最低为1月份的43 μg/m3。按季节划分，O3夏季(6—8月)污染重，而冬季污染轻。夏季O3污染与多发的雷雨天气、高温和强光辐射等气象因素有关。因为夏季温度高、紫外线强，大气中的污染物在太阳光照射下易发生一系列光化学反应生成O3[7]。

图5 2017年O3月浓度变化Fig.5 Monthly variation of O3concentrations in 2017

2.2.3 空气质量指数时间分布特征

2017年城区AQI同样具有显著的月变化特征，且与SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO月浓度变化趋势基本一致。图6显示1—3月AQI较高，7—9月达到相对低值，10月后逐渐升高。空气质量指数在冬季最高，与冬季污染物排放量高、边界层高度低、污染物不易扩散有关。由于冬季地面温度低，近地面气温度较上层气温度低，夜间辐射降温现象尤其明显，造成大气层结构稳定，大气垂直方向对流有限，污染物较难扩散。夏季则相反，地面对于大气是热源，大气垂直运动活跃，不易出现逆温现象[8]。

图6 2017年城区空气质量指数AQI变化Fig.6 Monthly variation of AQI in 2017

图8 2017年各点位颗粒物粒径组成Fig.8 Contributions of various particle size in 2017

2.2.4 沙尘影响分析

沙尘天气指大风将近地壳表层的沙粒、灰尘吹入上空，使空气混浊的一种现象。在沙尘暴现象发生和影响的区域，大气中的颗粒物浓度急剧升高，大气环境恶劣。沙尘天气发生过程中，当沙尘源区城市PM10质量浓度持续1 h超过1 000 μg/m3，或者PM10质量浓度持续2 h超过600 μg/m3，沙尘即会对当地环境空气产生较大影响，这种情况下，可以剔除沙尘天气过程城市颗粒物监测数据[9]。根据监测数据显示，2017年焦作市境内共发生沙尘天气36 d，其中春季15 d，夏季3 d，秋季6 d，冬季12 d。2017年PM10年均质量浓度为134 μg/m3，扣除沙尘影响后，PM10年均质量浓度为125 μg/m3，降低6.7%。PM2.5年均质量浓度为77 μg/m3，扣除沙尘影响后，PM2.5年均质量浓度为73 μg/m3，降低5.2%，沙尘天气对焦作市空气质量影响明显。

2.3 颗粒物污染特征分析

研究对2017年焦作市4个国控监测点位的PM2.5/PM10进行统计分析，PM2.5/PM10如图7所示。各站点PM2.5/PM10平均为59%，表明大气颗粒物污染以PM2.5污染为主，体现了明显的二次生成的污染特征；PM2.5/PM10春、冬季略高于夏、秋季，这与SO2、NO2、CO的季节分布特征一致，表明春、冬季更易富集细颗粒，进一步说明春冬季化石燃料的燃烧、汽车尾气、工业生产等人类活动生成的PM2.5较多。

图7 2017年各点位PM2.5/PM10变化Fig.7 Monthly variation of PM2.5/PM10 in 2017

图8显示4个站点PM10中PM2.5的占比为53%～67%，城区3个站点PM2.5/PM10相差不大，而郊区监测点影视城PM2.5～10的贡献(33%)明显低于其他3个市区点(37%～47%)。影视城监测点紧邻太行山，周边有良好的植被与相对较少的人为活动，因此受到的扬尘污染相对较小，说明PM2.5/PM10也具有空间差异性。

2.4 大气污染物间的相关性分析

大气污染物存在一定的关联，研究污染物之间的相关性对于大气治理不可或缺。研究利用SPSS 软件对各污染物浓度进行了皮尔逊极差相关性分析，分析结果见表1。

表1 环境空气中6种污染物的相关性分析Table 1 Correlation analysis on concentrations of six atmospheric pollutants

根据SPSS分析结果可知，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO之间均呈显著正相关关系。其中PM2.5与PM10的相关性为0.942，接近1，两者相关性极显著，一方面由于两者之间存在包含关系，另一方面也表明大气颗粒物很大比例以PM2.5形式存在。PM2.5与CO的相关性为0.673，呈现中级相关性，由污染来源分析，CO主要来源于生物燃烧和机动车尾气，这与PM2.5来源于机动车尾气、扬尘、和生物质燃烧的理论一致。SO2、PM10、PM2.5、CO与NO2的相关系数依次为0.713、0.660、0.648、0.746，均呈显著相关性。这是由于， SO2来源于含硫矿物燃烧及工业排放，在空气中可通过氧化反应生成H2SO4，后与空气中的NH3作用生成硫酸铵，所以SO2是形成PM2.5二次颗粒气态前体物[10]。NO2主要来源于机动车尾气和工业生产，经一系列光化学反应生成的硝酸盐类，也是PM2.5的主要成分。O3与其余5项因子均呈负相关，其中与CO、NO2相关性显著，这是由于人类活动排放的NOX、CO等一次污染物经光化学反应可促进二次污染物O3的产生[11]。SO2、NO2、CO之间也存在较显著的相关性，这与3种污染物的来源有关，燃料燃烧、工业废气产生CO和SO2，机动车尾气产生NO2和CO， SO2和NO2虽然来源不同，是通过中介物CO建立间接关联，而且3种污染物变化趋势的一致也说明其间的相关性。

3 结论

1)2015—2017年焦作市环境空气质量呈现改善趋势，除O3外，其余5项因子浓度均呈逐年下降趋势。与2015年相比，2017年环境空气SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO质量浓度下降幅度分别为48.9%、12.0%、10.7%、11.5%、20.5%。

2)SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO浓度均具有显著的月变化特征，且变化规律基本一致，即1—3月浓度较高，在7—9月出现最低值，10月后逐渐升高。按季节划分，5项因子均为冬季污染最为严重，这是由于冬季易出现逆温现象，大气垂直方向对流有限，污染物难以扩散。

3)O3的浓度随月份呈先增后减变化趋势，夏季浓度最高，冬季最低。这与其他5种污染物的季节特征相反，这是由于夏季气温较高、紫外线强烈，此环境条件下易发生光化学污染，生成O3。

4)沙尘影响严重，2017年焦作市经历沙尘天气36 d，扣除沙尘影响后PM10质量浓度和PM2.5质量浓度分别下降6.7%和5.2%。

5)PM2.5/PM10平均为59%，表明大气颗粒物污染以PM2.5污染为主，体现了二次生成的污染特征。春、冬季略高于夏、秋季，这与SO2、NO2、CO的季节分布特征较为一致，表明春、冬季更易富集细颗粒，化石燃料燃烧等人类活动和二次污染生成的PM2.5增加。

6)大气污染物的相关性研究表明，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO等5种污染物之间都存在正相关，其相关性与它们的污染源有关，污染来源重复越多，相关性就会越高；O3与NO2、CO等污染物存在负相关。