汕头市澄海区春季大气细颗粒物来源解析及特征分析*

李 娟，肖亮洪，郭 岩，黄宜耀，张宇烽，陈舒迟

(广东省汕头市环境保护监测站，广东 汕头 515041)

近年来，随着我国城市化、工业化进程的不断加快，环境空气质量恶化日趋严重，大气颗粒物已成为我国大部分城市的首要大气污染物。大气细颗粒物与暴露人群的健康状况有很强相关性[1-2]，也是引起能见度下降的主要因素[3-4]。尤其是以京津冀、长三角、珠三角为代表的城市群频繁遭遇灰霾袭击。灰霾天气已经成为一种常见的环境污染事件，因其对于能见度、人体健康以及全球气候的影响，受到各方的广泛关注[5]。

随着汕头市经济快速发展，人类活动对环境空气质量产生了一定程度的负面影响，灰霾天气时有发生。研究表明，灰霾天气的形成除受气象条件的影响外，还与悬浮细颗粒物(PM2.5)的浓度直接相关[6]，因而弄清楚PM2.5的源排放特征是进行来源解析、制定相应法规、进而实施相应防控措施的必要前提[7]。本文选取汕头市澄海区为研究对象，采用了具有国际领先水平的在线高时间分辨率单颗粒气溶胶飞行质谱直接测量法实时监测源排放单个颗粒物的化学成分和粒径大小，全面了解澄海区环境空气颗粒物的变化，进而判断大气污染成因，为政府决策提供基础数据和有力的科技支撑，因此开展汕头市澄海环境空气细颗粒物源解析研究工作具有十分重要和现实的社会意义。

1 方 法

1.1 观测点位

采样点设置在汕头市澄海区环保局六楼(汕头市环境空气国控监测点)，该测点距离地面高度约12 m，属于居住区和商业区的混合区，受周边人群活动的局部影响较小。观测时间为2015年3月14日17:00-3月23日9:00，历时9天，24 h不间断观测。

1.2 仪器设备

本次实验使用的测试仪器为在线单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS0515，广州禾信分析仪器有限公司)，是目前国际首台细颗粒物在线源解析监测设备，是实现细颗粒物实时在线源解析的唯一手段。

2 结果与讨论

2.1 细颗粒物信息

监测期间得到具有粒径信息的颗粒物563.5万个，其中有正负质谱图的颗粒117万个。如图1所示，监测期间SPAMS采获的小时颗粒数与PM2.5质量浓度的时间变化趋势基本一致(相关系数R2为0.51)，说明颗粒数的变化趋势可一定程度上反映大气颗粒物的污染状况。

图1 SPAMS小时颗粒数与PM2.5质量浓度的时间变化趋势图

2.2 细颗粒物粒径分析

澄海区颗粒粒径分布如图2所示，从图2可以看出，细颗粒物粒径主要分布0.32～0.88 μm，峰值出现在0.62 μm处，粒径分布呈现较好的正态分布。

图2 颗粒粒径分布图

2.3 整体细颗粒物成分分析

图3 整体细颗粒物化学成分平均质谱图

澄海区大气细颗粒物中的离子比例如表1所示，从表1可以看出，多数颗粒含有钾离子、硫酸盐和硝酸盐，另外钠离子、铵离子、氯离子、钙离子和铁离子的含量也都在10%以上，占比较高。

表1 大气细颗粒物中的离子比例

2.4 总体细颗粒物分类结果

利用自适应共振神经网络分类算法(Art-2a)对细颗粒物进行了分类，分类过程中使用的分类参数为：相似度0.65，学习效率0.05。分类后，再经过人工合并，最终确定了9类细颗粒物，分别为：元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、富钾颗粒(K)、富钠钾颗粒(NAK)、重金属(HM)、矿物质(SIO3)、有机碳(OC)、高分子有机碳(HOC)以及左旋葡聚糖颗粒(LEV)。

澄海区细颗粒物分类结果如图4所示，可看到首要细颗粒物类别为元素碳，占总细颗粒物的49.7%，其次是有机碳，占总细颗粒物的13.7%，第三位是混合碳，占总细颗粒物的9.5%，其他类细颗粒物占比相对较少。

图4 细颗粒物分类结果

2.5 总体细颗粒物来源分析

基于监测结果，参照《大气颗粒物来源解析技术指南》，结合当地的能源结构，按照环境管理需求对颗粒物排放源进行分类，可将澄海区细颗粒物污染来源归结为八大类，分别为海盐、扬尘源、生物质燃烧源、机动车尾气源、燃煤源、工业工艺源、纯二次无机源和其他。

澄海区细颗粒物源分析结果如图5所示，可看到首要污染源是机动车尾气源，占总细颗粒物的32.3%，其次是燃煤源，占总细颗粒物的22.8%，第三位是工业工艺源，占总细颗粒物的12.3%，扬尘源占比10%，其它源类贡献率均在10%以下。

图5 细颗粒物来源分析

2.6 污染源变化堆叠图

监测期间对澄海区各类污染源实时变化趋势和贡献比例进行分析，结果如图6所示。图中横轴为时间，纵轴为各类源所占比例，在纵轴跨度越大，代表贡献率越高。由图6可看出：机动车尾气源在整个监测过程中为首要污染源，最高比例达到66.5%；燃煤源波动较大，3月19日出现轻度污染天气，且当天燃煤源占比明显高于其他颗粒源，出现最大峰值，是当天的首要污染源。生物质燃烧源在监测期间变化幅度较大，最低和最高比例分别为0.6%和29.8%；扬尘源、工业工艺源等在监测期间变化不大。

图6 细颗粒物来源比例时间序列

监测期间，各源类细颗粒物数浓度时间序列如图7所示。从图7中可看出，随时间推移各源颗粒数与颗粒物浓度变化趋势基本一致，表现为同增同减。在颗粒数累积上升的过程中，机动车尾气源和燃煤源颗粒增加更为明显。

图7 各源类细颗粒物数浓度时间序列

2.7 机动车尾气源重点分析

监测期间机动车尾气源占比随时间变化如图8所示，连续9天的监测中，机动车尾气源排放高峰时段基本都分布在每天早上8点左右或晚上6点之后，显然主要是受到上下班车流高峰的影响。3月19日06：00-12：00期间，PM2.5质量浓度出现明显的峰值，随后浓度逐渐减低，而此期间机动车尾气源的浓度占比较低，结合图6可知，该时段燃煤源的占比出现最大峰值，PM2.5质量浓度主要受燃煤源的影响较大。其余时段，PM2.5质量浓度出现高峰，同时机动车尾气源的占比均出现明显上升，机动车尾气源和PM2.5质量浓度的整体变化趋势较为一致，说明在监测期间该区PM2.5主要受机动车尾气影响。

图8 机动车尾气源比例及PM2.5质量浓度随时间变化

3 结 论

(1)监测期间SPAMS采获的小时颗粒数与PM2.5质量浓度的时间变化趋势基本一致，一定程度上可反映大气颗粒物的污染状况；

(2)澄海区大气细颗粒物中，多数颗粒含有钾离子、硫酸盐和硝酸盐，钠离子、铵离子、氯离子、钙离子和铁离子的含量也都在10%以上，占比较高；

(3)监测期间，澄海区细颗粒物分类结果来看，首要细颗粒物类别为元素碳，占总细颗粒物的49.7%，其次是有机碳，占总细颗粒物的13.7%，第三位是混合碳，占总细颗粒物的9.5%，其他类细颗粒物占比相对较少；

(4)监测期间，澄海区细颗粒物源解析结果来看，首要污染源是机动车尾气源(32.3%)，其次是燃煤源(22.8%)，工业工艺源(12.3%)，扬尘源(10%)，其它源类贡献率均在10%以下；

(5)监测期间，机动车尾气源排放高峰时段基本都分布在每天早上8点左右及晚上6点之后，主要是受到上下班车流高峰的影响；

(6)监测期间，3月19日出现轻度污染天气，通过对发生的污染过程的数据综合分析可基本确定，污染过程产生的主要原因是当天风速较低，出现气象扩散条件不利的情况，由于燃煤源排放的颗粒物富集过多导致的，因此在重污染天气时应优先考虑对燃煤源采取管控措施。机动车尾气源在3月19日出现占比下降的趋势，但其在大多数时间段均占比较高，尤其在上下班等高峰期对空气质量影响较为显著，因此在重污染天气或特殊时段也应成为优先考虑采取管控措施的对象。