株洲市区大气污染防治特护期轻度污染期间PM2.5组分特征及来源分析

曾珊珊 刘灿 郭晓辉

1. 株洲市生态环境事务中心 湖南 株洲 412000；

2. 长沙市天心区委员会办公室 湖南 长沙 410004；

3. 株洲市渌口生态环境监测站 湖南 株洲 412100

引言

秋冬季节是污染天气的高发时段，而PM2.5超标是影响环境空气质量和优良率的最大因素。为改善空气质量，减少污染物排放，2015年湖南省针对长株潭地区提出了大气污染防治特护期的概念，特护期时段为每年10月16日至次年3月15日，并制定了一系列管控措施，环境空气质量得到了较大改善。监测数据表明：株洲市2016–2017特护期，空气质量优良率58.3%，而2020–2021年特护期，空气质量优良率提升到70.2%，同时中、重度污染天数明显减少，但轻度污染改善幅度不大，且首要污染因子均为PM2.5。

从特护期污染发生的程度来看，以轻度污染为主，但现有的研究多是针对重污染天气典型过程的气象条件及大气颗粒物来源。部分学者对湖南通道城市的重污染过程做了深入分析，周益平等对2017年衡阳冬季重污染过程进行了气流后向轨迹分析，得出了重污染源于河南北部[1]，钟学才等通过分析比较传输通道城市PM2.5浓度的时序变化，推测株洲当次典型重污染天气过程是以外来源输送为主[2]，周莉等人根据气象条件的水平和垂直扩散能力，以及地面湿度和动力条件等分析了长沙2017年冬季重度霾污染天气，认为特定的气象条件是造成重度霾污染的关键[3]。因此，重污染天气多为传输或极端不利气象条件导致，通过人为干扰或本地管控效果有限。从本地管控手段的有效性来看，秋冬季轻度污染期间PM2.5浓度的控制尤为关键，有效的措施可实现将轻污染天气转为优良天气，达到降低PM2.5浓度、提高环境空气质量优良率的目的。因此，本文通过对株洲市特护期轻度污染期间PM2.5在大气中组分特征及来源进行分析，为特护期环境空气质量控制措施的制定提供科学依据。

1 时段选取与数据来源

数据分析选取时段为2020年10月16日–2021年3月15日期间的轻度污染日。该时段内株洲市累计轻度污染33天，日均PM2.5浓度范围在77~114μg/m3之间，平均浓度为93.5μg/m3，中位数浓度为92μg/m3。

监测地点分别为株洲市6个环境空气质量国控站（市一中、云田中学、天台山庄、市监测站、市四中、株冶医院）和位于株洲市天元区银海学校五楼楼顶的组分站。国控站监测参数包括常规6参数（PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2、O3）和气象参数，数据类型包括小时值和日均值，本论文国控数据来源于国家环境监测总站网。组分站的颗粒物组分监测参数包括OC/EC、硝酸根离子、铵根离子、硫酸根离子、氯离子、钙离子等水溶性离子，数据类型包括小时值和日均值。

2 数据分析

2.1 PM2.5及其他常规参数分析

2.1.1 常规参数之间的相关性。因臭氧在秋冬季浓度低、影响较小，故只选取特护期株洲市6个国控点小时均值数据绘制如下5项污染参数相关性图。由图1看出，其中PM2.5与PM10相关性最高，为0.84，表明株洲市轻度污染期间粗细颗粒物同源性高，基本由同类或相同排放源排放所致；PM10与NO2、CO以及SO2的相关性分别为0.48、0.47、0.35，PM2.5与上述3项一次污染物相关性整体较PM10低，表明一次污染物排放贡献突出，同时存在气态污染物的二次转化过程。NO2与CO、SO2等一次气态污染物之间两两相关性在0.44~0.58之间，相关性较高，而城区NO2和CO多为移动源尾气排放，SO2主要为燃煤排放导致。结合株洲市实际产业和能源结构，初步推断株洲市轻度污染期间主要排放来源为道路移动源，同时在一定程度上受到城区内燃煤电厂的影响。

图1 特护期轻度污染期间大气污染物五参数小时均值相关性比较

2.1.2 重点污染物日变化趋势分析。将PM2.5、PM10、NO2以及CO4种相关性较高的污染物进行日变化趋势对比分析，如图2所示。日变化规律图显示PM10、PM2.5以及CO浓度呈现出双峰形态，NO2则呈现单峰形态，无明显早高峰。PM10、PM2.5以及CO于早间6时左右浓度开始上升，于9-10时出现峰值，其中CO早间峰值浓度几乎为每天的最大值，存在明显的早高峰效应，但相同时段内NO2浓度整体变化趋势表现为平滑的下降过程；早间10时后随着太阳辐射的逐步增强，环境温度升高，大气垂直扩散条件逐步改善，各项污染物浓度不断下降。直至日落晚高峰开始（17-18时），4种污染物开始表现出同步升高趋势，其中NO2增幅最大、最显著，其次为CO，并于晚间22时左右到达峰值。PM10、PM2.5、CO的双峰效应和NO2的单峰效应表明移动源早晚高峰对株洲市污染物贡献较大。日变化规律图反映污染物晚高峰整体较早高峰高，一方面夜间扩散条件转差，存在明显不利气象条件影响，另一方面与柴油车相关，晚间22时后是中重型车辆非禁限行期，柴油车相对活跃，汽油车数量相对日间减少，表明晚间污染物浓度升高在很大程度上受柴油车排放影响。同时通过进一步观察发现，NO2早高峰时期仅减缓了NO2浓度下降趋势，推测与南方冬季温度低、湿度大，所排放的NO2易转化为水溶性离子有关，但具体情况还有待于进一步的分析。

图2 特护期轻度污染期间PM2.5、PM10、NO2、CO日小时均值变化趋势

2.2 组分站数据分析

2.2.1 颗粒物组分成分分析。组分站配备了水溶性离子、碳组分分析设备。特护期轻度污染时期监测的PM2.5组分情况如图3所示，硝酸根离子22.44ug/m3（41%）＞铵根离子12.69ug/m3（23%）＞硫酸根离子8.29ug/m3（15%）＞OC为6.97ug/m3（13%）＞其他物质2.17ug/m3（4%）＞氯离子1.14ug/m3（2%）＞EC为0.84ug/m3（1.5%）＞钙离子为0.25ug/m3（0.5%）。

图3 特护期轻度污染期间水溶性离子及碳组分占比图

水溶性离子中硝酸根离子占比最大，而硝酸根离子主要来源于道路移动源排放尾气中的氮氧化物转化，表明株洲市区PM2.5浓度受道路移动源影响较大。铵根离子占比其次，其来源则较为复杂，在城区铵根离子同样主要来源于道路移动源排放尾气中的氮氧化物转化[4]，还有部分来自于工业企业脱硝过程，在农村地区，则有较大部分来源于农业排放源，如化肥施用等农业过程，硫酸根离子主要来源于固定源燃煤燃烧以及工业过程源排放等。

OC/EC值可用来反映大气中二次有机物污染程度，若OC/EC比值超2.0[5-6]，表明存在气态前体物VOCs向颗粒态有机物的二次转化，比值越高，说明受二次转化的程度越大。观测期间，OC/EC比值为8.33，说明颗粒物组分中的有机碳组分以二次生成为主。

2.2.2 颗粒物组分变化规律分析。由轻度污染期间颗粒物主要组分小时浓度变化趋势图（图4）不难看出，夜间各组分整体浓度均高于日间，一方面受晚间不利气象条件影响，另一方面也与晚间污染排放量增大有关，因此进一步结合特征组分日变化规律图进行分析（图5）。硝酸根离子日变化规律图显示，硝酸根离子于早间7-8时升高，10~12时之间存在明显峰值，升高时段及峰值时段均滞后早高峰1~2小时，充分证明NO2未出现早高峰是由于转化为硝酸根离子导致。硝酸根离子晚高峰显著低于早高峰，可能与晚间温度低，不利于氮氧化物的水溶性离子转化有关，也进一步解释了晚间NO2浓度显著高于日间，但晚间硝酸根离子显著低于日间这一现象。硫酸根离子日变化规律图与其他组分存在较为明显的差异，但与日间生产生活、供暖用电时段较为吻合，推测与城区燃煤电厂存在密切联系。EC为不完全燃烧的产物，多为以柴油为燃油方式的重型机械的示踪物质，EC日变化规律图显示，日间EC呈现波动状态，无明显峰值，早高峰时段仅存在短暂升高，晚间20时后开始出现快速增长，22时达到峰值，与柴油车活跃时段一致。进一步表明株洲市轻度污染期间受移动源影响较大（尤其是晚间柴油车等重型载货车辆贡献突出），同时在一定程度上受城区燃煤电厂影响。

图4 特护期轻度污染期间水溶性离子及碳组分日变化趋势图

图5 硝酸根离子、硫酸根离子、EC特护期轻度污染期间日均变化趋势图

3 结束语

株洲市2020–2021年度特护期轻度污染期间，从污染因子的相关性分析，PM10与PM2.5相关性最高；PM10与NO2、CO以及SO2的相关性整体高于PM2.5与这三个污染物的相关性；NO2与CO、SO2也呈现较高相关性。由此说明，株洲市区粗细颗粒物的同源性高，结合产业和能源结构，污染物主要为道路移动源，同时在一定程度上受到城区内燃煤电厂影响，存在气态污染物的二次转化过程。

PM10、PM2.5以及CO日变化浓度呈现早高峰和凌晨峰值的双峰形态，NO2日变化浓度为凌晨单峰曲线，硝酸根离子在上午达到最大值，因此表明移动源早晚高峰对株洲市污染物贡献突出；而夜间各项污染因子浓度均上升并达到最大值，说明不利气象条件对污染浓度变化影响明显。

通过组分站数据分析，观测期间PM2.5主要来源为道路移动源，夜间柴油车等重型载货车辆影响明显，城区燃煤电厂也有较大贡献。OC/EC比值为8.33，说明颗粒物组分中的有机碳组分以二次生成为主。