西安城市主干道黑碳排放特征及源解析*

2022-04-19李世浩谭志海秦韩淼谭探探谷茂林

化学工程师 2022年3期

李世浩，谭志海，秦韩淼，谭探探，谷茂林

（西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048）

黑碳（Black carbon, BC）气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分, 主要由含碳物质的不完全燃烧造成,例如汽车尾气、燃煤发电等都能排放黑碳气溶胶[1]。黑碳气溶胶具有很强的吸附性, 其表面能够吸附其它污染物（如多环芳烃类、重金属等）。这些污染物粒子可以通过呼吸作用进入人体, 从而引起呼吸系统疾病、癌症等。因此,黑碳气溶胶粒子能对人体健康产生极大危害[2]。黑碳气溶胶对可见光和部分红外光谱有很强的吸收能力，它在大气中的各种化学和光化学反应、非均相反应以及气粒转化过程中起着重要作用[3]。空气中的黑碳粒子能把一部分光反射回太空，对温室效应有缓解作用，因此，黑碳粒子能导致温室效应[4]。同时检测表明，黑碳浓度在不同交通区域之间有显著变化，显示出了黑碳和道路交通的巨大联系。本文研究西安市主干道路黑碳排放问题,揭示道路黑碳排放的特征及源解析，更加全方位地了解西安道路黑碳污染状况。

1 实验部分

实验所用仪器为AE-51 手持式微型便携式黑碳仪（美国Aethlabs）。

1.1 采样点分布及采样方法

实验所在城市为西安，实验所选区域位于城东纺织城枢纽长乐东路，纺织城城市路网密布。在西安市内纺织城长乐东路设置8 个采样点，布点见表1。为使采样数据具有代表性，采用定点和个体暴露2种监测手段进行监测采样。

表1 采样点Tab.1 Sampling point

主要污染物为：PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2，空气质量数据及气象因素数据均来源于真气网（https://www.aqistudy.cn/）实时发布的空气质量报告。

1.2 研究方法

本研究使用AE-51 手持式微型便携式黑碳仪测量黑碳浓度，取数据密集区域的平均浓度进行实验分析；利用Origin 软件将测得的黑碳浓度数据绘制图表，分析其浓度特征；利用SPSS 软件将黑碳浓度与其他主要污染物以及气象要素进行相关性分析、主成分分析并解析其来源。

2 结果与讨论

2.1 黑碳时间分布特征

2.1.1 黑碳浓度日变化特征（5 月）

如图1 所示，对西安市长乐东路道路黑碳浓度进行监测，结果如下：5 月7 日早高峰期间道路黑碳浓度为3.89~7.38μg·m-3及晚高峰时期道路黑碳浓度为2.89~8.00μg·m-3，明显大于午间非高峰期道路黑碳浓度（2.31~5.86μg·m-3）；5 月9 日早高峰期间道路黑碳浓度为3.70~7.57μg·m-3及晚高峰时期道路黑碳浓度为3.15~8.19μg·m-3，明显大于午间非高峰期道路黑碳浓度（2.03~4.41μg·m-3）。高峰期黑碳浓度明显高于非高峰期时的黑碳浓度，且大部分时段平均浓度超过背景值3.63μg·m-3[5]。结合不同时段车流量来看，车流量增加会导致道路黑碳排放源增多，黑碳气溶胶浓度增大。因此，道路黑碳浓度变化与车流量有紧密联系。

图1 黑碳浓度日变化特征Fig.1 Daily variation characteristics of black carbon concentration

2.1.2 工作日与休息日黑碳浓度变化特征

图2 为工作日与休息日的黑碳浓度比较图。

图2 工作日与休息日的黑碳浓度Fig.2 Black carbon concentration on working days and rest days

由图2 可知，长乐东路4 月30 日黑碳浓度集中在3.92~9.64μg·m-3之间变化；5 月2 日黑碳浓度则集中在3.38~9.08μg·m-3之间变化；5 月7 日黑碳浓度集中在4.38~10.82μg·m-3之间变化；5 月9 日黑碳浓度集中在3.28~8.58μg·m-3之间变化，工作日的道路黑碳浓度略高于休息日时的黑碳浓度，且平均浓度均高于黑碳背景值3.63μg·m-3[5]，这可能是由于工作日时早晚高峰有较多车辆，造成黑碳浓度的变化。

2.2 空间分布

2.2.1 西安市不同站点黑碳浓度对比查阅文献收集西安市不同区域站点黑碳排放浓度数据（长乐东路（本研究）、二环路[6]、长乐中路[5]、雁翔路[7]、五星街[8]）进行对比分析，结果见图3。

图3 西安市不同站点黑碳浓度Fig.3 Black carbon concentration at different sites in Xi'an

由图3 可知，分析西安不同采样点的黑碳排放浓度，最高浓度出现在雁塔区雁翔路，为16.00μg·m-3；最低浓度出现于二环路，为3.66μg·m-3。

2.2.2 西安与国内其他城市黑碳浓度对比查阅文献收集其他城市黑碳排放浓度数据，并将具有一定代表性的城市黑碳浓度与西安市数据进行对比分析，结果见图4。

图4 各城市黑碳浓度对比Fig.4 Comparison of black carbon concentrations in various cities

根据搜集得到的数据，从中选取黑碳浓度水平相差较大的城市，探究社会指标（人均生产总值、森林覆盖率、车流量）对黑碳浓度的影响，并通过柱状图进行分析，结果见图5。

图5 不同城市社会指标与黑碳浓度的关系Fig.5 Relationship between social indicators and black carbon concentration in different cities

由图5 可知，通过分析不同社会指标对研究区域的黑碳浓度的影响，可以得出以下结论：黑碳浓度分布水平：乌鲁木齐＞合肥＞北京＞西安＞上海＞大连，从图5 中变化趋势来看，人均生产总值、森林覆盖率越高的城市，黑碳浓度越低。经济发展水平较高的城市，虽污染排放量占比较大，但其污染治理投入多，致使其环境水平较高；且黑碳浓度受周围森林覆盖率的影响较大，例如乌鲁木齐的森林覆盖率为35%，西安市森林覆盖率为48%，可以看出，森林覆盖率对黑碳浓度具有较大的影响。

2.3 源解析（主成分分析）

对黑碳进行主成分分析，可了解不同来源所占比重。黑碳与其他空气污染物因子分析见图6、表2。

表2 主成分分析结果Tab.2 Principal component analysis results

图6 旋转后的空间组件图Fig.6 Spatial component diagram after rotation

由表2、图6 可知，通过主成分分析，提取了3个成分。第一主成分贡献率为61.578%，PM2.5、PM10、NO2、CO、黑碳浓度及车流量在第一主成分上有较高载荷；第二主成分贡献率为20.978%，O3、温度在第二主成分上有较高载荷；第三主成分贡献率为12.938%，SO2则在第三主成分上有较高载荷。这证明，黑碳的主要来源为机动车尾气排放。