基于AQI技术规范的NO2污染特征分析

康 涛

(安徽省滁州生态环境监测中心,安徽 滁州 239000)

随着我国城市和工业的不断发展,城市机动车保有量急剧增加,尾气排放量增加导致氮氧化物浓度居高不下[1],空气污染特征也发生了变化,大多数城市污染类型均由单一的“煤烟型”污染发展成多变的“复合型”污染。各级环保和科研部门对环境空气污染特征开展了深入的研究,空气污染物来源及输送途径已逐渐摸清。各项研究表明,滁州市所处的长三角区域是我国氮氧化物的高值区,NO2一直以来都是环境空气中主要的污染物,直接影响着环境空气质量优良率,还是臭氧生成的前体物,对臭氧有着直接影响,在环境空气中可发生二次反应生成硝酸盐,对颗粒物浓度有着间接影响[2],是环境空气中的“活泼分子”。本研究对滁州市2016—2020年的NO2监测数据进行统计,结合气象数据等资料,分析滁州市NO2污染特征,探讨污染成因及影响因素,以期为大气污染防治工作深入开展提供参考和依据。

1 监测数据来源及评价方法

选取滁州市2016—2020年3个国控环境空气质量自动监测站NO2监测数据(均以实况数据统计分析),结合同步观测的气象参数等数据,分析滁州市NO2污染特征。环境空气质量自动监测站由第三方运维公司按照技术规范开展日常运维工作,及时维护和校准,确保监测数据准确可靠。监测数据的统计评价依据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)、《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[3]和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2012)中的有关要求进行。

2 分析与评价

2.1 NO2浓度变化趋势

2016—2020年是滁州市加大大气污染防治工作力度的重要时期,以控煤、控气、控车、控尘、控烧“五控”为抓手,不断调整优化全市产业结构、能源结构,强化区域联防联控和重污染天气应对,稳定和持续改善区域大气环境质量。2016—2020年滁州市环境空气污染物年均浓度如表1所示。由表1可知,5年间的各项污染物浓度年变化趋势均存在一定波动,整体上除臭氧浓度呈上升趋势,其他5种污染物浓度均呈下降趋势,其中NO2浓度由2016年的36 μg/m3下降至2020年的31 μg/m3,下降幅度为13.9%,虽呈逐年缓慢下降趋势,但下降幅度最小,期间还存在波动上升的趋势,由此可见,NO2的污染防治工作任重道远。2016—2020年,滁州市NO2浓度控制水平在全省16个地市排名相对靠后,基本维持在12名左右。

表1 2016—2020年滁州市环境空气污染物年均浓度统计

滁州市NO2、O3、PM10、PM2.5小时浓度日变化趋势如图1所示。由图1可见,滁州市NO2小时浓度呈显著的峰谷变化特征,峰值出现时间通常为8:00和20:00左右,谷值出现时间通常为14:00—15:00左右。该变化规律在秋冬季更为显著,此时的空气质量易受大气边界层的高度影响,8:00之前大气温度低,湿度大,边界层高度低,就像个锅盖笼罩在城市上空,随着太阳的照射强度加大,温度升高,湿度降低,边界层高度缓慢抬升,扩散条件逐渐好转,NO2、PM10、PM2.5浓度逐步降低,NO2通过参与光化学反应,14:00—15:00左右降至最低,同时O3浓度上升至一天中最高值,随后随着太阳照射强度减弱,光化学反应速度降低,O3浓度降低,边界层高度也逐渐降低,空气扩散条件变差,边界层逐渐达到稳定后,NO2、PM10、PM2.5不断累积,浓度逐渐上升,20:00左右达到峰值。NO2与PM10、PM2.5变化呈正相关趋势,与O3变化呈负相关趋势。

图1 滁州市NO2、O3、PM10、PM2.5小时浓度日变化趋势

滁州市2016—2020年NO2浓度月际变化如图2所示。由图2可见,滁州市NO2浓度呈现出夏季低、秋冬季高的年变化特征[4-5]。其中2020年12月浓度最高,达到60 μg/m3,8月最低,NO2浓度为14 μg/m3,最高月浓度是最低月浓度的4.2倍。主要是由于夏季的光照强度大、时间长,大气氧化性明显,NO2易与空气中挥发性有机物发生光化学反应,NO2生命周期缩短,秋冬季则反之,另外夏季的扩散条件和边界层高度都优于秋冬季,污染物浓度亦偏低。每年一季度的NO2浓度有明显的变化趋势,2月份与1月和3月相比,易出现低值[6],可能与春节多出现在1月底、2月初,工业企业停工放假,人为活动降低有关。

图2 滁州市2016—2020年NO2浓度月际变化

2.2 首要污染物的变化趋势

随着《环境空气质量标准》(GB3095—2012)在2016年的正式实施,标准中的6项基本监测项目均有可能成为城市污染的首要污染物。2016年以来,滁州市良及以上天气的首要污染物有PM2.5、PM10、O3-8h和NO2,其中2016年仍以颗粒物污染为主,首要污染物为PM2.5,占比达52.7%,处于主导地位,随后几年滁州市加大了颗粒物防治力度,2020年颗粒物污染占比明显下降,首要污染物为PM2.5占比为25.4%,相反O3-8h和NO2作为首要污染物的比例逐年递增,分别为39.9%和8.5%,其中NO2上升幅度最高,较2016年相比上升幅度高达123.7%。

按照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[3]中对首要污染物的定义,对滁州市2016—2020年环境空气首要污染物进行统计。统计结果表明,滁州市以NO2为首要污染物的天数2016年14 d,2017年9 d,2018年15 d,2019年19 d,2020年31 d,可见以NO2为首要污染物的天数和超标天数均呈上升趋势[7]。以NO2为轻度污染的天气成倍增多,2016—2017年没有以NO2为轻度污染的天气,2018年以NO2为轻度污染的天数为2 d,2019年为3 d,2020年为6 d。因此,滁州市的NO2污染应引起足够的重视。

2.3 典型污染过程中NO2的变化情况分析

滁州市在2020年12月21日11:00—29日6:00出现了长时间的污染天气,污染过程持续了188 h,小时空气质量指数最高为269,空气质量指数AQI最高为170,达到中度污染水平。滁州市重污染天气应急工作领导小组办公室2020年12月24日发布了重污染天气橙色预警,12月24日18时启动Ⅱ级应急响应;12月29日14时解除重污染天气橙色预警。

图3 滁州市2016—2020年环境空气首要污染物分布情况

此次污染过程发展前期区域受弱气压场控制,空气扩散条件逐渐变差,本地污染物不断累积,21日11时开始为轻度污染水平,23日出现短时段中度污染,至24日22:00累积效应达最高值,小时AQI最大值210,属于重度污染,此过程中PM2.5由最低浓度57 μg/m3上升到峰值160 μg/m3,上升幅度180.7%,NO2由最低浓度42 μg/m3上升到峰值130 μg/m3,上升幅度209.5%,NO2上升幅度明显大于PM2.5。此后25日风速增加,湿度降低,扩散条件有所改善,污染物浓度开始缓慢回落,至28日6:00降至最低,小时AQI由最大值210降至74,空气质量从重度污染降至良,此过程中PM2.5由最高浓度160 μg/m3降至54 μg/m3,下降幅度196.3%,NO2由最高浓度136 μg/m3降至27 μg/m3,下降幅度403.7%,NO2下降幅度明显大于PM2.5;28日7:00开始风力快速增大,冷空气过境滁州市,外源输送效应开始显现,仅12 h后的18:00空气质量达到重度污染,PM2.5由 最 低 浓 度54 μg/m3上 升 到 峰 值219 μg/m3,NO2由最低浓度56 μg/m3上升到峰值160 μg/m3,受冷空气过境外源输送影响,污染过程持续了20 h,在29日4:00—6:00时间段内空气质量快速好转,由重度污染转至中度污染再到轻度污染,在7:00达到良。

此次污染过程中,轻度污染及以上污染程度时段共持续了143 h。期间部分时间段由于空气湿度降低,扩散条件短时间转好,污染物浓度有所下降,空气质量为良。发生污染之前NO2维持了长时间的较高浓度,受高湿度低风速静稳天气的影响,本地污染物累积效应逐步显现,PM2.5和NO2不断交替成为首要污染物,充分显现了复合型污染的特征,不仅给预警预报增加了难度,而且给大气污染防治、污染物削峰工作提出更高的要求。此次污染过程中,NO2浓度上升幅度和下降幅度均大于PM2.5,增加速度最快,NO2峰值点多出现晚间20:00左右,期间NO2的平均浓度88.8 μg/m3,污染状态下的NO2的平均浓度92.9 μg/m3,贡献值达0.76。在秋冬季,机动车尾气排放的氮氧化物在早晚上班下班高峰期不断累积[1],受边界层高度影响,近地面风速小,湿度增加,极易造成NO2浓度升高,风速增大后,其浓度呈下降趋势。

此次污染过程中,滁州市2020年12月15日—31日空气质量状况见表2:

表2 滁州市2020年12月15日—31日空气质量状况

续表2

2.4 NOx与O3形成的敏感性分析

在经典的O3与前体物VOCs和NOx浓度水平关系图中,即经验动力学建模方法曲线图中,位于O3等值线脊线上方的部分,O3浓度随着VOCs浓度上升而上升,随着NOx浓度上升而下降,称为VOCs控制区(敏感区);位于O3等值线脊线下方的部分,O3浓度与VOCs浓度关系不显著,随着NOx浓度上升而上升,称为NOx控制区(敏感区)。

相关研究表明,我国O3污染重点区域总体上为VOCs与NOx协同控制区,但多数市区为VOCs控制区,主要受烯烃、芳香烃和醛类的控制。根据对滁州市3个国控环境空气质量自动监测站O3与NOx监测数据判断,以O3/NOx作为判别指标,其值小于15时,区域为VOCs控制区,反之则为NOx控制区。统计结果表明,1月—4月和10月—12月各站点的O3/NOx指标均小于15,5月—9月各站点的O3/NOx指标明显升高,尤其是夏季的指标大于15,总体来说,滁州市基本属于VOCs控制区,O3随着VOCs浓度的增加而增加,随着NOx浓度的增加而降低,但有部分月份过渡到NOx控制区。因此,对于滁州市而言,O3控制应强调VOCs和NOx协同减排,特别是应加大VOCs的减排力度,但绝不能忽视NOx的控制。据统计,滁州市NOx排放主要来自道路移动源(59.0%)、工 业 源(31.9%)、非 道 路 移 动 源(6.2%)、生物质燃烧源(2.2%)和其他排放源(0.7%)。控制NOx排放的关键在于需强化道路移动源和本地工业源的治理,控制NOx排放应以本地內源管理为主,应优化交通管理规划以减缓交通拥堵,并合理安排企业错峰生产[8]。

3 结论

(1)滁州市NO2年均值呈下降趋势,但下降幅度没有其他污染物大;NO2小时浓度变化特征显著,“双峰”现象明显,夏季为全年最低,进入秋冬季基本呈现直线升高趋势。

(2)NO2成为空气质量首要污染物频率升高,说明其他污染物治理成效显著,凸显NO2治理难度,机动车尾气排放管理点多、面广、量大、线长,深入治理刻不容缓。

(3)在秋冬季,太阳辐射强度减弱,光化学反应缓慢,受边界层高度和扩散条件差等影响,滁州市NO2易在近地面累积,在空气中二次反应生成硝酸盐,进而转化为颗粒物;早晚交通高峰期,城市道路易拥堵,机动车尾气中的NOx排放累积效应加剧,污染过程短时频发,浓度上升过程快幅度大,下降过程亦如此。

(4)研究表明,滁州市的O3控制总体属于VOCs控制区,但仍需VOCs与NOx协同管控,进而有效降低O3浓度,提高空气质量优良率。