三明市城区非甲烷总烃的污染特征与影响分析

2023-01-13陈成淼

海峡科学 2022年11期

陈成淼

(福建省三明环境监测中心站，福建三明 365000)

1 概述

随着三明市工业的快速发展以及常住人口、机动车保有量的不断增加，三明市城区环境空气的首要污染物从2017年开始由PM2.5转变为O3，复合型污染特征极其明显。夏季、秋季的O3污染最为严重，具有明显的季节变化特征，且与气象因素密切相关。而大气中的VOCs是生成O3的重要前体物，在高温光照条件下发生光化学反应产生O3[1]，同时VOCs能与大气中的其他物质通过物理、化学反应生成二次有机气溶胶[2]，导致大气中PM2.5浓度升高。由于VOCs种类较多，测量方法复杂且成本高，很难在日常监测中进行普及。非甲烷总烃(NMHC)通常是指除甲烷以外的其他可挥发性碳氢化合物，主要是(C2～C8)的总称，是VOCs中最主要的一类物质，具有光化学活性强的特性，在一定程度上可以简单直观地反映大气中VOCs污染的总体情况。本文以三明市城区2021年1—12月陈大空气站的NMHC在线自动监测数据为基础，结合SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及大气压、气温、相对湿度、风速、风向等气象数据，分析了三明市城区NMHC的污染特征、变化趋势及影响，为三明市城区未来大气污染防治工作提供技术支持。

2 实验部分

2.1 监测时间

2021年1月1日—12月31日。

2.2 监测点位

监测地点位于三明市三元区陈大镇，该站点处于三明市城区工业、商业、教育、居住等综合区域，周边相对开阔，无高大树木、建筑物遮挡，无固定污染排放源。采样点距离地面高度约25m，符合环境空气气态污染物自动监测技术规范，能够真实反映三明市城区的空气质量状况，具体监测点位见图1。

图1 三明市城区NMHC监测点位(陈大空气站)

2.3 监测仪器与分析方法

谱育科技EXPEC2000型在线式气相色谱分析仪采用120℃高温伴热，双阀双柱单氢火焰离子化检测器(FID)技术进行甲烷/非甲烷总烃的检测。在采样泵的作用下，样品经内置过滤器过滤后，被同时采集到两个定量环中，然后通过载气将两个定量环中的样品分别送入两根色谱柱。总烃先从第一根色谱柱中流出进入FID检测器，然后甲烷从第二根色谱柱中流出进入FID检测器，再切换阀位置，将第二根色谱柱中的高沸点物质反吹出色谱柱，一次循环分析可得到甲烷、总烃的含量，通过差减法计算得出NMHC的含量。设备运行管理参照环境空气颗粒物和气态污染物仪器的相关质控技术规范进行，对NMHC等7种环境空气污染物进行24h在线连续监测。监测仪器与分析方法见表1。

表1 监测仪器与分析方法

2.4 数据来源与质量控制

分析数据来自三明市三元区陈大空气自动站，所有数据均经过严格的质量控制，NMHC数据换算成体积浓度参与计算。技术人员对气态污染物监测仪每周进行1次零点/跨度检查校准、每月进行1次精密度检查、每季度进行1次多点线性校准，每季度对臭氧校准仪进行1次标准传递，每半年对颗粒物监测仪进行1次流量校准和标准膜校准。

气象监测数据包括气温、相对湿度、风向、风速、大气压，数据来自陈大空气站安装的德国LUFFT气象参数监测仪。

3 结果与讨论

3.1 NMHC的总体特征

2021年三明市城区NMHC等7项环境空气污染物浓度统计结果见表2。

表2 2021年三明市城区环境空气污染物浓度统计

环境空气中的NMHC主要来自工业生产、机动车尾气、煤炭燃烧、油气挥发和溶剂蒸发等排放[3]。2月份处于春节假期，三明市城区工业生产生活及机动车使用强度降低，NMHC的排放总量减少，导致三明市城区环境空气中NMHC的含量也随之降低。从表2可以看出，由于春节期间的工业生产和机动车使用强度降低，直接排放的一次污染物NO2浓度较整个冬春季节显著减少。三明市城区NMHC时间变化规律为春夏季节高，秋冬季节低。

3.2 NMHC浓度与空气中6项污染物浓度的相关性

NMHC浓度与SO2、NO2、CO浓度呈显著的正相关性,说明三明市城区环境空气中的NMHC与NO2、CO、SO2的来源基本一致，主要来源于工业生产与机动车尾气。环境空气中的NMHC与NOx、CO等污染物发生光化学反应可生成二次有机气溶胶，是颗粒物的重要组成部分。NMHC与PM10呈正相关，与PM2.5呈弱负相关，说明三明市城区近地面的环境空气光化学反应条件不利于二次有机气溶胶的生成，光化学反应生成的颗粒物较少，颗粒物大部分都是由污染源直接排放的一次污染物，经光化学反应生成的二次污染物占比相对较少，相关性见表3。

表3 NMHC浓度与SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5浓度的相关性

从表3可见，NMHC浓度与二次污染物O3浓度呈显著负相关，NMHC作为O3的前体物具有十分显著的季度变化特征。在高温、强光照等环境下，近地面的光化学反应条件较好，大量NMHC经过二次反应生成O3，因此三明市城区的NMHC在秋季浓度最低。冬季的时候，三明市城区的气象扩散条件较差，易于污染物累积，在这种光照较弱、低温、高湿的静稳环境条件下，NMHC与NOx、CO等光化学反应能力比较低，二次反应生成的O3较少[4]，被消耗的NMHC也较少，因此，冬季三明市城区的NMHC浓度最高。但NMHC能与大气中的其他物质通过物理、化学反应形成二次有机气溶胶，从而导致三明市城区大气颗粒物的浓度升高，这也是三明市城区冬季、春季颗粒物浓度较高的原因之一。2021年春节期间，受新冠肺炎疫情影响，三明市城区及周边居民的生产生活强度有所降低，春节期间的SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5污染来源减少。加上环保部门提倡全体市民减少燃放烟花爆竹，城区未出现大量燃放烟花爆竹现象，且春节期间正逢雨季，较好的气象扩散条件加速了SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的清除，同时也为O3生成创造了良好的条件，形成2月份的SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5度较低，而O3浓度较高的“春节效应”现象。

3.3 NMHC与气象因子的关系

2021年三明市城区陈大空气站的气象数据统计结果见表4。

表4 2021年三明市城区陈大空气站气象数据统计

利用线性方程分析大气压、气温、相对湿度、风速四个气象因子对三明市城区环境空气中NMHC浓度的影响，结果表明，NMHC浓度与风速和气温呈显著的负相关，与大气压和相对湿度呈正相关，风速和气温对三明市城区的NMHC浓度的影响最大，大气压和相对湿度对NMHC的影响相对较小，见表5。

表5 NMHC与气象因子的相关性

3.3.1 NMHC与大气压的关系

三明市城区呈狭长型，一条沙溪河穿城而过，河谷两侧以中低山脉及丘陵为主，主城区地势较低。冬季逆温现象较多且大气边界层较低，主风向为西南风，日间近地面气温上升，气压开始升高，郊区近地面气温升高速度快于城区，污染物从郊区向城区聚集，而光化学反应消耗的NMHC的速率小于累积速度，受逆温层的影响，城区垂直方向上的空气流动性较差，环境空气中的NMHC的浓度升高，因此气压升高是NMHC浓度升高的一个因素。

3.3.2 NMHC与气温的关系

气温是影响光化学反应的重要因素，有研究表明，温度越高，太阳辐射越强，光化学反应也越强，使得O3的生成加快[5]，O3前体物NMHC的消耗速率也加快。由表5可见，三明市城区的NMHC与气温呈显著的负相关，相关系数为-0.1604。

3.3.3 NMHC与相对湿度的关系

由表5可见,NMHC与相对湿度呈正相关，主要原因是相对湿度较高时，大气中的水汽影响了太阳光紫外线的辐射强度，进而导致了大气光化学反应减弱[6]，作为O3前体物的NMHC的消耗率降低，造成NMHC的含量升高。每年2—6月为三明市城区的雨季，相对湿度较高，加上省内新冠肺炎疫情结束后大量工业企业复工复产，NMHC的污染排放强度升高，这是二季度NMHC含量最高的一个关键因素。

3.3.4 NMHC与风速的关系

2021年三明市城区风速月均值为0.2～0.9m/s,由表5可见，NMHC与风速呈极强的负相关，相关系数为-0.4030。风速越高，使得大气在垂直和水平方向的扩散效果越强[7]，对NMHC浓度起到的稀释作用越大。

3.3.5 NMHC与风向的关系

从图2—图5可以看出，陈大站点主要受东南风向、西南风向影响，全年风速整体较低，西北、北、东北方向风频较低。

第一季度主要受南边较远距离的污染传输影响，陈大空气站附近存在多个污染源，西和西南方向污染点位更大，推测为西南侧工业园区和三钢厂区的工业污染源排放，东和东南方向上近距离的污染源较多，分布零散，主要为交通排放源，见图2。