绵阳市城区环境空气中非甲烷总烃污染特征分析

2023-12-30宋鹏程马传功左乙杉

四川环境 2023年6期

龙平，宋鹏程，马传功，左乙杉

(四川省绵阳生态环境监测中心站，四川绵阳 621010)

引言

非甲烷总烃(NMHCs)指除甲烷以外所有碳氢化合物的总称，主要包括烷烃、烯烃、芳香烃和含氧烃等组分[1]。非甲烷总烃是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[2]。大气环境中的非甲烷总烃人为源有机动车尾气、工业源、油气挥发和化石燃料燃烧等[3～7]。大气环境中的非甲烷总烃与NOX、CO等其他成分在光化学条件下可生成过氧乙酰硝酸酯(Peroxyacetyl Nitrate，PAN)、二次有机气溶胶(SOA)和臭氧(O3)等污染物，形成“雾霾”天气和臭氧污染[8]。

绵阳市位于四川盆地西北部，涪江中上游地带，地貌自西北向东南倾斜，地貌也由山地向丘陵过渡。绵阳市属北亚热带山地湿润季风气候区。绵阳市年平均气温为14.7～17.3℃，降水量比较充沛，年均降水量825.8～1417mm，分布特点是南北少，中部多，东边少而西边多。绵阳市一般风速较小，以东北风到北风为盛行风。从气象条件和地形地貌上分析，春季和冬季容易出现污染物积累并维持较长时间。

随着绵阳市经济不断发展和城市不断壮大，建成区面积、常住人口、汽车保有量和工业产值分别从2020年的167.6km2、486.8万人、108万辆和1174.4亿元增加至2022年的189.26km2、489.8万人、130万辆和1514.3亿元。虽然2020～2022年绵阳市城区环境空气质量总体上有明显好转，基本上消除了重度及以上污染，但绵阳市城区环境空气中首要污染物由原来的颗粒物(PM2.5和PM10)逐步转变为PM2.5和O3，复合型污染特征非常明显，由于臭氧造成的污染天数也在不断增加。非甲烷总烃是O3的前体有机物，大量研究表明，非甲烷总烃包含烯烃和芳香烃等最大增量反应活性最强的物种，是造成大气复合污染物关键因素之一。

本研究选择2021年1～12月建设街站的非甲烷总烃在线自动监测数据以及气象五参数(相对湿度、气温、大气压、风向、风速)数据，结合附近市人大站同时段内常规6参数(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3)监测结果，以及实验中学站同时内段碳组分(OC、EC)监测结果，综合分析绵阳市城区非甲烷总烃的污染特征、变化趋势以及影响因素，探讨其与常规6参数和碳组分的关联以及对环境空气质量的影响，为后续绵阳市大气污染>防治工作提供理论依据。

1 监测和分析

1.1 监测时间

监测时间2021年1月1日～2021年12月31日，连续监测1年，监测频次为24h连续监测。

1.2 监测点位

非甲烷总烃及气象参数监测点位为建设街站点，位于绵阳市涪城区建设街6号，原市农业局楼顶(北纬31.4562°，东经104.7545°)，离地面约24m，东距一环路南段约300m，南距南河路约220m，西距红星街约150m，北距建设街约15m，东南方向350m是市人大国控空气站。该站点周边500m以内主要是居民生活区和行政办公区。

常规6参数监测点位为市人大站点，位于涪城区南河路26号绵阳市人社局楼顶(北纬31.4539°，东经104.7536°)，离地面约25m。东距一环路南段约140m，南距体运村路约180m，西距文昌路约900m，北距南河路约30m。该站点周边500m以内主要是居民生活区和行政办公区。

碳组分监测点位为实验中学站，位于绵阳市涪城区城北街道高虹街2号绵阳市实验中学城北校区教学楼楼顶(北纬31.5012°，东经104.7397°)，离地面约20m，东距滨江西路北段段约60m，南距高虹街约50m，西距圣高路约190m，北距高水北街约150m，西北方向1.3km是三水厂国控空气站。该站点周边500m以内主要是居民生活区和行政办公区。监测点位见图1。

图1 绵阳市城区建设街站与市人大站地理位置图Fig.1 Geographical location map of Jianshe street station and municipal people's congress station

1.3 监测仪器与分析方法

建设街站点的非甲烷总烃仪器来自于杭州谱育科技发展有限公司(分析仪参数：程序升温：80℃；检测器：FID；检测器温度：80±1℃；检测器气体流量：H2-40±0.5ml/min；Air-300±2mL/min；总烃色谱柱：PQ柱；甲烷色谱柱：空柱；载气类型：Air)；气象五参数仪器来自于深圳市智翔宇仪器设备有限公司MULTI-5P型多参数气象测量仪。市人大站常规6参数中气态污染物仪器来自于澳大利亚Ecotech公司，颗粒物仪器来自于美国赛默飞世尔科技公司。实验中学站的碳组分仪器来自于安徽光学精密机械研究所。监测仪器与分析方法见表1。

1.4 质量控制

建设街站、市人大站与实验中学站均是由专业运维人员负责日常运行维护，按照相关运行维护技术规范定期开展零点/跨度校准以及精密度、多点线性、流量校准、标模校准等质量控制措施。

1.5 数据处理与分析

绵阳市城区环境空气中的非甲烷总烃、常规6参数、碳组分数据统计分析采用统计学软件SPSS 26.0，非甲烷总烃与常规6参数、碳组分以及气象因子的相关性采用皮尔逊相关系数进行分析；气象因子对非甲烷总烃的影响程度采用灰色关联分析法进行分析；污染玫瑰图使用OriginPro 9.0进行绘制。

2 结果与讨论

绵阳市城区环境空气中污染物呈明显季节性变化。常规6参数以及碳组分中，除臭氧外其它污染物高值普遍出现在1～2月和11～12月，低值出现在7～9月，而臭氧则正好相反。非甲烷总烃高值出现时段与常规6参数(除臭氧外)以及碳组分基本一致，但低值出现在4～7月，见表2。

表2 2021年绵阳市城区环境空气污染物浓度统计Tab.2 Statistics of air pollutant concentrations in Mianyang City in 2021 (μg/m3)

续表2

2.1 非甲烷总烃变化特征

2月份处于冬季和春节假期，受不利气象条件以及春节期间的居民生活及机动车使用强度增加，造成直接排放的一次污染物SO2、NO2、CO及非甲烷总烃等偏高，浓度较整个全年相比处于较高水平。同时由于冬季绵阳市城区气象扩散条件较差，容易造成污染物累积；在这种光照较弱、低温、高湿的静稳气象条件下，非甲烷总烃与NOX、CO等光化学反应能力较低，二次反应生成的O3较少[9]，被消耗的非甲烷总烃较少，这也是绵阳市城区冬季非甲烷总烃浓度较高的一个原因。绵阳市城区非甲烷总烃浓度时间变化规律为夏季与秋季较低，春季与冬季较高。

2.2 OC/EC变化特征

2021年绵阳市OC月均浓度为4.0～20.1μg/m3，EC月均浓度为0.4～2.7μg/m3，OC和EC均呈现出冬季>秋季>春季>夏季的季节特征。研究表明[10]，OC/EC值大于2时，可认为有二次有机碳(SOC)的生成。2021年绵阳市OC/EC比值范围为4.9～10.7，表明全年均存在二次污染反应生成的SOC；OC/EC比值呈现夏季>春季>冬季>秋季的季节特征，可能是因为夏季光化学反应活跃，部分一次有机碳(POC)经二次转化形成了SOC。

2.3 环境空气中污染物主要来源

根据《绵阳市大气污染源排放清单建立研究报告》，绵阳市SO2主要受工业过程源、固定燃烧源和道路移动源影响，排放行业主要为燃煤电厂、燃煤锅炉以及砖瓦、水泥等建材行业；NOX受移动源影响明显，其次为工业过程源和固定燃烧源，主要排放行业为柴油车、建材行业、电厂、工业锅炉；工业过程源对CO贡献突出，主要排放行业为电厂、锅炉、水泥、砖瓦、石灰石膏、化工、小型载客汽油车等行业；PM10、PM2.5均主要受工业过程源和扬尘源影响，其中PM10主要来源于道路交通、建筑或市政施工等，PM2.5还受到建材、化工、生物质燃烧、钢铁等行业影响；对OC来说，固定燃烧源、生物质燃烧是主要贡献源，工业过程源对OC也有较大贡献，包括直接排放的POC和经过光化学反应形成的SOC，而EC则主要来源于生物质或化石燃料等不完全燃烧排放。

O3并非来自污染源直接排放，其形成机制非常复杂，主要原因是挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOX)等臭氧前体物在强日照、高气温、少云量、弱风力、少降雨等不利气象条件下，发生光化学反应所产生的二次污染物。根据《绵阳市臭氧和颗粒物来源解析研究报告》，绵阳市VOCs(含非甲烷总烃)主要来源于道路移动源、工业过程源、溶剂使用源，主要来源行业为汽油小客车、摩托车、化工、酒与饮料以及木制品加工、印刷印染、电子、工业涂装等溶剂使用行业。

2.4 非甲烷总烃与常规6参数及碳组分的相关性

从分析结果上看，非甲烷总烃与NO2、CO、PM2.5、PM10、OC、EC呈显著正相关性，与O3呈显著负相关性，与SO2无明显相关性，见表3。

从建设街站及市人大站周边环境分析，两个站点均位于主城区，周边以行政办公及居民生活为主，日常机动车流量较大，堵车现象时常发生，导致汽车尾气排放量较大。NO2、CO与非甲烷总烃呈显著正相关性，说明非甲烷总烃与NO2和CO的来源基本一致，大部分来源于机动车尾气，这与陈成淼[2]、雷熊[6]、杜玥萱[11]等的研究结果类似。

非甲烷总烃与PM2.5呈显著正相关，同时非甲烷总烃与PM2.5中OC、EC也为显著性正相关，相关性系数分别为0.477和0.547，显然，非甲烷总烃与PM2.5及OC来源基本一致，说明绵阳市城区部分非甲烷总烃会通过化学反应生成二次有机气溶胶。

从表3可见，非甲烷总烃浓度与二次污染物O3浓度呈低度负相关，相关性系数为-0.161。根据《绵阳市臭氧和颗粒物来源解析研究报告》，绵阳市人为源VOCs组分中烷烃和芳香烃对绵阳市贡献占比相当，分别为30.4%和28.8%，其次为含氧化合物，占比为25.2%。从绵阳市各物种的臭氧生成潜势(OFP)来看，烯烃贡献最大，约占86.1%，其次是芳香烃和含氧化合物，分别占6.9%和5.0%。非甲烷总烃作为O3的前体物有显著的季节变化，在低湿度、强光照和高温条件下，近地面光化学反应条件较好，造成非甲烷总烃通过二次反应生成O3，从而成为夏季O3升高的原因之一，同时导致绵阳市城区的非甲烷总烃在夏季浓度偏低。

2.5 非甲烷总烃与气象因子的关系

2021年绵阳市城区建设街站的气象数据统计结果见图2。

图2 2021年绵阳市城区气温、风速、相对湿度和大气压月变化情况Fig.2 Monthly variation chart of temperature，wind speed，relative humidity and atmospheric pressure in Mianyang City in 2021

运用SPSS 26.0 软件中的皮尔逊相关系数对绵阳市城区环境空气中非甲烷总烃含量与相对湿度、气温、大气压、风向、风速等气象因子进行分析。结果表明，非甲烷总烃与气温和风速呈显著负相关，与大气压呈显著正相关，与相对湿度无明显相关性，见表4。

表4 非甲烷总烃与气象因子相关性Tab.4 The correlation between NMHC and meteorological factors

运用SPSS 26.0 软件中灰色关联分析法对绵阳市城区环境空气中非甲烷总烃含量与相对湿度、气温、大气压和风速等气象因子进行分析。结果表明，风速对非甲烷总烃的影响最大，大气压和相对湿度次之，气温对非甲烷总烃的影响则相对最小，见表4。

绵阳中心城区东北西南向条带状，地处浅丘，“四山”(东旗、西鼓、南蛇、北龟)作固，“三水”(涪江、安昌河、芙蓉溪)环抱，中心城区地势相对较低。逆温现象在冬季频繁出现，加之同期边界层较低，主风向为东南风，昼间(尤其是下午14点之后)近地面有明显升温过程，随着气压逐渐升高，造成郊区近地面气温升高速度比城区快，导致污染物从郊区向城区聚集；同时由于非甲烷总烃发生光化学反应速率小于累积速率，加之受逆温层影响，导致城区垂直方向上的空气流动性较差，进而造成环境空气中非甲烷总烃浓度升高，因此气压升高是非甲烷总烃浓度升高的一个因素。

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[12]，非甲烷总烃作为O3前体物的消耗速率也加快。由表4可见，绵阳市城区的非甲烷总烃与气温呈显著负相关。

从全年情况来看，相对湿度在63.9%～79.9%之间波动，波动浮动不大。非甲烷总烃与相对湿度无显著相关性，影响程度也不大，见表4。

风速是决定大气污染物稀释程度的重要因素之一，与大气稀释扩散能力之间存在着直接对应关系。当其它条件相同时，下风向上的污染物浓度与风速成反比关系。由表4可见，非甲烷总烃与风速呈显著负相关，灰色关联度为-0.655。说明风速越高，大气扩散稀释能力就越强，非甲烷总烃浓度也就越低。

从图3可以看出，2021年建设街站主要受到东风和东南风的影响，西北、北、东北方向风频很低。建设街站点东南方向350m即为市人大国控站点，推测市人大国控站点周边的移动源和工业园排放是非甲烷总烃的主要来源，餐饮油烟和加油站也存在一定的贡献。