包头市大气污染特征及其影响因素

周海军， 刘 涛， 都达古拉， 任丽敏， 贺忠翔， 卢振国， 何 江

1．内蒙古自治区环境监测中心站， 内蒙古 呼和浩特 010011 2．内蒙古大学生命科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010021 3．内蒙古大学环境与资源学院， 内蒙古 呼和浩特 010021 4．包头市环境监测站， 内蒙古 包头 014010

包头市大气污染特征及其影响因素

周海军1，2， 刘 涛1， 都达古拉1， 任丽敏1， 贺忠翔1， 卢振国4， 何 江2，3*

1．内蒙古自治区环境监测中心站， 内蒙古 呼和浩特 010011 2．内蒙古大学生命科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010021 3．内蒙古大学环境与资源学院， 内蒙古 呼和浩特 010021 4．包头市环境监测站， 内蒙古 包头 014010

为了解包头市大气污染特征，利用包头市2014年ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)环境空气自动监测数据，结合气象参数，分析了包头市大气污染特征及其影响因素． 结果表明：①包头市春季大气污染以PM10为主，夏季以O3为主，秋冬两季PM10和PM2．5均有不同程度污染． ②ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)的24 h平均值和ρ(O3)日最大8 h平均值分别有153、76、10、6和3 d超出GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准限值，ρ(CO)24 h平均值全年达标．ρ(PM10)、ρ(PM2．5)和ρ(NO2)年均值分别为GB 3095—2012二级标准限值的2．2、1．6和1．2倍，ρ(SO2)年均值达标． ③PM2．5PM10(质量浓度比)四季分布为冬季(0．45)>秋季(0．39)>夏季(0．36)>春季(0．27)，年均值为0．37，粗颗粒污染特征明显． ④SO2NO2(质量浓度比)四季分布为冬季(1．76)>春季(1．15)>秋季(0．82)>夏季(0．75)，年均值为1．12，并且取暖季明显高于非取暖季，说明冬季燃煤取暖对包头市空气质量有重要影响． ⑤包头市的严重污染主要有沙尘型和煤烟型2种． ⑥系统聚类分析表明，扬尘引起的PM10对包头市环境空气质量有重要的影响，以SO2和CO为排放特征的燃煤对PM2．5有较大的贡献．

空气质量； 颗粒物； 气态污染物； 气象参数； 影响因素

空气污染是自然和人为环境条件复杂相互作用的结果[1]． 随着工业化、城镇化、交通运输现代化的迅速发展，化石燃料(煤、石油、天然气)的消耗量迅猛增加，大气污染问题日益严重，不仅对人体健康造成了危害[2- 5]，也引起了一系列的环境问题[6- 8]，城市空气质量日益受到人们关注[9- 10]． 研究[11- 13]表明，京津冀地区正在呈现高颗粒物浓度与高臭氧浓度并存的区域性的大气复合污染特征． 包头市作为内蒙古自治区重要的工业城市，工业围城，多家企业处于城市上风向，污染物排放量大，对城市环境质量影响较大． 包头市能源消费结构以煤炭为主，2014年消耗原煤40.867×106t，占总能耗的72%，其中电力及热力生产和供应业占原煤消耗总量的48%[14]． 2014年环境统计数据显示，SO2、NOx和烟粉尘工业排放量分别为15．6×104、9．48×104和9．75×104t，其中电力、热力生产和供应业、黑色金属冶炼和压延加工业、有色金属冶炼和压延加工业3个行业对SO2、NOx和烟粉尘工业排放量累计贡献率均高于90%[15]，是影响包头市环境空气质量的3个重点污染行业． 有关包头市环境空气质量的报道较少，并且多数报道[16- 21]都是在实行GB 3095—2012《环境空气质量标准》之前，并主要分析了PM10、SO2和NO2三种污染物的分布规律，鲜见有关6项污染物特征的报道． 综上，利用包头市2014年ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)环境空气自动监测数据，结合包头市自然环境、气候特征、能源结构、污染物排放特征以及气象资料，分析了包头市大气污染物的特征及其影响因素，以期为当地大气污染治理提供科学依据．

1 材料与方法

1．1 研究区域概况

包头市(109°15′E～110°26′E、40°15′N～42°43′N)位于内蒙古自治区西部，是内蒙古最大的工业城市，是国家重要的工业基地,主要以钢铁制造、有色金属、电力产业、稀土开发、机械制造、重型汽车和化工为支柱产业． 包头属半干旱中温带大陆性季风气候,春季干燥多风，夏季降水集中，秋季凉爽少雨，冬季干燥寒冷;四季温差大，无霜期短，降水缺乏;主要依靠燃煤供暖，全年有6个月(10月15日—翌年4月15日)的供暖期．

包头市区共有6个环境空气自动监测国控点位(见表1和图1)，分别为市环境监测站(青山区)、青山宾馆(青山区)、东河城环局(东河区)、东河鸿龙湾(东河区)、包百大楼(即包头百货大楼，昆都仑区)、惠龙物流(稀土高新区)，均属二类环境质量功能区． 全年主导风向为东南，风向有明显的季节变化，冬春两季盛行西北风，夏秋两季盛行东南风(见图2)．

表1 监测点位基本情况

图1 环境空气自动监测点位Fig．1 Locations of air quality monitoring stations in Baotou

图2 包头市四季风玫瑰Fig．2 Wind roses of Baotou during each season

1．2 数据来源

收集包头市6个国家环境空气质量自动监测点位的2014年1月1日—12月31日ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)等6项污染物的实时监测数据． 风速、气温、相对湿度和大气压等气象资料来自包头市气象台地面观测数据．

2 结果与讨论

2．1 环境空气质量现状

2014年包头市环境空气质量指数(AQI)如图3所示，共出现172 d污染日.其中，有123 d以PM10为

首要污染物，有32 d以PM2．5为首要污染物，有16 d以O3为首要污染物，有1 d以PM10和PM2．5共同为首要污染物(见表2)． 包头市大气污染主要以PM10为首要污染物，占总污染天数的72%，以PM2．5和O3为首要污染物的天数分别占总污染天数的19%和9%．春季以PM10污染为主，占春季总污染天数的96%；夏季以O3污染为主，占夏季总污染天数的62%；秋冬两季PM10和PM2．5均有不同程度污染． 严重污染和重度污染天数分别为4、7 d，其中严重污染在春、冬季分别出现3、1 d，重度污染分别在春、秋、冬季出现2、2、3 d．

图3 2014年包头市环境空气质量指数Fig．3 Air quality index of Baotou in 2014

2014年包头市的年均ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(O3)和ρ(CO)年均值分别为151、55、54、46、54 μgm3和1．5 mgm3． 其中，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)和ρ(NO2)分别超出GB 3095—2012年均值二级标准限值[22]的1．2、0．6和0．2倍，粗颗粒物污染特征明显，ρ(SO2)低于年均值二级标准限值．

表2 首要污染物的出现天数

2．2 大气污染物时间变化特征

2．2．1 小时变化特征

将2014年全年(1月1日—12月31日)每天24 h污染物浓度值进行统计分析，得出每个小时段的年均值，结果如图4所示． 由图4(a)可见，ρ(PM10)和ρ(PM2．5)均呈现“双峰双谷”型变化趋势[23]，10：00—12：00达到一个峰值，16：00—19：00达到最低值，PM10PM2．5(质量浓度比，下同)变化不明显．ρ(SO2)在11：00达到最高值，ρ(NO2)在08：00达到最高值，而后随着风速的增大而降低，SO2NO2呈先增高后降低的趋势〔见图4(b)〕，即白天高于夜间．ρ(CO)日变化规律比较明显，08：00—09：00较高，17：00最低，ρ(O3)小时值趋势与ρ(CO)趋势相反〔见图4(c)〕． 15：00—17：00风速(3 ms以上)较大，日照强度增加，温度升高，相对湿度降低，ρ(O3)升高，ρ(CO)较低〔见图4(d)〕．ρ(CO)受污染源排放及大气水平和垂直扩散的影响，呈现白天低、夜晚高的变化规律．

图4 污染物和气象参数小时变化趋势Fig．4 Hourly variation of air pollutants and meteorological conditions

2．2．2 月变化特征

从各污染物浓度月变化(见图5)可以看出，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)在1月最高，并且整个取暖季明显高于非取暖季，说明燃煤取暖对包头市环境空气质量有较大影响． 6—9月ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)均有所降低，这可能与停止燃煤取暖和降水集中有关[24- 25]． 而ρ(O3)与其他污染物变化趋势相反，这可能与日照强度增加和温度升高有关[26]． 3—5月风速较大，沙尘频繁，PM10受沙尘影响较大，ρ(PM10)有所升高，PM2．5PM10平均值仅为0．27，明显低于其他月份，春季粗离子污染特征明显．

图5 污染物和气象参数月变化趋势Fig．5 Monthly variation of air pollutants and meteorological conditions

2．2．3 季节变化特征

根据气象学方法将全年分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—翌年2月)四季进行分析，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)季节性变化如图6所示，PM10受沙尘[27- 28]和燃煤取暖[29- 31]共同影响春季最高，冬季次之，夏季最低．ρ(PM2．5)、ρ(NO2)和ρ(CO)季节变化规律一致，冬季最高，秋季次之，夏季最低，这与冬秋春三季燃煤取暖和夏季降雨集中有关．ρ(SO2)冬季最高，春季次之，夏季最低． PM2．5PM10冬季最高(0．45)，夏(0．36)、秋(0．39)两季相近，春季(0．27)最低． 冬季PM2．5PM10高可能与冬季大气稳定度较高、细粒子生命周期较长、易在空气中累积有关，而春季风沙较大，粗颗粒占比高． SO2NO2在冬季(1．76)最高，春季(1．15)次之，夏季(0．75)最低，全年SO2NO2平均值为1．12． SO2NO2能够反映固定源与移动源的影响比重，该比值高，则说明冬季燃煤取暖的影响相对其他季节较高．

图6 污染物季节性变化趋势Fig．6 Seasonally variation of air pollutants and meteorological conditions

2．3 污染类型

2014年包头市全年出现严重污染天气4次，分别为1月31日、3月17日、4月24日和5月25日，使用NOAA HYSPLIT MODEL做24 h后向轨迹图，发现1月31日气团来自西方，3月17日气团来自北方，5月25日气团来自西北方向，4月24日气团由南向西转变(见图7)． 2014年1月31日严重污染主要由于污染源高强度排放和不利气象条件共同导致[32]，全天风速较低，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)最高值分别达到1 434、938、550、148 μgm3和11．8 mgm3〔见图8(a)〕． 2014年3月17日严重污染主要由扬尘引起，02：00—04：00风速较高，03：00达到最高10．8 ms，ρ(PM10)最高达到2 579 μgm3，PM2．5PM10仅为0．10，粗粒子污染明显，其他污染物浓度均较低〔见图8(b)〕． 2014年4月24日与3月17日类似，严重污染也是由扬尘引起，其中14：00—21：00风速较高，20：00达到最高13．6 ms，ρ(PM10)最高达到2 735 μgm3，PM2．5PM10仅为0．13，表明粗粒子污染明显，其他污染物浓度均较低〔见图8(c)〕． 2014年5月25日严重污染是由扬尘和高强度污染物排放共同引起的，全天风速较高，平均值为6．4 ms，07：00ρ(PM10)最高达到1 068 μgm3，PM2．5PM10仅为0．13，粗粒子污染明显，其他污染物浓度均较低〔见图8(d)〕． 综上，包头市的严重污染主要有沙尘型和煤烟型2种．

图7 严重污染天气24 h后向轨迹Fig．7 Twenty-four backward trajectory direction of serious pollution day

2．4 污染物空间分布特征

如图9所示，在6个监测点位中，东河区的两个点位由于受北梁拆迁改造的影响，ρ(PM10)和ρ(PM2．5)明显高于其他点位，冬春两季东河城环局点位ρ(PM10)尤为明显，这与春季风沙大、冬季燃煤取暖和不利气象条件有关． 包百大楼和东河城环局点位的ρ(SO2)和ρ(CO)明显高于其他点位，这与该点位周边污染源排放强度有关． 包百大楼、市环境监测站和东河城环局3个点位ρ(NO2)稍高于其他点位，这与其周边污染源情况和机动车情况有关． 冬春两季惠龙物流点位ρ(O3)最高，夏秋两季东河鸿龙湾点位ρ(O3)最高． 如图10所示，SO2NO2在包百大楼和东河城环局2个点位较高，说明这两个点位受固定污染源影响比其他点位更大，而PM2．5PM10空间变化不明显．

图8 严重污染天污染物与气象参数Fig．8 Concentrations of pollutants and metrological conditions

图9 ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(O3)空间变化Fig．9 Spatial variation of ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2) and ρ(O3)

图10 CO浓度、ρ(PM10)ρ(PM2．5)和ρ(SO2)ρ(NO2)比值空间变化Fig．10 Spatial distribution of CO，ρ(PM10)ρ(PM2．5) ratio and ρ(SO2)ρ(NO2)ratio

如图11所示，包头市ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、PM10PM2．5和SO2NO2均与呼和浩特市[33]接近，说明包头市污染现状与呼和浩特市相似． 包头市PM10浓度低于石家庄[34]，高于天津[35]、北京[36]、呼和浩特、青岛[37]、上海[38]和广州[39]．ρ(PM2．5)低于石家庄、北京、天津和青岛，高于上海、广州和呼和浩特． PM2．5PM10与呼和浩特接近，而远低于其他城市，说明包头市主要以粗颗粒污染为主．ρ(SO2)低于石家庄，高于其他城市．ρ(NO2)低于北京、天津、石家庄、广州，高于呼和浩特、青岛和上海． SO2NO2低于石家庄，接近呼和浩特，高于北京、天津、青岛、上海和广州等其他城市． 2014年包头市SO2和NOx排放量分别为15．62×104和9．48×104t，二者比值为1．65，远高于北京[36](0．52)、天津[35](0．74)、青岛[37](0．90)、内蒙古平均值[33](1．04)和河北省平均值[34](0．79)，说明包头市主要以固定污染源为主，与包头市能源结构吻合．

图11 污染物与其他城市比较Fig．11 Air pollutants compared with other cities

通过对AQI、PM10、PM2．5、SO2、NO2、CO和O3的系统聚类分析，可以看出，扬尘引起的PM10对环境空气质量有重要的影响，以SO2和CO为排放特征的燃煤对PM2．5有较大的贡献(见图12)．

图12 AQI与污染物的聚类分析Fig．12 Cluster analysis of AQI and air pollutants

3 结论

a) 包头市大气污染主要以PM10为首要污染物，占总污染天数的72%，以PM2．5和O3为首要污染物的天数分别占总污染天数的19%和9%． 春季以PM10污染为主，占春季总污染天数的96%；夏季以O3污染为主，占夏季总污染天数的62%；秋冬两季PM10和PM2．5均有不同程度污染．

b)ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)冬季最高，分别为79．9、96．6、54．0 μgm3和2．47 mgm3，并且取暖季明显高于非取暖季，说明燃煤取暖对包头市空气质量有重要影响． 春季ρ(PM10)受扬尘影响较大，春季浓度最高(181 μgm3)，PM2．5PM10平均值最低(0．27)，粗粒子污染特征明显．

c) 东河区的两个点位由于受北梁拆迁改造的影响，ρ(PM10)和ρ(PM2．5)明显高于其他点位． 受周边污染源排放强度影响，包百大楼和东河城环局2个采样点的ρ(SO2)和ρ(CO)明显高于其他采样点． 受周边污染源情况和机动车情况影响，包百大楼、市环境监测站和东河城环局3个采样点的ρ(NO2)稍高于其他采样点． SO2NO2在包百大楼和东河城环局较高，说明这2个采样点位受固定污染源影响比其他点更大．ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)和ρ(CO)呈现中部低，东、西高的趋势，即青山区低于东河区和昆都仑区．

d) 包头市PM10PM2．5年均值为0．36，与呼和浩特(0．38)接近，远低于北京(0．74)、天津(0．63)、石家庄(0．58)、青岛(0．55)、上海(0．73)和广州(0．73)等其他城市，说明包头市主要以粗颗粒污染为主． SO2NO2年均值为1．17，与呼和浩特(1．19)接近，而远高于北京(0．38)、天津(0．90)、青岛(0．86)、上海(0．40)和广州(0．35)等其他城市，远低于石家庄(1．54)，说明包头市主要以固定源污染为主．

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Characteristics of Atmospheric Pollutants and Influencing Factors in Baotou

ZHOU Haijun1，2， LIU Tao1， Dudagula1， REN Limin1， HE Zhongxiang1， LU Zhenguo4， HE Jiang2，3*

1.Environmental Monitoring Center of Inner Mongolia， Hohhot 010011， China 2.College of Life Sciences，Inner Mongolia University， Hohhot 010021， China 3.College of Environment and Resources， Inner Mongolia University， Hohhot 010021， China 4.Environmental Monitoring Station of Baotou， Baotou 014010， China

In order to understand characteristics of atmospheric pollutants in Baotou city，the contents of PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO and O3，as well as the influencing factors were analyzed from data from the automatic air quality monitoring stations. The results showed that：(1)PM10pollution mainly occurred in spring，while O3pollution mainly occurred in summer. PM10and PM2.5caused different extents of pollution in autumn and winter.(2)For concentrations of PM10，PM2.5，SO2，NO2and O3，there were 153， 76， 10， 6 and 3 days exceeding the Grade II standard ofChina′sNationalAmbientAirQualityStandard(GB 3095- 2012)，respectively，while the concentrations of CO were all lower than the standard. The annual concentrations of PM10，PM2.5and NO2were 2.2 ， 1.6 and 1.2 times the Grade II standard of GB 3095- 2012，respectively，while the annual concentration of SO2was lower than the standard.(3)The PM2.5PM10ratio in terms of the four seasons followed the order：winter(0.45)> fall(0.39)> summer(0.36)> spring(0.27)，with the annual average ratio of 0.37，indicating more coarse particle pollution than fine.(4)The SO2NO2ratio in terms of the four seasons followed the order：winter(1.76)> autumn(1.15)> spring(0.82)> summer(0.75)，with the annual average ratio of 1.12. The ratio of heating season was significantly higher than that of non-heating season，and it showed that the coal combustion in the winter for heating contributed to air quality as a decisive role.(5)There were two main types of severe pollution in Baotou，including the type of dust and a type of soot.(6)Cluster analysis demonstrated that PM10caused by dust event had important influence on the air quality in Baotou city，while coal combustion characterized by SO2and CO pollution had greater contributions to PM2.5.

air quality； particulate matter； atmospheric pollutant； meteorological condition； impact

2016- 06- 08

2016- 09- 23

国家环境保护公益性行业科研专项(201509020)；内蒙古自治区研究生科研创新项目(140202020101314)

周海军(1981-)，男(蒙古族)，辽宁法库人，navy0415@163．com．

*责任作者，何江(1958-)，男，内蒙古通辽人，教授，博士，博导，主要从事环境地球化学研究，ndjhe@imu．edu．cn

X823

1001- 6929(2017)02- 0202- 12

A

10．13198j．issn．1001- 6929．2017．01．42

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