成都市东区大气总悬浮颗粒物(TSP)质量浓度及其重金属分布特征

张 梦， 黄 艺， 苏 挺， 邓皓天， 程 馨

(成都理工大学 地球科学学院地球化学系，成都 610059)

0 引言

大气颗粒物(Atmospheric Particulate Matters)中含有酸性氧化物、重金属、有害有机物、细菌和病菌等有害组分，对人和环境都会带来十分不利的影响[1]。大气颗粒物中所含的重金属元素如汞、镉、铅等不能被微生物降解，会在生物体内不断扩散、转移、分散、富集，对生物体的生物特性产生重大影响。现代医学研究证明，大气颗粒物的小幅增加会造成呼吸系统和心血管系统等疾病的增加[2]。

成都市作为西南地区的工业城市具有特殊的盆地气候，静风频率高达43%，风速较低，逆温层低，研究区为成都市东区，该地区为老工业区，交通复杂，人口密集，是仓库集中区，容易导致污染事件的发生[3]。学者们对研究区TSP进行了研究[4-8]，李晓等[4]对研究区TSP进行了研究，结果表明，研究区属于煤烟型污染，但是只探讨了其重金属日均变化，对其四季变化没有讨论；李海华[5]对研究区TSP重金属分布特征进行了研究，但对于季节变化没有具体讨论。笔者着重研究成都市东区大气总悬浮物的质量浓度和重金属的季节特征，并结合富集因子分析成都市东区大气颗粒物进行污染评价。

1 样品采集及分析

我们选择成都市东区为研究对象。采样点位于成都理工大学校内教学楼楼顶(图1)，采样高度为20 m，采样点坐标为北纬30°40′，东经104°08′。采用TH-150C型TSP中流量大气采样器，仪器距离楼顶地面高1.5 m，标定流量100 L/min，滤膜规格为Φ 90 mm的纯石英滤膜 (Whatman-QMA, Buckingham-shire, UK)，采样时间为2014年12月至2015年10月，用早上8:00到次日早上8:00连续24 h，一个采样周期连续采集5 d，同时记录采样点的大气压力、温度、风向、风速等基本气象条件，滤膜使用前在室内恒温箱进行恒重并准确记录恒重质量，称量后密封保存，采样后样品放入样品盒密封保存。

图1 采样点位置图Fig.1 Sampling point location

共采集TSP样品45个(表1)，样品采用密闭消解。采用Elan 6000 DRC-e型电感耦合等离子体质谱仪(Perkin Elmer, 美国)测定其重金属元素，优化后的工作参数如表2所示。

表1 TSP样品采集信息

表2 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)工作参数

2 大气TSP的质量浓度特征

2.1 TSP年平均质量浓度特征

表3列出了成都市东区和国内其他城市TSP年平均质量浓度的有关数据。

表3 成都市与其他城市[8-15] 总悬浮颗粒物质量浓度Tab. 3 Total suspended particulate concentrations in Chengdu and other city[8-15]

依据最新的环境质量标准(GB3095-2012)[16]中规定的TSP二级标准日均值限值和年均值限值(表4)，研究区年平均浓度为0.219 9 mg/m3，略微超过国家二级标准规定的年均浓度限值(图2)。

表4 环境质量标准(GB3095-2012)TSP标准值

根据表3数据绘图(图2)，从图2可以看出，成都市TSP年平均质量浓度逐年降低，说明成都市近几年的环境治理是有效的,但是仍然高于国家质量标准，需继续治理。重庆市气候与成都市相近，但其TSP年平均浓度达到国家二级标准。与国内其他城市对比，成都市总悬浮颗粒物质量浓度较高，需进一步进行治理。

2.2 TSP质量浓度季节特征

研究区TSP质量浓度季节特征如图3所示。由图3可见，成都市东区大气TSP平均质量浓度为冬季最高，春季次之，秋季再次之，夏季最低，呈现出明显的季节变化特征。春、秋、冬季TSP平均质量浓度均高于国家二级标准规定的年均限值，夏季符合国家二级标准规定。气候对于颗粒物的浓度影响较大，冬季气温低且降雨少，逆温现象明显，雾霾严重，导致颗粒物不易扩散，造成了污染加重，导致冬季TSP浓度很高；而由于成都市夏季天气晴朗，且雨水多，利于大气颗粒物的扩散，所以夏季TSP是最低的。春季受北方沙尘天气的影响，城市扬尘对颗粒物的增多也有不容忽视的作用[17-18]。

图2 成都市东区与其他城市TSP质量浓度对比图Fig.2 Comparison of TSP concentration in eastern Chengdu and other cities

3 大气TSP中重金属元素浓度特征

重金属被大气颗粒物所携带，通过呼吸、接触、食入的方式进入人体，在人体内积累富集，可引发各种疾病，甚至导致死亡[19]。因此，研究重金属的污染特性是大气颗粒物研究中的重要环节。我们进一步探讨了成都市东区大气总悬浮颗粒物中重金属污染的时间分布特征和富集特征。

3.1 大气TSP中重金属浓度水平

成都市东区TSP中主要重金属元素浓度如表5所示。

3.2 大气TSP中重金属元素浓度季节变化

成都市东区TSP中重金属元素Pb、Cu、Cr、Ni、Zn、Cd在各个季节平均浓度如图4所示。

由图4可知：总体上，冬季重金属污染最为严重。除Cu、Cd外，其他元素均是冬季浓度高于其他季节， 这主要是由于冬季气温低，逆温现象明显，不利于颗粒物的扩散。同时，大多数重金属元素都是夏季浓度最低，主要是因为夏季天气晴朗，利于空气流通，颗粒物扩散，且降雨多，颗粒物容易沉降。研究区的大气TSP中Pb、Zn、Cr和Ni浓度是冬季>春季>秋季>夏季，而Cu和Cd浓度的季节变化为：春季﹥冬季﹥夏季﹥秋季。春季受北方扬尘影响，加之成都市Cd土壤本底值高[20]，故春季Cd最高。由于成都市东区属于以前的老工业区， Cu含量高，且其在土壤中能够长期保留，随着春季扬尘的影响，Cu进入大气中，故春季更高。

图3 成都市TSP质量浓度的季节变化Fig.3 Seasonal variation of TSP mass concentration in Chengdu

元素浓度/μg·m-3PbCuCrNiZnCd最大值259.303477.363120.68035.8001334.79314.676最小值29.976105.37426.6418.629122.3240.330平均值98.659256.35450.26216.892560.9152.867标准差65.131101.27220.1085.070352.2444.016国家二级标准500////5

图4 TSP中Pb、Ni、Cu、Cr、Zn、Cd浓度的季节变化Fig.4 Seasonal variation of Pb、Ni、Cu、Cr、Zn、Cd concentration in TSP(a)Pb;(b)Ni;(c)Cu;(d)Zn;(e)Cr;(f)Cd

4 重金属污染来源及污染评价

4.1 TSP中重金属相关性分析

我们对成都市东区TSP中重金属进行了相关性分析(表6)。

表6 重金属元素相关性分析

**在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是显著的。*在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的。

从表6可以看出，Cr和Ni元素相关系数为0.856，相关性高。Ni和Cu、Zn和Cd、Cr和Cu、Pb和Cd相关性中等。其余重金属元素之间相关性较差。

4.2 TSP中重金属污染评价

元素富集因子[21]，是表示大气颗粒物中元素的富集程度，判断和评价颗粒物中元素的来源。富集因子法能消除大气颗粒物采样、分析、风速、风向及离污染源远近等引起的各种不定因素的影响。采用元素富集因子对研究区的大气TSP中重金属元素污染进行源解析。

大气颗粒物中如果EF>10则表明元素被富集，属于人为来源，若EF≈1则表明主要是来源于地壳或土壤。富集因子计算公式如下：

(1)

式中：Ci为元素i的浓度；Cr为被选定的参考元素的浓度。我们选择Sc元素作为参考元素[22]，采用的富集因子分级[23]见表7。

表8为结合成都市土壤背景值[24]得到的成都市东区TSP中各重金属元素的富集因子，结果表明：成都市东区大气TSP中Pb、Cu、Zn、Cd人为来源明显，富集程度较大， Cr、Ni人为来源不明显，轻度富集。六种重金属元素中Cd富集程度最高，应该引起重视。

研究表明，Cr主要来源于燃煤，Cu主要来源于冶金[25]，Zn主要来源于橡胶轮胎的磨损[26]，Cd主要来源于燃煤、燃油[27]，Pb主要来源于汽车尾气和刹车片的磨损[28-29]，大气中的Ni 主要来源于自然环境，也来源于工业冶金[30]。结合研究区概况，TSP重金属元素相关性和富集因子分析，研究区TSP的重金属来源主要是的为燃煤、汽车尾气。

表7 EF值与元素富集程度的关系

表8 成都市东区TSP中各重金属元素的富集因子

5 结论

我们重点对成都市东区TSP质量浓度及其重金属分布特征进行了系统研究，并得到以下认识和结论：

1)2015年大气TSP的年平均浓度为0.219 9 mg/m3，略超过国家二级标准规定的年均浓度限值(0.20 mg/m3)。低于成都市2011年TSP的平均质量浓度(0.251 0 mg/m3)。

2)大气TSP平均质量浓度的变化为冬季>春季>秋季>夏季，呈现明显的季节变化。

3)在大气颗粒物中，各重金属平均浓度分布相差较大：元素含量Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>Cd。

4)大气TSP中Pb、Zn、Cr和Ni浓度的季节变化特征均为冬季高，春季次之，夏季最低；Cu和Cd的季节变化表现为春季最高，冬季次之，秋季最低。

5)大气TSP中重金属元素存在显著相关关系,重金属元素富集程度不一,其中Cd、Cu、Zn和Pb元素的富集程度较高，应引起重视。

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