长江江苏段大气污染特征研究

赵秋月，陈 凤，李慧鹏，陈 东，张 妍

（江苏省环境工程重点实验室 江苏省环境科学研究院，江苏 南京 210036）

0 引言

江苏省是航运大省，内河水运发达，登记在册的船舶超过5 万艘，常年在江苏水域航行、停泊、作业的外省籍运输船舶也近5 万艘。长江江苏段以长江通航里程1/7 的长度，承担超过长江全线70%的货运量，365 km 的干线航道上分布了7 个亿t 级大型港口和400 多个万t 级以上泊位，年均进、出港船舶达到250 万艘次。大量航运带来物流运输便捷与低成本的同时，船舶污染给大气环境质量改善也带来较大压力。生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报2019》 显示：2018年我国船舶排放的二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）分别为58.8，8.9，151.1 和10.9 万t，其中NOx和PM 分别占移动源排放总量的13%和12%，影响显著。

船舶引擎以柴油机为主，排放的尾气污染物成分复杂，包括NOx，SOx，CO，CO2，HC，PM 等，其中NOx和SOx为主要污染物，IMO 将其列为首要控制的船舶尾气污染物[1-2]。SO2全部由燃料中的硫转化而来，所以尾气中的SO2只与燃油中硫的质量分数相关，而与发动机功率、类型等无关。NOx主要来自于空气中N2的氧化，燃烧和高压环境更容易促进其产生。当这些污染物质随大气向内陆进行迁移，就可能加重城市的空气污染状况，对人体健康和生态环境造成危害[3-4]。

现在国内、外许多学者都已开始重视船舶污染问题[5-6]，相继开展了船舶排放测试[7-8]、清单编制[9-10]、健康与气候影响评估[11]等相关研究，但对内河航道空气质量的实测研究尚未见报道[12-14]。2018年底国家交通运输部发布了《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，表明我国政府管理部门对船舶排放控制与减排的决心，随着长江经济带发展战略的实施，水运业将更加繁荣，由此带来的船舶大气污染问题也将更加突出。对长江、内河大气污染状况开展较全面的摸底监测，研究其污染特征及变化规律，可为大气污染控制政策的制定提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域

长江江苏段走航从南京浦口公园龙潭港起航，先行驶至南京与安徽交界处，再折返顺流而下，途经南京、扬州、镇江、泰州、常州、无锡、南通、苏州，最后行驶至太仓浏河入长江口，在江苏省境内完成一个全航段的走航观测，具体路线见图1。

图1 走航观测线路示意

1.2 观测设备和方法

为掌握长江江苏段大气污染情况，采用船舶走航移动观测平台进行走航观测，该平台由气象观测系统、大气成分观测系统、数据采集和显示系统等组成。船舶走航移动观测平台常规6 参数分别采用Thermo 43i 型SO2分析仪、17i 型氨分析仪、49i 型O3分析仪、48i 型CO 分析仪及5014i 型颗粒物监测仪等仪器测量，实时监测大气中SO2，NO2，O3，CO，PM2.5和PM10的浓度。研究时段为2019年8月24～31日共8 d，连续24 h 在线观测。研究采用的国控站点常规污染物监测值来自江苏省生态环境厅生态监控中心的检测数据。

采样设备为武汉天虹TH-16A 型4 通道大气颗粒物智能采样仪；采样滤膜为47 mm 的聚丙烯滤膜和石英滤膜，聚丙烯膜用于无机元素分析，石英膜用于碳和离子组分分析。采样时间为每日上午09:00至次日上午08:00，每个样品采样时长为23 h（特殊天气除外，视污染程度而定），采样完成后将样品置于冰箱保存。利用离子色谱法分析NH4+，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，SO42-，PO43-，Cl-，NO3-和Br-等10 种水溶性离子组分；利用DRI Model 2015 多波长热/光学碳分析仪和IMPROVE 热光反射实验方法进行碳组分分析；采用XRF-1800 型X 射线荧光光谱仪（日本岛津）测定颗粒物样品中Li，Be，Sc，Ti，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Ga，Ge，As，Se，Sr，Mo，Pd，Cd，Sn，Cs，Ba，Pb 和Bi 等22 种无机元素含量。

2 结果与讨论

2.1 长江江苏段大气总体污染水平

利用环境空气质量指数（AQI值）对走航途经的7 个江段进行空气质量综合对比，走航沿途城市空气质量状况见图2。由图2 可以看出，走航观测期间，空气质量达到优良（AQI值在0～100）的仅有长江镇江段、扬州段和泰州段，长江南京段、无锡段为轻度污染（AQI值在101～150），而长江南通段、苏州段达到中度污染水平（AQI值在151～200），首要污染物主要是NO2和O3。

图2 走航沿途城市空气质量状况

2.2 长江江苏段大气污染物的污染特征

为进一步识别长江江苏段大气污染程度，将主要污染物的走航监测平均值进行统计，详见表1。并将其与国家环境空气质量标准二级标准日均值进行对比可知，观测期间长江南京段NO2超标54%；而O3除了镇江段、扬州段、泰州段外其余江段均超标，尤其苏州段超标39%，其他污染物均达标。与距离江面最近的国控站点监测平均值进行对比，江面大气污染物浓度普遍高于最近国控站点监测值。

表1 走航观测平均值与最近国控站点监测污染物浓度统计

长江江苏段走航监测平均值与周边最近国控点监测平均值见图3。由图3 可以看出，SO2，NO2，O3，PM2.5，PM10和CO 等6 项污染物的走航监测质量浓度平均值分别为18.7，76.0，169.3，30.9，50.50 μg/m3和1.035 mg/m3，比周边最近的国控站点监测平均值分别高出146%，214%，48%，33%，25%和50%，说明NO2，SO2，CO 和O3是长江江苏段大气污染的主要污染因子。

图3 长江江苏段走航监测平均值与周边最近国控点监测平均值

2.3 长江江苏段大气污染物空间分布特征

由于走航观测数据同时反映了时间和空间的变化，按照走航所经地区进行时间平均，则可以反映空间上的变化[15]。根据走航监测平均值超出周边最近国控站点监测平均值比例在100%～200%为较严重，超出比例大于200%为很严重，从而识别污染高值区空间分布。

长江江苏段船舶走航大气污染物浓度分布示意见图4。由图4 可以看出，观测期间长江南京段SO2的影响最为显著，SO2指标主要与使用燃油的硫的百分含量有关，由此反映出沿江区域船用油品质量问题；NO2在全航段污染都较为严重；O3，PM2.5，PM10和CO 在镇江段、扬州段、泰州段一带均出现高值，同时O3污染在泰州至苏州段影响也较为明显。

图4 长江江苏段船舶走航大气污染物浓度分布示意

2.4 长江江苏段PM2.5 化学组成特征

观测期间长江江苏段测得水溶性离子、碳组分及主要元素在PM2.5中的平均质量浓度分别为23.55，8.79，0.58 μg/m3，占比分别为60.98%，22.76%，1.5%。以南通超级站（2020年8月）手工采样数据作为陆域对照值，水溶性离子、碳组分及主要元素在PM2.5中的平均质量浓度分别为14.17，5.33，1.08 μg/m3，占比分别为57.93%，21.79%，4.39%。两者对比发现，江域的水溶性离子和碳组分质量浓度远高于陆域，说明江域受船舶污染排放及沿江工业排放等的影响更大。江域与陆域PM2.5化学组成对比见表2。

表2 江域与陆域PM2.5 化学组成对比

为进一步探究污染特征，对观测期间ρ（SO42-）和ρ（NO3-）比值特征进行分析。一般情况下，NO3-/SO42-代表移动源和燃煤源的特征[16]。江域和陆域的ρ（NO3-）/ρ（SO42-）分别为0.65 和0.66，说明含硫油品或燃煤对其影响较大。

通常EC 被认为来源于一次排放[17]，OC 既来自一次排放也来自二次转化，二次生成的OC 主要由气态碳氢化合物经过光化学反应产生[18]。两者相关性研究可用来初步判定来源的一致性和稳定性[18]，江域和陆域测得OC 和EC 的线性关系见图5。

图5 PM2.5 中OC，EC 拟合关系

由图5 可以看出，R2值分别达到0.48，0.61，说明OC 和EC 来源较为一致。

OC 与EC 的浓度比常被用来评价颗粒物的来源和二次有机物的形成。研究认为：如ρ（OC）/ρ（EC）大于2，则认为存在二次污染[19]。江域与陆域的ρ（OC）/ρ（EC）分别为1.56，1.73，小于2，说明只存在一次污染，应以控制一次污染排放为主。

从元素组分来看，通常认为Ca 主要来自建筑扬尘，Si，Fe，Al 等主要来自土壤扬尘，Mn，Pb，Se，As，Cu等则主要由工业以及燃烧等人为源贡献。江域同样受扬尘影响，但相关元素浓度远低于陆域，还可能受沿岸堆场及裸土的影响；江域中Mn，Pb 等浓度高于陆域，推断原因受船舶污染排放和沿江工业排放等影响。

3 结论

（1）走航观测期间，空气质量达到优良（AQI值在0～100）的仅有长江镇江段、扬州段和泰州段，长江南京段、无锡段为轻度污染（AQI值在101～150），而长江南通段、苏州段达到中度污染（AQI值在151～200），主要污染物为NO2和O3。

（2）长江江苏段航道主要大气污染物浓度普遍高于最近国控点监测值，SO2，NO2，O3，PM2.5，PM10和CO 等6 项污染物走航监测平均值比周边最近的国控站点监测平均值分别高出146%，214%，48%，33%，25%和50%。

（3）观测期间长江南京段SO2的影响最为显著，一定程度上反映出沿江区域船用油品的质量问题；NO2在全航段污染都较为严重；O3，PM2.5，PM10和CO 等的走航监测平均值在镇江段、扬州段、泰州段一带普遍较高，O3污染在泰州段至苏州段影响也较为明显。

（4）江域中水溶性离子和碳组分浓度远高于陆域，说明江域受船舶污染排放和沿江工业排放等影响更大，其中ρ（NO3-）/ρ（SO42-）比值较小，说明含硫油品影响较大，同时江域还受沿岸堆场及裸土的影响，OC，EC 相关性及其比值特征也表明应以控制一次污染排放为主。

（5）总体上长江江苏段船舶污染排放对空气质量影响较大，同时沿线工业企业和港口码头的污染排放影响也较为显著，建议应加强对船舶污染排放的日常监管，推动船舶清洁化改造，强化对沿江企业、港口码头的污染排查与整治工作。