西宁市城东区夏季臭氧污染来源解析

李景，祁维斌，丛晓晓，温美玲，卢子健

(1.西宁市生态环境局，青海 西宁 810000；2.青海洁神环境能源产业有限公司，青海 西宁 810000)

引言

近年来，大气污染问题日益突出，表现为由传统单一的煤烟型污染转化为以煤烟型污染和臭氧、二次气溶胶污染并存的复合型污染特征[1～3]。2017～2020年空气质量监测数据显示，京津冀地区O3已连续3a不降反升(生态环境部数据中心：http：//datacenter.mep.gov.cn/)。研究发现，近地面高浓度O3会损害人体健康，影响植物生长，是影响城市大气环境质量的重要气体[4～6]。同时O3的减排对PM2.5等污染物的减排也有一定的影响，需要进行深入研究和分析[7]。目前，针对兰州市、银川市等城市的O3问题已有较多研究，但西宁市缺乏相关研究，文章首先分析了西宁市臭氧污染特征、臭氧生成原因及来源，其次结合排放现状为西宁市O3防治工作提供一定的理论支持和技术建议[8～11]。

1 西宁市2020年空气质量污染现状

1.1 西宁市2020年优良天损失原因分析

2020年1～7月共出现17个污染天(均为轻度污染天)，较2019年同期(15d)增加2d。其中PM2.5污染5d，主要分布在1月；PM10污染9d，主要分布在2～5月；O3污染3d，主要分布在6～7月。具体污染原因如下：

1.2 O3污染天原因分析

2020年西宁市出现3个O3污染天，分别为6月20日、6月28日、7月7日。从当日气象来看，均为26℃以上高温天；从周边污染情况来看，仅西宁市和海东市污染，且西宁市O3浓度高于海东市，污染以本地为主；从点位数据来看，3日市环境监测站点位O3浓度均为最高。从污染源分布来看，东川工业园和甘河工业园在西宁市南部，属于城市整体上风向，多为化工行业，主要排放VOCs(O3重要前体物)，因O3的传输型和生成的滞后性，污染主要在下风向市环境监测站点位生成。整体来看，西宁市O3污染多为本地污染，建议在26℃以上高温天重点管控，主要排查上风向化工园区和市环境监测站点位周边污染源。

表1 2020年西宁市臭氧污染天分析

对流层O3主要是由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和挥发性有机物(VOCs)在阳光下的大气光化学反应生成：NO2的光解导致了O3的生成，NO与O3反应生成NO2，NO2和O3保持平衡；VOCs与OH反应生成HO2，HO2与NO反应生成NO2，替代O3氧化NO，使O3消耗减少，浓度累积[12]。

图1 西宁市2020年1～7月逐月污染物分布图

2 城东区政府、四陆医院站点4～7月O3概况

西宁市位于高原地区，海拔高、气压低、太阳辐射强。根据O3生成机制(见图2)，容易形成高氧化性的大气环境，消耗对流层的NOx、VOCs。根据西宁市历史污染数据变化规律，4～7月为西宁市O3高发期。2020年4～7月四陆医院、城东区政府站点分别出现3个和17个O3污染天，O3累积浓度(以统计时段90百分位计)分别为138μg/m3、166μg/m3；从O3污染天数来看，四陆医院站点与2019年同期持平，城东区政府站点同比增加9d；从O3累积浓度看，四陆医院、城东区政府站点较2019年同期分别上升1μg/m3、14μg/m3。2019年四陆医院、城东区政府站点的O3累计浓度情况较2018年有明显改善(详见表2)，分别下降7μg/m3、24μg/m3，但2020年发生回升现象。鉴于此，为有效开展大气污染防治工作，对位于城东区的四陆医院与城东区政府站点2020年4～7月O3问题进行专项分析。

图2 O3生成机制示意图

表2 2018～2020年城东区政府、四陆医院站点4～7月O3监测数据统计

3 城东区政府、四陆医院站点位置分布

四陆医院国控点位于经济开发区民和路中小企业创业园，属东川工业园区管辖，城东区政府省控点地处昆仑东路城东区政府楼顶，为城东区考核点位，监测点位均位于湟水河西宁段下游西侧，具体分布详见图3。

图3 城东区政府与四陆医院监测点位分布

4 四陆医院、城东区政府站点O3变化特征分析

4.1 O3浓度变化

通过对2020年4～7月城东区政府省控点与四陆医院国控点O3数据对比，可以看出城东区政府省控点O3日浓度整体高于四陆医院国控点(见图4)；城东区政府省控点以O3为首要污染物的天数高达17d，也远高于四陆医院国控点(3d)。

图4 2020年4～7月O3日浓度变化趋势

从2020年4～7月O3月际浓度变化(见图5)来看，2个监测站点浓度变化趋势差异较大。四陆医院国控点O3月浓度逐渐升高，在6月、7月达到最大值140μg/m3；城东区政府省控点O3月浓度：5月>6月>4月>7月，其中5月、6月O3浓度高达182μg/m3、166μg/m3。

图5 2020年4～7月O3月际浓度变化趋势

4.2 O3、NOx及CO小时浓度变化

根据2020年4～7月2个监测站点同一时段小时值均值，统计1d内O3小时浓度变化趋势(具体见图6)，结果如下：

图6 2020年4～7月O3小时均值日变化趋势

(2)O3和NOx小时浓度恰好呈现出相反的变化趋势，这说明作为O3前体物，在一定条件下，O3和NOx发生了化学反应，使两者浓度呈现此消彼长的规律。

(3)O3浓度基本随CO浓度变化，在峰值出现时间上，O3一般滞后于CO，表明CO可能作为O3的重要前体物，参与其生成反应。

4.3 四陆医院、城东区政府站点O3来源分析

(1)O3污染风玫瑰

如图7所示，城东区政府省控点O3从4月份开始出现高值，其中5月份除本地排放外还受到北方气象传输影响，6月份主要除本地排放外，正南和正东方向气象小风速传输也对站点产生一定影响；四陆医院国控点在进入5月份后出现高值，6月份除本地排放外，东北方向的小风速传输对O3有所贡献。

图7 2020年4～7月城东区政府与四陆医院O3污染风玫瑰

(2)O3来源聚类

根据图8聚类分析结果，定量分析本地生成与区域传输对重点区域O3的贡献。对于城东区政府省控点，聚类1、2代表西南方向本地产生和区域传输，聚类3代表东南方向远距离扩散，聚类4代表本地产生及东部方向传输、远距离扩散，聚类5代表东北方向本地产生及区域传输。聚类6代表西北方向本地产生及区域传输。聚类1、4对全年O3浓度均显著贡献较大，其中来自东部方向贡献最高，约占总浓度贡献的65%(见图9)。对四陆医院国控点，聚类1代表西南方向本地产生和区域传输，聚类2代表东南方向远距离扩散，聚类3代表西部及东部本地产生及区域传输，聚类4代表东部区域传输及远距离扩散，聚类5代表西北至东北范围本地产生及区域传输。聚类6代表西北方向本地产生及区域传输。聚类3对全年O3浓度显著贡献最大，约占总浓度贡献的95%以上。

图8 2020年4～7月城东区政府与四陆医院O3来源聚类

图9 2020年4～7月城东区政府与四陆医院O3各来源分担率

5 O3浓度的影响因素分析

5.1 O3浓度与温度、湿度关系

2020年4～5月，处于春季，气温较低；6～7月为夏季，温度较高。城东区政府省控点和四陆医院国控点O3浓度与相对湿度、气温的关系如图10所示，4～5月高浓度O3分别出现在10℃和18℃以上，受湿度影响不明显；6～7月2个监测站点O3高浓度主要出现在高温低湿的气象条件下[13]。为有效控制O3生成，应在4～7月午前增加监测站点周围洒水频次，通过降温减少O3累积。

图10 城东区政府与四陆医院O3浓度与温度、湿度关系

5.2 O3与NOx的关系

如图11所示，O3高浓度与NOx有较强的相关性，一定浓度NO排放消耗部分O3，O3与NOx浓度呈现明显的非线性关系，并且这种非线性关系的拐点随着环境温度的变化而变化，高温(即O3高值)时过渡区NOx浓度为15～25μg/m3，NOx浓度位于拐点左边时为NOx控制区，NOx浓度位于拐点右边时为VOCs控制区[14]。区域内形成高的NO2后会增加O3，造成排放升高。有效地控制O3应切断其反应生成路径，通过控制NOx排放减少O3生成[15]。

图11 城东区政府与四陆医院O3与NOx的关系

6 结论与建议

O3生成不仅受光照强度、大气温度、相对湿度等气象要素的影响，同时受NOx等O3前体物的共同影响。为进一步明确O3成因，需加强VOCs的观测与重点污染源的排放调查，同时加强光化学反应机制的分析研究。鉴于四陆医院国控点、城东区政府省控点的空气质量现状、污染源排放以及气象要素及污染聚类分析结果，有针对性地制定污染天预报预警，建立区域联防联控等大气污染防控机制。

(2)针对四陆医院国控点、城东区政府省控点O3污染加重的情况，结合各类污染源的排放特征，科学定量VOCs排放对O3形成的影响，从而得到精准控制O3生成的控制对策。通过观测VOCs数据，研判生成O3贡献较大的活性组分。

(3)根据企业治理排放状况，实施差异化管理，对于符合深度治理要求，纳入“白名单”，免于错峰；不满足深度治理要求的企业纳入O3高发期错峰生产管控名单，实施错峰生产。通过常态化治理和应急性管控相结合的方式，突出重点、严控深治、跟踪评估、动态调控，持续做好O3污染防治工作。

(4)工业园区、产业集群等重点区域监测管控，对重点乡镇和园区，以帮扶为主，集中力量，深入一线进行“点对点”的指导和帮助。综合运用各种监测监管手段，确保治污措施落地见效。加强无组织排放和有组织排放、厂区环境和厂界环境的监测力度。加强对治理设施运行情况的监控，通过工况用电监控等手段，确保治污设施正常高效运行。