上海浦东新区城区大气PM2.5中水溶性离子污染特征研究

黄敏

(上海市浦东新区环境监测站，上海 200135)

大气气溶胶污染可以通过对太阳辐射的吸收和散射影响大气能见度及气候系统，也可以直接或间接对人体健康产生影响[1-2]。很多研究表明，细颗粒物(PM2.5)是霾天气发生的重要原因之一[3],由于其粒径小、表面积大，更易吸附有毒物质，进而对人体健康产生危害。PM2.5的环境化学意义和环境健康作用都与其复杂的化学成分密切相关，其中水溶性离子是其重要的一类化学组成，部分城市水溶性离子可占PM2.5的20%～60%，最高可达80%以上；水溶性离子作为云的凝结核影响云、雾形成，从而降低大气能见度[4-6]。因此研究PM2.5中水溶性离子的污染分布特征具有重要意义。在我国主要城市，关于大气PM2.5的水溶性离子组分都有研究报道，硫酸盐一直是水溶性离子中的主要成分[7-8]，以二氧化硫(SO2)减排为主要控制措施的实行，在前期霾污染控制中发挥了重要的作用。

浦东新区位于上海市东部，东濒东海，南临杭州湾，北与崇明区隔长江相望；区域面积1 210 km2，是上海市工业、商业集中地区，具有明显的滨海特征。近年来，上海浦东新区是上海市最早实现PM2.5年均浓度达标的城区之一，但持续降低的目标压力比较大，因此开展浦东新区PM2.5中水溶性离子的研究，对于浦东新区制定PM2.5持续降低的对策和措施具有积极意义。现利用在线监测系统对PM2.5的质量浓度、化学组分进行近3年的观测，分析了水溶性离子浓度的变化特征，以期为浦东新区大气污染控制提供科学依据。

1 研究方法

1.1 监测时间

2018年1月1日—2020年12月31日。

1.2 监测点位

监测点位于上海浦东环境监测站(121.545°E, 31.233°N)，距离地面约20 m高的楼顶, 气象数据来自监测点配置的小型气象监测站。该点位于浦东中心城区, 周围主要是居民住宅区和商用写字楼, 除周围100 m左右的灵山路和源深路有较为密集的机动车流量外，无明显局地污染源，属于典型的商业、交通混合区。

1.3 样品采集及分析

1.4 监测数据统计

监测时段内大气PM2.5质量浓度及其水溶性离子数据，其中离子浓度值小于检测限的，在统计时以检测限值的1/2进行计算。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5污染特征

2.1.1ρ(PM2.5)月变化特征

2018—2020年PM2.5年均值分别为34，35和32 μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)年均二级标准(35 μg/m3)，且总体呈下降趋势。

2018—2020年逐月ρ(PM2.5)变化特征见图1，图中I字线为ρ(PM2.5)当月最大值和最小值。由图1可见，ρ(PM2.5)总体呈现冬季较高,夏季较低的特征，且冬季ρ(PM2.5)变化差异明显大于其他季节，其中2018年8月均值仅为15 μg/m3，最高为2018年1月，均值达为54 μg/m3。春、夏季ρ(PM2.5)较低的原因在于：一是降水频率高于其他季节，且降水量较大，降水可有效去除大气颗粒物[18];二是夏季的低浓度与上海的季风气候有关，夏季通常以东风和东南风为主，边界层ρ(PM2.5)比较高，而且海面上较为洁净的空气一定程度上稀释了大气PM2.5，而冬季温度低，静稳天气下大气扩散条件差于其他季节。

图1 2018—2020年逐月ρ(PM2.5)变化特征

2.1.2ρ(PM2.5)与气象的关系

2018年是上海市第2轮清洁空气行动计划的开始之年，也恰好可以表征第1轮清洁空气行动计划的成效。因此重点对2018年浦东城区春、夏、秋、冬共4个季节的ρ(PM2.5)风向玫瑰图进行了分类分析(图2)。由图2可见，2018年春季 PM2.5的高值区来源于各个方向，但西北方向较为突出，说明春季既有西北的输送影响也有近距离污染源的贡献；夏季PM2.5浓度处于较低水平，存在西南方向的较近距离的污染源；秋季PM2.5存在明显的正南方向的污染源；冬季PM2.5浓度分布与春季类似，但污染程度重于春季，其中西北风时ρ(PM2.5)最高，近距离的西北方向和西南方向的源也有贡献。这说明浦东城区可能受到浦西地区城区的输送贡献；另外，不容忽视的是局部地区工业污染源和移动源的贡献。

图2 2018年浦东城区春、夏、秋、冬季ρ(PM2.5)风向玫瑰图

2.2 水溶性离子浓度特征

2.2.1 水溶性离子质量浓度月变化特征

图3 2018—2020年水溶性离子质量浓度的月际变化情况

由图3(e)可见，ρ(Cl-)呈逐年下降趋势，显示与浓度逐年上升的Na+有不同污染来源；Cl-与煤炭的燃烧也有关系，煤炭电厂的超低排放也同时降低了Cl-的浓度。

2.2.2 水溶性离子组分在PM2.5中占比

2018—2020年水溶性离子组分在PM2.5中占比情况见表1。

表1 水溶性离子组分在PM2.5中占比 %

2.2.3 水溶性离子与气象的关系

图4 2018年浦东城区和风向玫瑰图

2.3 主要离子特征分析

图5 2018—2020年变化情况

2.3.2 阴阳离子平衡

(1)

(2)

图6 2018—2020年春、夏、秋、冬4季CE/AE值

2.3.3 硫氮转化速率特征

SOR=ρ(SO42-)/[ρ(SO42-)+ρ(SO2)]

(3)

(4)

当SOR、NOR>0.1时，说明大气中SO2和NO2二次转化程度较高。SOR、NOR越大，说明有越多的SO2和NO2转化为气溶胶二次组分，二次转化程度越高。2018—2020年SOR与NOR变化见图7。

图7 2018—2020年SOR与NOR变化

由图7可见，除2018年夏季外，其余时间SOR和NOR均>0.1，说明浦东城区SO2和NO2的二次转化程度较高。从季节变化来看，SOR和NOR变化冬季较高，秋季和夏季较低，这可能与冬季的湿度较高有关。

2.3.4 水溶性离子相关性分析

表2 水溶性离子相关系数

(5)

(6)

K+和Cl-的相关系数为0.52，说明大气中可能以KCl形式存在。Cl-的来源包括海盐、垃圾焚烧、燃煤和工业生产等[29]，K+多来源于生物质燃烧，另外天然气、餐饮炉灶及油烟排放提供了K+的来源。

图8 2种方法实测所得值与计算值对比

3 结论

(3)SNA占PM2.5的52%以上，是影响PM2.5的重要组分，它们在大气中目前主要以(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在。

(4)2018—2020年，春季颗粒物表现为弱酸性，冬季为弱碱性，全年总体基本呈中性。SOR与NOR均>0.1，浦东城区SO2和NO2的二次转化程度较高。

(6)随着工业污染源逐步得到有效控制，控制移动源NOX排放是持续降低PM2.5的重要途径。