金华市区PM2.5化学组成特征及来源解析

陈巧俊 吕兆斌 曹旭峰 邓君俊

(1.浙江省金华生态环境监测中心，浙江 金华 321017；2.天津大学，天津 300072)

近年来，金华市认真贯彻落实习近平生态文明思想，坚定实施“环境立市”战略，各项环保工作取得了显著成绩，环境空气质量得到有效改善。然而，金华位于浙中金衢盆地，盆地静稳天气不利于污染物扩散，加上近年来不利气象条件频发，北方和周边地市输入性污染较为频繁，煤炭为主的能源结构和公路为主的交通结构仍未改变，污染减排空间不断收窄，同时颗粒物浓度虽然逐年降低，但是颗粒物中二次组分占比明显增加，导致PM2.5污染压力不断加大，可能存在反弹风险。

现有研究对金华市城区PM2.5组分特征和污染来源进行了解析[1-4]，但是仅针对某一组分或某一季节开展，且主要基于SPSS统计学方法，研究时限均较短，目前尚未有全年系统、基于受体模型的来源解析研究文献报道。同时，近年来工业、交通等发展变化迅速，加上受当前新冠肺炎疫情影响，金华本地及区域大气污染排放特征变化较大，已有研究成果无法满足当前环境管理需求。为此，本研究拟在摸清2021年金华市区全年PM2.5组分特征基础上，利用PMF模型科学解析不同季节PM2.5污染来源，以期弥补前人研究的空白。研究成果可为环保部门制定有效的PM2.5控制对策提供科学依据。

1 金华市区PM2.5污染概况

采用金华市区的武警支队、市监测站、十五中3个环境空气质量自动监测站分别代表婺城区、金东区和开发区，利用上述3个站点近五年PM2.5自动监测浓度数据分析市区PM2.5污染变化特征。结果表明，近五年金华市区PM2.5年均浓度总体呈下降趋势，2021年为27μg/m3，比2017年下降30.8%，其中婺城区改善幅度最大，下降40.0%；PM2.5污染天数和污染程度显著降低，污染天数由2017年的35天减少至2021年的2天，2018年以来消除中度、重度污染。

然而，受金衢盆地地形结构及不利气象条件影响，以及北方和周边地市污染传输等因素影响，PM2.5浓度和污染程度均出现反弹，其中2017年婺城区PM2.5重度污染天数同比增加2天，开发区PM2.5中度污染天数同比增加5天，重度污染天数同比增加1天；2019年开发区PM2.5浓度同比上升3.0%；2020年开发区轻度污染天数同比增加2天(详见表1和图1)。因此，“十四五”时期金华市区PM2.5持续改善尚存在一定压力。

表1 2017—2021年金华市区不同污染级别PM2.5污染天数统计 单位：d

图1 2017—2021年金华市区PM2.5浓度变化情况

2 PM2.5化学组成特征

2.1 监测分析方法

本研究应用2021年全年金华市大气PM2.5组分自动监测站在线监测小时数据进行分析。监测点位于金东区东宁路223号环保大楼楼顶(119.697°E，29.106°N)，离地面 25 m左右。监测项目包括PM2.5浓度、水溶性离子(8项)、含碳组分(2项)、重金属元素(30项)等。监测项目及方法详见表2。

表2 监测项目及方法

2.2 组分特征分析

2.2.1 总体组分特征

研究显示，PM2.5日均浓度为38.1μg/m3，全年最大浓度为99.0μg/m3，最小浓度为9.0μg/m3；季节上看，PM2.5浓度冬季最高(45.1μg/m3)，夏季最低(19.8μg/m3)，该结果与何晓庆[2]、戴炜帅[3]等人的研究结果一致。

表3 2021年金华市区PM2.5组分浓度及占比

2.2.2 水溶性离子

2.2.3 OC、EC

总碳浓度为5.6μg/m3，占PM2.5浓度的18.0%。OC占总碳浓度的80.9%，EC占19.1%，OC和EC相关系数为0.71，呈弱正相关关系，表明OC与 EC浓度变化趋势不太一致，其来源可能不同。研究表明,OC/EC>2表示存在二次有机碳，OC/EC比值处于1.0～4.2则代表汽油车和柴油车尾气排放[8-10]。本研究OC/EC比值为4.2，表明存在二次有机碳，且主要来自汽油车和柴油车尾气排放。

2.2.4 重金属

重金属元素总浓度为2.5μg/m3，占PM2.5浓度的8.1%。主要金属元素按照月均浓度的高低顺序依次是Al(37.4%)>K(13.7%)>Si(17.2%)>Fe(9.5%)>Ca(6.4%)>Zn(4.7%)>Cd(1.9%)>Mn(1.2%)>Pb(0.9%)。Al、K、Si、和Fe的浓度占比较高，表明金华市区PM2.5可能受土壤风沙、生物质燃烧、化石燃料燃烧及工业高温燃烧过程等污染影响。

3 PM2.5来源解析

正交矩阵分解模型(Positive Matrix Factorization,PMF)是大气颗粒物来源解析的常用方法[11-13]，其基本原理是将元素浓度矩阵分解为源成分谱矩阵、源贡献矩阵和残差矩阵，采用最小二乘法进行迭代计算，从而求出使目标函数最小化的源成分谱矩阵和源贡献矩阵。采用PMF受体模型对金华市区不同季节PM2.5来源进行解析。解析结果显示，金华市区不同季节污染来源贡献差异较大，但受二次污染影响均较明显，冬春季尤其突出。春季PM2.5来源贡献比例分别为SOA(29.7%)>二次硫酸盐(25.3%)>二次硝酸盐(21.7%)>机动车(14.2%)>扬尘(9.1%)，应重点加强化石燃料燃烧和工业过程、生物质燃烧、机动车等污染源管控；夏季PM2.5来源贡献比例分别为重油燃烧(41.4%)>扬尘(27.9%)>二次污染物(18.7%)>生物质燃烧(7.2%)>机动车(4.8%)，应重点加强化石燃料燃烧和工业过程、建筑施工扬尘、堆场扬尘、道路扬尘的管控；秋季PM2.5来源贡献比例分别为生物质燃烧(34.6%)>扬尘(21.7%)>重油燃烧(15.2 %)>二次污染物(14.3%)>燃煤(10.7%)>机动车(3.6%)，应重点加强生物质燃烧、扬尘、化石燃料燃烧和工业过程的管控；冬季PM2.5来源贡献比例分别为SOA(37.5%)>工业源(22.3%)>二次硫酸盐(16.2%)>二次硝酸盐(14.8%)>机动车(9.2%)>燃煤(0.0%)，应重点加强生物质燃烧、机动车排放和工业过程等污染源管控(详见图2)。

春季

夏季

秋季

冬季

由此可见，金华市区应加大化石燃料燃烧和工业过程、生物质燃烧、机动车尾气排放等污染源管控力度，同时强化施工扬尘、堆场扬尘、道路扬尘等监管，从而减少PM2.5污染。

4 结论

对2021年金华市区大气PM2.5主要化学组分特征及来源进行解析研究，得出结论如下：

①近年来，金华市区PM2.5年均浓度总体呈下降趋势，但仍存在反弹风险，持续改善压力较大。2021年市区PM2.5日均浓度为38.1μg/m3，冬季最高(45.1μg/m3)，夏季最低(19.8μg/m3)。

④金华市区PM2.5主要来自化石燃料燃烧和工业过程、机动车尾气、生物质燃烧、扬尘等污染贡献。不同季节污染来源贡献差异较大，但受二次污染影响均较明显，冬春季尤其突出。对此，市区应加大化石燃料燃烧和工业过程、生物质燃烧、机动车尾气排放等污染源管控力度，同时强化施工扬尘、堆场扬尘、道路扬尘等监管，从而减少PM2.5污染。