基于SPAMS的典型污染天气PM2.5来源解析

吴萍萍

(福建省泉州环境监测中心站,福建 泉州 362000)

2013年以来,我国大范围出现灰霾现象,大气细颗粒物(PM2.5)成为中国大中城市的主要空气污染物,极大地影响了城市环境空气质量[1-3]。2013年全国74个重点监测城市中仅拉萨、海口和舟山3个城市PM2.5达标,2014年74个城市PM2.5年均浓度虽有所下降,但仍有近90%城市未达标[4],大气细颗粒物的污染引起了社会的广泛关注,严重危害了群众的健康。

PM2.5来源复杂,源解析是对其进行定量或定性研究的技术、方法。传统的气溶胶分析是将颗粒物采集到滤膜上,送至实验室进行离线分析,通常需要较长的采样时间和分析时间,且较难反映短时间内的突发性污染事件[5-7]。近年来,高分辨率、分析快速且可靠性强的颗粒物在线监测设备逐渐受到社会各界的青睐,并已成熟应用于环境空气特征分析及PM2.5来源解析的研究中。单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)因可实时在线监测PM2.5的粒径分布和化学组分信息等优势,广泛应用于各地环境细颗粒物研究中,可针对不同污染过程开展快速源解析分析,进而评估不同污染来源对PM2.5的贡献,及时、有效地反映各污染源的变化特征,对治理大气污染有着重要意义[8-11]。

由于我国北方发生灰霾现象的频率高于南方,对我国北方PM2.5来源解析的研究也明显多于南部地区,尤其是南部沿海地区。泉州市地处福建省东南沿海,经济总量连续22年保持全省第一,在经济快速发展的同时,其大气环境问题也逐步突显。历年监测数据表明,PM2.5成为了影响泉州市环境空气质量的污染物之一[12],目前对泉州市PM2.5来源解析的研究尚少,尤其是对污染时段的分析,故对泉州市PM2.5典型污染事件的来源解析可为大气污染防治提供科学依据。

1 研究方法

1.1 监测点位及监测时间

本研究PM2.5化学组分及理化性质监测点位位于福建省泉州环境监测中心站楼顶,四周通风良好,无明显遮挡物;PM2.5自动监测仪位于涂山街国控点,与福建省泉州环境监测中心站距离约为1 000 m,两点位之间为居民生活区,无工业污染源,故认为两点位监测结果可代表同一区域内的大气环境状况。

2018年2月14日—17日,泉州市区共出现一次连续两天以PM2.5为首要污染物的不同污染等级的污染天气,故选择该时段为本研究的监测时间。

1.2 监测仪器及分析方法

PM2.5化学组分及物理性质分析采用SPAMS-0515型在线单颗粒气溶胶质谱仪(广州禾信仪器股份有限公司生产),以在线单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)在线监测为基础,实时获取环境受体中PM2.5的质谱测量结果,同时结合当地的本地化源谱,得到PM2.5的主要组分特征及污染来源,利用示踪离子法将泉州市PM2.5污染来源归类为十大类,分别为扬尘源、生物质燃烧源、机动车尾气源、燃煤源、工业工艺源、二次无机源、餐饮源、海盐源、烟花源和其他源。

PM2.5自动监测仪采用5030-SHARP型PM2.5分析仪(美国Thermo Fisher Scientific公司生产),监测方法为β射线法。样品空气通过切割器以恒定的流量经过进样管,颗粒物截留在滤带上。β射线通过滤带时,能量发生衰减,通过对衰减量的测定计算出颗粒物的质量。

2 结果与讨论

2.1 空气质量概况及污染特征分析

2018年2月14日—17日,泉州市区和涂山街国控点位的AQI值和首要污染物如表1所示。由表1可知,涂山街与泉州市区于监测时间段内首要污染物一致且AQI相近,两者于15日—16日分别出现以PM2.5为首要污染物的中度污染天气和轻度污染天气,故分析涂山街点位的PM2.5污染特征具有一定的代表性。

表1 2018年2月14日—17日泉州市区及涂山街AQI值和首要污染物统计

2018年2月14日—17日涂山街点位的PM2.5浓度和风速小时变化趋势如图1所示。 由图1可知,监测时间段内涂山街共发生三次PM2.5突升过程,以此划分为三个污染过程,分别为污染1(15日0:00—6:00)、污染2(15日20:00—16日5:00)和污染3(16日19:00—17日2:00),PM2.5浓度整体呈“先升高后降低”趋势,三个污染过程各出现一个PM2.5小时浓度峰值,其中污染2的PM2.5小时浓度峰值最高(315 μg/m3,严重污染)。

图1 涂山街PM2.5浓度和风速小时变化趋势

由图1也可知,监测时间段内风速呈现“下降-上升”的趋势,平均风速为1.7 m/s,整体风速较低,尤其是14日20:00—16日13:00,平均风速仅为0.9 m/s。14日20:00—15日13:00,PM2.5整体浓度较高,可能与该时段内风速较低有关,静稳天气极不利于污染物扩散和转移,PM2.5易在本地积聚。16日14:00起,随着风速的增大,污染物扩散条件好,PM2.5浓度呈明显下降趋势,空气质量逐步转好。

2018年2月14日—17日涂山街点位的PM2.5污染玫瑰图如图2所示。由图2可知,PM2.5浓度较高的时段,涂山街主导风向为东南风向,风速较低(＜1 m/s)。

图2 涂山街PM2.5污染玫瑰图

2.2 细颗粒物来源总体贡献情况

2018年2月14日—17日,在线单颗粒气溶胶质谱仪分析得出的PM2.5各污染源平均贡献率如图3所示。由图3可知,研究时段内PM2.5的主要污染来源是二次无机源,贡献率为21.2%;其次为燃煤和机动车尾气,贡献率分别为19.1%和18.2%;而生物质燃烧、扬尘、工业工艺、烟花、海盐、餐饮和其他的贡献率则分别为11.0%,9.6%,8.8%,6.5%,2.3%,1.0%和2.3%。

图3 2月14日—17日PM2.5源解析结果

2.3 不同空气质量等级细颗粒物的来源变化特征

2018年2月14日—17日,对涂山街不同空气质量等级时段的PM2.5浓度和各污染源贡献率进行统计,其变化趋势如图4所示。由图4可知,随着空气质量等级的恶化,各污染源的变化趋势不一样。随着PM2.5小时平均浓度的升高,变化最大的是烟花,其次是燃煤、机动车尾气和二次无机源,工业工艺、生物质燃烧、扬尘三种污染源占比较为稳定,海盐、餐饮和其他三种污染源因其占比小而变化较不明显。优时段的烟花源占比最低(2%),但随着污染程度的加重,烟花源占比大幅升高,重度污染及严重污染时段的烟花源占比分别高达21.0%和36.0%,贡献率位居第一,远超其他污染源。

图4 不同空气质量级别时段的PM2.5及其各污染源变化趋势

烟花源占比及PM2.5小时浓度的变化趋势如图5所示。由图5可知,监测期间烟花源占比与PM2.5浓度变化趋势较为一致,烟花源在PM2.5高峰时段内均出现明显累积现象,尤其是时段2,烟花源占比最高达41.3%。

图5 涂山街PM2.5浓度和烟花源占比小时变化趋势

初步推断,监测期间内,PM2.5浓度的升高受烟花爆竹燃放的影响较大,尤其是2月15日(除夕)和2月16日(初一),这与谢瑞加等[13]对春节期间烟花爆竹集中燃放PM2.5的成分研究结果一致,烟花爆竹的集中燃放释放出大量的细颗粒物且燃放过程震动导致尘土飞扬,使空气中的PM2.5急剧上升,造成环境污染。

2.4 典型污染过程细颗粒物来源分析

由图1可知,监测时间段内涂山街共有污染1、污染2和污染3三个污染时段,另取污染前和污染后各一个时段作为对比,针对每个时段进行来源解析,如图6所示。

由图6可知,污染前时段和污染1时段的主要污染源均为二次无机源、燃煤、机动车尾气和生物质燃烧,各污染源比例在污染前时段至污染1时段的变化较不明显。结合图1可知,污染1时段的PM2.5浓度升高可能与本地源排放及不利气象条件有关,该时段风速较低(＜1 m/s),扩散条件较差,不利于污染物的扩散和迁移,污染物易累积。

图6 不同天气下的PM2.5源解析结果

污染2时段的主要污染源为烟花源、二次无机源、燃煤和机动车尾气,该时段烟花源占比大幅增加,平均占比达28.2%,远远超出二次无机源(14.5%)、燃煤(12.6%)、机动车尾气(11.8%)等其他污染源,监测数据显示烟花源瞬时占比最高达41.3%,该时段处于除夕夜至初一期间,属于烟花爆竹集中燃放时段,故推测时段2 期间PM2.5浓度的升高主要受到烟花爆竹燃放的影响。

污染3时段的主要污染源为机动车尾气、燃煤和二次无机源,该时段虽然烟花源占比显著下降,但仍较污染前时段高,故推测该时段主要受本地源排放影响。该时段污染程度较前两个污染程度显著轻,可能与该时段的风速较大(时段平均风速为2.4 m/s)有关,气象条件较有利于污染物的扩散和转移。

污染后时段的主要污染源为燃煤、机动车尾气和二次无机源,相比前面4个时段,该时段的燃煤源占比显著增加,这可能与该时段PM2.5浓度最低有关,导致污染源占比变化较大。

3 结论和建议

(1)2018年2月14日—17日,泉州市共出现两天以PM2.5为首要污染物的超标天气,期间共出现三个PM2.5污染过程,以除夕夜至正月初一凌晨的污染最为严重,PM2.5小时最高值达315 μg/m3,污染气团主要来源于东南风向。此外,风速的降低对PM2.5浓度的升高也存在一定影响。

(2)源解析结果显示,2018年2月14日—17日期间,二次无机源(21.2%)是涂山街的首要污染源,其次为燃煤源(19.1%)和机动车尾气源(18.2%),其余各源贡献相对较小。

(3)不同空气质量等级时段,各污染源的占比变化不一致,其中烟花源变化最大,初步判断监测期间内PM2.5浓度的升高受烟花爆竹燃放的影响较大,尤其是2月15日20:00—16日5:00(除夕夜至正月初一凌晨),烟花源的影响不可忽视,其烟花源小时占比最高可达41.3%。

(4)不同污染时段及污染前、后时段的源解析结果显示,不利的气象条件和本地源的排放是造成泉州市PM2.5浓度超标的主要影响因素,尤以春节期间烟花爆竹的集中燃放影响最为显著,建议泉州市春节期间重点加强对烟花爆竹燃放的管控,鼓励市民尽量使用电子烟花爆竹代替传统烟花爆竹,绿色过节。