合肥市高新区大气SO2与O3和NO2污染特征及来源分析*

郑尼娜,徐雅琦,潘玲阳

(安徽新华学院城市建设学院,安徽 合肥 230088)

二氧化硫(SO2)是一种常见的大气污染物,主要来源于工业生产过程中化石燃料的燃烧[1].SO2在光化学氧化剂的作用下可转化为硫酸[2]和硫酸盐气溶胶,这是环境酸化的重要前体[3-4],也是雾霾污染的元凶之一[5].高质量浓度的SO2会对人体产生不利影响[6-7],主要表现为对呼吸道和肺部的强烈刺激.臭氧(O3)作为大气中重要的氧化剂之一.在对流层中,O3主要由其前体污染物[8](如氮氧化物和挥发性有机化合物VOCs等)[9-10]的光化学反应生成.若空气中持续存在高质量浓度O3,则容易造成光化学烟雾等污染,这会严重影响人类的正常生产和生活.同时,高质量浓度O3对人体健康有不利影响,会刺激甚至损害人类眼睛和呼吸系统的黏膜组织[11-13].随着机动车数量和工业排放的增加,城市O3污染形势日益严峻.近年来环境保护部发布的74个城市空气质量状况显示,夏季部分地区O3已取代颗粒物成首要污染物[14].大气中二氧化氮(NO2)多数来源于化石燃料燃烧过程,污染源通常包括火力发电厂[15]、工业窑炉、民用锅炉等.城市大气NO2主要来自机动车排放[16-17].随着机动车保有量的不断攀升,氮氧化物污染呈增长趋势,特别是在北京、上海、广州、武汉等大城市,汽车尾气已成为城市空气污染的主要来源[18].NO2达到一定质量浓度会引起呼吸疾病,损害肺功能,甚至造成肺水肿.此外,当空气中同时存在碳氢化物和NO2时,碳氢化物可以和NO2产生光化学反应,形成光化学烟雾.光化学烟雾产生的一次和二次污染物对人的鼻、喉、呼吸道和肺部有强烈的刺激性作用,甚至会引发病变,长期暴露下,肺部组织易受损和老化.

合肥市位于中国中东部,作为经济迅猛发展的长江城市群副中心,近年来发展迅速.城市化和工业化进程的加快,导致大气污染物排放量不断增加,引发一系列环境问题,如雾霾天气多发,空气质量下降,能见度降低等[19-21].前人关于合肥市大气污染的研究大多集中在气溶胶、颗粒物(PM2.5)、能见度和O3等方面[22-27].本研究基于长光程差分吸收光谱系统对合肥市高新区大气SO2,O3和NO2开展连续观测,分析气体污染特征,结合风速、风向数据找出可能存在的污染源,为制定有效的环境调控政策提供一定科学依据.

1 观测地点与观测仪器

1.1 观测地点

观测地点及周边环境如图1所示.观测点位于合肥市高新区安徽新华学院内.观测点西北面紧邻大蜀山国家森林公园,其余方位均为城市建设群,见图1(a).观测点周围无明显建筑物阻挡,也没有工业污染源,人为活动主要表现为交通和居民的生产生活.望远镜放置在学院教学1号楼的6层(距地面高度约18 m),角反射器置于学院教职工宿舍6层顶楼,总光程为460 m,见图1(b).

图1 观测地点及周边环境Fig. 1 Environment of Observation Site and the Surrounding Area

1.2 观测仪器

测量仪器采用安徽蓝盾光电子公司生产的LGH-01A长光程差分吸收光谱(DOAS)系统.该系统的主要组成包括光源(150 W氙弧灯)、Cassegrain望远镜(发射和接收一体)、角反射镜、Avantes光谱仪(分辨率0.373 nm,波段246.1～415.4 nm)、光纤和CCD探测器等.仪器为连续24 h在线监测.通过定期对仪器进行零点、满量程和精度检查来保证仪器观测数据的准确性.

2 污染特征分析

2.1 日变化

SO2,NO2和O3质量浓度的日变化曲线如图2所示.早晨受人为燃烧(炊事)活动影响,SO2在大气中累积,质量浓度极大值10.92 μg/m3出现于09：00,其后质量浓度呈下降趋势,15：00时出现极小值6.54 μg/m3,这是因为下午地面温度较高,大气湍流有利于污染物的稀释扩散,之后质量浓度又逐渐升高,21：00时达峰值10.0 μg/m3,之后下降.

图2 日变化曲线Fig. 2 Diurnal Variation Curve

NO2质量浓度日变化呈单峰单谷型.NO2质量浓度峰值出现在17：00-21：00;谷值出现在13：00-16：00.交通早高峰时(05：00-09：00),NO2质量浓度由32 μg/m3升至36 μg/m3,质量浓度小幅增加.09：00以后,太阳辐射增强,NO2光解速率加快,质量浓度缓慢下降.16：00后太阳辐射减弱,光化学反应趋向缓慢,加之交通晚高峰的来临,导致NO2质量浓度明显上升,由32 μg/m3升至42 μg/m3.从交通早晚高峰时NO2质量浓度升幅来看,交通晚高峰对NO2影响大于早高峰.此外,NO2全日质量浓度持续偏高(35～45 μg/m3)且日变化较小,说明除机动车尾气外,还存在其他重要的氮氧化物排放源.

O3有明显的日变化趋势.午夜到清晨04：00,大气中O3及其前体物质量浓度略有降低,此阶段的O3处于全日低质量浓度区,质量浓度维持在55 μg/m3左右.清晨7：00—8：00,上班高峰车流排放的NO会消耗部分O3,加之早晨太阳辐射弱,不利于O3生成,08：00时O3质量浓度最低,为42 μg/m3.09：00开始O3抑制阶段结束,O3质量浓度上升,午后16：00时达到日峰值(83 μg/m3).16：00至午夜是O3消耗阶段,这一时段太阳辐射减弱,加之傍晚下班车流排放的NO消耗了部分O3,导致O3质量浓度逐渐下降.

2.2 季节变化

SO2,O3和NO2季节分布如图3所示.由图3可知：NO2质量浓度在冬季最高,春秋季次之,夏季最低.冬季大气边界层降低不利于污染物的扩散迁移,因此气态污染物质量浓度通常保持较高水平;而夏季太阳辐射强、气温高,NO2光解反应剧烈,加之降水频繁,湿沉降作用明显,导致NO2质量浓度降低.相反地,O3质量浓度表现为春夏季比秋冬季高.春、夏季太阳辐射比较强烈,有利于发生光化学反应,生成O3.春季O3质量浓度高于夏季,是因为夏季只观测了6月份O3质量浓度,且当月阴雨天达67%.SO2质量浓度变化较小,秋冬季最高,春夏季节变化不大.冬季SO2质量浓度偏高的原因,一方面是冬季地表温度较低,大气边界层低,污染物不易扩散迁移,另一方面可能与人为取暖燃煤排放有关.

图3 SO2,O3和NO2季节分布Fig. 3 Seasonal Distribution of SO2,O3 and NO2

3 污染源分析

在观测点附近存在许多SO2,O3和NO2的可能污染源,包括制药工厂(东侧方向,贝克生物制药厂,距离约500 m,安徽国森药业有限公司、合肥中大动物药业、安徽圣鹰药业有限公司、合肥华威药业有限责任公司,距离约1.5 km;东偏北方向,立方制药,距离约1.5 km,安徽威尔曼制药有限公司,距离约2.0 km;西侧方向,安徽美欣制药有限公司、合肥立方药业有限公司,距离约4 km)和涂料厂(东侧方向,安徽爱迪尔新材料科技有限公司,距离约1.2 km;南侧方向,合肥燕美粉末涂料公司,距离约3 km).另外,观测点西侧方向约4 km处有合肥卷烟厂,东北方向约11 km有皖能合肥发电厂.

风在大气污染物的扩散中起到重要的作用,风向决定了污染物水平输送的方向,而风速的大小直接影响了污染物的稀释程度.笔者从Weather Underground网站下载2016年合肥骆岗机场的风速、风向数据,绘制污染物质量浓度-风向-风速玫瑰图(图4).由图4可知：在西北偏北和东南偏东两个风向呈现SO2高质量浓度,其中,西北偏北方向(风速大于8 m/s)的SO2高值可能与观测点西北侧郊区居民生活燃煤有关;而东南风向下SO2高质量浓度受观测点东南侧药业公司和涂料厂的无组织排放影响.NO2高质量浓度点集中在东北、东偏北和东偏南3个风向下.其中,低风速(风速小于2 m/s)下NO2高质量浓度的累积,一方面受观测点以北100 m望江西路的机动车尾气排放影响,另一方面与观测点东侧1.5 km内多个制药厂的污染排放有关,而东北偏东(风速大于6 m/s)的NO2高值可能与东北方向皖能合肥发电厂及繁华市区机动车尾气排放的远距离传输有关.O3与NO2质量浓度分布相反.O3作为一种氧化性较强的气态污染物,在NO2等污染物质量浓度较高时,常常会与污染物相互反应,从而导致O3质量浓度较低;反之,在污染物扩散条件良好的高风速(风速大于8 m/s)下和来自纯净区域[28-30]的风向(西北偏北风,观测点西北侧是大蜀山国家森林公园)下,O3出现高质量浓度.

图4 污染物的风向-风速玫瑰图Fig. 4 Wind Direction and Wind Speed Rosette of Pollutants

为了解NO2对大气O3的贡献,以二者小时均值数据进行线性拟合,获得线性方程y=-0.845 6x+75.066 6,R=-0.429 6(图5).拟合结果说明,NO2质量浓度一定程度上影响着大气中O3质量浓度,但两者相关性系数仅为-0.429 6,推测合肥市高新区大气中可能存在其他重要的O3前体污染物,比如观测点附近药厂排放的各种有机污染物等等,这有待进一步深入研究.

图5 NO2和O3的相关散点Fig. 5 Relevant Scatter Plots of NO2 and O3

4 结论

(1)日变化显示,SO2夜间质量浓度较高,白天(特别是午后)质量浓度低;NO2质量浓度日变化呈单峰单谷型,交通晚高峰对NO2质量浓度有一定贡献.NO2全日质量浓度持续偏高(35～45 μg/m3)且日变化较小,说明除机动车尾气外,存在其他重要的氮氧化物排放源.O3与NO2呈相反变化趋势,白天因光化学作用质量浓度高,在午后16：00时出现最大值,夜间质量浓度低,凌晨出现最低值.

(2)冬季大气边界层低不利于大气污染物扩散,NO2和SO2质量浓度能保持较高水平,而夏季光解反应剧烈,湿沉降明显,污染物质量浓度较低.与NO2相反,O3质量浓度表现为春夏季比秋冬季高,因为春、夏季太阳辐射强,有利于发生光化学反应,产生更多的O3.

(3)SO2高质量浓度主要与观测点西北面居民生活燃煤及东南侧制药公司和涂料厂的无组织排放有关.低风速下NO2高质量浓度受观测点以北100 m望江西路的机动车尾气排放及东侧制药厂的污染排放影响,而东北偏东(风速大于6 m/s)的NO2高值可能与皖能合肥发电厂及繁华市区机动车尾气排放的远距离传输有关.O3与NO2风速、风向分布基本相反.在污染物扩散条件良好的高风速下和来自纯净区域的风向(西北偏北风)下,O3出现高质量浓度.NO2和O3相关性分析结果显示,NO2对高新区大气O3有一定贡献,但两者相关性系数仅为-0.429 6,推测该区大气中存在其他重要的O3前体污染物.