東莞-武漢城市大氣顆粒物的理化特性與來源解析.pdf

1、面對嚴重的大氣顆粒物污染問題，華南工業(yè)城市東莞探索出保障環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展的成功經(jīng)驗。這種經(jīng)驗對正在實施工業(yè)倍增計劃的華中地區(qū)重要工業(yè)城市武漢具有重要借鑒作用。基于進一步改善環(huán)境空氣質(zhì)量的國家要求，本論文擬在東莞/武漢兩地城市區(qū)域，開展大氣顆粒物理化特性研究。重點考察PM1.0、PM2.5、PM10中的9種水溶性離子、元素組分、16種多環(huán)芳烴（PAHs）和C10~C36正構(gòu)烷烴的污染特征，探究兩個城市大氣顆粒物污染的異同點及其原因，以期

2、為改善兩地環(huán)境空氣質(zhì)量，尤其是為制定大氣顆粒物污染防治對策提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)論如下：
　?。?）采用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了東莞/武漢兩地城市區(qū)域顆粒物的濃度水平、污染物年排放總量和氣象等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)武漢大氣顆粒物污染整體較東莞嚴重。武漢PM1.0的年均濃度為82μg/m3，是東莞的1.86倍；PM1.0/PM2.5、PM1.0/PM10均值分別為0.81和0.67，分別為東莞城區(qū)的1.25倍和1.59倍。造成這種差別的原因之一是武

3、漢市顆粒物排放總量大大超過東莞市，而大氣擴散條件又比東莞差。
　?。?）大氣顆粒物理化性質(zhì)的時空分布研究顯示，東莞/武漢城市區(qū)域顆粒物濃度、水溶性離子濃度、元素組分及有機組分均呈現(xiàn)出不同的季節(jié)性分布特征。其中：顆粒物濃度、水溶性離子濃度、多環(huán)芳烴和正構(gòu)烷烴的濃度呈現(xiàn)“冬高夏低”特征，元素濃度卻為“春高夏低”。但東莞城區(qū)PM1.0/PM2.5、PM1.0/PM10比值則是冬季最高，秋季次之，而武漢則是夏季最高，冬季次之。以上兩地理化

4、特性季節(jié)差異的主要原因為：亞熱帶海洋性季風氣候和亞熱帶濕潤性季風氣候造成兩地氣象條件的季節(jié)差異、海鹽粗粒子的輸入和北方沙塵的輸入。
　?。?）基于顆粒物上陰陽離子電荷平衡理論和線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，東莞/武漢兩地城市區(qū)域顆粒物的酸性特征和離子賦存形式存在明顯差異。其中，東莞的水溶性離子SO42-和NH4+主要以NH4HSO4形態(tài)存在，武漢則主要以(NH4)2SO4形態(tài)存在。這導(dǎo)致東莞的細粒子PM1.0、PM2.5偏酸性，而武漢的PM1

5、.0、PM2.5相對偏堿性。這一結(jié)果可能是由于武漢城市區(qū)域周邊農(nóng)業(yè)源比重大于東莞市，使得農(nóng)業(yè)源排放更多NH3進入顆粒物中形成NH4+所致。
　?。?）根據(jù)質(zhì)量平衡原理開展了顆粒物的化學組分質(zhì)量閉合分析研究，發(fā)現(xiàn)東莞/武漢兩地城市區(qū)域大氣顆粒物中主要化學組分存在明顯差異，尤其在細顆粒物PM1.0中。其中，東莞城市區(qū)域的首要物質(zhì)可能為有機物，而武漢的則為SO42-/NO3-/NH4+（簡稱SNA）。兩地工業(yè)結(jié)構(gòu)的巨大差異，可能是造成顆

6、粒物中主要化學組分差異的重要原因。
　?。?）顆粒物的粒徑分布特征研究表明，東莞/武漢兩地城市區(qū)域大氣顆粒物中水溶性離子、元素組分和有機組分具有相同的分布特征，即SNA、K+和Cl-均主要分布在細粒子PM1.0上，而Na+、Ca2+、Mg2+和F-主要分布在粗粒子PM2.5~10上。同時，重金屬元素、PAHs和正構(gòu)烷烴也主要分布在亞微米粒子PM1.0中。因此，從人體健康角度考慮，更應(yīng)關(guān)注亞微米粒子PM1.0的污染治理。
　　

7、（6）顆粒物的水溶性離子和元素組分含量分析結(jié)果顯示，東莞/武漢兩地城市區(qū)域不同粒徑中的濃度存在明顯差異。其中，東莞PM1.0中Na+和Mg2+分別為武漢的1.23倍和1.35倍，而武漢城市區(qū)域PM1.0中的K+含量則是東莞的1.81倍。同時，除Na、Mg和Ca元素外，武漢城區(qū)PM1.0中元素組分濃度整體高于東莞城區(qū)，尤其是Cd和As，分別是東莞城區(qū)PM1.0中對應(yīng)元素濃度的16.3倍和5.1倍。東莞不同功能區(qū)顆粒物中有機組分分析結(jié)果顯示

8、，不同功能區(qū)的大氣PM1.0中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布較為相近，而16種PAHs的濃度分布卻存在差異。
　　基于特定比值法發(fā)現(xiàn)，東莞PM1.0中Na+和Mg2+比武漢高的原因是東莞細顆粒物中含有大量的海鹽氣溶膠帶來的Na+和Mg2+，而武漢周邊地區(qū)生物質(zhì)燃燒使得PM1.0中的K+含量遠高于東莞；基于富集因子法和主成分分析法發(fā)現(xiàn)，冶金煉鋼、燃煤發(fā)電是造成武漢城區(qū)PM1.0中Cd和As的濃度和富集因子明顯高于東莞城區(qū)的重要原因。基于主峰碳數(shù)

9、、碳優(yōu)勢指數(shù)和植物蠟排放貢獻率法，東莞工業(yè)區(qū)和生活區(qū)PM1.0中正構(gòu)烷烴的首要貢獻源均為化石燃料燃燒，貢獻率分別為84.1％和83.6%。而基于PAHs的特定比值法發(fā)現(xiàn)，東莞工業(yè)區(qū)和生活區(qū)對PM1.0中PAHs的貢獻源存在差異。
　?。?）通過主成分分析法（PCA）對兩地城區(qū)大氣顆粒物進行了來源解析，結(jié)果顯示兩地大氣顆粒物的貢獻源均包括：二次無機源、燃煤源、機動車尾氣源和建筑/土壤混合揚塵源。而武漢城區(qū)還包括冶金源、水泥/玻璃工業(yè)

10、混合源、生物質(zhì)燃燒源以及機動車機械摩擦源，它們對武漢城區(qū)PM1.0的貢獻量分別為12.63μg/m3、8.45μg/m3、7.46μg/m3和1.97μg/m3；東莞城區(qū)則還包括工業(yè)源和海洋源，它們對東莞城區(qū)PM1.0的貢獻量分別為8.76μg/m3和1.19μg/m3。盡管不同粒子的主要貢獻源類型相近，但同類源對不同粒子的貢獻率存在明顯差異。
　　（8）通過比較兩地城區(qū)不同季節(jié)霾日與非霾日的大氣顆粒物理化特性差異發(fā)現(xiàn)，東莞/武漢

11、兩地城區(qū)不同季節(jié)霾日PM1.0的理化特性和氣象特征存在明顯差異。同時，基于大氣復(fù)合污染在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過正定矩陣分解法（PMF）和K-均值聚類分析的方法對2013年武漢春節(jié)至元宵節(jié)期間的PM2.5進行來源解析，結(jié)果表明春節(jié)間武漢城區(qū)PM2.5的貢獻源包括機動車尾氣源、燃煤源、本地冶金源、二次無機源、煙花源、本地玻璃/水泥工業(yè)源和道路揚塵源，對其質(zhì)量的貢獻率分別為20.7%、17.9%、13.8%、13.2%、9.2%、9.0%和5