苑 麗，閆瑞敏

焦作市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河南 焦作 454000

隨著霧霾天氣在全國(guó)相繼出現(xiàn)，大氣污染作為最直觀的污染類(lèi)型，引發(fā)了廣泛的社會(huì)關(guān)注。目前，大氣污染類(lèi)型在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)由煤煙型污染轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲臀廴荆琒O2、NO2、CO、O3和顆粒物等多種污染物在對(duì)流層中共存[1]。其中，NO2、SO2形成酸沉降，損害人體呼吸系統(tǒng)，PM10是城市大氣污染物的重要來(lái)源，PM2.5對(duì)人體健康造成的損害非常顯著[2]，高濃度O3作為城市光化學(xué)煙霧的特征產(chǎn)物已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注[3]，CO污染隨著城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的逐年增加，其危害也不容小覷[4]。京津冀區(qū)域是國(guó)內(nèi)霧霾較重的地區(qū)，原環(huán)境保護(hù)部先后在京津冀及周邊地區(qū)確定了“2+26”個(gè)大氣污染傳輸通道城市，并印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》[5]。研究京津冀及周邊區(qū)域大氣污染的特征規(guī)律和污染物間關(guān)系具有戰(zhàn)略意義。本研究以京津冀周邊城市之一的焦作市為研究對(duì)象，對(duì)大氣污染物特征進(jìn)行分析，以期為大氣污染治理與控制提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域

焦作市位于河南省西北部，北部是太行山脈，南部為黃河，東與新鄉(xiāng)市毗鄰，西與濟(jì)源市接壤，南與鄭州、洛陽(yáng)市隔河相望，北與山西晉城搭界。焦作市市區(qū)位于行政區(qū)中北部，東西長(zhǎng)30 km，南北寬19 km，面積424 km2，建成區(qū)面積113 km2。焦作市處于中緯度地區(qū)，屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，季節(jié)變化明顯，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干冷少雪。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和監(jiān)測(cè)因子

研究采用2015—2017年焦作市城區(qū)范圍內(nèi)市環(huán)保局、市監(jiān)測(cè)站、高新區(qū)政府、影視城等4個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)因子包括SO2、NO2、CO 等氣態(tài)污染物和PM2.5、PM10等顆粒態(tài)污染物及O3日最大8 h平均值、空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物變化趨勢(shì)

2.1.1 SO2、NO2、PM10、PM2.5的變化趨勢(shì)

4項(xiàng)污染物的年際變化趨勢(shì)如圖1所示。 SO2年均質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，且均低于國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(60 μg/m3)[6]。2017年SO2年均質(zhì)量濃度為25 μg/m3，與2016年、2015年相比分別下降了37.5%和48.9%。說(shuō)明近年來(lái)焦作市及周邊地區(qū)落后產(chǎn)能淘汰、企業(yè)脫硫設(shè)施升級(jí)改造、煤改氣、煤改電、大力推動(dòng)集中供熱等措施對(duì)SO2的減排取得顯著成果。

圖1 2015—2017年城市空氣SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度年際變化趨勢(shì)Fig.1 Annual variation of SO2、NO2、PM10、PM2.5 concentrations in 2015-2017

NO2年均質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢(shì)，但均略高于GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(40 μg/m3)。2017年NO2年均質(zhì)量濃度為44μg/m3，與2016年、2015年相比分別下降了8.3%和12.0%。反映出焦作市在工業(yè)氮氧化物污染治理、機(jī)動(dòng)車(chē)污染治理等方面取得一定成效，但機(jī)動(dòng)車(chē)污染的治理仍要給予足夠重視。

PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度均呈下降趨勢(shì)，但均遠(yuǎn)高于GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(70 μg/m3、35 μg/m3)。2017年P(guān)M10年均質(zhì)量濃度為134 μg/m3，與2016年、2015年相比分別下降了5.6%和10.7%。2017年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度為77 μg/m3，與2016年和2015年相比分別下降了9.4%和11.5%。雖然焦作市實(shí)施了揚(yáng)塵污染“一票停工制”“黑名單制”“道路揚(yáng)塵管控路長(zhǎng)制”等有力措施，顆粒物年際間濃度呈下降趨勢(shì)，但2017年P(guān)M10和PM2.5年均質(zhì)量濃度仍超出空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.9倍和1.2倍，顆粒物仍為焦作市的主要污染物。

2.1.2 CO、O3的變化趨勢(shì)

CO年際變化趨勢(shì)如圖2所示，CO第95百分位數(shù)質(zhì)量濃度(CO-95per)呈下降趨勢(shì)，且均低于GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(4 mg/m3)。2017年CO-95per為3.1 mg/m3，與2016年、2015年相比均下降了20.5%。

圖2 2015—2017年城市空氣CO、O3濃度年際變化趨勢(shì)Fig.2 Annual variation of CO and O3concentrations in 2015-2017

O3年際變化趨勢(shì)如圖3所示， O3日最大8 h日均值第90百分位數(shù)質(zhì)量濃度(O3-8 h-90per)呈上升趨勢(shì)，除2015年外，均高于國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(160 μg/m3)。2017年O3-8 h-90per為208 μg/m3，與2016年、2015年相比分別上升了25.3%和38.7%。O3污染日益嚴(yán)重，應(yīng)引起高度關(guān)注。

2.2 污染物的時(shí)間分布特征

2.2.1 SO2、NO2、PM10、PM2.5時(shí)間分布特征

圖3顯示2017年各站點(diǎn)及城區(qū)SO2、NO2、PM10、PM2.5月均質(zhì)量濃度均具有顯著的月變化特征，且變化規(guī)律基本一致，即1—3 月濃度較高，7—9月達(dá)到低值，10月后逐漸升高。按季節(jié)劃分，濃度均呈現(xiàn)冬季>春季> 秋季>夏季的規(guī)律。

圖3 2017年SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度月變化Fig.3 Monthly variation of SO2、NO2、PM10 and PM2.5 concentrations in 2017

2.2.2 CO、O3時(shí)間分布特征

圖4顯示2017年焦作市各站點(diǎn)及城區(qū)CO月均質(zhì)量濃度1—5月呈下降趨勢(shì)，6—12月呈上升趨勢(shì)；其中，城區(qū)CO月均質(zhì)量濃度最高值為1月的3.1 mg/m3，最低值為5月份的1.1 mg/m3。按季節(jié)劃分，CO冬季污染較重，夏季污染較輕。

圖4 2017年CO月濃度變化Fig.4 Monthly variation of CO concentrations in 2017

圖5顯示2017年各站點(diǎn)及城區(qū)O3-8 h月均值1—6月為呈上升趨勢(shì)，6月達(dá)到最高值，7—11月呈下降趨勢(shì)。城區(qū)最高月均質(zhì)量濃度為6月的193 μg/m3，最低為1月份的43 μg/m3。按季節(jié)劃分，O3夏季(6—8月)污染重，而冬季污染輕。夏季O3污染與多發(fā)的雷雨天氣、高溫和強(qiáng)光輻射等氣象因素有關(guān)。因?yàn)橄募緶囟雀?、紫外線(xiàn)強(qiáng)，大氣中的污染物在太陽(yáng)光照射下易發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)生成O3[7]。

圖5 2017年O3月濃度變化Fig.5 Monthly variation of O3concentrations in 2017

2.2.3 空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)間分布特征

2017年城區(qū)AQI同樣具有顯著的月變化特征，且與SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO月濃度變化趨勢(shì)基本一致。圖6顯示1—3月AQI較高，7—9月達(dá)到相對(duì)低值，10月后逐漸升高?？諝赓|(zhì)量指數(shù)在冬季最高，與冬季污染物排放量高、邊界層高度低、污染物不易擴(kuò)散有關(guān)。由于冬季地面溫度低，近地面氣溫度較上層氣溫度低，夜間輻射降溫現(xiàn)象尤其明顯，造成大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，大氣垂直方向?qū)α饔邢?，污染物較難擴(kuò)散。夏季則相反，地面對(duì)于大氣是熱源，大氣垂直運(yùn)動(dòng)活躍，不易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象[8]。

圖6 2017年城區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI變化Fig.6 Monthly variation of AQI in 2017

圖8 2017年各點(diǎn)位顆粒物粒徑組成Fig.8 Contributions of various particle size in 2017

2.2.4 沙塵影響分析

沙塵天氣指大風(fēng)將近地殼表層的沙粒、灰塵吹入上空，使空氣混濁的一種現(xiàn)象。在沙塵暴現(xiàn)象發(fā)生和影響的區(qū)域，大氣中的顆粒物濃度急劇升高，大氣環(huán)境惡劣。沙塵天氣發(fā)生過(guò)程中，當(dāng)沙塵源區(qū)城市PM10質(zhì)量濃度持續(xù)1 h超過(guò)1 000 μg/m3，或者PM10質(zhì)量濃度持續(xù)2 h超過(guò)600 μg/m3，沙塵即會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣產(chǎn)生較大影響，這種情況下，可以剔除沙塵天氣過(guò)程城市顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[9]。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2017年焦作市境內(nèi)共發(fā)生沙塵天氣36 d，其中春季15 d，夏季3 d，秋季6 d，冬季12 d。2017年P(guān)M10年均質(zhì)量濃度為134 μg/m3，扣除沙塵影響后，PM10年均質(zhì)量濃度為125 μg/m3，降低6.7%。PM2.5年均質(zhì)量濃度為77 μg/m3，扣除沙塵影響后，PM2.5年均質(zhì)量濃度為73 μg/m3，降低5.2%，沙塵天氣對(duì)焦作市空氣質(zhì)量影響明顯。

2.3 顆粒物污染特征分析

研究對(duì)2017年焦作市4個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的PM2.5/PM10進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，PM2.5/PM10如圖7所示。各站點(diǎn)PM2.5/PM10平均為59%，表明大氣顆粒物污染以PM2.5污染為主，體現(xiàn)了明顯的二次生成的污染特征；PM2.5/PM10春、冬季略高于夏、秋季，這與SO2、NO2、CO的季節(jié)分布特征一致，表明春、冬季更易富集細(xì)顆粒，進(jìn)一步說(shuō)明春冬季化石燃料的燃燒、汽車(chē)尾氣、工業(yè)生產(chǎn)等人類(lèi)活動(dòng)生成的PM2.5較多。

圖7 2017年各點(diǎn)位PM2.5/PM10變化Fig.7 Monthly variation of PM2.5/PM10 in 2017

圖8顯示4個(gè)站點(diǎn)PM10中PM2.5的占比為53%～67%，城區(qū)3個(gè)站點(diǎn)PM2.5/PM10相差不大，而郊區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)影視城PM2.5～10的貢獻(xiàn)(33%)明顯低于其他3個(gè)市區(qū)點(diǎn)(37%～47%)。影視城監(jiān)測(cè)點(diǎn)緊鄰太行山，周邊有良好的植被與相對(duì)較少的人為活動(dòng)，因此受到的揚(yáng)塵污染相對(duì)較小，說(shuō)明PM2.5/PM10也具有空間差異性。

2.4 大氣污染物間的相關(guān)性分析

大氣污染物存在一定的關(guān)聯(lián)，研究污染物之間的相關(guān)性對(duì)于大氣治理不可或缺。研究利用SPSS 軟件對(duì)各污染物濃度進(jìn)行了皮爾遜極差相關(guān)性分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境空氣中6種污染物的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis on concentrations of six atmospheric pollutants

根據(jù)SPSS分析結(jié)果可知，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。其中PM2.5與PM10的相關(guān)性為0.942，接近1，兩者相關(guān)性極顯著，一方面由于兩者之間存在包含關(guān)系，另一方面也表明大氣顆粒物很大比例以PM2.5形式存在。PM2.5與CO的相關(guān)性為0.673，呈現(xiàn)中級(jí)相關(guān)性，由污染來(lái)源分析，CO主要來(lái)源于生物燃燒和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣，這與PM2.5來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、揚(yáng)塵、和生物質(zhì)燃燒的理論一致。SO2、PM10、PM2.5、CO與NO2的相關(guān)系數(shù)依次為0.713、0.660、0.648、0.746，均呈顯著相關(guān)性。這是由于， SO2來(lái)源于含硫礦物燃燒及工業(yè)排放，在空氣中可通過(guò)氧化反應(yīng)生成H2SO4，后與空氣中的NH3作用生成硫酸銨，所以SO2是形成PM2.5二次顆粒氣態(tài)前體物[10]。NO2主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣和工業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)一系列光化學(xué)反應(yīng)生成的硝酸鹽類(lèi)，也是PM2.5的主要成分。O3與其余5項(xiàng)因子均呈負(fù)相關(guān)，其中與CO、NO2相關(guān)性顯著，這是由于人類(lèi)活動(dòng)排放的NOX、CO等一次污染物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)可促進(jìn)二次污染物O3的產(chǎn)生[11]。SO2、NO2、CO之間也存在較顯著的相關(guān)性，這與3種污染物的來(lái)源有關(guān)，燃料燃燒、工業(yè)廢氣產(chǎn)生CO和SO2，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣產(chǎn)生NO2和CO， SO2和NO2雖然來(lái)源不同，是通過(guò)中介物CO建立間接關(guān)聯(lián)，而且3種污染物變化趨勢(shì)的一致也說(shuō)明其間的相關(guān)性。

3 結(jié)論

1)2015—2017年焦作市環(huán)境空氣質(zhì)量呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，除O3外，其余5項(xiàng)因子濃度均呈逐年下降趨勢(shì)。與2015年相比，2017年環(huán)境空氣SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO質(zhì)量濃度下降幅度分別為48.9%、12.0%、10.7%、11.5%、20.5%。

2)SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO濃度均具有顯著的月變化特征，且變化規(guī)律基本一致，即1—3月濃度較高，在7—9月出現(xiàn)最低值，10月后逐漸升高。按季節(jié)劃分，5項(xiàng)因子均為冬季污染最為嚴(yán)重，這是由于冬季易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，大氣垂直方向?qū)α饔邢?，污染物難以擴(kuò)散。

3)O3的濃度隨月份呈先增后減變化趨勢(shì)，夏季濃度最高，冬季最低。這與其他5種污染物的季節(jié)特征相反，這是由于夏季氣溫較高、紫外線(xiàn)強(qiáng)烈，此環(huán)境條件下易發(fā)生光化學(xué)污染，生成O3。

4)沙塵影響嚴(yán)重，2017年焦作市經(jīng)歷沙塵天氣36 d，扣除沙塵影響后PM10質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度分別下降6.7%和5.2%。

5)PM2.5/PM10平均為59%，表明大氣顆粒物污染以PM2.5污染為主，體現(xiàn)了二次生成的污染特征。春、冬季略高于夏、秋季，這與SO2、NO2、CO的季節(jié)分布特征較為一致，表明春、冬季更易富集細(xì)顆粒，化石燃料燃燒等人類(lèi)活動(dòng)和二次污染生成的PM2.5增加。

6)大氣污染物的相關(guān)性研究表明，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO等5種污染物之間都存在正相關(guān)，其相關(guān)性與它們的污染源有關(guān)，污染來(lái)源重復(fù)越多，相關(guān)性就會(huì)越高；O3與NO2、CO等污染物存在負(fù)相關(guān)。