許 可，王 亮

(1.鄭州市鞏義生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)室，河南 鄭州 451200； 2.河南省濟(jì)源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 濟(jì)源 454650)

隨著各種社會(huì)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的開(kāi)展和進(jìn)行，其在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，與此同時(shí)也產(chǎn)生了各種破壞行為，導(dǎo)致各種環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重[1]。近地面臭氧污染產(chǎn)生原因是地面工業(yè)生產(chǎn)排放廢氣以及機(jī)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行排放的尾氣等。這些工業(yè)廢氣或者尾氣與太陽(yáng)紫外線一旦接觸，就會(huì)在光化學(xué)反應(yīng)下生成臭氧。當(dāng)臭氧濃度超過(guò)一定的限制，就會(huì)產(chǎn)生地面臭氧污染。臭氧污染產(chǎn)生的危害巨大，例如對(duì)于人或動(dòng)物等生命體來(lái)說(shuō)，臭氧濃度過(guò)大，會(huì)破壞其呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等，造成呼吸困難、頭暈?zāi)垦?、甚至發(fā)生癌變[2]。對(duì)于地面上的植物來(lái)說(shuō)，臭氧濃度過(guò)大，會(huì)直接影響植物生長(zhǎng)，造成植物死亡、減產(chǎn)。此外，臭氧濃度過(guò)大，還會(huì)影響某些材料制品(如橡膠、乳膠、棉花等)的使用壽命，造成老化[3]?；谏鲜霰尘?，監(jiān)測(cè)與分析地面臭氧濃度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)專家和學(xué)者都針對(duì)臭氧濃度監(jiān)測(cè)與分析進(jìn)行了研究，并提出了自己的見(jiàn)解。例如，鄭小華等[4]以汾渭平原作為研究區(qū)，以2015—2019年臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了不同時(shí)間尺度下研究區(qū)內(nèi)11個(gè)重點(diǎn)城市的臭氧濃度時(shí)空變化特征。通過(guò)該研究確定了臭氧污染嚴(yán)重的地區(qū)和時(shí)間，為污染治理提供了可靠的參考數(shù)據(jù)，但是該研究也存在一定的不足之處，即時(shí)間尺度較短，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，難以支撐長(zhǎng)時(shí)間的臭氧濃度分析的需要。Grange S K等[5]以2020年2—7月期間歐洲102個(gè)城市地區(qū)和34個(gè)國(guó)家246個(gè)環(huán)境空氣污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析了這些地區(qū)臭氧污染的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析得出，NO2的減少被O3的增加所取代。通過(guò)該研究和分析，為O3防控提供了有效的參考，實(shí)現(xiàn)了O3濃度預(yù)警。但是在該研究中并沒(méi)有給出具體的防控措施，缺乏研究的完整性。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，本文對(duì)地面臭氧濃度展開(kāi)中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并研究了相關(guān)的臭氧污染整治措施，具體研究思路如下：①在選定研究區(qū)域后，布設(shè)臭氧檢測(cè)儀采集一定區(qū)間內(nèi)的臭氧濃度數(shù)據(jù)；②對(duì)采集到的數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，分析內(nèi)容包括臭氧濃度變化特征、判斷臭氧污染程度；③根據(jù)分析結(jié)果，提出對(duì)內(nèi)和對(duì)外2種臭氧污染整治方法。

1 地面臭氧濃度中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究

地面臭氧是污染煙氣發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。一旦臭氧濃度超過(guò)一定的限值，就會(huì)發(fā)生臭氧污染，而臭氧污染會(huì)給當(dāng)?shù)厝祟?、?dòng)植物都會(huì)造成極大影響[6]。面對(duì)這種情況，進(jìn)行地面臭氧濃度中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)十分重要，有利于及時(shí)防控，減少損失和危害。

1.1 研究區(qū)域概況

以圖1所劃分的區(qū)域作為研究區(qū)，開(kāi)展地面臭氧濃度中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作。該研究區(qū)位于河南省境內(nèi)，共包括15個(gè)城鎮(zhèn)。該區(qū)域的具體情況見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)具體情況Tab.1 Specific conditions of the study area

圖1 研究區(qū)示意Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 臭氧濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備

針對(duì)地面臭氧污染，本研究利用臭氧檢測(cè)儀對(duì)其展開(kāi)監(jiān)測(cè)。該儀器根據(jù)摩爾吸收系數(shù)、吸收層厚度、吸光度以及透射比完成對(duì)臭氧濃度數(shù)值的監(jiān)測(cè)[7]。該儀器在完成采集之后，將檢測(cè)過(guò)程中測(cè)得的數(shù)據(jù)直接通過(guò)LCD顯示，并且可以通過(guò)儀器后面的數(shù)字通信接口上報(bào)數(shù)據(jù)[8]。臭氧檢測(cè)儀具體功能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 臭氧檢測(cè)儀具體功能參數(shù)Tab.2 Specific functional parameters of ozone detector

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是臭氧檢測(cè)儀在圖1研究區(qū)的布設(shè)方案。由于需要長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須合理[9]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)需要遵循以下幾點(diǎn)原則：①監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要盡量覆蓋住全部的研究區(qū)。其中，工業(yè)密集區(qū)、人口密集區(qū)等要適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)；而像城市郊區(qū)和農(nóng)村等人類活動(dòng)較少的地區(qū)要適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)[10-11]。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是越容易發(fā)生臭氧污染的區(qū)域越要設(shè)置更多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。②監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)要參考風(fēng)向和風(fēng)速，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最好布設(shè)在下風(fēng)向，在上風(fēng)向可以少布設(shè)一點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[12]。③監(jiān)測(cè)點(diǎn)要盡量布設(shè)在平坦開(kāi)闊的地區(qū)，最好沒(méi)有高大建筑物或者樹(shù)木遮擋。④監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)條件要盡量做到統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化，這樣采集到的數(shù)據(jù)在后期才能進(jìn)行對(duì)比[13-14]。目前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式包括4種?？紤]到圖1研究區(qū)內(nèi)工廠分布、風(fēng)向、風(fēng)速以及氣候等因素的影響，采用同心圓布點(diǎn)法和扇形布點(diǎn)法來(lái)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。按照這2種布點(diǎn)模式在圖1研究區(qū)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Network design scheme of monitoring points in the study area

1.4 地面臭氧濃度監(jiān)測(cè)

在布設(shè)完監(jiān)測(cè)點(diǎn)，調(diào)試臭氧檢測(cè)儀后，在3～15 m；采樣頻率1次/d；2016—2020年，采集地面臭氧濃度數(shù)據(jù)，然后計(jì)算每個(gè)月的平均臭氧濃度值和每年的平均臭氧濃度值，以此為依據(jù)進(jìn)行后期的臭氧濃度變化特征分析[15-16]。以圖1研究區(qū)中城鎮(zhèn)1為例，采集到地面臭氧濃度數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 城鎮(zhèn)1地面臭氧濃度數(shù)值Tab.3 Ground ozone concentration value of Urban 1

采集研究區(qū)內(nèi)其他14個(gè)城鎮(zhèn)臭氧濃度值，為后續(xù)地面臭氧污染程度分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.5 地面臭氧污染程度標(biāo)準(zhǔn)

參照我國(guó)GB/T 34302—2017《地面臭氧預(yù)警等級(jí)》，在本章節(jié)將地面臭氧污染程度劃分4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4。

表4 地面臭氧污染程度標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Ground ozone pollution standard

1.6 地面臭氧污染特征分析

根據(jù)采集到的臭氧濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析圖1研究區(qū)臭氧污染特征，具體如圖3所示。從圖3中可以看出，①2016—2018年，研究區(qū)內(nèi)各個(gè)城鎮(zhèn)的地面臭氧濃度雖然有所增長(zhǎng)，但是幅度較小，污染程度并沒(méi)有發(fā)生較大的變化，各城鎮(zhèn)的臭氧污染程度一直處在低等級(jí)。因此，研究區(qū)內(nèi)臭氧環(huán)境是安全的、正常的。②2019年，各個(gè)城鎮(zhèn)的地面臭氧濃度有所增長(zhǎng)且幅度較大，其中城鎮(zhèn)3和城鎮(zhèn)2濃度超過(guò)低限值，進(jìn)入較高限值，這兩個(gè)區(qū)域的臭氧污染程度進(jìn)入黃色預(yù)警，因?yàn)檫@2個(gè)區(qū)域在2019年這一年新增了一家工廠，再加上原有工廠的廢氣排放，導(dǎo)致臭氧濃度上升。③2020年，各個(gè)城鎮(zhèn)的地面臭氧濃度仍有所增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)3和城鎮(zhèn)2臭氧污染仍沒(méi)有得到有效改善，并使得與之相鄰的城鎮(zhèn)1、4、9臭氧濃度開(kāi)始大幅度增長(zhǎng)，雖然還沒(méi)有進(jìn)入較高范圍，但是已經(jīng)面臨危險(xiǎn)，因此亟待對(duì)城鎮(zhèn)3和城鎮(zhèn)2地區(qū)的臭氧污染進(jìn)行整治，防止污染繼續(xù)蔓延，影響周邊其他城鎮(zhèn)環(huán)境。

圖3 地面臭氧濃度以及污染程度Fig.3 Ground ozone concentration and pollution degree

2 地面臭氧污染治理技術(shù)

針對(duì)地面臭氧污染問(wèn)題，研究提出對(duì)內(nèi)和對(duì)外2種治理方法。

2.1 對(duì)內(nèi)的地面臭氧污染治理技術(shù)

對(duì)內(nèi)是指從根源上解決臭氧污染。臭氧的產(chǎn)生離不開(kāi)氮氧化物與紫外線，只要破壞臭氧產(chǎn)生的條件，即可阻止地面臭氧污染[17-18]。結(jié)合研究區(qū)臭氧產(chǎn)生的主要來(lái)源，即工業(yè)廢氣的排放，在這里采集的治理技術(shù)即為工業(yè)廢氣中氮氧化物的控制技術(shù)。只要控制廢氣中氮氧化物的排放量，就能極大減少臭氧的生成[19]。控制與處理方法見(jiàn)表5。

表5 地面臭氧污染治理—氮氧化物控制與處理技術(shù)Tab.5 Ground ozone pollution control-NOx control and treatment technology

2.2 對(duì)外的地面臭氧污染治理技術(shù)

對(duì)外是指從外部大環(huán)境上改善臭氧污染問(wèn)題。結(jié)合研究區(qū)臭氧產(chǎn)生的主要來(lái)源，即工業(yè)廢氣的排放，可以采取重新規(guī)劃工廠布局方案，以降低地面臭氧污染的危害[20]。將工程規(guī)劃到影響最小的地區(qū)，可以有效規(guī)避臭氧尾氣。工廠布局規(guī)劃方案設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 工廠布局規(guī)劃方案設(shè)計(jì)流程Fig.4 Design flow of plant layout planning scheme

經(jīng)過(guò)上述內(nèi)外的全面治理，能有效控制臭氧濃度，降低臭氧污染濃度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其排放的廢氣若不能進(jìn)行合理的凈化，其廢氣中的氮氧化物遇到太陽(yáng)光會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧，而一旦臭氧濃度超過(guò)一定范圍，就會(huì)發(fā)生污染，對(duì)人、動(dòng)物、植物都會(huì)產(chǎn)生極大的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究旨在通過(guò)對(duì)地面臭氧濃度展開(kāi)中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析相關(guān)區(qū)域的臭氧濃度長(zhǎng)期變化特征，從而設(shè)計(jì)針對(duì)性的臭氧污染整治措施，提高臭氧污染治理效果。本文研究主要分為2部分進(jìn)行，對(duì)研究區(qū)臭氧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果提出臭氧污染治理方法。然而，由于研究時(shí)間等條件的限制，研究仍具有提升空間，在未來(lái)的工作中，針對(duì)文中提出的臭氧整治措施的實(shí)施效果有待進(jìn)一步的對(duì)比驗(yàn)證。