太原市冬季SO2、PM10和PM2.5濃度城郊變化特征研究

王浩宇 王三平 郭志明 韓 震 鞏鑫磊 李 楊

(中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

當前我國的大氣環境形勢十分嚴峻，在傳統煤煙型污染尚未得到有效控制的情況下，以細顆粒物(PM2.5)等為特征的區域性復合大氣污染日益增多，制約社會經濟的發展，威脅人民群眾身體健康［1］。太原市作為能源大省山西省的省會，地處山西省的中部太原盆地，屬于傳統重工業城市，由于其特殊的工業結構及地形條件，大氣污染較為嚴重。根據國家重點區域大氣污染防治十二五規劃，太原市屬于山西省北中部城市群重點控制區，本文收集和整理了太原市區冬季環境質量數據，分析了SO2、PM10和PM2.5的濃度變化污染特征，可為太原市冬季空氣污染狀況分析及大氣環境管理提供一定借鑒和依據。

1 數據來源

本文所利用的SO2、PM10和PM2.5濃度來自中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺對外發布的太原市上蘭和小店的空氣質量實時數據，平臺根據《環境空氣質量標準》(GB3095－2012)的有關規定，發布全國空氣質量狀況。數據采集時段為2013年12月21日至2014年1月22日，每日記錄了上一日11 時至當日10 時的SO2、PM10和PM2.5的24 小時濃度均值，各項大氣污染物共采集了30 個有效數據。上蘭監測點位于太原市區西北部，位于城區主導風向的上風向，屬于城市郊區，人口稀疏，交通流量小，屬于清潔對照點。小店監測點位于太原市區南部，位于城區主導風向的下風向，屬于市區內部人口擁擠，交通密集區域。

2 結果與分析

2.1 濃度值變化分析

2.1.1 SO224 小時濃度平均值變化

在兩個監測點采樣結果可知，上蘭監測點SO2濃度為11～140μg/m3，平均值為51.5μg/m3，SO224 小時平均值國家二級標準為150μg/m3，上蘭監測點位超標率為0，小店監測點SO2濃度為24～321μg/m3，平均值為149.6μg/m3，超標率為53.3%，見表1 所示。

監測期間位于采暖期，SO2超標主要受工業企業和居民燃煤采暖排放SO2影響。由于上蘭監測點周邊工業企業、居民區較少且位于城區上風向，而小店監測點周邊工業企業和居民區較多且位于下風向，SO2濃度污染較上蘭監測點嚴重。上蘭監測點和小店監測點地形條件、氣象條件基本一致，兩個監測點SO2濃度變化趨勢基本一致。如圖1 所示。

表1 SO224 小時濃度值監測結果

2.1.2 PM1024 小時濃度平均值變化

PM10指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于10μm 的顆粒物，也稱可吸入顆粒物［2］，PM10可通過呼吸道進入人體，引發許多疾病。在兩個監測點采樣結果可知，上蘭監測點PM10濃度為33－144μg/m3，平均值為69.8μg/m3，PM1024 小時平均值國家二級標準為150μg/m3，上蘭監測點位超標率為0，小店監測點PM10濃度為56～275μg/m3，平均值為136.3μg/m3，超標率為36.7%，監測結果見表2。

圖1 SO2 24 小時的平均值月變化

表2 PM10 24 小時濃度值監測結果

PM10主要來源于燃煤、冶金、化工、內燃機等污染源排放的顆粒物，總體而言，小店監測點PM10濃度污染較清潔對照點上蘭監測點嚴重，而兩監測點PM10濃度變化趨勢基本一致。

圖2 PM10 24 小時的平均值月變化

2.1.3 PM2.524 小時濃度平均值變化

PM2.5指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm 的顆粒物，也稱細顆粒物［2］，細顆粒物來源復雜，約50%來自燃煤、機動車、揚塵、生物質燃燒等直接排放的一次細顆粒物;約50%是空氣中二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物等氣態污染物經過復雜化學反應形成的二次細顆粒物。PM2.5是典型的大氣累積性的復合污染形態［3］。由于體積小，重量輕，PM2.5可以在空氣中滯留很長的時間，而其巨大的比表面積能吸附更多的細菌、病毒、重金屬等各種對人體有害的污染物［4］。

在兩個監測點采樣結果可知，上蘭監測點PM2.5濃度為13～110μg/m3，平均值為43.1μg/m3，PM2.524 小時平均值國家二級標準為75μg/m3，上蘭監測點位超標率為13.3%，小店監測點PM2.5濃度為13－183μg/m3，平均值為76.3μg/m3，超標率為46.7%。結果見下表3所示。由圖3 可知，總體而言，小店監測點PM2.5濃度污染較清潔對照點上蘭監測點嚴重，而兩監測點PM2.5濃度變化趨勢基本一致，同時與PM10的濃度變化趨勢也基本一致。

2.1.4 PM2.5/PM1024 小時平均濃度比值變化

在兩個監測點采樣結果可知，上蘭監測點PM2.5/PM10濃度比值為0.22～0.83，平均值為0.59，小店監測點PM2.5/PM10濃度比值為0.19～0.80，平均值為0.52。比值結果見表4。有研究表明，污染越重的地區PM2.5/PM10濃度比值也越大，污染較輕的城市比值在0.3～0.4 之間，而污染較重的在0.5～0.7 之間［5］。兩監測點位監測期間PM2.5/PM10濃度比值范圍為0.19～0.83，污染程度不同，既有重污染日又有輕污染日。兩監測點PM2.5/PM10濃度比值變化趨勢基本一致，說明兩監測點污染程度變化趨勢基本一致，區域污染物的來源相同或相近，見圖4。

表3 PM2.5 24 小時濃度值監測結果

表4 PM2.5/PM10濃度比值結果

圖3 PM2.5 24 小時的平均值月變化

圖4 PM2.5和PM10 24 小時的平均值月變化

2.2 污染物相關性分析

2.2.1 PM2.5與PM10相關性分析

通過對PM10與PM2.5濃度之間的相關性分析，可以初步判斷兩者是否來自相同的污染源，還可以根據PM 10的質量濃度來估算PM2.5的質量濃度［6］。

將PM 2.5和PM10的24 小時平均濃度做相關分析(見圖5)。根據最小二乘法分別對兩個監測點PM2.5做回歸方程，得到線性方程。小店監測點PM2.5=0.7185PM10－ 21.606，上蘭監測點方程為PM2.5=0.9058PM10－20.157。相關系數分別為R 小店=0.97，R 上蘭=0.90，均為高度相關。表明二者的污染來源基本相同或相近。

圖5 PM2.5與PM10濃度相關曲線

2.2.2 PM2.5與SO2相關性分析

將PM2.5和SO224 小時平均濃度做相關分析(如圖6)。根據最小二乘法分別對兩個監測點PM2.5做回歸方程，得到線性方程。小店監測點PM2.5=0.5119SO2－0.294，上蘭監測點方程為PM2.5=0.6469SO2+9.76。相關系數分別為R 小店=0.88，R 上蘭=0.84，均為高度相關。表明PM2.5與SO2的關系較為密切，有研究表明，太原市目前仍屬于燃煤型污染［7］，燃煤排放細顆粒物和SO2往往具有顯著的正相關關系。

圖6 PM2.5與SO2 濃度相關曲線

3 結 論

當前我國的大氣環境形勢十分嚴峻，在傳統煤煙型污染尚未得到有效控制的情況下，以細顆粒物(PM2．5)等為特征的區域性復合大氣污染日益增多，制約社會經濟的發展，威脅人民群眾身體健康。太原市作為能源大省山西省的省會，地處山西省的中部太原盆地，屬于傳統重工業城市，由于其特殊的工業結構及地形條件，大氣污染較為嚴重。根據國家重點區域大氣污染防治“十二五”規劃，太原市屬于山西省北中部城市群重點控制區，本文收集和整理了太原市區冬季環境質量數據，分析了SO2、PM10和PM2．5的濃度變化污染特征，可為太原市冬季空氣污染狀況分析及大氣環境管理提供一定借鑒和依據。主要研究結論如下:

(1)上蘭監測點SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度范圍分別為11～140μg/m3、33～144μg/m3和13～110μg/m3，超標率分別為0，0 和13.3%;在小店監測點SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度范圍分別為24～321μg/m3、56～275μg/m3和13～183μg/m3，超標率分別為53.3%，36.7%和46.7%。

總體而言，上蘭空氣質量污染較輕，小店污染較重。這是由于冬季為采暖期，污染源來源于工業污染、燃煤煙氣、機動車尾氣等。上蘭監測點位于城區主導風向的上風向，周邊工業企業、居民區、城市道路分布較少，而小店監測點位于太原市區中南部，位于城區主導風向的下風向，屬于城市工業、人口、交通道路密集地區。

(2)盡管SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度城郊差異明顯，但城郊地形條件、氣象條件基本一致，因此，城郊各污染物濃度月變化曲線趨勢基本一致。

(3)雖然城郊PM2.5和PM10的污染程度不同，但PM2.5和PM10的比值范圍與均值差別較小，PM2.5和PM10的比值變化趨勢基本一致，說明城郊污染程度變化趨勢基本相同，區域顆粒物污染物的來源相同或相近。

(4)通過相關性分析表明，太原冬季PM2.5分別與PM10和SO2均為高度相關的正相關關系，三者的污染源存在較大一致性，區域污染主要以燃煤排放大氣污染物為主要特征。

［1］環境保護部．重點區域大氣污染防治“十二五”規劃，2012．10．

［2］環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局．環境空氣質量標準(GB3095－2012)．中國環境科學出版社，2012．

［3］徐映如，王丹俠，張建文．PM10和PM2．5危害、治理及標準體系的概況．職業與健康，2013，1:117－119．

［4］李廣德，李效文．北京市區春夏PM2．5和PM10濃度變化特征研究．環境科學與管理，2013，38(5):52－56．

［5］徐敬，丁國安，顏鵬，等．北京地區PM2．5的成分特征及來源分析．應用氣象學報，2007，18(5):645－654．

［6］郭清彬，程學豐，侯輝，等．冬季大氣中PM10和PM2．5污染特征及形貌分析．中國環境監測，2010，26(4):55－58．

［7］李瑞金，耿紅，蔡宗葦，等．太原市冬季PM2．5中多環芳烴、硝基多環芳烴、和NO 3－的污染特征．建材技術與應用，2014，1:12－15．