利用SPAMS解析PM2.5污染成因及特征

祖彪

摘 要：利用單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀在沈陽市2017年春節(jié)期間進行監(jiān)測，通過自適應共振神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法（Art-2a）對數(shù)據(jù)進行分析，得出春節(jié)期間PM2.5化學組分和來源，探討煙花爆竹集中燃放對PM2.5的污染貢獻和離子特征。結(jié)果表明，春節(jié)期間PM2.5化學組分以含碳顆粒為主，占79.2%；PM2.5來源占比前三位的為：燃煤（31.9%）、其他源類（17.8%）、二次無機源（16.6%），其中其他源類主要包含煙花爆竹燃放。

關鍵詞：沈陽市 春節(jié)期間 SPAMS PM2.5

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0123-02

春節(jié)期間大量煙花爆竹集中燃放，釋放大量污染物，導致局地污染物濃度急劇攀升[1]。煙花爆竹燃放帶來的環(huán)境影響及對人體健康可能造成的危害引起了人們的重視，國內(nèi)學者對春節(jié)期間大氣顆粒污染特征及成因開展了大量研究，王占山等[2]對2014年春節(jié)期間北京市空氣質(zhì)量分析時表明，煙花爆竹燃放對PM10和PM2.5的影響最為顯著，短時間可使顆粒物濃度達到平時的1.5～3.2倍。Wang等[3]對2006年北京市元宵節(jié)期間氣溶膠化學成分的研究表明，燃放爆竹的夜晚氣溶膠

中一次成分含量（ 如Ba、K、Sr、Pb、Mg等） 和二次成分（如SO42-和NO3-）比正常情況下高出5倍以上。

目前，針對沈陽市春節(jié)期間PM2.5污染特征的研究較少。本研究選取2017年春節(jié)期間PM2.5作為研究對象，利用單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀（SPAMS）分析其化學組分及來源，探討煙花爆竹燃放對PM2.5的影響。

1 研究方法

1.1 樣品采集

采樣地點位于沈陽市東陵區(qū)雙園路30甲遼寧省環(huán)保科學園內(nèi)，采樣時間為2017年1月25日13：00～2017年1月31日22：00（農(nóng)歷二十八至正月初四），連續(xù)監(jiān)測154h。監(jiān)測儀器為單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀（簡稱“SPAMS”）。

1.2 SPAMS工作原理

氣溶膠顆粒通過0.1 mm的微孔片進入真空系統(tǒng)，在空氣動力學透鏡的作用下聚焦成粒子束，隨后逐一進入測徑區(qū)，通過光電倍增管檢測顆粒物經(jīng)過兩個連續(xù)的532nm的激光的時間，從而獲得顆粒物的飛行速度，通過PSL小球粒徑校正曲線得到顆粒物的空氣動力學直徑，然后顆粒物到達電離區(qū)中心被266nm的紫外脈沖激光電離，電離產(chǎn)生的正負離子分別被雙極飛行時間質(zhì)量分析器檢測，獲得單個氣溶膠粒子的正負質(zhì)譜圖[4]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本文通過SPAMS的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用自適應共振神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法（Art-2a）對SPAMS采集的數(shù)據(jù)進行了成分分類，分類過程中使用的分類參數(shù)為：相似度0.7，學習效率0.05。分類后，在根據(jù)化學成分特征人為將這些顆粒類型合并，最終確定了7類顆粒物，分別為：元素碳、混合碳、有機碳、富鉀顆粒、左旋葡聚糖顆粒、礦物質(zhì)和重金屬。依據(jù)PM2.5各類排放源的指紋特征，定義出每一類源的搜索程序，對所監(jiān)測的顆粒逐個進行歸類，計算出各類源的貢獻占比。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 PM2.5化學成分分析

根據(jù)顆粒物的質(zhì)譜特征，化學成分劃分為七種類型，按照占比大小依次是：有機碳（43.9%）、混合碳（22.2%）、元素碳（13.1%）、左旋葡聚糖（10.4%）、富鉀顆粒（5.8%）礦物質(zhì)元素（4.2%）、重金屬（0.4%）。說明春節(jié)期間的顆粒物的化學組成以含碳顆粒為主。

通過對PM2.5各化學成分顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)比例隨時間變化趨勢分析表明：26日（農(nóng)歷二十九）的顆粒物中元素碳占比相對高于其他時段，而有機碳占比相對低于其他監(jiān)測時段；自27日（除夕）開始，有機碳和混合碳的占比增加并持續(xù)穩(wěn)定在較高的占比狀態(tài)；富鉀顆粒和左旋葡聚糖的占比在27日之后也相對增加；重金屬顆粒占比在28日（初一）至29日（初二）上午出現(xiàn)整個監(jiān)測時段的峰值狀態(tài)。

2.2 PM2.5來源分析

基于監(jiān)測結(jié)果，參照《大氣顆粒物來源解析技術指南》，將PM2.5污染來源歸結(jié)為七大類，按照占比大小依次是：燃煤（31.9%）、其他源類（17.8%）、二次無機源（16.6%）、機動車尾氣（14.0%）、生物質(zhì)（秸稈）燃燒（12.8%）、工業(yè)工藝源（4.6%）和揚塵（2.3%）。

由于對煙花爆竹燃放源譜的未知，來源結(jié)果中不能得出煙花爆竹燃放的占比，但是其他源類的占比顯著高于平時，筆者認為其他源類中主要包含煙花爆竹燃放。

2.3 除夕夜污染過程分析

除夕夜0時至11時，PM2.5小時值明顯增加，由之前的優(yōu)良狀態(tài)增加至中度污染以上。為了對比分析，將除夕夜0-11時確定為高污染時段，全時段為整個監(jiān)測時段。

來源分析結(jié)果表明：高污染時段PM2.5來源的組成與全時段基本一致，占比前三位的仍為燃煤（29.8%）、其他源類（21.8%）、二次無機源（12.1%），其他源類占比增加主要是由于煙花爆竹燃放所致。

離子分析結(jié)果表明：爆竹煙花燃放集中的高污染時段和全時段相比，6種離子數(shù)濃度顯著增加，詳見表1。從表1可以看出，高污染時段采集到的表征鋇離子（Ba+，m/z=138，139）和鍶離子（Sr+，m/z=88）顆粒總數(shù)占全時段的顆粒總數(shù)的比例均超過50%，分別達59.0%和55.5%；鋁離子（Al+，m/z=27）、鉀離子（K+，m/z=39）、氯化二鉀（K2cl+，m/z=113）和鎂離子（Mg+，m/z=24）等4種離子的顆粒占比也較高，在10%左右。鋇離子和鍶離子，在高污染時段采集到的平均顆粒數(shù)是全時段小時均值的7倍以上，其他4種離子也在1.2～1.5倍之間。

3 結(jié)論

（1）沈陽市2017年春節(jié)期間PM2.5化學成分以碳組分為主，含碳顆粒數(shù)量占比為79.2%，其中有機碳（43.9%）、混合碳（22.2%）、元素碳（13.1%）。

（2）春節(jié)期間PM2.5來源占比前三位的為：燃煤（31.9%）、其他源類（17.8%）、二次無機源（16.6%），其他源類的占比顯著高于平時，主要是由于煙花爆竹燃放所致。

（3）除夕夜0-11時PM2.5質(zhì)量濃度明顯增加，此時段PM2.5來源構成與全時段基本一致；煙花爆竹燃放可使鋇、鍶、鋁、鉀、鎂等金屬離子顯著增加。

參考文獻

[1] 姚青，劉敬樂，韓素芹，等.天津城區(qū)春節(jié)期間大氣氣溶膠污染特征和數(shù)濃度分布[J].氣象，2016，42（4）：443-449.

[2] 王占山，張大偉，李云婷，等. 2014年春節(jié)期間北京市空氣質(zhì)量分析[J].環(huán)境科學學報，2015，35（2）：371-378.

[3] Wang Y， Zhang G S， Xu C， et.al. The air pollution caused by the buming of fireworks during the lantern festival in Beijing[J]. Atmospheric Environment，2007，41（2）：417-431.

[4] 李梅，李磊，黃正旭，等.運用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術初步研究廣州大氣礦塵污染[J].環(huán)境科學研究， 2011，24（6）：632-636.