某國控站點(diǎn)在線顆粒物源解析及激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析

褚彥辛

(忻州市環(huán)境保護(hù)研究所，山西 忻州 034000)

在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀在重點(diǎn)考核的國控點(diǎn)位開展固定連續(xù)監(jiān)測(cè)，可以獲得不同天氣條件、不同氣團(tuán)來源的高時(shí)間分辨率PM 2.5物種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和在線源解析結(jié)果，實(shí)時(shí)甑別影響該點(diǎn)位及其所在區(qū)域PM 2.5濃度的主要污染源及其污染貢獻(xiàn)率，篩選本地污染源的代表性類別，為污染削峰降頻提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。氣溶膠激光雷達(dá)在秋冬季持續(xù)開展固定站點(diǎn)垂掃，可以初步摸清區(qū)域基本污染狀況，判別污染類型(來源)、排放強(qiáng)度、排放時(shí)間以及擴(kuò)散趨勢(shì)等信息[2]。本文采用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀和氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某重點(diǎn)考核的國控點(diǎn)位開展固定連續(xù)監(jiān)測(cè)，為其所在區(qū)域顆粒物污染管控提供科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)支撐及指導(dǎo)方向。

1 在線顆粒物源解析

1.1 監(jiān)測(cè)基本情況

2020年12月21日至27日，采用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS 05系列)在重點(diǎn)考核的國控點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)(其中，23日13:00～18:00、25日15:00至26日12:00因斷電出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失)。

1.2 監(jiān)測(cè)期間空氣質(zhì)量

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)期間PM 2.5質(zhì)量濃度均值為49 μg·m-3，最小值為19 μg·m-3，最大值為89 μg·m-3，峰值濃度出現(xiàn)在27日12:00。空氣質(zhì)量按小時(shí)均值計(jì)算，本次監(jiān)測(cè)期間空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主，占比高達(dá)94%，其次，輕度污染占比為6%，集中出現(xiàn)在12月27日。

1.3 顆粒物源解析結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)期間對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位總顆粒物數(shù)濃度貢獻(xiàn)由大到小前4位分別為燃煤源(23.4%)、二次無機(jī)源(20.4%)、機(jī)動(dòng)車尾氣源(18.6%)、工業(yè)工藝源(17.5%)，總占比為79.9%。

1.4 晝夜源解析結(jié)果對(duì)比

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位夜間PM 2.5濃度稍高于白天，其中，機(jī)動(dòng)車尾氣源和生物質(zhì)燃燒源占比夜間顯著高于白天，貢獻(xiàn)差值均高達(dá)2.6%，燃煤源占比同樣夜間高于白天，貢獻(xiàn)差值均達(dá)1.6%。二次無機(jī)源和工業(yè)工藝源占比則是白天顯著高于夜間，貢獻(xiàn)差值分別為5.6%和3.1%。晝夜源解析結(jié)果對(duì)比如第165頁圖1。

圖1 晝夜解析結(jié)果 圖2 各污染源數(shù)濃度、比例及PM 2.5質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

1.5 污染成因分析

利用SPAMS高時(shí)間分辨率的特性，可得到小時(shí)級(jí)別的顆粒物來源解析結(jié)果如第165頁圖2。

結(jié)果顯示，本次監(jiān)測(cè)期間空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主，白天PM 2.5濃度升高主要來自二次粒子轉(zhuǎn)化與工業(yè)源排放增加，夜間顆粒物濃度升高的主要成因則是燃煤源、機(jī)動(dòng)車排放源與生物質(zhì)燃燒源排放累積所致。分階段具體成因分析如下：

1)12月21日05:00至08:00出現(xiàn)PM 2.5濃度升高，峰值質(zhì)量濃度為71 μg·m-3。期間各類污染物濃度均有所增長，表現(xiàn)出污染累積特征。其中，增長最為顯著的是機(jī)動(dòng)車尾氣源，貢獻(xiàn)持續(xù)超過25%，成為首要污染來源。燃煤源貢獻(xiàn)為22.4%，為顆粒物的次要來源。

2)12月22日05:00至12:00出現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度高峰值，為72 μg·m-3。05:00至09:00主要污染源為機(jī)動(dòng)車尾氣源，占比持續(xù)高于25%，次要污染源為燃煤源，占比超過20%。之后，機(jī)動(dòng)車尾氣源和燃煤源貢獻(xiàn)明顯降低，二次無機(jī)源和工業(yè)工藝源數(shù)濃度和占比明顯升高，在12:00占比高達(dá)25%，成為主要污染源。

3)12月23日01:00至08:00時(shí)出現(xiàn)PM 2.5濃度持續(xù)高值，峰值質(zhì)量濃度為71 μg·m-3。期間各類污染物數(shù)濃度均有所增長，呈現(xiàn)污染累積特征。燃煤源和機(jī)動(dòng)車尾氣源貢獻(xiàn)持續(xù)超過20%，為主要污染成因。工業(yè)工藝源和二次無機(jī)源占比超過17%，同樣為顆粒物的重要來源。

4)12月26日夜間至27日下午出現(xiàn)持續(xù)PM2.5濃度高值，并且存在輕度污染時(shí)段。26日20:00起各類污染源數(shù)濃度均出現(xiàn)大幅增長，呈現(xiàn)污染累積特征，其中，26日夜間燃煤源和二次無機(jī)源為主要污染來源，貢獻(xiàn)超過20%，此外，20:00生物質(zhì)燃燒源貢獻(xiàn)高達(dá)19.2%，成為該時(shí)段的重要污染源之一。27日01:00至09:00顆粒物來源以燃煤源和機(jī)動(dòng)車尾氣源為主，占比持續(xù)高于20%。之后二次粒子轉(zhuǎn)化增強(qiáng)，12:00至16:00二次無機(jī)源占比超過30%。工業(yè)工藝源在12:00至13:00貢獻(xiàn)超過20%，同樣為顆粒物的主要來源。

2 氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)基本情況

2020年12月21日至27日，采用氣溶膠激光雷達(dá)在重點(diǎn)考核的國控點(diǎn)A站點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，雷達(dá)空間分辨率為7.5 m，探測(cè)距離為5.0 km。

2.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

分時(shí)段激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示如下：

1)12月21日凌晨至上午PM2.5濃度升高。20日夜間至21日上午存在持續(xù)的高空污染沉降，污染層高度迅速降低，加之21日06:00時(shí)左右本地源排放明顯增加，近地面消光系數(shù)顯著升高，本地污染集中在300 m下，出現(xiàn)持續(xù)污染層。外來傳輸與本地源排放共同導(dǎo)致上午PM2.5濃度增長。

2)12月2日凌晨至中午PM2.5濃度升高。12月22日05:00起，近地面處出現(xiàn)明顯消光系數(shù)升高，至12:00左右，在近地面300 m下持續(xù)存在污染層，本地源排放與累積為該時(shí)段PM 2.5濃度升高的主要成因。同時(shí)，在高空存在輕微的污染沉降，同樣導(dǎo)致顆粒物濃度升高。

3)12月23日凌晨至上午時(shí)段PM 2.5濃度升高。當(dāng)日雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，01:00至08:00時(shí)段存在兩次高空污染沉降過程，隨后08:00至11:00時(shí)段在近地面至600 m左右形成穩(wěn)定污染層，污染層內(nèi)各類污染物難以垂直向上擴(kuò)散，導(dǎo)致該時(shí)段PM2.5濃度升高。

4)12月26日夜間至27日下午PM 2.5濃度高值。雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，26日夜間至27日凌晨存在持續(xù)高空污染沉降過程，27日凌晨在近地面300 m下存在持續(xù)污染層，為本地源累積導(dǎo)致，近地面污染層與污染沉降逐步混合，加重近地面污染，因此該時(shí)段PM 2.5污染主要為本地源累積導(dǎo)致，疊加污染傳輸過程。

以12月27日為例，激光雷達(dá)垂直掃描觀測(cè)消光系數(shù)與退偏比如第166頁圖3a)、b)所示。

圖3 12月27日激光雷達(dá)垂直掃描觀測(cè)消光系數(shù)(上圖)與退偏比(下圖)

3 總結(jié)及建議

3.1 顆粒物污染特征

2020年12月21日至27日，通過采用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀和氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某重點(diǎn)考核的國控點(diǎn)位開展固定連續(xù)監(jiān)測(cè)，得到如下結(jié)論：

1)監(jiān)測(cè)期間質(zhì)量濃度均值為49 μg·m-3，最小值19 μg·m-3，最大值89 μg·m-3，空氣質(zhì)量按小時(shí)均值計(jì)算，輕度污染占比為6%。

2)監(jiān)測(cè)期間總顆粒物數(shù)濃度貢獻(xiàn)占比前三的污染源依次為燃煤源(23.4%)、二次無機(jī)源(20.4%)和機(jī)動(dòng)車尾氣源(18.4%)，此外，工業(yè)工藝源占比高達(dá)17.5%，同樣為顆粒物的主要來源。

3)監(jiān)測(cè)期間顆粒物濃度在夜間稍高于白天，機(jī)動(dòng)車尾氣源和生物質(zhì)燃燒源占比夜間顯著高于白天，貢獻(xiàn)差值均高達(dá)2.6%。二次無機(jī)源和工業(yè)工藝源占比則是白天顯著高于夜間，貢獻(xiàn)差值分別為5.6%和3.1%。

4)監(jiān)測(cè)期間白天PM 2.5濃度升高主要源自二次粒子轉(zhuǎn)化與工業(yè)源排放，夜間PM 2.5主要源自燃煤源、機(jī)動(dòng)車排放源與生物質(zhì)燃燒源排放。

5)夜間至凌晨時(shí)段顆粒物濃度升高主要為外來傳輸與本地源累積為主，上午時(shí)段本地源排放增加，進(jìn)一步加重污染。

3.2 污染源管控建議

基于以上監(jiān)測(cè)分析，為降低顆粒物污染濃度，建議該國控站點(diǎn)所在區(qū)域應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車污染管控，加強(qiáng)散煤燃燒控制，開展工業(yè)企業(yè)專項(xiàng)監(jiān)管檢查，加強(qiáng)揚(yáng)塵綜合治理等管控措施。