PM2.5在線源解析質譜監測系統在某國控站點的應用研究

南瑞賢

(山西省生態環境監測和應急保障中心，山西 太原 030027)

PM2.5污染控制是環境保護工作的重要內容之一，分析其化學組成特征和識別出污染來源是防治PM2.5的關鍵所在[1]。近年來，隨著國務院《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》(國發〔2018〕22號)等一系列持續開展大氣污染防治行動方案出臺，我國各地市細顆粒物(PM2.5)濃度及重污染天數明顯降低，人民群眾藍天獲得感、幸福感明顯提高。然而，PM2.5來源十分復雜，既有人為源排放又有天然源排放，既有有組織源排放又有無組織開放源排放，既有一次排放的顆粒物來源又有經過化學反應形成的二次顆粒物來源。因此，在PM2.5的來源分析中存在著“三個不清楚”問題，即來源不清楚、貢獻不清楚、變化不清楚，對大氣顆粒物排放源實行分類控制，定量解決“三個不清楚”問題是環境管理的當務之急。

本文基于建立的本地化顆粒物污染源譜庫，以在線單顆粒質譜法為主線技術，在某國控點位開展固定連續監測，獲得不同污染程度、不同變化過程的高時間分辨率PM2.5在線源解析數據，結合監測點位PM2.5小時質量濃度和氣象條件，分析不同污染程度下PM2.5來源分析及PM2.5上升過程源解析結果，為顆粒物污染控制提供科學依據。

1 PM2.5在線源解析質譜監測系統

1.1 設備簡介及組成

PM2.5在線源解析質譜監測系統包括三部分：在線單顆粒氣溶膠質譜儀(簡稱SPAMS)、污染源譜庫和“指紋”比對模型。在線源解析的基礎在于指紋特征差異化的污染源譜庫，比如機動車尾氣、燃煤、工藝工業等的譜圖，這些譜圖相當于每一個污染源的“指紋”，當儀器在某地進行監測時，與儀器配套的模型比對系統會自動將實時測到的每個顆粒物特征與譜庫中的譜圖進行比對，即“指紋”比對，及時判斷出顆粒物的來源。在線單顆粒氣溶膠質譜儀，如圖1所示。

圖1 在線單顆粒氣溶膠質譜儀

1.2 管理功能及意義

在線單顆粒氣溶膠質譜儀具有如下功能和監測意義：

1) 掌握重點區域PM2.5來源，明確治理方向。掌握重點區域顆粒物來源，便于差異化管控整體掌握重點區域，以及區域中不同類型功能區(如工業區、居民區、生態保護區等)大氣顆粒物的大類源分配情況，明確治理方向[2]。

2) 及時判定污染過程成因，提供監管指向。利用單顆粒質譜高時間分辨率的優勢，可分析污染過程中逐小時的顆粒物成分及來源隨顆粒物濃度變化情況，結合氣象條件、污染源分布及現場巡查，判斷污染成因。

3) 分析異常升高時段原因，實現污染削峰。根據高時間分辨率成分及來源結果，結合高時間分辨率氣象及輔助數據(風向、風速、氣態污染物、污染源分布等)，剖析長期異常的點位異常原因，尤其是其異常時段相對于正常時段的差異，提供精準管控指向。

4) 評估措施的管控效果，動態調控，持續改進。針對污染管控措施，通過實時評估及后評估兩種形式，評估污染管控成效，與調控措施制定結合，實現正向循環和持續改進。

2 PM2.5在線源解析質譜監測系統在某國控點的應用

2.1 某國控站點監測基本信息

2019年12月16日22時～25日9時，在某市新城區國控點位進行監測。監測期間主導風向為北、東北和東南風，風速在2 m/s～4 m/s，平均2.6 m/s。監測點位周邊以行政住宅區及教育辦公區為主，除東南側6.8 km處為一發電有限責任公司，不存在較多的工業企業，但是點位周邊均為新城區主干道，來往車流量較大，同時由于點位位于新城區，與老城中心有一段距離，因此點位北側1.1 km、東側2.4 km左右處分別為一高速、省道。

2.2 整體PM2.5成分及來源分析

監測期間顆粒物數濃度與質量濃度小時均值變化趨勢較為一致，說明SPAMS的數濃度變化趨勢反映大氣污染狀況的代表性較好。根據該國控點的空氣質量六參數及氣象數據可知，監測期間點位PM2.5、CO濃度高值集中在靜穩天氣下，NO2濃度高值集中在點位東北側和西北側，O3濃度高值集中在點位東北偏北側，PM10濃度高值集中在點位周邊及北側，SO2濃度高值集中在點位北側。同時，根據監測期間監測點位細顆粒物主要成分及來源分析，推測出期間受機動車尾氣、燃煤源和二次無機源的影響較大。

2.3 不同污染程度下污染來源分布

為掌握該國控站點不同污染程度下污染來源分布，充分利用SPAMS高時間分辨率的特點，提取監測期間不同污染天氣(等級)下的源解析結果，具體如表1和圖2所示。

表1 不同污染程度污染源比例統計

圖2 不同PM2.5污染等級下源解析結果

由表1及圖2可知，總體看來，隨著PM2.5質量濃度從良等級的60 μg/m3上升至重度污染的186 μg/m3，主要表現為機動車尾氣占比的大幅上升，從23.5%上升至35.4%，升幅為11.9個百分點；在優良及輕度污染天氣時，燃煤源為首要污染源，占比均在30%以上；揚塵源、生物質燃燒源的占比隨著污染等級的提升而下降；工業工藝源占比在各污染等級下均保持在14.1%～14.9%范圍之內；二次無機源占比在各污染等級下沒有較為明顯的變化規律。

2.4 PM2.5上升過程源解析結果分析

2019年12月18日～25日期間，該國控點位點位PM2.5質量濃度呈波動變化趨勢，19日19時～22日16時期間總體為中度污染，期間PM2.5峰值達185 μg/m3；之后又于22日17時～25日9時出現重度污染過程，PM2.5峰值達236 μg/m3。將18日～25日的PM2.5源解析結果分為以下3個時段進行分析，如表2和第200頁圖3所示。

表2 PM2.5上升過程時段統計

由表2及圖3可知，第1個時段內PM2.5濃度均值為64 μg/m3，污染等級為良，主要污染源為燃煤(33.7%)、機動車尾氣(24.6%)和工業工藝(14.7%)；第2個時段內PM2.5濃度均值為129μg/m3，污染等級為中度污染，相較于時段1，二次無機源大幅上升了8.3個百分點，增長率達76.8%，機動車尾氣源小幅上升了2.3個百分點。結合氣象數據，時段2期間內平均濕度達89%，高濕的氣象條件加速了氣態污染物(SO2、NO2)向顆粒態污染物的二次轉化，同時機動車尾氣顆粒物不斷吸濕增長，從而促進了PM2.5的顯著上升。

圖3 不同污染時段內PM2.5源解析變化情況

22日13時～20時，點位PM2.5經歷了短暫的下降，從21時開始持續上升，第3個時段內PM2.5濃度均值為168 μg/m3，污染等級為重度污染，期間主要污染源為機動車尾氣(35.5%)、燃煤源(24.6%)和工業工藝(14.1%)；相較于時段2，機動車尾氣源大幅上升了8.6個百分點，增長率達32%。結合氣象數據，時段3期間內平均濕度高達93%，機動車尾氣顆粒物不斷吸濕增長，從而造成PM2.5的爆發性增長。

3 結論及建議

結合本文分析及本次在線監測數據，可得如下結論：

1) PM2.5在線源解析質譜監測系統。包括SPAMS、污染源譜庫和“指紋”比對模型，運用其可以掌握重點區域PM2.5來源，明確治理方向；及時判定污染過程成因，提供監管指向；分析異常升高時段原因，實現污染削峰；評估措施的管控效果，動態調控，持續改進。

2) 某國控站點監測結果及PM2.5污染典型特征。①整體源解析結果：根據監測期間監測點位細顆粒物主要成分及來源分析，推測出期間受機動車尾氣、燃煤源和二次無機源的影響較大。②不同污染程度下污染來源分布：隨著PM2.5濃度污染等級從良升至重度污染，機動車尾氣占比從23.5%持續上升至35.4%，說明監測期間點位污染天氣的發生主要受到機動車尾氣排放累積的影響，在優良及輕度污染天氣時，燃煤源為首要污染源。③PM2.5污染過程分析：19日19時～22日16時期間的污染過程主要成因為高濕的氣象條件加速了氣態污染物(SO2、NO2)向顆粒態污染物的二次轉化，同時機動車尾氣顆粒物不斷吸濕增長；22日17時～25日9時的污染過程期間由于機動車尾氣顆粒物不斷吸濕增長，造成PM2.5的顯著上升。