基于SPAMS研究西安市蓮湖區夏季細顆粒物組分特征及解析

張軍

摘要：利用單顆粒氣溶膠飛行質譜（SPAMS）于2020年7月21日-8月1日在西安市蓮湖區中心監測了夏季細顆粒物PM2.5的化學組成。對PM2.5的組分分析結果發現：蓮湖區PM2.5特征組分占比前三分別為EC占比30%、HM（重金屬）占比16%、K離子和ECOC占比均為14%;來源解析占比貢獻前三源分別為移動源、揚塵源和工業工藝源，分別占比31.2%、25.1%和13.7%，總共貢獻70%，其次為燃煤源和二次生成源分別貢獻9.8%和8.5%.

關鍵詞：單顆粒氣溶膠飛行質譜（SPAMS）;PM2.5;源解析

引言：

蓮湖區位于西安市主城區西部區域，轄區既有西安市主要的工業企業集群，也是著名的旅游景區所在地，同時作為老城區也是建筑改造工地的密集區，大氣污染源錯綜復雜，整體環境質量較差，其PM2.5污染指標常年處于西安市末尾水平。本次研究利用單顆粒氣溶膠飛行質譜，在蓮湖區中心位置進行連續測試，對蓮湖轄區夏季典型氣象條件下PM2.5的污染特征和來源進行解析。

一、研究方法和儀器

⒈本次監測測為定點監測，采用單顆粒飛行時間質譜儀器對PM2.5進行快速源解析，快速識別污染過程。測點位于西安市蓮湖區大慶路57號，蓮湖區中心位置。監測時間：2020年7月21日-8月1日。

⒉單顆粒飛行時間質譜儀：SPAMS05R-15

該儀器通過將實際大氣中的氣溶膠快速引入質譜離子源區域，隨即進行電離和檢測。大氣顆粒物首先匯聚為單個顆粒束，單個顆粒經逐一測徑后通過激光等方法電離為帶電碎片，碎片在真空腔中飛行，最后通過微通道板檢測器得到各顆粒物質譜信號[1]。

二、源解析結果及分析

⒈根據本次單顆粒質譜采集到的顆粒物組分組成特征，對顆粒物進行聚類，將化學組分數據進行分析，最終確定了8類顆粒物，分別為元素碳（EC）、有機碳（OC）、混合碳（ECOC）、重金屬（HM）、左旋葡聚糖（LEV）、礦塵（DUST）、富鉀（K）、富鈉（Na）.

其中，元素碳（EC）顆粒主要組分為較純的碳族元素，主要來自機動車等一次排放;有機碳顆粒（C）主要含有大量的有機化合物，來源較為廣泛，既有污染源的一次排放，又有通過光化學反應生成的二次有機碳;混合碳顆粒中既有較純的碳族元素，又有大量的有機化合物;重金屬顆粒中則含有大量的重金屬元素（如鉛、錳、銅等）;礦塵顆粒中主要含有地殼元素（鈣、硅等），主要來自揚塵污染;左旋葡聚糖顆粒中含有生物質特有的左旋葡聚糖物質，通常指示生物質燃燒[2]。

⒉來源解析結果

通過本次PM2.5來源解析組分特征占比發現EC占比最高為30%，其次為HM（重金屬）占比為16%，K離子和ECOC（混合碳）均占比14%.其中重金屬占比較大，分析可能是由于周邊涉金屬材料再加工企業排放導致。

根據單顆粒質譜儀在線來源解析結果顯示，來源占比貢獻前三分別為移動源、揚塵源和工業工藝源，分別占比31.2%、25.1%和13.7%，總共貢獻70%。其次，燃煤源和二次生成源分別貢獻9.8%和8.5%。

⒊典型污染過程分析

⑴機動車源

根據本次PM2.5來源解析結果顯示，機動車源占比31.2%，為蓮湖區PM2.5組分的主要來源。通過分析PM2.5與EC小時數據變化趨勢，在多個時段兩者變化趨勢基本一致。

在8月1日出現了一次典型的機動車源導致的PM2.5污染過程，通過分析站點PM2.5小時濃度及來源解析百分占比時序圖發現。8月1日7時高壓開關廠站點PM2.5濃度僅為31微克/立方米，機動車源占比33.2%，此后PM2.5開始迅速上升，至16時到達峰值65微克/立方米，而機動車源占比也高達60%。說明造成站點此時段PM2.5升高的主要原因是機動車尾氣排放所致。

⑵建筑、道路揚塵源

通過對比分析PM2.5與揚塵源示蹤離子鋁離子小時變化趨勢，7月份兩者相關性一般。但在PM2.5相對高值時段，鋁離子明顯同步升高，說明在潔凈時段轉向污染時段的過程中，揚塵源起到了明顯的推高作用。

⑶工業工藝源

除了礦塵顆粒與元素碳顆粒之外，高壓開關廠監測點位PM2.5中的金屬顆粒占比明顯偏高。通過對比錳離子、鐵離子、鉛離子、鎂離子、銅離子和鋅離子色階圖分析，各金屬離子峰值基本均在9時至11時，鋅離子峰值出現在16時，但鋅離子在9時也出現較高值（如表1）。

同時根據重金屬顆粒物中不同金屬元素數濃度占比，可以看出鐵和錳離子數濃度相對較高，鐵和錳主要來自工業和機動車排放。而重金屬離子多源于工業和機動車排放，如ZnC1+主要來自電焊過程中助焊劑以及除銹劑的燃燒排放。而監測點位周邊有西電電工、西電電氣、法士特、延長石油等較多工業企業，說明周邊工業排放PM2.5貢獻不容忽視，尤其是在白天時段，影響尤為顯著。

三、結論

綜上解析，夏季期間西安市蓮湖區PM2.5來源占比貢獻前三分別為移動源、揚塵源和工業工藝源，分別占比31.2%、25.1%和13.7%，總共貢獻70%。減少源頭排放是降低PM2.5濃度的根本，加強道路交通管理，控制工地和廠區揚塵源、做好重點企業廢氣排放管控，是抑制夏季PM2.5污染的重要措施。

參考文獻：

[1]閆璐璐，劉煥武，黃學敏，高健，張文杰.利用SPAMS研究西安市重污染天氣細顆粒物污染特征及來源.環境科學研究，2018，31（11）：29-36

[2]洪綱.基于單顆粒質譜技術的石家莊市2016年秋季空氣重污染成因分析.科學技術與工程，2018，18（9）：348-354