株洲城區(qū)2016—2020年顆粒物污染特征研究

＊胡 卉

（湖南省株洲生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 湖南 412000）

當(dāng)前，空氣污染尤其是顆粒物（PM2.5和PM10）污染是很多城市面臨的共同問(wèn)題[1-2]。可吸入顆粒物（PM10，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤10μm）長(zhǎng)期懸浮在空氣中，作為有害物質(zhì)的載體隨呼吸作用被人體吸入，沉積在呼吸道等部位從而引發(fā)疾病。細(xì)顆粒物（PM2.5，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5μm）在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，輸送距離遠(yuǎn)因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大，甚至可通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體細(xì)支氣管和肺泡[3]。

我國(guó)在1996年將PM10納入空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)范圍，到2012年頒布了新版《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，新增PM2.5濃度限值，并調(diào)整了PM10濃度限值，對(duì)顆粒物污染特征的研究已成為了新的研究熱點(diǎn)[4-8]。項(xiàng)佳娥等研究杭州城區(qū)顆粒物污染水平，PM2.5出現(xiàn)污染的概率明顯高于PM10，顆粒物污染與道路密度，綠地覆蓋和人口密度等有關(guān)[9]。李令軍等對(duì)北京重污染過(guò)程研究發(fā)現(xiàn)，重污染日PM2.5/PM10的比例達(dá)到91.3%，重污染時(shí)顆粒物以細(xì)顆粒物為主[10]。李婷婷等對(duì)中部城市2005～2015年P(guān)M10顆粒物污染特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)4大城市群大氣污染程度為京津冀＞中三角＞長(zhǎng)三角＞珠三角，中三角大氣污染問(wèn)題要比長(zhǎng)三角和珠三角突出[11]。張運(yùn)江等對(duì)我國(guó)長(zhǎng)三角、珠三角等10余個(gè)典型城市2015～2020年細(xì)顆粒物時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，相對(duì)于2015年，2020年細(xì)顆粒物濃度下降了27%～44%[12]。

目前我國(guó)大量研究集中在京津冀、長(zhǎng)三角等發(fā)達(dá)地區(qū)[13-14]，對(duì)中部地區(qū)顆粒物污染特征，尤其是PM2.5長(zhǎng)時(shí)間尺度的污染特征研究較少。株洲是中部長(zhǎng)株潭城市群的重要組成部分，當(dāng)?shù)卣畬?duì)于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)相當(dāng)重視，新標(biāo)準(zhǔn)頒布后，便在全市開展PM2.5的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。在新的標(biāo)準(zhǔn)體系下，本研究以株洲市2016—2020年P(guān)M2.5和PM10的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為對(duì)象，分析討論了株洲市顆粒物污染水平及時(shí)間演變特征，以期為當(dāng)?shù)卮髿馕廴局卫砗彤a(chǎn)業(yè)布局提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1.研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

株洲市位于羅霄山脈西麓，南嶺山脈至江漢平原的傾斜地段上，市域總體地勢(shì)呈東南高、西北低，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，是全國(guó)113個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市和長(zhǎng)株潭兩型社會(huì)建設(shè)示范區(qū)。城區(qū)共設(shè)有7個(gè)國(guó)家控制環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（大京風(fēng)景區(qū)為區(qū)域?qū)φ拯c(diǎn)，不參與評(píng)價(jià)），點(diǎn)位具體情況見表1。本文所采用PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)均來(lái)自湖南省環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

表1 自動(dòng)站點(diǎn)名稱及概況

2.結(jié)果與討論

(1)年平均濃度及變化趨勢(shì)

株洲市2016—2020年P(guān)M2.5和PM10年均濃度分別為40～52μg/m3和55～83μg/m3，平均濃度分別為47.6μg/m3和72.0μg/m3，未達(dá)到GB3095-2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，分別超標(biāo)0.36倍和0.03倍，PM2.5超標(biāo)情況更為嚴(yán)重。總體上，“十三五”期間株洲市顆粒物年均濃度值呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。PM2.5和PM10年平均質(zhì)量濃度變化率分別為-2.2μg/(m3·a)和-5.6μg/(m3·a)，PM10下降幅度大于PM2.5。2019—2020年P(guān)M10年平均質(zhì)量濃度達(dá)到GB3095-2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

由表2可知，顆粒物濃度最大值和上四分位濃度值也均呈現(xiàn)波動(dòng)性下降趨勢(shì)；顆粒物質(zhì)量濃度平均值均高于中位值，說(shuō)明高濃度區(qū)間對(duì)平均質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)更大。以PM2.5為例，年日均濃度的最大值2020年（163μg/m3）較2016年（236μg/m3）相比，相當(dāng)于年均濃度降低了0.2μg/m3。因此，在重污染霾天氣中對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的有效控制對(duì)降低年平均濃度十分重要。

表2 株洲市2016—2020年顆粒物年平均質(zhì)量濃度

進(jìn)一步分析PM2.5/PM10的比值（β值），“十三五”期間PM2.5在PM10中的比例在0.73～0.61之間，說(shuō)明PM10中PM2.5的比例大于PM2.5-10，PM2.5污染是顆粒物污染的主要元兇。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均呈下降趨勢(shì)，PM10下降趨勢(shì)更加明顯，這與2016—2020年β值呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)的結(jié)果是一致的。

(2)顆粒物月平均濃度變化趨勢(shì)

株洲市2016—2020年顆粒物月平均質(zhì)量濃度時(shí)間序列變化趨勢(shì)如圖1和圖2所示。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化規(guī)律相似，1—7月質(zhì)量濃度波動(dòng)性下降，7—12月波動(dòng)性上升。按季節(jié)表現(xiàn)為冬季最高，秋季次之，春季較低，夏季最低。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最高的月份出現(xiàn)在12月或者1月，且質(zhì)量濃度均超過(guò)了日均二級(jí)質(zhì)量濃度限值。此外，在10月顆粒物質(zhì)量濃度均有一個(gè)較大的增幅，而11月質(zhì)量濃度略有回落，這與北京、保定等的變化規(guī)律相同[15]。10月為秋季，在由夏入冬的過(guò)渡時(shí)節(jié)，氣候變化較大，隋玟萱等[16]認(rèn)為10月為農(nóng)作物收獲季節(jié)，顆粒物濃度的較大增幅除與氣候變化有關(guān)，也與秸稈燃燒有關(guān)。

圖1 PM2.5質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍逐月變化趨勢(shì)（單位：ug/m3）

圖2 PM10質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍逐月變化趨勢(shì)（單位：μg/m3）

顆粒物質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍可以間接反映是否有顆粒物污染天氣發(fā)生。質(zhì)量濃度最小值逐月變化不大，而最大值變化較大，整體上各月質(zhì)量濃度波動(dòng)幅度與月均質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)相似。秋冬季顆粒物質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍更廣，而春夏季波動(dòng)范圍較小。這可能與秋冬季易形成逆溫層，加之靜穩(wěn)天氣形成，污染物不易擴(kuò)散，易積累形成顆粒物污染，而春夏季雨水較足，且大氣流通性較強(qiáng)，對(duì)顆粒物具有較好的清除作用。

分析不同季節(jié)β值的變化情況，春季為0.68～0.56，平均值為0.63，夏季為0.72～0.54，平均值為0.64，秋季為0.80～0.56，平均值為0.65，冬季為0.81～0.67，平均值為0.73。β值的四季變化明顯，冬季最高，表明在冬季PM2.5比PM2.5-10更易累積。夏季β值較春季略高，這與郭家瑜、董婭瑋等[6,17]的研究結(jié)果相似，由于夏季光照較為充足，光化學(xué)煙霧形成的二次PM2.5較多，而PM2.5-10卻因?yàn)榻邓臐癯两底饔枚鴾p少，從而導(dǎo)致β值較大。

(3)顆粒物日均質(zhì)量濃度分布和超標(biāo)率變化趨勢(shì)

對(duì)2016—2020年顆粒物日均質(zhì)量濃度分布和超標(biāo)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見圖3和圖4。結(jié)果表明：①采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)（單側(cè)檢驗(yàn)0.05）對(duì)顆粒物日均濃度超標(biāo)率進(jìn)行檢驗(yàn)，rs值為-0.8（大于Wp值0.829），表明株洲城區(qū)2016—2020年P(guān)M2.5和PM10日均濃度值超標(biāo)率均呈不顯著性下降。②顆粒物低質(zhì)量濃度區(qū)間天數(shù)逐年增加，高質(zhì)量濃度區(qū)間天數(shù)逐年減小。2016—2020年，PM10日均濃度小于等于50μg/m3的天數(shù)由113天提高至196天，日均濃度為150～250μg/m3從28天降至6天；PM2.5日均濃度小于35μg/m3的天數(shù)由169天增加到189天；日均濃度為150～250μg/m3從2016年的3天降至1天。

圖3 PM2.5日均濃度分布、超標(biāo)率及變化趨勢(shì)

圖4 PM10日均濃度分布、超標(biāo)率及變化趨勢(shì)

分析了不同顆粒物污染程度下β值的變化情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。顆粒物日均濃度β值變化在0.27～0.99，PM2.5在PM10中的占比波動(dòng)較大。當(dāng)PM2.5小于35μg/m3時(shí)，β值平均值為0.63；當(dāng)PM2.5大于250μg/m3時(shí)，β值平均值變?yōu)?.84。同時(shí)隨著PM2.5濃度的增加，β值最小值也發(fā)生明顯變化，由PM2.5小于35μg/m3時(shí)的0.27增加到0.83（PM2.5＞250μg/m3）。可見，β值與PM2.5濃度呈正相關(guān)，隨著細(xì)顆粒物濃度增加，β值逐漸增加，變化幅度逐漸減小。

表3 不同PM2.5顆粒物濃度下β值的分布情況

3.結(jié)論

（1）株洲市2016—2020年P(guān)M2.5和PM10平均質(zhì)量濃度分別為47.6μg/m3和72.0μg/m3，均超過(guò)了國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，表明株洲市顆粒物污染狀況仍然較為嚴(yán)重。

（2）顆粒物年均質(zhì)量濃度的下降趨勢(shì)主要表現(xiàn)為高質(zhì)量濃度范圍出現(xiàn)頻率減少，低質(zhì)量濃度范圍頻率增加，以及質(zhì)量濃度最大值的下降。

（3）PM2.5/PM10的比值隨季節(jié)變化明顯，表明顆粒物的積累受氣象條件影響較大。

（4）PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和波動(dòng)幅度均存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律，冬季最大，秋季次之，春季較小，夏季最小。

（5）PM2.5/PM10比值和PM2.5濃度呈正相關(guān)，隨著PM2.5濃度增加，比值逐漸增加且變化幅度減小。