株洲市顆粒物質量濃度變化特征與相關性分析

摘要：為了掌握湖南省株洲市空氣顆粒物污染的變化特征，利用環境空氣顆粒物手工監測方法對株洲市城區和郊區進行長時段監測，對株洲市空氣中不同粒徑的顆粒物質量濃度變化規律進行分析。結果表明，株洲市城區、郊區PM10、PM2.5在冬半年質量濃度高于夏半年，且冬半年超標率較高。在不同季節不同粒徑占比有較大區別，當顆粒物污染較輕時10～100μm粒徑占比較大；隨著顆粒物污染增加，0～2.5μm粒徑區間占比增加，并變成主要污染來源。根據Spearman秩相關系數分析以及相對關系曲線方程，可以看出城區冬半年PM10和PM2.5之間具有較高顯著正相關，郊區不具有相關性。

關鍵詞：顆粒物；不同粒徑；變化特征；相關性

引言

隨著城市化進程，城市人口的聚集增長、工業高速發展，化石燃料消耗，大氣環境質量問題日益凸顯，尤其是顆粒物污染問題，成為中國城市大氣的首要污染物[1][2]。顆粒物簡稱PM，依據空氣動力學直徑分類，常見顆粒物的有PM10和PM2.5，分別指空氣動力學當量直徑小于或等于10μm和2.5μm的顆粒物。以湖南省株洲市的城區為例，顆粒物的來源主要有工業排放與交通運輸尾氣2種，其中工業排放是大氣污染的重要來源，尤其株洲是典型的工業城市，工業排放到大氣中的污染物包括煙塵、硫氧化物、氮氧化物、有機化合物、鹵化物和碳化合物等，種類繁多，性質復雜，且通常是以煙霧或氣體的形式漂浮在空氣中；交通運輸尾氣是由株洲市主要的交通工具汽車和火車運行產生，但煤炭或石油產生的廢氣也是重要的污染物。由于城市中大量的汽車尾氣（主要包括一氧化碳、二氧化硫、二氧化碳和碳氫化合物）和污染物的集中排放可以直接造成嚴重的空氣污染，因此也是城市空氣污染的主要來源之一。

PM10（可吸入顆粒物）能通過鼻腔進入呼吸系統；PM2.5（細顆粒物）中的有害物質會通過氣管支氣管及鼻腔直接侵入到機體的肺泡與血液中，直接影響人體健康狀況[3～5]。因此，顆粒物對環境的危害主要包括人類健康影響、植物和生態系統影響、能見度降低和材料腐蝕等 [6]。顆粒物通過干濕沉降對生態系統產生影響，并對建筑材料產生腐蝕作用。顆粒物在植物和土壤上的沉積可直接或間接地產生生態系統反應，引起生態系統結構、形態和生態過程功能的變化。顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽通過沉降進入土壤，改變能量流和養分循環，抑制養分吸收，改變生態系統結構，影響生態系統多樣性[7]。顆粒物對光有散射和吸收作用，導致能見度降低。細顆粒物產生的影響更為顯著，不同顆粒物的濃度、成分和環境濕度都對能見度的降低有不同程度的影響[8][9]。

本研究基于株洲市2021～2022年的冬半年（11月至次年1月）、夏半年（6月至7月）空氣中不同顆粒物的質量濃度數據，并對其進行分析，以獲得空氣中顆粒物的代表性和連續性的時間變化特征，為株洲市空氣污染控制提供科學依據。

1樣品采集及處理

2021～2022年在株洲市生態環境局大樓樓頂（城區觀測點）和大京自來水廠樓頂（郊區觀測點）分別進行采樣，采集TSP、 PM10和PM2.5顆粒。選用嶗應2050型采樣器，選取不同切割器分別采集不同粒徑顆粒。每個采樣點連續采集24h，共監測61d，采集個225個樣品。

采樣濾膜選用直徑為90mm的石英纖維濾膜，采樣前后將濾膜平衡24h后稱量，重復至數據穩定。空氣中顆粒物的質量濃度可以通過式（1）計算。

式中 C—顆粒物質量濃度，μg/m3；Wc—采集后濾膜重量，g；Ws—采集前濾膜重量，g；V—累積氣體體積，m3。

2不同空氣顆粒物質量濃度時間變化分析

根據《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）的空氣質量要求，PM10和PM2.5日均二級標準質量濃度限值分別為150μg/m3和75μg/m3，而對株洲市的空氣質量監測結果顯示，城區PM10平均值由冬半年的112μg/m3下降至夏半年的51.4μg/m3，PM2.5平均值由冬半年的77.4μg/m3下降至夏半年的28.9μg/m3，超標率分別從25%和50%下降至0，詳見表1；郊區PM10平均值由冬半年的142μg/m3下降至夏半年的59.7μg/m3，PM2.5平均值由冬半年的101μg/m3下降至夏半年的30.7μg/m3，超標率分別從30%和50%下降至4.8%，詳見表2。因此，從株洲市的空氣質量監測結果可以看出，株洲市的空氣顆粒物均表現為冬半年濃度高、超標率高，夏半年濃度低、超標率低的現象。整體上，株洲市郊區顆粒物濃度較城區略高。

由圖1可知，城區冬半年的PM10和PM2.5的質量濃度波動變化明顯，質量濃度最高值分別為253.7μg/m3和181.2μg/m3（出現在1月23日和1月22日），最低值分別為26.1μg/m3和12.3μg/m3；夏半年質量濃度波動相對平穩，最高值分別為94.5μg/m3和74.7μg/m3，最低值為22.5μg/m3和10.9μg/m3。郊區PM10和PM2.5的質量濃度變化趨勢與城區一致，即冬半年變化波動明顯，而夏半年相對較平緩。冬半年質量濃度最高值分別為217μg/m3和194μg/m3（均出現在1月18日），最低值分別為95.7μg/m3和38.4μg/m3；夏半年最高值分別為153.2μg/m3和79.7μg/m3。平均值郊區顆粒物濃度大于城區濃度，但PM10的最大值和中位值均為城區大于郊區。整體上，城區顆粒物濃度變化明顯大于郊區，冬半年濃度波動大于夏半年。

3 不同顆粒物相對含量變化分析

以城區為例，分別選取1月和7月的數據進行分析，詳見表3。1月TSP、PM10、PM2.5的相對含量平均值分別為143μg/m3、127μg/m3、97μg/m3；其中粒徑為10～100μm、2.5～10μm和0～2.5μm區間的顆粒物平均相對含量分別為11.2%、22%和66.9%。可見在污染較重的1月，細顆粒物是造成顆粒物污染的主要原因，因而控制小粒徑顆粒物產生對降低霧霾天氣有重要意義。7月TSP、PM10、PM2.5的相對含量平均值分別為66μg/m3、40μg/m3、27μg/m3；粒徑為10～100μm、2.5～10μm和0～2.5μm區間的顆粒物平均相對含量分別為39.5%、24.7%和36.4%，可見3種粒徑的占比差別不大，其中10～100μm最大，0～2.5μm次之，2.5～10μm最小。依據表3可知，在顆粒物污染較重期間，細顆粒物占比大；當污染較較輕時，粗顆粒物占比增加，并成為主要的顆粒物污染來源，而中間粒徑2.5～10μm段占比變化不大。

4不同顆粒物質量濃度相關性分析

采用Spearman秩相關系數法來對PM10、PM2.5進行相關性分析，與傳統的參數分析方法相比，該方法適應性更強，應用范圍更廣。一方面，Spearman秩相關分析可以有效克服Pearson乘積矩相關系數僅適用于描述線性相關關系的缺點，提供了2個隨機變量在線性或非線性相關下的協變趨勢程度，其適用性優于相應的參數方法[10]。另一方面，PM10和PM2.5的正態性檢驗結果不符合正態分布，因此使用非參數分析，即Spearman秩相關系數統計分析方法進行相關性分析，更為合理和可靠。通過回歸分析，建立二者之間的回歸方程，并根據線性回歸方程，城區冬半年PM10和PM2.5的擬合度達到0.7622，表現出較高的正相關性；夏半年線性回歸方程擬合程度0.4822，具備較弱的相關性，詳見圖2。郊區Spearman秩相關系數統計分析顯示，冬半年顯著度僅有0.08，線性回歸方程擬合程度0.0015；夏半年顯著度0.03，線性回歸方程擬合程度0.0064，均顯示沒有相關性，詳見圖3。

結論

通過對株洲市城區、郊區冬半年和夏半年不同顆粒物分析，結果表明顆粒物在冬半年質量濃度高于夏半年，且冬半年超標率較高。主要原因為冬半年有低溫、高濕、無風等較為不利的氣象擴散條件，容易導致顆粒物質量濃度升高，進而發生重污染過程；夏半年常伴有高溫、低濕、有風以及多雨等有利于氣象擴散條件，能對大氣顆粒物進行較好的清除、消散，避免出現大量累積現象。株洲市城區粒徑小于2.5μm的顆粒物相對含量維持在較高水平，說明城區主要污染物為細顆粒物，2.5～10μm相對含量也出現上升趨勢，可能是1月正值年關，交通流量變大且揚塵較多，導致可吸入顆粒物污染趨于嚴重。當顆粒物污染減輕時，粒徑小于2.5μm的區間濃度降低也最為明顯，顆粒物主要來源變為10～100μm的粗顆粒段。根據Spearman秩相關系數分析以及相對關系曲線方程，可以看出城區冬半年PM10 和PM2.5之間具有較高顯著正相關，說明冬半年PM10 和PM2.5均來自相似的污染源，且污染源排放大氣顆粒物的粒度分布長期比較穩定。

參考文獻

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作者簡介

鐘學才（1969—），男，漢族，湖南桃江人，本科，高級工程師，研究方向為環境質量監測。