典型城市PM_(2.5)时空分布、PAHs赋存及影响机制

【摘要】：大气环境是人类赖以生存的环境之一。大气的组成成分不仅反应了地球表面所发生的生物过程和地理过程,也为地球表层动植物的生存提供了必要条件。近年来,经济的快速发展、工业化和城市化进程在很大程度上改变了大气的组成成分,同时也造成了诸多环境问题,对人类生产与生活造成了很大影响。PM2.5污染是近年来人们感受最深的大气污染之一,它不仅改变了人们的生活方式,也对人们的健康造成了很大的威胁。因此,城市大气环境PM2.5污染特征及其影响机制成为了人们所关注的焦点。本研究以中国三个典型城市北京市、济南市和上海市为研究区域,以城市自然地理学为研究视角,开展了长时间连续性PM2.5采样工作,并收集了相关气象参数特征和常规污染物浓度特征。以典型城市中PM2.5的时空分布特征、影响PM2.5形成的因素、以及PM2.5中赋存的对人体健康有潜在风险的多环芳烃时空分布特征、贡献来源和人体健康效应为研究重点,取得了以下主要认识:(1)揭示了典型城市PM2.5的季节分布特征。北京市PM2.5平均浓度四季分布特征分别是冬季125.71±91.14μg/m3,春季89.83±58.43μg/m3,夏季77.13±54.66μg/m3,秋季92.20±121.54μg/m3。北京市冬季PM2.5浓度要明显高于其他三个季节,且冬季与其他三个季节相比有燃煤供暖活动,说明燃煤活动是冬季PM2.5浓度较高的主要原因。济南市PM2.5平均浓度四季变化特征分别是冬季113.86±62.66μg/m3,春季98.64±45.24μg/m3,夏季110.31±60.48μg/m3,秋季110.02±70.22μg/m3。济南市冬季PM2.5浓度要高于其他三个季节,济南市冬季也有燃煤供暖活动,这也是济南市冬季PM2.5浓度较高的原因。但是济南市PM2.5浓度四季浓度变化特征不是特别明显,这是因为作为工业城市,济南市四季都有大量的燃煤活动,工业用煤量占济南市总用煤量的49.61%。工业燃煤活动是造成济南四季PM2.5浓度都比较高的主要原因。上海市PM2.5平均浓度四季变化特征分别是冬季86.26±43.29μg/m3,春季58.90±27.98μg/m3,夏季48.85±24.48μg/m3,秋季51.00±31.27μg/m3。冬季PM2.5浓度要显著高于其他三个季节,然而上海市冬季并没有燃煤供暖活动,造成其冬季PM2.5浓度较高主要是由于其他省市的大气颗粒物长距离运输。通过分析PM2.5占PM10的比例可知,在三个城市中,PM2.5在PM10中的占比都超过50%,说明PM2.5是PM10中的主要颗粒物。依据中国生态环境部公布的《环境空气质量标准(GB3095-2012)》,在本研究采样期间,北京市大气中的PM2.5浓度符合国家二级标准(35μg/m3)的天数为96天,共采集样品191天,达标率为50.26%;济南市为53天,共采集样品191天,达标率为27.75%;上海市为143天,共采集样品205天,达标率为71.22%。总体而言,在这三个典型城市中,济南市PM2.5污染水平最高,北京次之,上海市PM2.5污染水平在这三个城市中最低。(2)通过研究不同气象参数与PM2.5浓度的关系得知:行星边界层高度与PM2.5浓度呈负相关关系。夜晚行星边界层高度比较低,不利于污染物的扩散,有利于化学反应的发生,生成的大量二次颗粒污染物导致夜晚PM2.5浓度升高。到了白天,颗粒物会加剧对太阳辐射的散射和吸收,导致到达地表的太阳辐射要明显少于晴朗天气到达地表的太阳辐射,由此造成行星边界层高度降低。形成“PM2.5浓度升高?行星边界层高度降低”的恶性循环,加剧雾霾的形成。温度一方面可以通过改变人类活动来影响PM2.5浓度:冬季温度较低的时候,人们通过燃煤来进行供暖供热活动,大量煤和其他燃料的燃烧会导致大气颗粒物浓度上升,空气质量下降。另一方面,温度还可以通过改变大气中的化学反应来影响PM2.5的形成:温度较高时太阳光照强度也大,光化学反应生成的二次颗粒物可以加剧PM2.5污染。相对湿度对PM2.5的影响体现在两个方面:在未发生降水事件时,相对湿度越高,PM2.5浓度越高,相对湿度对PM2.5的形成起促进作用;当相对湿度升高到一定程度会发生降水事件,清除大气中的PM2.5,体现湿沉降对PM2.5的去除作用。风速大小和PM2.5浓度呈负相关关系:风速越小,越有利于PM2.5在市内的形成和累积;风速越大,越不利于PM2.5在市内的累积,清除市内的PM2.5。风向和城市的产业布局及地形因素共同影响PM2.5的形成。在PM2.5污染较为严重的冬季,北京、济南和上海盛行风向的上风向都有工业园区,盛行风会将大气污染物吹到市区,且北京和济南盛行风的下风向都是山区,对PM2.5的扩散起阻挡作用。(3)通过研究影响PM2.5形成的常规气象污染物要素和PM2.5中的典型离子浓度发现:三个典型城市供暖季节大气中二氧化硫和PM2.5中硫酸根离子的浓度、二氧化氮和PM2.5中硝酸根离子的浓度与PM2.5中氯离子的浓度要远高于非供暖季节。说明在供暖季节化石燃料的燃烧是这些大气污染物的主要来源,并且二氧化硫和二氧化氮经多种大气氧化反应转化成的硫酸根离子和硝酸根离子都是大气中PM2.5的主要来源之一。并且,在许多污染事件中,二氧化氮每天峰值出现的时间与每天早晚高峰的时间相吻合,说明汽车尾气排放也是城市中二氧化氮的主要来源之一。分析三个典型城市臭氧浓度和PM2.5浓度的季节变化特征和24小时变化特征可知,臭氧浓度与PM2.5浓度呈负相关关系。说明臭氧不是造成城市内PM2.5污染的主要因素。(4)三个典型城市多环芳烃平均浓度季节分布特征都是冬季春季秋季夏季。其中北京市、济南市和上海市冬季PM2.5赋存的中环和高环PAHs占比较高,其他三个季节低环和中环PAHs占总PAHs浓度的比例较高,冬季和其他三个季节多环芳烃的组成有明显区别,造成这一现象的原因是冬季多环芳烃主要来源于燃烧源,而在其他三个季节燃烧源贡献的PAHs有所减少,且这三个季节PM2.5中的PAHs来源众多。利用特征比值法和PMF模型对PM2.5中赋存的PAHs进行来源解析发现,PM2.5中的PAHs主要来源有化石燃料燃烧源、生物质燃烧源、汽车尾气排放源、炼焦源和石油泄漏或挥发源。通过主成分分析法分析以上来源对PAHs的贡献发现,化石燃料燃烧、汽车尾气排放和生物质燃烧是这三个典型城市中多环芳烃的主要贡献来源。通过分别计算人体由口摄入、呼吸摄入和皮肤吸收PM2.5中赋存的PAHs的致癌风险因子发现,在三个典型城市中婴儿、幼儿、儿童、青少年和成人的单独暴露途径均不存在致癌风险。分析三种暴露途径的总致癌风险发现,北京市儿童、青少年和成人在四个季节都有致癌风险,幼儿在冬季有致癌风险;济南市成人在四个季节都有致癌风险,儿童和青少年在冬季、夏季和秋季有致癌风险,幼儿在冬季和秋季有致癌风险;上海市各年龄段人群在不同季节都没有致癌风险。