長春市采暖期大氣降塵來源分析

長春市采暖期大氣降塵來源分析

大氣色散是廣泛大氣氣溶膠的組成部分。它是在自身重力的作用下自然沉入地面的顆粒。一般來說，它可以攻擊土壤、植物和水，也會對人類構(gòu)成威脅。大氣降塵對土壤和水體的作用主要表現(xiàn)為降塵中重金屬的污染。降塵對植物的危害主要表現(xiàn)在2個方面:一是物理危害,塵粒覆蓋葉片表面,阻塞葉片氣孔,使植物失去水分,進(jìn)而影響植物的呼吸和光合作用;二是化學(xué)危害,表現(xiàn)在降塵中的重金屬元素進(jìn)入植物體內(nèi)后,通過影響植物細(xì)胞和酶系統(tǒng),進(jìn)而對植物的生物學(xué)性狀、生理功能和產(chǎn)量造成影響。大氣降塵中一部分可以通過鼻腔直接進(jìn)入人體,在肺泡內(nèi)沉積,從而對人體產(chǎn)生危害。隨著城市化的發(fā)展,城市環(huán)境問題日益突出,城市顆粒物對大氣環(huán)境和氣候變化過程的影響及其對人體健康的危害已經(jīng)成為國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。國外的城市顆粒物研究開展較早,國內(nèi)對有關(guān)城市顆粒物的研究也取得了很多成果。ZhangDaizhou等研究發(fā)現(xiàn),由于在海上邊界層中和海鹽的混合作用,因此離開亞洲大陸到達(dá)日本西南部塵粒的粒徑可平均增大0.4~0.8μm左右。目前國外的研究工作對于顆粒較大(不小于10μm)的降塵的研究比較少見。我國首要的大氣污染物是顆粒污染物,北方城市大氣顆粒物污染在世界監(jiān)測城市中最為嚴(yán)重。隨著北方沙塵天氣頻率與危害程度的增大,北京、天津、蘭州、哈爾濱、沈陽、烏魯木齊、唐山等典型北方城市,相繼開展了顆粒物源解析研究工作。王國平等對1984—1993年長春市南湖大氣降塵的演變規(guī)律進(jìn)行了研究;鞠翠香等在研究中觀察了長春地區(qū)近年來大氣沉降物放射性水平。目前對長春市大氣沉降的研究主要集中在動態(tài)觀察和演變規(guī)律,對大氣沉降的來源及其成因的分析研究較少。自1951年來,長春市同期有32年出現(xiàn)霧霾天氣,平均每2年出現(xiàn)一次,考慮到近年來長春市霧霾程度有加深的趨勢,進(jìn)一步了解長春市空氣的污染特征及污染來源對防治霧霾至關(guān)重要。本文中對采暖期長春市大氣降塵的來源以及污染特征進(jìn)行研究,為改善長春市空氣質(zhì)量提供更全面的參考數(shù)據(jù)。1環(huán)境概況及能源消耗現(xiàn)狀長春市位于北半球中緯度地帶,歐亞大陸的中國東北大平原腹地,地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°05′—125°34′,北緯43°26′—44°05′,處于吉林省東部山地與西部平原過渡地帶,東南為低山丘陵,西北為臺地平原。氣候類型屬于歐亞大陸東部北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,冬季漫長干冷,多逆溫,1月份平均氣溫為-17.2℃,低溫極值達(dá)到-39.8℃,采暖期較長,全年達(dá)到155d。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),年平均風(fēng)速為3.61m/s,年平均降雨量為650mm,6—9月的降水占全年的80%。長春市是吉林省省會所在地,是全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,是以汽車、客車、拖拉機(jī)等交通運(yùn)輸機(jī)械制造工業(yè)為主,兼有鋼廠、煤氣、建筑、紡織、印染、供熱、化工、造紙、餐飲等行業(yè)的綜合性工業(yè)城市。全市的能源消耗結(jié)構(gòu)以煤炭為主,并在一定時間內(nèi)長期存在。根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計,2006年長春城區(qū)空氣質(zhì)量保持良好水平?？諝馕廴救砸源髿忸w粒物為主,采暖期的大氣顆粒污染更為嚴(yán)重。1.1采樣點(diǎn)的選擇在2006年10月—2007年4月采暖期間,在長春市區(qū)比較典型的居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、文教區(qū)、旅游區(qū)4類功能區(qū)共選擇6個采樣點(diǎn),見表1。在采樣時,采樣點(diǎn)附近沒有高大的建筑物,無局部污染源的影響,集塵缸放置高度距離地面5~15m,以避免地面揚(yáng)塵的影響。1.2大氣顆粒物排放按24h連續(xù)進(jìn)行降塵樣品和污染源樣品的收集,采用濕式收集法收集樣品,采用重量法進(jìn)行測量。通常,大氣顆粒物排放源分類大致有土壤風(fēng)沙塵、海鹽粒子、燃煤飛灰、燃油飛灰、汽車塵、道路塵、建筑塵、冶煉工業(yè)粉塵、植物塵、動物焚燒塵、烹飪油煙、城市揚(yáng)塵等。從長春市地理位置以及行業(yè)特點(diǎn)考慮,本文中選擇以道路塵、機(jī)動車尾氣塵、建筑塵、燃煤塵和土壤風(fēng)沙塵為長春市采暖期大氣降塵主要污染源。2氣溶膠的形成過程研究表明,城市大氣顆粒物的質(zhì)量濃度按粒度分布出現(xiàn)2個峰值,一個約在0.5μm處,另一個約在10μm處,這2個峰是不同的氣溶膠形成過程造成的。事實(shí)上,小顆粒由蒸發(fā)凝結(jié)而成,大顆粒則包括灰塵、漂塵及小粒徑氣溶膠長大而成的顆粒。大、小顆粒在化學(xué)組分上也完全不同。2.1化學(xué)組分成分分析采用電感耦合等離子體(ICP)法對采集到的降塵樣品和污染源樣品進(jìn)行化學(xué)組分分析,得到的大氣降塵源樣品元素成分譜和受體樣品元素成分譜如表2、3所示。其中包括10種元素,Ca、Mg、Fe、Al、Ti為常量元素,As、Mn、Pb、Zn、Cu為微量元素。2.2元素源分析2.2.1中國土壤-土壤條件元素背景及來源富集因子(簡稱EF)分析法通常選擇某一元素作為參比元素,如Si、Al、Fe等,設(shè)被測元素為X,則可求出顆粒物中各被測元素對參比元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值,如(w(X)/w(Al))p,同樣可求得地殼中相應(yīng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值,即(w(X)/w(Al))c。將這2個比值相除即得該被測元素X的富集系數(shù)γEF,其表達(dá)式為γEF=(w(X)/w(Al))p/(w(X)/w(Al))c。分別以中國土壤A層、黑土和吉林省Al元素背景值進(jìn)行長春市大氣降塵的富集因子分析。結(jié)果顯示,以中國土壤A層、黑土和吉林省元素背景值得出的富集因子分析有所不同,原因主要是所選取的環(huán)境元素背景值不同。元素土壤環(huán)境背景值是指一定區(qū)域、一定時期受現(xiàn)代工業(yè)明顯污染和破壞的土壤原來固有的元素含量水平。由于不同土壤具有不同的氣候、生物、地形、母質(zhì)和時間等成土因素,因此不同土類中元素環(huán)境背景值表現(xiàn)出明顯的分異特征和分異規(guī)律。以中國土壤A層和黑土為元素背景時,Pb元素的富集系數(shù)約為10,而以吉林省土壤為元素背景時,Pb元素的富集系數(shù)為2~9。經(jīng)過比較,本文中選用中國土壤A層或黑土元素背景為準(zhǔn)進(jìn)行分析,結(jié)果見表4。在富集因子分析中,由于采樣點(diǎn)分布比較均勻,因此可以用平均值來反映長春市區(qū)的元素平均含量分布。富集系數(shù)接近1的元素來自地殼源-周邊土壤等;富集系數(shù)為2~9的元素來自自然污染源及其他人為污染源;富集系數(shù)約為10的元素大部分來自人為污染源。根據(jù)以上原則,Al、Ti、Mg、Zn元素主要來自自然污染源;Pb、As、Cu元素主要來自人為污染源;Mn、Ca、Fe元素既來自自然污染,也來自人為污染。在勞動公園和客車廠處的大氣降塵中含有Zn元素,而作為清潔對照點(diǎn)的凈月潭大氣降塵中不含Zn,因此Zn應(yīng)作為人為污染源。Mn、Mg、Fe、Ti及Al元素在各樣點(diǎn)中分布較為均勻。As、Zn元素僅在勞動公園和客車廠采集到,表明是由人類活動造成的元素富集。Pb、Ca元素在各樣點(diǎn)中均有較大的富集,但在勞動公園、客車廠、郵電學(xué)院富集更明顯,而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本地土壤的含量。Pb元素的來源主要是汽車尾氣污染,在交通流量大的郵電學(xué)院、兒童公園處含量較大;Ca元素一方面可能來源于北方黃土的遠(yuǎn)程遷移,建筑物的阻擋導(dǎo)致在市中心區(qū)的兒童公園的富集量較客車廠、食品廠、勞動公園和郵電學(xué)院少;另一方面也可能來源于城市建筑和工業(yè)塵埃。Cu元素除了在凈月潭地區(qū)分布為0外,在其他各樣點(diǎn)均有分布,勞動公園處富集量最大。2.2.2大氣降塵排放源特征元素在化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)模型的算法中,測點(diǎn)信息矩陣(MPIM)提供了判定源成分譜特征元素的定量方法。運(yùn)用CMB模型對長春市污染源樣品元素含量進(jìn)行分析,可得到長春市大氣降塵排放源特征元素靈敏度矩陣表(表5)。每類源中取值為1或接近于1的元素為該類源的特征元素,長春市各污染源的標(biāo)志確定如下:土壤風(fēng)沙塵特征元素為Al;燃煤塵特征元素為Ti、Mn;道路塵特征元素為Fe;機(jī)動車尾氣塵特征元素為Pb、Zn;建筑塵特征元素為Ca。2.2.3化學(xué)質(zhì)量平衡分析法富集因子法與化學(xué)質(zhì)量平衡法的分析結(jié)果一致的地方在于:土壤風(fēng)沙塵中Al元素來自自然源的污染,作為機(jī)動車尾氣塵中標(biāo)志元素的Pb、Zn來自人為污染。富集因子分析法只能獲得某地區(qū)或污染源顆粒物中元素的富集程度與污染狀況,用此法可消除采樣過程中受風(fēng)速、風(fēng)向、樣品量、離污染源距離等可變因素的影響,比用絕對濃度更為確切、可靠。化學(xué)質(zhì)量平衡分析法的基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒,是應(yīng)用最為廣泛的一種模型。它需要經(jīng)常監(jiān)測源樣品和受體樣品,列出排放源清單,然后定量評價各類源的貢獻(xiàn)率,費(fèi)用較高?？偟膩碚f,化學(xué)質(zhì)量平衡法具有一定的優(yōu)勢,它不僅可以較為準(zhǔn)確地得出各類污染源的特征元素,還進(jìn)一步算出各類污染源對不同采樣點(diǎn)大氣降塵的貢獻(xiàn)率,為污染物來源分析提供了極大的方便。3確定污染源主要來源化學(xué)質(zhì)量平衡分析還可以通過對環(huán)境空氣顆粒物樣品和源樣品的化學(xué)或顯微分析,確定各類污染源對受體貢獻(xiàn)值的一系列源技術(shù),可以定性和定量分析顆粒物的主要來源,源解析的結(jié)果可以指導(dǎo)顆粒物污染防治工作。3.1污染對每個采樣點(diǎn)的灰塵減少的貢獻(xiàn)率在冬季采暖期間,污染源對各采樣點(diǎn)降塵的貢獻(xiàn)率見表6。3.1.1貢獻(xiàn)率:84.9%在郵電學(xué)院采樣點(diǎn),對大氣降塵貢獻(xiàn)最大的是燃煤塵,貢獻(xiàn)率為46.9%;其次是土壤風(fēng)沙塵,貢獻(xiàn)率為25.3%。原因是此采樣點(diǎn)位于城鄉(xiāng)交錯帶,工廠較多,棚戶區(qū)相對集中,且部分學(xué)校和政府采用燃煤鍋爐供暖。3.1.2機(jī)動車尾氣塵的貢獻(xiàn)率在兒童公園采樣點(diǎn),對大氣降塵的貢獻(xiàn)主要是燃煤塵(貢獻(xiàn)率為36.8%)、土壤風(fēng)沙塵(貢獻(xiàn)率為28.5%),機(jī)動車尾氣塵的貢獻(xiàn)率也較高,為13.0%。原因是兒童公園位于長春市區(qū)中心的居民區(qū),大部分居民的供熱供暖需求量很大,受城市熱島效應(yīng)的影響,污染氣體難以擴(kuò)散,容易造成嚴(yán)重的污染;此外,該采樣點(diǎn)位于長春市主干道———人民大街附近,車流量大,車行緩慢,機(jī)動車尾氣污染較嚴(yán)重。3.1.3土壤風(fēng)沙門和土壤風(fēng)砂勞動公園采樣點(diǎn)的各類源對大氣降塵的貢獻(xiàn)主要是燃煤塵(貢獻(xiàn)率為55.6%)、土壤風(fēng)沙塵(貢獻(xiàn)率為15.6%)。原因是該采樣點(diǎn)位于長春市東部居民區(qū)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),是東部的城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū),燃煤塵主要受附近老城區(qū)及棚戶區(qū)中民用小火爐取暖的影響。3.1.4土壤常用設(shè)施食品廠采樣點(diǎn)各類源對大氣降塵的貢獻(xiàn)主要是燃煤塵(貢獻(xiàn)率為62.8%)、土壤風(fēng)沙塵(貢獻(xiàn)率為22.3%)。原因是該采樣點(diǎn)位于長春市區(qū)東北部,主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向,上風(fēng)向有熱電廠,附近還聚集大量冶煉、化工、醫(yī)藥、煙草等企業(yè);此外,位于城市邊緣地帶尚未改造的老城區(qū)和棚戶區(qū)的民用小火爐采暖也貢獻(xiàn)較多塵源。3.1.5采樣點(diǎn)土壤風(fēng)塵客車廠采樣點(diǎn)各類源對大氣降塵的貢獻(xiàn)主要是燃煤塵(貢獻(xiàn)率為48.1%)、土壤風(fēng)沙塵(貢獻(xiàn)率為26.5%)。原因是該采樣點(diǎn)位于市區(qū)東北部,主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向,區(qū)域內(nèi)聚集大型工廠較多,如化工廠、煉焦廠、汽車廠和塑料廠等;此外,該區(qū)域內(nèi)居民區(qū)集中,燃煤采暖對燃煤塵源有一定貢獻(xiàn)。3.1.6合肥采暖期內(nèi)大氣碳塵污染物組成凈月潭采樣點(diǎn)各類源對大氣降塵的貢獻(xiàn)主要是土壤風(fēng)沙塵(貢獻(xiàn)率為58.1%)、機(jī)動車尾氣塵(貢獻(xiàn)率為10.2%)。原因是凈月潭位于長春市東南角的旅游區(qū),受大氣污染擴(kuò)散的影響較小。本地幾乎沒有居民和工業(yè)燃煤排放,因此主要受土壤風(fēng)沙塵的影響。機(jī)動車尾氣塵貢獻(xiàn)率較高,與旅游景點(diǎn)交通通達(dá)性和運(yùn)輸力較高有關(guān)。總的看來,在冬季采暖期里,長春市區(qū)大氣降塵的首要污染物是燃煤塵,其次是土壤風(fēng)沙塵,再次是機(jī)動車尾氣塵、道路塵、建筑塵及其他污染源。其他污染源包括冶煉工業(yè)粉塵、植物塵、動物焚燒塵、烹飪油煙、城市揚(yáng)塵等。3.2非采暖期,土壤風(fēng)1種多環(huán)芳烴對大氣降塵的影響長春市冬季采暖期的大氣降塵污染情況與該市的能源結(jié)構(gòu)和氣候條件相符。電、煤和油是長春市的主要能源消耗種類。燃煤主要有工業(yè)燃煤和民用燃煤,結(jié)果都是產(chǎn)生大量的煙塵源。由于長春市有近80%的工業(yè)企業(yè)集中在市區(qū),加上冬季氣溫很低,供熱供暖需求極大,因此燃煤塵成為首要污染源。在非采暖期,土壤風(fēng)沙塵是長春市大氣降塵的第一大污染物。采暖期燃煤總量的增加使得土壤風(fēng)沙塵對大氣降塵污染的貢獻(xiàn)率減小。長春市的采暖期正值冬、春2季,春季多大風(fēng)天氣,雨量較少,地表植被稀疏,土質(zhì)疏松,這樣的自然條件有利于沙塵天氣的形成。我國沙塵暴的季節(jié)變化特征是春季最多,3—5月發(fā)生率最高。由于受全國范圍內(nèi)沙塵暴天氣的影響,再加上長春地區(qū)自然條件易暴發(fā)揚(yáng)塵天氣,因此加重了長春市采暖期土壤風(fēng)沙塵的污染。隨著長春市經(jīng)濟(jì)和城市化發(fā)展,機(jī)動車數(shù)量增加迅速,引起機(jī)動車尾氣塵、道路塵與建筑塵污染加重。市區(qū)內(nèi)道路由于土地凍融的影響,道路翻修以及新建、擴(kuò)建,導(dǎo)致路中或路旁積土很多,加上建筑工地不規(guī)范施工和運(yùn)輸,因此大氣降塵污染加重。此外,長春市區(qū)冬季的氣候條件是風(fēng)速較小、氣溫較低,城市熱島效應(yīng)加劇了大氣逆溫現(xiàn)象,使得大氣污染物不易擴(kuò)散,因此加重了市區(qū)的大氣污染。4大力推進(jìn)“三北”防護(hù)林建設(shè)根據(jù)長春市區(qū)采暖期的污染特征,提出相應(yīng)的防治措施如下:1)對于燃煤塵污染,要嚴(yán)控燃煤塵的排放,積極推行集中排放;推行煤的高效、清潔使用和新能源的推廣。2)治理土壤風(fēng)沙塵污染,加大“三北”防護(hù)林建設(shè)和西北地區(qū)的森林覆蓋率,努力做好“三北”防護(hù)林在東北的建設(shè)工作;植樹和植草并舉,尤其在市區(qū)外圍營造一