杭州市大氣降塵與pm

杭州市大氣降塵與pm

大氣顆粒（pm0）是空氣中常見的污染物，來源不同。減少灰塵和pm0是不同粒徑的兩種空氣顆粒。它們之間的化學組成特征的差異有效地能有效地傳遞環(huán)境污染的各種信息。根據(jù)相關研究，不同城市的空氣減少和p10各成分的時空分布分布和來源存在顯著特征。通過對大氣中毒反應和p10中毒反應的比較研究，我們可以更好地理解它們之間的內在關系，為探討污染物污染的原因奠定基礎。長江三角洲地區(qū)是我國經濟社會發(fā)展程度較高的區(qū)域,其大氣污染狀況隨著經濟發(fā)展呈現(xiàn)新的特點和趨勢,這些特點和趨勢都會在大氣降塵及PM10的化學組成中得到體現(xiàn).本研究選擇我國長三角地區(qū)的典型城市杭州作為研究對象,通過對大氣降塵和PM10的化學組成進行對比分析,為判斷該地區(qū)大氣污染的特點和發(fā)展趨勢提供理論基礎和科學依據(jù).1實驗部分1.1環(huán)境功能區(qū).杭州位于長江三角洲南部,緊鄰東海,一定程度上受海洋氣候影響,地形以丘陵山地為主,植被以常綠闊葉林為主,平均森林覆蓋率為62.8%.杭州處于亞熱帶季風區(qū),四季分明,其中夏季濕度大、氣溫高,冬季低溫、干燥,而春秋兩季的溫濕度介于其間.區(qū)域內環(huán)境功能區(qū)區(qū)分明顯,北部是傳統(tǒng)工業(yè)區(qū),并且交通密集,聚集大量工業(yè)排放源;西部是風景區(qū),分布有眾多旅游景點,綠地覆蓋率高,水面面積大;東部是教育和高新技術新區(qū),聚集了多個高等院校和高新技術產業(yè);中部屬于老城區(qū),聚集了大量居民區(qū)和城市道路.不同功能區(qū)的特點在大氣降塵與PM10的總量和成分中會得到反映.1.2大氣降塵與開放系統(tǒng)于2006年6月～2008年5月,在杭州市區(qū)設置4個降塵采樣點位,分別是下沙(高教園區(qū))、朝暉(居民和商業(yè)混合區(qū))、江城立交(交通區(qū))和玉泉(風景旅游區(qū)),如圖1所示.降塵樣品的采集和測定均嚴格按照GB/T15265-94執(zhí)行,采用濕法采集降塵樣品.在各采樣點距離地面5～12m的屋頂平臺放置直徑為15cm、高為30cm的集塵缸,缸內加入60～80mL的乙二醇及200mL的蒸餾水,經蒸發(fā)、干燥、稱重后,計算降塵量.為比較降塵與PM10在濃度與化學成分上的差異,在玉泉、下沙、朝暉和江城立交4個采樣點位同步收集自動監(jiān)測站的PM10數(shù)據(jù),并且在玉泉和朝暉樣點采集PM10樣品.使用武漢天虹智能儀器有限公司的TH-150C型中流量總懸浮顆粒物采樣器,設置流量為100L/min,切割粒徑為10μm,裝載直徑為90mm的聚丙烯有機濾膜,采集PM10樣品.為了比較分析大氣降塵和PM10的化學組成特征及其來源,采集了3類杭州市PM10源類,包括25個城市揚塵樣品、8個土壤塵樣品和5個建筑水泥塵樣品.城市揚塵是指一次顆粒物源類排放進入環(huán)境空氣中的顆粒物沉降到下墊面后,在外力作用下,再次或多次進入環(huán)境空氣中的空氣顆粒物.土壤塵是指城市周邊或市區(qū)內裸露土地上的土壤受外力作用進入到環(huán)境空氣中的空氣顆粒物.建筑水泥塵是指由于人類的建筑施工活動而進入環(huán)境空氣中的空氣顆粒物.各源類的具體采集方法參見文獻.1.3準確度與精密度本研究共采集96個降塵樣品和56個PM10樣品,用重量法測定其降塵總量和PM10重量,電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)分析樣品中Cu、Cr、Mn、Ni、Pb、Zn、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg等12種無機元素.測定降塵總量時先將缸內溶液和塵粒全部轉入500mL燒杯中,在電熱板上蒸發(fā),使體積濃縮到10～20mL,冷卻后用水沖洗杯壁,并用淀帚把杯壁上的塵粒擦洗干凈,將溶液和塵粒全部轉移到已恒重的100mL瓷坩堝中,放在搪瓷盤里,在電熱板上小心蒸發(fā)至干(溶液少時注意不要崩濺),然后放入烘箱于(105±5)℃烘干,稱量至恒重后測定其重量.測定PM10重量時首先將空白有機濾膜在烘箱60℃條件下烘1～2h,去除濾膜中揮發(fā)份對稱重的影響,在烘烤后應放入干燥器中進行充分的干燥平衡3d以上,采樣后還應該放入干燥器中進行相同時間的干燥平衡,在恒溫橫濕的天平房間,將濾膜放在架子的托盤上平衡2～3d,去除水分對稱重的影響,采樣前后膜的質量之差即為顆粒物的重量.采用美國Jarrell-Ash公司生產的ICP-9000(N+M)高頻電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定無機元素含量.測定中使用空白樣品,以空白樣品連續(xù)10次測定的3倍標準偏差所對應的濃度作為檢測限.隨機抽取10%作平行雙樣,對抽取的16個樣品重復測試2次.選用國家標準樣(GBW-07306和GBW-07406)作為監(jiān)控樣,其操作方法與實際樣品完全一致,對試驗流程及儀器測定過程進行質量控制.結果表明,各種金屬元素測試精密度均<5%,樣品測定的相對標準偏差均在標準值的誤差允許范圍內,分析結果準確可靠.2結果與討論2.1大氣降塵和s10的季節(jié)變化杭州市大氣PM10的年均濃度為0.102mg/m3,接近國家空氣質量二級標準;降塵量的年均值為9.45t/(km2?30d),比國內其他典型城市稍低,降塵量和PM10濃度在國內均屬于較低水平.這與杭州市較高的綠化覆蓋率、水域面積大以及較高的濕度等因素有關.杭州市大氣降塵量和PM10濃度的月均值隨時間的變化如圖2和圖3所示.降塵量的月均值變化幅度較大,而PM10濃度的時間變化較平穩(wěn).從季節(jié)變化來看,杭州市春季降塵量最大,冬季、夏季和秋季降塵量的月均值相對較小,且相差不大.春季來自北方的風沙對杭州市大氣降塵量造成明顯影響,這可能是杭州市春季降塵量顯著增加的原因.與大氣降塵量的變化不同,PM10濃度的季節(jié)變化相對較小,除6～10月份PM10濃度較低外,其余月份PM10濃度均相差不大.大氣降塵量和PM10濃度的最低值出現(xiàn)在6、7月份,主要是由于受梅雨季和臺汛期的影響,杭州市夏季降雨量和降雨頻率較大,降雨對空氣中大氣降塵和PM10的去除作用比較明顯.2.2與人類活動強度無關關系由圖4可見,杭州市大氣降塵量與PM10濃度的空間分布.在所監(jiān)測的點位中,玉泉點位具有最低的降塵量和PM10濃度,這與玉泉采樣點位于風景旅游區(qū),空氣比較清潔,周圍污染源較少有關.下沙采樣點位于高教園區(qū),距市區(qū)較遠,受人類工業(yè)生產活動影響較少,降塵量與PM10濃度較低.朝暉和江城立交采樣點人類活動均較大,污染源較多,人類活動強度高,使得這2個點位具有較高水平的降塵量和PM10濃度.可見杭州市大氣降塵量和PM10濃度的空間分布特征類似,二者均與人類活動的強度密切相關,這與其他研究結果類似.不同的是降塵量和PM10濃度在朝暉和江城立交兩采樣點的空間分布不同,朝暉是居民和商業(yè)混合區(qū),且靠近城北工業(yè)區(qū),工業(yè)排放等人為污染源較多,PM10濃度最高;而江城立交采樣點靠近交通樞紐,汽車流動大,道路灰塵量多,降塵量最高.造成降塵量和PM10濃度在這兩采樣點分布不同的原因可能是由于降塵和PM10的來源存在差異造成的,類似的研究結果也在其他研究中出現(xiàn).2.3抗污染固醇和pm0化學的特征分析2.3.1大氣中金屬元素含量比較杭州市與國內外其他城市大氣降塵和PM10各化學組分的含量(表1),杭州市大氣降塵各元素組分中Fe、K、Al、Mg、Mn、Cr和Ni的含量較低,均低于土壤背景值;Fe、Cr和Ni低于南京,但仍遠高于墨西哥某城市的含量水平,這與杭州、南京區(qū)域內有金屬冶煉工業(yè)有關.杭州市大氣PM10各元素組分除Fe、K、Al、Mg外,其余元素的含量均高于土壤背景值,Fe、Zn、Pb和Cr的含量明顯高于希臘城市Thessaloniki,但由于該希臘城市具有有色金屬冶煉工業(yè),使得其Cu元素遠高于杭州和上海;杭州PM10中Pb、Cu和Cr元素的含量明顯高于上海,這可能是由于杭州存在這些金屬元素的相關排放源所致,如玻璃制造、聚氯乙烯、油漆、涂料等的生產加工活動.2.3.2分界點各組分含量的對比為分析杭州市大氣降塵和PM10中各化學組分的空間分布特征,以及各采樣點降塵和PM10成分譜間的相似性,并分析杭州市大氣降塵和PM10的來源,解釋造成降塵和PM10化學組成等方面差異的原因,采用分歧系數(shù)CD進行分析.分歧系數(shù)用來確定降塵和PM10成分譜之間的相似程度,其計算公式如下:式中:CDjk為分歧系數(shù);xij為降塵或PM10中元素i組分的平均含量;j,k為大氣降塵或PM10;p為參與計算的組分的個數(shù).如果大氣降塵和PM10中的元素組分非常相似,那么CD就趨于0;如果組分相差極大,則CD就趨于1.但是,在什么樣的水平上2個成分譜相似還沒有一個明確的劃分標準,姬亞芹將若干城市的成分譜進行比較分析,發(fā)現(xiàn)分歧系數(shù)在0.2以下的2個風沙塵成分譜的源解析結果大體相同,因此本研究將分歧系數(shù)0.2作為相似與否的分界點.玉泉和朝暉2個采樣點中大氣降塵和PM10中各元素組分的含量如圖5所示,對不同采樣點降塵和PM10中各化學組分的含量做雙對數(shù)圖,使得含量差別很大的組分可在同一坐標圖中,并計算降塵和PM10中各化學組分在不同采樣點的分歧系數(shù),得出降塵和PM10中各化學組分的空間分布特征.結果表明,朝暉和玉泉兩采樣點的大氣降塵以及PM10化學組分的CD值均低于0.2,說明降塵和PM10的成分譜在兩采樣點均相似,其污染來源差別不大.其中PM10化學組分的CD值較低(0.135),表明PM10在兩采樣點的來源更一致,這可能與PM10受區(qū)域源影響較大有關.如圖5所示,除Na和K以外,其余組分在朝暉采樣點的含量均高于在玉泉點的含量;而杭州市PM10化學組分中除Mg、Pb和Cu以外,其余組分在朝暉點的含量均高于玉泉.朝暉采樣點位于居民和商業(yè)混合區(qū),且靠近城市東北的工業(yè)區(qū),周圍污染源較多,因此在朝暉采樣點位降塵和PM10中大部分的組分含量較高.而元素Na和K主要來自海鹽粗離子,在海風作用下遠距離傳輸后易于沉降.玉泉位于風景旅游區(qū),周圍地勢開闊杭州灣中的海鹽離子易于在此沉降,這可能造成玉泉采樣點降塵中Na和K的含量較高.分析玉泉和朝暉兩采樣點以及杭州市平均的降塵和PM10中各元素組分的差異性,計算各點降塵和PM10中各化學組分的分歧系數(shù)(CD),得出各組分在降塵和PM10中的富集程度.如圖6所示,各采樣點在大氣降塵和PM10中的CD值均高于0.2,表明杭州市各采樣點大氣降塵和PM10的成分譜之間存在明顯差異,降塵和PM10的來源及其結構存在不同.杭州市大氣降塵和PM10化學組分中除Ca和Na外,其余組分在PM10中的含量高于在降塵中的含量.由于大部分金屬元素主要來自人為活動的排放,其半徑較小,懸浮在環(huán)境大氣中,不易沉降,較易在粒徑較小的PM10上富集.而元素Ca和Na的半徑較大,主要來自土壤塵和海鹽粗離子等來源,易于沉降,主要在粒徑較大的降塵上富集.部分元素在不同采樣點的富集情況不同,玉泉采樣點元素Na、K在降塵中富集,而朝暉采樣點元素Fe、Mg在降塵中富集.這與降塵和PM10在兩采樣點的來源及其各源類的結構不同有關,玉泉人為活動排放較少,空氣清潔,且由于地勢開闊,海鹽粗離子輸送量較大,降塵中富含Na、K的粒子的含量較高.而朝暉采樣點附近人為排放源較多,造成富含F(xiàn)e、Mg等元素的粒子在降塵上富集,這與其他研究結果類似.2.4各源類成分譜的相似性杭州市典型PM10來源(即城市揚塵、土壤塵和建筑水泥塵)的化學組成分析結果如表2所示.通過CD值比較杭州市大氣降塵和PM10分別與這3種典型PM10源類化學成分間的相似性,結果見表3.如表3所示,杭州市大氣降塵與各源類成分譜間的分歧系數(shù)同PM10與各源類成分譜的分歧系數(shù)存在明顯差異,表明杭州市大氣降塵和PM10的來源存在差異.其中PM10與各源類成分譜的CD值相對較低,特別是與城市揚塵的成分譜相似性最高,說明PM10可能主要來源于城市揚塵這與包貞等的研究結果類似.PM10與各源類成分譜的相似性高于降塵與各源類成分譜的相似性,造成這種差異的原因是因為源類成分譜采用的是PM10源成分譜,因此PM10與源類成分譜的相似性更高.這是由于PM10源類的成分譜具有一定區(qū)域性,而降塵粒徑較大,在大氣中停留的時間較短,所受局地污染的影響較大,因此降塵和顆粒物源類的成分譜的相似性不高.3各采樣點大氣降塵和城市揚塵3.1杭州市大氣降塵量低于國內一些典型城市,PM10濃度接近國家空氣質量二級標準.杭州市大氣降塵量和PM10濃度的空間分布特征存在一定的相似性,均與人類活動的強度密切相關,但存在略微差異,人類活動均較大的朝暉和江城立交兩地中,降塵量在江城立交最高,而PM10濃度在朝暉最高.