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(jiàn)的污染物，來(lái)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(xué)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(guān)研究，不同城市的空氣減少和p10各成分的時(shí)空分布分布和來(lái)源存在顯著特征。通過(guò)對(duì)大氣中毒反應(yīng)和p10中毒反應(yīng)的比較研究，我們可以更好地理解它們之間的內(nèi)在關(guān)系，為探討污染物污染的原因奠定基礎(chǔ)。長(zhǎng)江三角洲地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展程度較高的區(qū)域,其大氣污染狀況隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)新的特點(diǎn)和趨勢(shì),這些特點(diǎn)和趨勢(shì)都會(huì)在大氣降塵及PM10的化學(xué)組成中得到體現(xiàn).本研究選擇我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)的典型城市杭州作為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)大氣降塵和PM10的化學(xué)組成進(jìn)行對(duì)比分析,為判斷該地區(qū)大氣污染的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù).1實(shí)驗(yàn)部分1.1環(huán)境功能區(qū).杭州位于長(zhǎng)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(fēng)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(nèi)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(fēng)景區(qū),分布有眾多旅游景點(diǎn),綠地覆蓋率高,水面面積大;東部是教育和高新技術(shù)新區(qū),聚集了多個(gè)高等院校和高新技術(shù)產(chǎn)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(diǎn)在大氣降塵與PM10的總量和成分中會(huì)得到反映.1.2大氣降塵與開(kāi)放系統(tǒng)于2006年6月～2008年5月,在杭州市區(qū)設(shè)置4個(gè)降塵采樣點(diǎn)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(fēng)景旅游區(qū)),如圖1所示.降塵樣品的采集和測(cè)定均嚴(yán)格按照GB/T15265-94執(zhí)行,采用濕法采集降塵樣品.在各采樣點(diǎn)距離地面5～12m的屋頂平臺(tái)放置直徑為15cm、高為30cm的集塵缸,缸內(nèi)加入60～80mL的乙二醇及200mL的蒸餾水,經(jīng)蒸發(fā)、干燥、稱重后,計(jì)算降塵量.為比較降塵與PM10在濃度與化學(xué)成分上的差異,在玉泉、下沙、朝暉和江城立交4個(gè)采樣點(diǎn)位同步收集自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的PM10數(shù)據(jù),并且在玉泉和朝暉樣點(diǎn)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(shè)置流量為100L/min,切割粒徑為10μm,裝載直徑為90mm的聚丙烯有機(jī)濾膜,采集PM10樣品.為了比較分析大氣降塵和PM10的化學(xué)組成特征及其來(lái)源,采集了3類杭州市PM10源類,包括25個(gè)城市揚(yáng)塵樣品、8個(gè)土壤塵樣品和5個(gè)建筑水泥塵樣品.城市揚(yáng)塵是指一次顆粒物源類排放進(jìn)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(jìn)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(nèi)裸露土地上的土壤受外力作用進(jìn)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(dòng)而進(jìn)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(jiàn)文獻(xiàn).1.3準(zhǔn)確度與精密度本研究共采集96個(gè)降塵樣品和56個(gè)PM10樣品,用重量法測(cè)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(wú)機(jī)元素.測(cè)定降塵總量時(shí)先將缸內(nèi)溶液和塵粒全部轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到已恒重的100mL瓷坩堝中,放在搪瓷盤(pán)里,在電熱板上小心蒸發(fā)至干(溶液少時(shí)注意不要崩濺),然后放入烘箱于(105±5)℃烘干,稱量至恒重后測(cè)定其重量.測(cè)定PM10重量時(shí)首先將空白有機(jī)濾膜在烘箱60℃條件下烘1～2h,去除濾膜中揮發(fā)份對(duì)稱重的影響,在烘烤后應(yīng)放入干燥器中進(jìn)行充分的干燥平衡3d以上,采樣后還應(yīng)該放入干燥器中進(jìn)行相同時(shí)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(pán)上平衡2～3d,去除水分對(duì)稱重的影響,采樣前后膜的質(zhì)量之差即為顆粒物的重量.采用美國(guó)Jarrell-Ash公司生產(chǎn)的ICP-9000(N+M)高頻電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測(cè)定無(wú)機(jī)元素含量.測(cè)定中使用空白樣品,以空白樣品連續(xù)10次測(cè)定的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的濃度作為檢測(cè)限.隨機(jī)抽取10%作平行雙樣,對(duì)抽取的16個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試2次.選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣(GBW-07306和GBW-07406)作為監(jiān)控樣,其操作方法與實(shí)際樣品完全一致,對(duì)試驗(yàn)流程及儀器測(cè)定過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制.結(jié)果表明,各種金屬元素測(cè)試精密度均<5%,樣品測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在標(biāo)準(zhǔn)值的誤差允許范圍內(nèi),分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠.2結(jié)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(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);降塵量的年均值為9.45t/(km2?30d),比國(guó)內(nèi)其他典型城市稍低,降塵量和PM10濃度在國(guó)內(nèi)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(guān).杭州市大氣降塵量和PM10濃度的月均值隨時(shí)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(shí)間變化較平穩(wěn).從季節(jié)變化來(lái)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(duì)較小,且相差不大.春季來(lái)自北方的風(fēng)沙對(duì)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(duì)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(tái)汛期的影響,杭州市夏季降雨量和降雨頻率較大,降雨對(duì)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(dòng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)關(guān)系由圖4可見(jiàn),杭州市大氣降塵量與PM10濃度的空間分布.在所監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中,玉泉點(diǎn)位具有最低的降塵量和PM10濃度,這與玉泉采樣點(diǎn)位于風(fēng)景旅游區(qū),空氣比較清潔,周?chē)廴驹摧^少有關(guān).下沙采樣點(diǎn)位于高教園區(qū),距市區(qū)較遠(yuǎn),受人類工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響較少,降塵量與PM10濃度較低.朝暉和江城立交采樣點(diǎn)人類活動(dòng)均較大,污染源較多,人類活動(dòng)強(qiáng)度高,使得這2個(gè)點(diǎn)位具有較高水平的降塵量和PM10濃度.可見(jiàn)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(dòng)的強(qiáng)度密切相關(guān),這與其他研究結(jié)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(diǎn)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(diǎn)靠近交通樞紐,汽車(chē)流動(dòng)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(diǎn)分布不同的原因可能是由于降塵和PM10的來(lái)源存在差異造成的,類似的研究結(jié)果也在其他研究中出現(xiàn).2.3抗污染固醇和pm0化學(xué)的特征分析2.3.1大氣中金屬元素含量比較杭州市與國(guó)內(nèi)外其他城市大氣降塵和PM10各化學(xué)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(yuǎn)高于墨西哥某城市的含量水平,這與杭州、南京區(qū)域內(nèi)有金屬冶煉工業(yè)有關(guān).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(yuǎn)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(guān)排放源所致,如玻璃制造、聚氯乙烯、油漆、涂料等的生產(chǎn)加工活動(dòng).2.3.2分界點(diǎn)各組分含量的對(duì)比為分析杭州市大氣降塵和PM10中各化學(xué)組分的空間分布特征,以及各采樣點(diǎn)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(lái)源,解釋造成降塵和PM10化學(xué)組成等方面差異的原因,采用分歧系數(shù)CD進(jìn)行分析.分歧系數(shù)用來(lái)確定降塵和PM10成分譜之間的相似程度,其計(jì)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(jì)算的組分的個(gè)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(gè)成分譜相似還沒(méi)有一個(gè)明確的劃分標(biāo)準(zhǔn),姬亞芹將若干城市的成分譜進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)分歧系數(shù)在0.2以下的2個(gè)風(fēng)沙塵成分譜的源解析結(jié)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(diǎn).玉泉和朝暉2個(gè)采樣點(diǎn)中大氣降塵和PM10中各元素組分的含量如圖5所示,對(duì)不同采樣點(diǎn)降塵和PM10中各化學(xué)組分的含量做雙對(duì)數(shù)圖,使得含量差別很大的組分可在同一坐標(biāo)圖中,并計(jì)算降塵和PM10中各化學(xué)組分在不同采樣點(diǎn)的分歧系數(shù),得出降塵和PM10中各化學(xué)組分的空間分布特征.結(jié)果表明,朝暉和玉泉兩采樣點(diǎn)的大氣降塵以及PM10化學(xué)組分的CD值均低于0.2,說(shuō)明降塵和PM10的成分譜在兩采樣點(diǎn)均相似,其污染來(lái)源差別不大.其中PM10化學(xué)組分的CD值較低(0.135),表明PM10在兩采樣點(diǎn)的來(lái)源更一致,這可能與PM10受區(qū)域源影響較大有關(guān).如圖5所示,除Na和K以外,其余組分在朝暉采樣點(diǎn)的含量均高于在玉泉點(diǎn)的含量;而杭州市PM10化學(xué)組分中除Mg、Pb和Cu以外,其余組分在朝暉點(diǎn)的含量均高于玉泉.朝暉采樣點(diǎn)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?chē)廴驹摧^多,因此在朝暉采樣點(diǎn)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(lái)自海鹽粗離子,在海風(fēng)作用下遠(yuǎn)距離傳輸后易于沉降.玉泉位于風(fēng)景旅游區(qū),周?chē)貏?shì)開(kāi)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(diǎn)降塵中Na和K的含量較高.分析玉泉和朝暉兩采樣點(diǎn)以及杭州市平均的降塵和PM10中各元素組分的差異性,計(jì)算各點(diǎn)降塵和PM10中各化學(xué)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(diǎn)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(diǎn)大氣降塵和PM10的成分譜之間存在明顯差異,降塵和PM10的來(lái)源及其結(jié)構(gòu)存在不同.杭州市大氣降塵和PM10化學(xué)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(lái)自人為活動(dòng)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(lái)自土壤塵和海鹽粗離子等來(lái)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(diǎn)的富集情況不同,玉泉采樣點(diǎn)元素Na、K在降塵中富集,而朝暉采樣點(diǎn)元素Fe、Mg在降塵中富集.這與降塵和PM10在兩采樣點(diǎn)的來(lái)源及其各源類的結(jié)構(gòu)不同有關(guān),玉泉人為活動(dòng)排放較少,空氣清潔,且由于地勢(shì)開(kāi)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(diǎn)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(jié)果類似.2.4各源類成分譜的相似性杭州市典型PM10來(lái)源(即城市揚(yáng)塵、土壤塵和建筑水泥塵)的化學(xué)組成分析結(jié)果如表2所示.通過(guò)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(xué)成分間的相似性,結(jié)果見(jiàn)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(lái)源存在差異.其中PM10與各源類成分譜的CD值相對(duì)較低,特別是與城市揚(yáng)塵的成分譜相似性最高,說(shuō)明PM10可能主要來(lái)源于城市揚(yáng)塵這與包貞等的研究結(jié)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?yàn)樵搭惓煞肿V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(shí)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(diǎn)大氣降塵和城市揚(yáng)塵3.1杭州市大氣降塵量低于國(guó)內(nèi)一些典型城市,PM10濃度接近國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).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(dòng)的強(qiáng)度密切相關(guān),但存在略微差異,人類活動(dòng)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.