新疆干旱區(qū)城市環(huán)境空氣監(jiān)測與空氣質(zhì)量分析

新疆干旱區(qū)城市環(huán)境空氣監(jiān)測與空氣質(zhì)量分析

所謂總散列，是指總氣平均膠系統(tǒng)中分散的各種顆粒。根據(jù)空氣動力學有效直徑大小將其劃分為總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)和細粒子(PM2.5)?？諝饪倯腋☆w粒物(TSP)是指懸浮在空氣中,空氣動力學直徑≤100μm的顆粒物,PM10則是TSP中空氣動力學直徑≤10μm的顆粒物,被國際標準化組織稱為可吸入顆粒物,這些微粒吸附的有毒污染物對人類健康造成潛在威脅。國內(nèi)外有關(guān)PM10和TSP的比值,相關(guān)性,粒度分布等方面的研究很多。CarstenHoffmann等對內(nèi)蒙古的TSP的粒度分析表明,PM10占TSP的比例范圍為58%~63%。Guor-ChengFang等對臺灣的大氣顆粒物研究結(jié)果表明PM2.5、PM10和TSP的比值范圍是50%~90%,PM10和TSP之間的相關(guān)系數(shù)為0.98。賈素平等人對漯河市大氣中PM10和TSP進行了相關(guān)性研究,研究結(jié)果表明漯河市PM10在TSP中的份額為78.1%~93.8%,PM10和TSP之間的相關(guān)性非常好,相關(guān)系數(shù)為0.9726。郭前進等人對晉城市大氣PM10和TSP的比值進行了研究,結(jié)果表明晉城市PM10與TSP質(zhì)量濃度比值的均值為0.37,PM10與TSP單項污染分指數(shù)比值的均值為0.66。王贊紅利用掛片法和CIS-50粒度粒形儀對石家莊市大氣顆粒物樣品進行了粒度分析,結(jié)果表明石家莊市冬秋季近地面大氣顆粒物粒度分布呈連續(xù)多峰曲線形態(tài),以粗模態(tài)為主,粒徑范圍0.8~120μm,主體在10μm以下,集中于3~7μm。2000年以后,本著“環(huán)境保護,以人為本”的管理目標,從監(jiān)測對人體危害性較大的項目入手,更好地反映城市空氣污染狀況,我國大、中型城市對大氣顆粒物的監(jiān)測已逐步由總懸浮顆粒物(TSP)監(jiān)測轉(zhuǎn)為可吸入顆粒物(PM10)監(jiān)測。近10a來,我國大氣顆粒物監(jiān)測指標不斷變動(TSP→PM10→PM2.5),由于不同顆粒物日均濃度標準限值的寬嚴程度不同,對城市空氣質(zhì)量級別評價結(jié)果產(chǎn)生很大影響,紛紛反映PM10監(jiān)測指標給出的環(huán)境空氣質(zhì)量評價級別跟當?shù)貙嶋H情況不符,不能很好地反映當?shù)氐目諝馕廴境潭?在我國北京、遼寧和杭州等地的研究均證實了以上結(jié)論,強烈要求增加PM2.5監(jiān)測指標以真實地反映灰霾污染程度,但對新疆城市而言情況則恰恰相反,要求北方干旱區(qū)尤其是沙塵多發(fā)區(qū)繼續(xù)保留TSP監(jiān)測指標以真實地反映空氣中沙塵或揚塵污染狀況[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26]。從1986年開始監(jiān)測環(huán)境空氣質(zhì)量以來,新疆作為典型干旱區(qū)其主要大氣污染物以總懸浮顆粒物TSP為主,2002-2005年監(jiān)測指標陸續(xù)更換為PM10,隨之產(chǎn)生了監(jiān)測數(shù)據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量評價結(jié)果偏好,與當?shù)匚廴緺顩r和民眾感觀不一致的現(xiàn)象。由于新疆干旱區(qū)綠洲城市沙塵天氣多發(fā),TSP監(jiān)測逐步轉(zhuǎn)向為沙塵天氣環(huán)境影響監(jiān)測服務,在2005-2008年期間4個城市(奎屯市、喀什市、阿圖什市、和田市)同步開展PM10和TSP手工監(jiān)測,2009年新疆“7.5”事件爆發(fā)后,很多手工監(jiān)測工作陷于停頓,隨2010年6月網(wǎng)絡開通工作恢復正常之后,2011年只有昌吉、吐魯番、喀什3個城市恢復了TSP手工監(jiān)測。為了全面客觀的說清新疆城市空氣中TSP與PM10指標對空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)體系的影響研究,本研究選取北疆、東疆、南疆3個不同的區(qū)域進行研究,以保證研究區(qū)域的代表性和完整性,同時科學反映新疆城市的區(qū)域特征。對北疆區(qū)域而言,選擇了昌吉、奎屯2個城市作為典型城市開展研究;對東疆區(qū)域而言,選擇了吐魯番市作為典型城市開展研究;對南疆區(qū)域而言,選擇了喀什、和田、阿圖什3個城市作為典型城市開展研究。通過對2005-2008年、2011年新疆城市同期監(jiān)測的TSP和PM10所對應的空氣質(zhì)量級別進行對比研究,分析采用PM10代替TSP后作為顆粒物監(jiān)測指標對空氣質(zhì)量級別的變化影響,明確指出PM10日均值二級標準限制過于寬松,無法真實反映干旱區(qū)城市空氣質(zhì)量狀況需要收嚴,研究結(jié)果將為今后因地制宜地科學選擇大氣顆粒物監(jiān)測指標提供依據(jù)。1材料和方法1.1昌吉市暖溫帶氣候的基本情況本文選取新疆北疆典型城市昌吉市、東疆典型城市吐魯番市和南疆典型城市喀什市作為研究區(qū)(圖1)。北疆奎屯市位于新疆西北部,地處天山北麓、準噶爾盆地南緣的北坡經(jīng)濟帶上。由于天山山脈對北方冷空氣的屏障作用和戈壁為主的下墊面作用,奎屯市氣候干燥,降水量少,蒸發(fā)量大。地勢西南高、東北低,地表多為戈壁或厚度為幾十厘米至30m左右的亞砂土。全年主導風向為西風,其次是東風和西南風。昌吉市緊鄰首府烏魯木齊市,東距首府烏魯木齊市30km,地處87°E和44°N,是通向北疆各地的交通要道,屬溫帶大陸性干旱氣候,冬季漫長、寒冷,夏季短促、溫涼,年均溫6℃,1月均溫-18℃,7月均溫24℃,年降水量約250mm;東疆吐魯番市深居內(nèi)陸,屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候,日照充足,熱量豐富但又極端干燥,降雨稀少且大風頻繁,故有“火洲”、“風庫”之稱,夏季高溫多風,年均氣溫13.9℃,年均降水約16mm,終年降水稀少一般在5mm以下;南疆喀什市、阿圖什市,受地理環(huán)境的制約,地處新疆西南部,東臨塔克拉瑪干大沙漠,三面環(huán)山,整個地勢由西南向東北傾斜。特殊的地勢造成印度洋的濕潤氣流和北冰洋的寒冷氣流難以到達,致使喀什境內(nèi)降水稀少,蒸發(fā)旺盛,春夏多大風、沙暴、浮塵天氣?？κ彩?、阿圖什市屬暖溫帶大陸性干旱氣候帶。年平均氣溫在11.4~11.7℃,年降水量39~664mm,春夏秋冬四季分明,冬季低溫期長,夏季長而炎熱,春季升溫快,常有倒春寒。秋季短促,降溫迅速.春季多大風和沙塵暴,浮塵日數(shù)頻繁。和田市位于新疆西南部,南踞昆侖山,向北深入塔克拉瑪干大沙漠。該地區(qū)氣候干燥,降水稀少,蒸發(fā)強烈,每年沙暴、浮塵天氣多達230d。1.2數(shù)據(jù)來源和評估方法1.2.1tsp濃度比的相關(guān)性研究本文重點選取2011年昌吉市、吐魯番市和喀什市同期監(jiān)測的PM10與TSP濃度數(shù)據(jù)開展研究,PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)由空氣自動監(jiān)測每天24h實時監(jiān)測獲取。TSP采用大流量采樣泵進行手工監(jiān)測,分析方法為重量法,通過隔日人工監(jiān)測方式獲得,其中北疆代表城市昌吉市,共獲得159對濃度數(shù)據(jù);東疆代表城市吐魯番市,共獲得171對濃度數(shù)據(jù);南疆代表城市喀什市,共獲得134對濃度數(shù)據(jù),分別根據(jù)PM10和TSP兩個指標計算當日空氣質(zhì)量級別,采用相關(guān)系數(shù)法進行TSP/PM10濃度比的相關(guān)性研究。為了更全面反映PM10和TSP兩個指標對新疆干旱區(qū)城市環(huán)境空氣質(zhì)量評價結(jié)果的影響,對2005-2008年新疆奎屯、喀什、阿圖什、和田4城市的同期監(jiān)測的PM10與TSP濃度數(shù)據(jù)進行補充研究,以增加本文的說服力和代表性。選取奎屯市、喀什市、阿圖什市、和田市4a同期監(jiān)測的PM10和TSP濃度數(shù)據(jù),分別根據(jù)PM10和TSP2個指標計算當日空氣質(zhì)量級別,奎屯市共得到697d空氣質(zhì)量級別比對數(shù)據(jù),阿圖什市共得到601d數(shù)據(jù),喀什市共得到560d數(shù)據(jù),和田市共得到632d數(shù)據(jù)。1.2.2分級限值的確定空氣污染指數(shù)(API)是一種反映和評價空氣質(zhì)量的方法,鑒于新疆城市首要大氣污染物以顆粒物為主,一般以顆粒物為指標計算API來反映空氣質(zhì)量狀況,以PM10為指標的API計算公式為:設I為PM10的污染指數(shù),C為PM10的濃度。計算公式如公式1所示:其中:C大與C小為在API分級限值表中PM10指標最貼近C值的兩個濃度值;I大與I小為在API分級限值表中PM10指標最貼近I值的兩個污染指數(shù)值。以TSP為指標的API計算與以PM10為指標的API方法同理.通過計算出API指數(shù),可以得到相應的空氣質(zhì)量狀況,統(tǒng)計空氣質(zhì)量級別的天數(shù)和比例。1.2.3評價方法采用API指數(shù)法確定環(huán)境空氣質(zhì)量級別(GB3096-1996)(表1)。2結(jié)果與討論2.1暖期tsp和s10濃度比較(1)北疆城市—昌吉市(2011年)。北疆昌吉市TSP濃度在0.1~1mg·m-3之間,PM10濃度在0.01~0.2mg·m-3之間,采暖期TSP和PM10濃度差明顯大于非采暖期。(2)東疆城市—吐魯番市(2011年)。東疆吐魯番市TSP濃度主要在0.25~3.5mg·m-3之間,PM10濃度在0.01~1.7mg·m-3之間,沙塵期TSP和PM10濃度差明顯大于非沙塵期。(3)南疆城市—喀什市(2011年)。南疆喀什市TSP濃度主要在0.25~6.5mg·m-3之間,PM10濃度在0.01~5mg·m-3之間,沙塵天氣TSP和PM10濃度普遍高于非沙塵期。2.2東疆和邊疆雙軌制期ssp濃度特征新疆城市的TSP與PM10監(jiān)測指標顯示出較好的相關(guān)性,北疆城市兩者相關(guān)系數(shù)為0.605,東疆為0.771,南疆為0.791;在采暖期和沙塵期,TSP與PM10處于高濃度水平,兩者相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)為0.79~0.84;在非采暖期和非沙塵期,TSP與PM10處于低濃度水平,兩者相關(guān)性較差,相關(guān)系數(shù)僅為0.34~0.49。東疆和南疆城市PM10/TSP比值要高于北疆;在采暖期和沙塵期PM10/TSP比值略低于非采暖期和非沙塵期(表2)。PM10占TSP比例通過濃度比進行計算,北疆昌吉市PM10/TSP濃度比值大致為26.29%,其中采暖期為24.73%,非采暖期為27.8%;奎屯市PM10/TSP濃度比值大致為24.5%,其中采暖期為34.7%,非采暖期為19.9%;東疆吐魯番市PM10/TSP比值大致為34.86%,其中沙塵期為29.31%,非沙塵期為42.63%;南疆喀什市PM10/TSP比值大致為36.50%,其中沙塵期為34.21%,非沙塵期為39.71%。鄰近的阿圖什市PM10/TSP比值大致為40.8%,沙塵期為36.9%,非沙塵期為47.8%。和田市PM10/TSP比值大致為25.1%,沙塵期為19.4%,非沙塵期為33.5%(表3)。2.3非沙區(qū)的自身環(huán)境(1)北疆城市—昌吉市。昌吉市2011年的API(PM10)空氣質(zhì)量指數(shù)基本上波動在50~150之間,隔日報計算出的API(TSP)污染指數(shù)則在30~500之間。兩者在低濃度水平時具有一定吻合性,但在采暖期API(TSP)與API(PM10)的偏離明顯大于非采暖期。(2)東疆城市—吐魯番市。吐魯番市2011年的API(PM10)空氣污染指數(shù)基本上波動在50~450之間,隔日報計算出的API(TSP)污染指數(shù)則在50~500之間。兩者在6~7月和10~2月非沙塵期具有一定吻合性,但在沙塵期3~5月和8~9月API(TSP)與API(PM10)的偏離明顯變大。(3)南疆城市—喀什市?？κ彩?011年沙塵天氣頻繁,基本全年每月都發(fā)生,API(PM10)空氣質(zhì)量指數(shù)基本上波動在100~300之間,隔日報計算出的API(TSP)污染指數(shù)則在50~500之間。兩個污染指數(shù)之間吻合性差,沙塵發(fā)生時API(TSP)與API(PM10)的偏離有時達到2~3倍。從圖9可知,北疆城市非采暖期,API指數(shù)在30~120之間波動,API(TSP)和API(PM10)非常接近,差值較小;采暖期API指數(shù)在50~250之間波動,API(TSP)和API(PM10)的差值較大。北疆城市API(TSP)和API(PM10)同步性普遍較好,兩者符合度采暖期較高于非采暖期。從圖10可知,南疆城市API指數(shù)的波動范圍一般在50~500之間。通過隔日報TSP濃度數(shù)據(jù)計算出的污染指數(shù)普遍高于通過日報PM10濃度數(shù)據(jù)計算出的污染指數(shù),并且兩者之間的相差高達2倍。API(TSP)與API(PM10)的相關(guān)性和北疆城市相比較差。南疆城市無論是沙塵期還是非沙塵期API(TSP)遠遠高于API(PM10),沙塵期API(TSP)和API(PM10)平均值差值非常大,API(TSP)是API(PM10)將近2倍,非沙塵期API(TSP)是API(PM10)將近1倍。南疆城市API(TSP)和API(PM10)的符合度比較差,非沙塵期的符合度較好于沙塵期。2.4監(jiān)測指標使用情況新疆三個典型城市TSP與PM10兩指標API染指數(shù)的偏差RD,與TSP與PM10兩種大氣顆粒物API指數(shù)對應關(guān)系見圖11。由圖可見,北疆城市PM10的API指數(shù)幾乎95%都落在100之內(nèi);東疆城市PM10的API指數(shù)98%都落在200之內(nèi);南疆城市PM10的API指數(shù)85%都落在100~200之內(nèi),約有10%落在200~500之間。相對而言,北疆城市TSP的API指數(shù)只有50%都落在100之內(nèi),約有30%落在100~200之間,還有20%落在200~500之間;東疆城市TSP的API指數(shù)70%都落在200之內(nèi),30%都落在200之外;南疆城市TSP的API指數(shù)25%都落在100~200之內(nèi),約有75%落在200~500之間,兩者差別較大。監(jiān)測指標采用PM10代替TSP后,新疆城市環(huán)境空氣質(zhì)量級別出現(xiàn)較大幅度提升,環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率偏高,污染天數(shù)減少50~60d,而這與實際情況不完全相符(表4)。表4可知:2011年通過API(PM10)污染指數(shù)計算出的北疆昌吉市空氣質(zhì)量級別以優(yōu)和良好為主,通過API(TSP)污染指數(shù)計算出的級別則以良和輕度污染為主,兩者在輕度重度污染級別上相差55d;通過API(PM10)污染指數(shù)計算出的東疆吐魯番市空氣質(zhì)量級別以良為主,而通過API(TSP)污染指數(shù)計算出的級別則以輕度污染為主,兩者在輕度和重度污染級別上相差58d;通過API(PM10)污染指數(shù)計算出的南疆喀什市空氣質(zhì)量級別以輕度污染為主,而通過API(TSP)污染指數(shù)計算出的級別則以重度和輕度污染為主,兩者在輕度重度污染級別上相差58d。表4顯示,2005-2008年北疆城市通過PM10濃度數(shù)據(jù)計算出優(yōu)良天數(shù)比通過TSP濃度數(shù)據(jù)計算出優(yōu)良天數(shù)4a增加102d、污染日數(shù)減少102d,兩個指標計算出的空氣級別差異主要體現(xiàn)在優(yōu)級天數(shù)增加213d,說明用PM10作為監(jiān)測指標評價當?shù)氐目諝赓|(zhì)量好于用TSP作為評價指標。南疆城市通過PM10濃度數(shù)據(jù)計算出的空氣質(zhì)量級別和通過TSP濃度數(shù)據(jù)計算級別相差極為明顯。2005-2008年阿圖什優(yōu)良天數(shù)共計增加139d,重度污染減少87d,兩指標相差近3倍;喀什優(yōu)良天數(shù)累計增加360d,重度污染減少281d,兩指標相差9倍;和田優(yōu)良天數(shù)共計增加294天,而污染天數(shù)減少436d,尤其在重度污染天數(shù)上減少375d,兩指標相差6倍。南疆城市,當通過PM10濃度數(shù)據(jù)計算出的污染級別為良時,通過TSP濃度數(shù)據(jù)計算出的污染級別則為重度污染,兩個結(jié)果相差非常大,說明在南疆城市僅使用PM10作為監(jiān)測指標無法真實評價當?shù)乜諝赓|(zhì)量狀況。2.5內(nèi)容分析結(jié)果通過計算2005-2008年以及2011年新疆城市日報與隔日報環(huán)境空氣質(zhì)量級別的符合度(表5和圖12),來說明PM10與TSP兩個監(jiān)測指標評價結(jié)果的一致性。由表5可知,北疆奎屯市PM10與TSP兩個監(jiān)測指標評價結(jié)果的對比,兩者一致的占65.73%,偏低1個級別占30.34%;昌吉市兩者一致的占43.40%,偏低1個級別占38.36%;東疆吐魯番市PM10日報數(shù)據(jù)與TSP隔日報數(shù)據(jù)相比,級別一致的占43.27%,偏低1個級別占38.01%,偏低2個級別占13.5%;南疆阿圖什市情況與吐魯番接近;喀什市兩者一致的占33.58%,偏低1個級別占38.01%,偏低2~3個級別的占31.35%.以上;和田市兩者一致的只占14.53%,偏低1個級別占29.07%,偏低2個級別的占27.33%.以上,偏低3個級別的占29.07%。說明PM10監(jiān)測指標得到的空氣質(zhì)量級別偏好,與當?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量的實際情況不符。圖12為2005-2008年、2011年新疆6個城市分別用PM10和TSP計算出的空氣質(zhì)量級別符合度,從圖可知,奎屯、庫爾勒、阿克蘇、阿圖什、喀什和和田等六個城市用PM10數(shù)據(jù)來計算出的空氣污染級別和同時采集的TSP數(shù)據(jù)來計算的空氣污染級別相同的天數(shù)分別占監(jiān)測總天數(shù)的65.7%、43.3%、43.3%、45.06%、33.58%和14.53%。北疆和東疆城市兩種計算結(jié)果的符合度大于40%,南疆城市除阿圖什市外,符合度小于35%,尤其是和田地區(qū)僅為14.53%。說明南疆地區(qū)采用PM10和TSP兩指標測得空氣質(zhì)量級別偏差較大。導致這種相差的原因可能是因為奎屯等北疆地區(qū)受風沙塵影響比較少,TSP中PM10構(gòu)成比例大,通過TSP數(shù)據(jù)計算出的污染指數(shù)和通過PM10數(shù)據(jù)計算出的污染指數(shù)相符性大?？κ?、和田等南疆城