（制冷及低温工程专业论文）长沙市大气环境颗粒物浓度水平与变化特性.pdf

摘要 随着城市现代化快速发展，大气污染程度加剧，尤其是空气中的 悬浮颗粒物污染更为严重。大气中的颗粒物能够导致城市可见度下 降，并且严重影响人体健康。流行病学研究表明，颗粒物污染水平与 人体健康具有显著的相关性，颗粒物浓度的上升会导致呼吸系统疾 病、心血管疾病发病率和死亡率的增加。因此，研究颗粒物污染水平 已成为亟待解决的问题。 2 0 0 7 年1 1 月至2 0 0 8 年1 0 月对长沙市大气环境中的颗粒物质量 及数量浓度进行连续监测，其中在2 0 0 8 年1 0 月，颗粒物的数量浓度 和p m l o 、p m 2 5 的质量浓度同时被监测。采用大气颗粒物监测仪t e o m 和粉尘测定仪d u s t t r a k 监测p m l o 、p m 2 5 的质量浓度；采用空气动 力学粒径谱仪a p s 监测数量浓度。应用s p s s 软件对实验数据进行统 计分析，监测数据分析结果表明： 长沙大气环境中的p m l o 、p m 2 5 污染比较严重，秋冬季节浓度较 高。p m l o 与p m 2 5 日变化呈双峰曲线，峰值分别出现在上午9 ：0 0 和 下午18 ：0 0 附近，主要受交通和气象影响。不同粒径颗粒物浓度水平 相关性研究结果表明，可吸入颗粒物p m l o 中主要以细颗粒物p m 2 5 为主。 粒径为0 5 - 2 0 1 a m 的颗粒物数量浓度主要集中在o 5 1 岬细颗粒 物范围内，中值粒径为0 6 3 5 9 m 。数量浓度日变化趋势同样出现明显 的峰值，主要与汽车尾气排放有关。调查颗粒物数量浓度与质量浓度 相关性，结果表明数量浓度与细颗粒物p m ：5 的相关性好于与粗颗粒 物p m l o 的相关性，说明颗粒物的数量浓度主要受细颗粒物影响，粗 颗粒物对数量浓度贡献较少。 当污染源一定时，城市大气中颗粒物浓度主要取决于气象条件， 受温度、湿度、风速、气压、降水量等气象因素的综合影响。温度主 要影响颗粒物的扩散；湿度主要影响细颗粒物的生长；风具有平流输 送和稀释扩散颗粒物的作用，同时也是引起地面扬尘的重要因素。 关键词颗粒物，质量浓度，数量浓度，相关性，气象因素 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nm o d e r n i z a t i o n ，a t m o s p h e r i c p o l l u t i o n ，e s p e c i a l l ys u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e r , i sv e r ys e r i o u s p a r t i c u l a t em a t t e rc a nl c a dt od e c r e a s eo fv i s i b i l i t ya n da d v e r s eh e a l t h e f f e c t m a n ye p i d e m i o l o g i c a ls t u d i e ss h o wt h a tt h e r ei ss t r o n gc o r r e l a t i o n b e t w e e nt h el e v e lo f p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na n dh u m a nh e a l t h t h er i s eo f p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nh a sl c a dt oas i g n i f i c a n ti n c r e a s eo fm o r b i d i t ya n d m o r t a l i t yi nr e s p i r a t o r ya n dc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s t h e r e f o r e ，i ti sv e r y i m p o r t a n t t or e s e a r c ht h el e v e lo f p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n t h em a s sc o n c e n t r a t i o n sa n dn u m b e rc o n c e n t r a t i o n so fa e r o s o lw e r e m e a s u r e dc o n t i n u o u s l yi nu r b a na i ro fc h a n g s h af r o mn o v e m b e r2 0 0 7t o o c t o b e r2 0 0 8 t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o n sa n dt h em a s sc o n c e n t r a t i o n so f p m l 0a n dp m 2 5w e r em e a s u r e ds i m u l t a n e o u s l yi no c t o b e r2 0 0 8 l o n g p e r i o d sm o n i t o r i n gw a so p e r a t e dw i t l lt e o m ，a p sa n dd u s t t r a k a l l s t a t i s t i c a la n a l y s e sw e r ec o n d u c t e du s i n gas t a t i s t i c a la n a l y s i ss o f t w a r e p a c k a g e - s p s s13 0 t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h el e v e l so fp m l 0a n dp m 2 5w e r eh i g hi n c h a n g s h aa n da v e r a g ed i u r n a lc o n c e n t r a t i o n sw e r eh i g h e ri na u t u m na n d w i n t e r a v e r a g ed i u r n a lv a r i a t i o n so fp m l o a n dp m 2 5p r e s e n t e dt w op e a k s a r o u n d9 ：0 0i nt h em o r n i n ga n d18 ：0 0i nt h ee v e n i n gm a i n l ya t t r i b u t e dt o t r a f f i ca n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n s n er e l a t i o n s h i pb e t w e e np m l 0a n d p m 2 5s u g g e s t e dt h a tp m 2 5w a sm a i nf r a c t i o n si ni n h a l a b l ep a r t i c l e s a v e r a g ed i u m a ln u m b e rc o n c e n t r a t i o no fp m i nr a n g ef r o m0 5t o 2 0 p , mw a s517 0 # c m j t h em e d i a nd i a m e t e ro fn u m b e rc o n c e n t r a t i o n s w a so 6 3 5 1 x r nb e t w e e n0 5a n dlp m a v e r a g ed i u m a lv a r i a t i o n so f p a r t i c l e n u m b e rp r e s e n t e dt h es a m ep e a ka t t r i b u t e dt ov e h i c l ee m i s s i o n t h e i n v e s t i g a t i o nt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn u m b e rc o n c e n t r a t i o n sa n dm a s s c o n c e n t r a t i o n so fp a r t i c l e si n d i c a t e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn u m b e r c o n c e n t r a t i o na n dp m i ow a sb e t t e rt h a np m 2 5 s u g g e s t i n g t h a t f i n e p a r t i c l e sm a i n l yc o n t r i b u t e dn u m b e rc o n c e n t r a t i o n s w h e n p o l l u t e ds o u r c e sw e r es t e a d y , t h el e v e l so fp a r t i c u l a t em a t t e r w e r ei n f l u e n c e db ym e t e o r o l o g i c a l p a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ， i i h u m i d ，w i n ds p e e d ，a i rp r e s s u r e ，r a i n f a l la n ds oo n a i rt e m p e r a t u r eh a d e f f e c to np a r t i c l ed i f f u s i o n a ni n c r e a s ei nr e l a t i v eh u m i d i t yi nt h e a t m o s p h e r el e dt og r o w t ho ff i n ep a r t i c l e sd u et oc o m p o n e n t so f w h i c h a b s o r b i n gw a t e r w i n dm a yp l a y ar o l e i nt r a n s p o r t i n ga n dd i l u t i n g a m b i e n tp a r t i c l e sa n da l s ol e a dt or e - s u s p e n s i o no fr o a dd u s t k e yw o r d s p a r t i c u l a t em a t t e r , m a s sc o n c e n t r a t i o n ，n u m b e r c o n c e n t r a t i o n ，r e l a t i o n s h i p ，m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：3 型些 e la n ：耸年月丝日 r 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 王- 些 导师签名 f 一 期：孕年上月迦日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 大气污染是指不受欢迎的物质存在于大气中，其量达到造成危害的水平。随 着城市化和机动化的快速发展以及城市人口的日益膨胀，大气污染程度加剧，尤 其是空气中的悬浮颗粒物p m ( p a r t i c u l a t em a t t e r ) 污染更为严重。大气中的颗粒 物可以影响全球环境，能够导致城市可见度下降，并且严重危害人体健康【1 - 2 】。 许多有害物质通过人们无法控制的渠道进入大气，然而，在城市人口密集的地方， 这些污染物主要来源于人类活动。这些活动与人们的物质生活水平密切相关。减 少这些活动将导致生活水平的下降，人们很少这样去做。因此，探索经济而有效 的颗粒物控制策略成为目前较为窘迫的问题。 1 1 研究意义与研究背景 1 1 1 颗粒物污染是当今大气环境的焦点问题 大气污染控制行为至少可以追述到1 3 世纪，但是大量的工作主要是在1 9 4 5 年以后进行的。在此之前人们更关注社会中其他的事情( 今天在发展中国家仍是 这样) ，2 0 世纪三、四十年代欧美发达国家把工厂烟囱冒出的浓烟被视做繁荣的 象征，一些政府部门还将其作为官方的标志。1 9 4 5 年以前工业大气污染控制主 要是控制与周围居民发生冲突的大型工厂排放的污染物。1 9 4 5 1 9 6 9 年间，人们 对大气污染问题意识增强。2 0 世纪5 0 年代英国伦敦的烟雾事件，城市大气颗粒 物开始引起人们的关注。 随着城市建设步伐加快，人们生活水平提高，大气污染程度加剧，尤其是颗 粒物污染更为严重，颗粒物研究逐渐成为大气环境的热点问题。大气中的悬浮颗 粒物对环境气候、城市可见度和人体健康有重要影响。近年来，越来越多的科学 家对世界各地的颗粒物污染水平进行研究。欧美发达国家( 如美国、英国、德国、 芬兰) 已做了大量城市大气环境颗粒物浓度的监测研究1 3 巧】，而亚洲对颗粒物的 研究却甚少，尽管亚洲大多数发展中国家颗粒物污染已相当严重1 6 - 7 1 。 在我国快速发展的城市化进程中，空气污染问题越来越严重，其中可吸入颗 粒物p m i o 已成为众多城市大气环境中的首要污染物之一。而我国仅在北京、广 州等大城市有较系统的颗粒物研究【8 - 9 1 ，一些中小城市还尚未开展研究。长沙是 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 湖南省会，是我国具有代表性的中等城市。近年来，城市工业、基础建设发展非 常迅速，城市人口和汽车保有量日益增长，这就导致城市大气环境中颗粒物浓度 升高，颗粒物污染治理已成为城市环境治理的关键。 1 9 9 6 年我国颁布了环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) ，规定p m l o 日平 均浓度二级标准为1 5 0 “g m 3 b o 。然而相当一部分城市环境中的p m l o 浓度均有不 同程度超标，这种现象在秋冬季节尤为严型机1 1 。12 1 。2 0 0 5 年中国环境状况公报显 示，4 0 5 的城市颗粒物超过二级标准，5 5 的城市超过三级标准；2 0 0 6 年，3 7 2 的城市颗粒物浓度超过国家二级标准，5 3 的城市颗粒物浓度超过国家三级标 准；2 0 0 7 年，2 8 0 的城市颗粒物超过二级标准，2 2 的城市超过三级标准 ( h t t p ：w w w s e p a g o v c n p l a n ) 。虽然我国颗粒物污染状况逐年有所好转，但控制 标准与欧美国家相比是比较宽松的，而目前我国对细颗粒物p m 2 5 尚未做出规定 和控制政策。城市建设快速发展的同时，人为污染源造成的颗粒物污染问题亦不 可忽视，颗粒物仍是我国目前和未来较长时间大气污染控制的重点。因此，当前 对我国城市大气环境中颗粒物污染水平展开研究十分必要。 1 1 2 颗粒物概述 颗粒物( p a r t i c u l a t em a u e r ，p m ) ，是指大气中除气体之外的物质，包括各种 各样的固体、液体和气溶胶，其粒径范围在o 1 - 2 0 0 1 上m 。根据空气动力学直径大 小，可分为总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物。可吸入颗粒物能够进入人体的呼吸系 统而影响人体健康，因而倍受关注，又可将其细分为粗颗粒物、细颗粒物和超细 颗粒物。 o总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ，t s p ) ，粒径小于1 0 0 0 1 x m ； o 可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e s ，p m l o ) ，粒径小于1 0 0 p m ； o 细颗粒物( f i n ep a r t i c l e ，p m 2 5 ) ，粒径小于2 5 9 m ； o 超细颗粒物( u l t r a f i n ep a r t i c l e ，p m o 1 ) ，粒径小于o 1 i m a 。 大气颗粒物的来源可分为自然源和人为源。自然源包括地面扬尘、海洋飞沫 和盐粒、火山爆发所释放的火山灰、森林火灾的燃烧物、宇宙陨星尘以及植物的 花粉、孢子等。人为源主要是工业机械过程产生的工业粉尘，燃料燃烧过程中形 成的烟尘，如工业排放、汽车尾气等。 根据颗粒物形成机理的不同，颗粒物又分为一次颗粒物与二次颗粒物l l 引。 图1 1 中前两个峰包括几乎所有大气中的二次颗粒物，第三个峰主要代表一次颗 粒物。一次颗粒物是由地面自然或人为活动直接排放到大气中的，如火山爆发、 海浪残核、燃煤、地面扬尘、建筑排放等。二次颗粒物通常来自气一粒转换，是 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 由排放出的气体产物( 如s o x 、n o x 和挥发性的有机化合物) 在大气中的转化 形成的。气一粒转换产生的反应物几乎在所有尺度的粒子中都存在，但贡献率均 很小，而且二次颗粒物以一次颗粒物的存在为前提，所以治理大气颗粒物的根本 途径是减少一次源的排放。 图1 1 中描述了三类颗粒物：超细颗粒物、积聚模颗粒物、粗颗粒物。粒径 为0 0 0 2 - 0 1 岬的最小颗粒物是由气相向固相转变时产生的，形成核态，也称为 超细颗粒物。超细颗粒物一般是燃烧过程中产生的热蒸汽通过凝结和浓缩作用进 入空气中的。在一段时间内( 通常是几小时) 最小的颗粒物通过彼此的聚合而长 大。有些凝聚发生在气相，有的则发生在液相( 云和雾滴中) 。积聚模颗粒物 ( 0 1 1 i n n ) 是由更小颗粒物的聚合作用形成的，一部分通过大气中气体和蒸汽 与颗粒物之间的转化而形成。这些颗粒物足够大，可以通过雨除或冲刷作用去除。 同时积聚模颗粒物也通过表面吸附作用捕获超细颗粒物和气体分子而不断生长。 粗颗粒物( 2 5 1 0 w n ) 则是由自然界或人工的机械过程形成。无论有无云雨作 用，这些更大的颗粒物都可通过重力沉降去除。 p a r t i c l ed i a m e t e r0 t m ) i磁瑚袱私仞伤泵俣袱氍切 _ jlj l | 二细磊i 物 ： 粗颗粒物 。 图1 - 1 颗粒物的形成过程及分类 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 颗粒物对环境的影响 大气颗粒物具有各种粒度，决定了它对光的不同效应，如吸收、散射或反射 作用，从而对气候产生直接和问接的效应。由于颗粒物的存在，直接阻挡太阳光 抵达地球表面，这样使可见光的光学厚度增大，抵达地面的太阳能通量剧烈下降， 从而使地面温度降低，高空的温度增高。特别是直径在0 1 5 9 r n 的颗粒，通过 散射与吸收太阳与地球辐射在大气能量平衡中起着重要作用。 尽管大气颗粒物只占大气很小一部分，但在城市中对大气的光学性质影响甚 至可达9 9 。大量研究表明，大气颗粒物中p m l o 和p m 2 5 的性质与能见度的降 低密切相关【l 引。能见度主要是由大气颗粒物对光的散射和吸收决定。空气分子 对光的散射作用很小，其最大的视距( 极限能见度) 为1 0 0 3 0 0 k m 。在实际的 大气中由于颗粒物的存在，能见度一般远远低于这个数值，颗粒物的散射能造成 6 0 - 9 5 能见度的减弱。在大气颗粒物中主要是粒径为0 1 1 0 1 t m 的颗粒物通过 对光的散射而降低物体与背景之间的对比度，从而降低能见度。在这一粒径范围 内的颗粒物智能光，含有8 0 4 2 。的粒子和n 0 3 的粒子最易散射可见光。p m l o 和 p m 2 5 对光的吸收效应几乎全部是有碳黑和含有碳黑的颗粒物造成的，其引起的 消光效应在某些地方甚至可以使能见度减低一半以上。大多数城市的可见阴霾就 是由人类活动引起的二次颗粒物造成的。 颗粒物不但影响城市环境，还影响生态系统。另外随雨沉降的颗粒物携带的 化学成分会腐蚀雕像和建筑外墙，从而破坏城市景观；进入泥土的颗粒物能破坏 植被，进而破坏生态平衡。 1 1 4 颗粒物对人体健康的影响 k a i s e r 教授在决战洁净空气一文中指出“探索空气污染与人类疾病之 间的关系是十年来最大的一场环境战争，【”】。特别是空气中的悬浮颗粒物由于能 够进入人体呼吸系统甚至穿透肺泡进入血液循环影响心脏与大脑等人体重要器 官，对生命与健康构成严重威胁。大量流行病学研究表明，颗粒物污染水平与人 体健康具有显著的相关性。 近年来，研究颗粒物对人体健康的潜在影响主要是采用流行病学的方法去分 析颗粒物浓度水平与人类疾病的死亡率、发病率之间的关系。颗粒物浓度的上升 会导致呼吸系统疾病、心血管疾病发病率和死亡率的增加【蛤1 7 】。美国j o n a t h a n 的研究表明，p m l o 每增加1 0 1 t g m 3 ，总死亡率升高0 5 1 、呼吸系统疾病与心血 管疾病等相关疾病引起的死亡率增加0 6 8 t 1 3 】。而细颗粒物p m 2 5 比粗颗粒物 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p m l o 的危害更强。最近的一项统计调查表明，p m 2 5 质量浓度每增加1 0 9 9 m 3 ， 由各种疾病、心肺疾病、肺癌导致的死亡风险分别增加4 、6 、8 1 9 】。 尽管如前所述，流行病学从宏观表现上反映了颗粒物浓度与健康反应关系， 但却并未从根本上揭示其致毒本质。为了探索颗粒物对人体健康的不利影响，必 须首先了解其毒理学特征。颗粒物对人体的毒性作用主要取决于其物理或化学属 性，如浓度( 质量、数量) 、粒径、化学组分等。尽管浓度提供了颗粒物污染的 总体水平，但并不能准确反应其对人体的毒性作用。k a i s e r 教授2 0 0 5 年在 ( ( s c i e n c e ) ) 撰文“收集证据控诉细颗粒物污染 指出：颗粒物尺寸与化学组分 是导致颗粒物毒性的最关键因素【2 0 1 。 大量研究表明，颗粒物的 毒性与其粒径大小存在很大 的关联。粒径越小，沉积到人 体呼吸系统的部位就越深( 如 图1 2 所示) ，粗颗粒物主要沉 积在鼻、咽部，p m 2 5 可沉积 到气管、支气管，粒径小于 l p a n 的粒子可沉积在肺泡， 5 0 n m 以下的粒子还可能穿透 肺泡与血管的屏障进入血液 循环而达到其他组织和器官， 对机体造成更严重的损伤【2 。 图1 - 2 不同粒径颗粒物在呼吸道沉积部位 颗粒物能够导致其达到部位或器官的炎症或损伤引发疾病，在这个过程中， 颗粒物的浓度决定其在呼吸道的沉积量，粒径大小主要决定“什么部位致病? ， 而化学组分则决定“为什么致病? 。 近年来，许多科学家都致力于探索大气颗粒物对机体的毒性机制，虽然迄今 为止确切的损伤机制仍不清楚，但“氧化损伤理论假说得到了大量实验数据的 支持以及世界各国学者的普遍认同，其中活性氧r o s ( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ) 与氧化应激o s ( o x i d a t i v es t r e s s ) 是颗粒物致病的关键环节1 2 2 锄】。在引发毒性的 过程中，颗粒物的化学组分起到了至关重要的作用。由于颗粒物化学组分( 特别 是金属元素) 具有很强的氧化还原性，能够诱导催化多种化学反应，在这个过程 中会产生大量的活性氧，其中o h 和h 2 0 2 等自由基具有极高的反应活性，在氧化 应激状态下，机体的氧化还原平衡被破坏，引起机体细胞膜脂质过氧化损伤，损 坏人体细胞组织和遗传物质，诱发炎症从而导致疾病甚至癌症【2 4 2 5 】。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 研究现状 评价颗粒物污染水平，主要取决于其物理属性，如质量、数量、尺寸等。然 而，过去评价标准大多基于质量浓度，尽管质量浓度提供了环境中颗粒污染物的 总体水平，但并不能准确反应人体暴露的真实情况。目前越来越多的研究结果表 明，颗粒物的数量和尺寸可能是一种更好的衡量尺度。 1 2 1 颗粒物质量浓度 颗粒物的质量浓度一直被作为世界各国治理颗粒物的控制标准。近年来，越 来越多的科学家开始对各个城市的颗粒物污染水平进行研究，如表1 1 所示1 2 6 删。 在美洲，n o b l e 等对美国德克萨斯州的颗粒物浓度进行监测，p m l o 、p m 2 5 浓度水 平分别为9 l p g m 3 、2 0 1 1 9 m 31 2 引。在欧洲，m a r c o n i 等在罗马监测p m l o 、p m 2 5 浓度 水平为4 2 熠肺3 、2 4 j _ t g m 3 3 0 1 。h a r r i s o n 等监测英国伯明翰p m l o 、p m 2 5 浓度水平， 其平均浓度分别为2 0 - 2 3 6 t t g m 3 、1 3 p , g m 3 5 1 。g e h r i g 等在瑞士的监测中得到p m i o 、 p m 2 5 浓度水平为1 1 - 3 5 9 1 a g m 3 、7 9 2 4 9 i _ t g m 3 【3 酬。在亚洲，c h a o 等人监测中国香 港颗粒物水平，p m i o 、p m 2 5 浓度为7 0 1 l x g m 3 、4 3 1 a g m 3 【3 9 1 。w a n g 等人在对广州 大气颗粒物的测试中发现该地区p m l o 、p m 2 5 浓度为1 4 4 4 1 t g m 3 、9 7 8 1 t g m 3 【4 j j 。 与欧美发达国家相比，亚洲各国特别是发展中国家的大气颗粒物质量浓度要 高出很多，其原因主要是由于大部分发展中国家仍处于基础建设、工业发展的阶 段。城市化和机动化的快速发展以及城市人口的日益膨胀导致了颗粒物污染日益 严重。m s n k k 6 n e n 研究发现印度新德里p m i o 日平均浓度高达3 6 0 “g m 3 ，其颗粒物 主要来源于汽车尾气、工业排放以及生物燃烧，印度一些城市已经成为世界上污 染最严重的地区 7 1 。我国各大城市污染如北京、广州等地颗粒物浓度均有不同时 段超过国家标准【1 4 “引。 为了有效治理各城市区域的颗粒物污染，各国相应地制定了空气质量排放标 准以及全面监控规划。美国环保署( u s e p a ) 规定p m l o 的浓度标准为1 5 0 p , g m 3 ( 2 4 d 、时平均) ，并于1 9 9 7 年率先提出p m 2 5 的标准为6 5 熠细3 ( 2 4 t j x 时平均) ，而 2 0 0 6 年又将p m 2 5 的标准修i , t 茭j 3 5 1 t g m 3 ，世界卫生组织( w h o ) 更是将p m 2 5 标 准降为2 5 p m 3 。近年来，发达国家对颗粒物的研究逐渐从粗颗粒物转向细颗粒 物甚至超细颗粒物，对颗粒物的控制也越来越严格。于此同时，我国大多数城市 也进行了粗颗粒物p m l o 浓度的监测和预报工作，但对于细颗粒物p m 2 5 的研究尚 且不足，且至今未制定相应的控制标准。随着大气环境治理的日益完善，对细颗 粒物进行观测和预报是十分必要的。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 亚洲新德里 香港 台北 北京 北京 济南 广州 2 2 5 3 2 5 7 0 1 6 1 5 1 0 0 7 ( 夏) 2 2 1 3 ( 冬) 1 4 4 4 3 3 0 0 0 710 0 0 m 6 n k k o n e n , e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 7 】 4 3 一 c h a o ，e ta 1 ( 2 0 0 2 ) 3 9 1 4 2 8 一l i & l i n ( 2 0 0 2 ) 4 0 1 8 l “是 一y a l l ，“( 2 0 0 4 ) 1 4 1 11 0 8 ( 冬) 。一 一 3 2 8 0 0w u , e ta 1 ( 2 0 0 8 ) 【4 1 l 一 1 7 3 8 7 ( 冬) g a o ，e ta 1 ( 2 0 0 7 ) t 4 2 】 9 7 8 w a n g , e ta 1 ( 2 0 0 6 ) 1 4 3 广州一一 1 6 3 0 0 l i u e ta 1 ( 2 0 0 8 ) 1 4 4 1 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 城市大气中细颗粒物主要来源于燃烧过程，尤其是汽车尾气的排放。进入2 1 世纪以来，我国经济持续高速增长，城市交通需求量急剧上升。北京2 0 0 5 年新注 册民用汽车数量是2 0 0 1 年的3 倍，2 0 0 7 年机动车保有量己突破3 0 0 万辆，每天上路 新车达1 0 0 0 辆。2 0 0 1 年至u 2 0 0 5 年，上海市民用汽车年均增长速度为1 4 8 6 。随着 汽车数量的急剧增加，机动车尾气污染越来越严重。国内部分城市对大气颗粒物 来源解析研究表明，交通因素对颗粒物贡献占主要作用，汽车尾气是城市大气颗 粒物最主要的来源之一。其中北京源解析研究证明北京工业和机动车尾气为第一 大源，占6 0 5 1 9 1 。王淑兰、张学敏等研究表明成都、厦门机动车尾气为第二大 源，分别占1 5 、2 9 4 1 4 5 - 4 6 1 。b i 等对中国六大城市颗粒物来源进行解析，结果 显示汽车尾气为第三大源【l 引。由此可见，细颗粒物污染应引起人们的重视，我 国应加强因交通排放造成颗粒物污染的管制。 1 2 2 颗粒物数量浓度与尺寸分布 过去评价颗粒物污染水平大多基于质量浓度，尽管质量浓度提供了环境中颗 粒污染物的总体水平，但并不能准确反应人体暴露的真实情况。目前越来越多的 研究结果表明，颗粒物的数量浓度可能是一种更好的衡量尺度 4 7 4 8 】。 颗粒物数量浓度的测量已广泛在发达国家进行，美国的亚特兰大、匹兹堡、 纽约、休斯顿【2 6 2 9 】和欧洲的一些城市包括赫尔辛基、莱比锡、苏黎世 3 0 - 3 8 】等地区 以及亚洲的部分地斟凡4 1 4 2 删均进行了颗粒物数量浓度的监测，如表1 1 。这些 研究不仅对城市、郊区、农村等不同类型站点的浓度水平进行了对比，还研究了 交通主干道附近和城市中的数量浓度的差异；同时也比较了不同城市、不同季节 颗粒物数量浓度的分布情况。这些研究得出：数量浓度主要与城市汽车交通有关， 浓度值日变化受汽车尾气的强烈影响，早晚出现的峰值恰好是上下班交通高峰期 【5 4 9 。5 0 】。数量浓度同时也与环境中3 1 0 n m 颗粒物的生成情况有关。 比较不同地区的监测结果可以得出：颗粒物的质量浓度在不同城市和地区存 在显著差别，而数量浓度的地区差异性不大。在欧美等发达国家和地区，p m l o 和p m 2 5 浓度很低，而数量浓度却很高。与此相对的是亚洲地区，特别是印度和 中国，在p m l o 和p m 2 5 污染相当严重的同时，数量浓度也达到或超过发达国家 的水平。然而，亚洲各国对颗粒物数量浓度的研究较少，国内对颗粒物的研究主 要集中在质量浓度的监测上，数量浓度的测试仅在北京，济南，广州等地区得到 开展，其他大部分城市尚未对数量浓度进行系统的监测。因此，当前在国内高污 染地区开展颗粒物数量浓度监测是十分急迫的。 一些研究还对比了数量浓度与p m l o ，p m 2 5 的相关性。e b e l t 对德国城市中 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 颗粒物浓度的年变化情况进行分析，发现了质量浓度与数量浓度的不同变化特 征：随着工业过程的减少，艾福特地区p m 2 5 降低了5 8 ，数量浓度却增加了 1 1 5 5 。显然，颗粒物质量浓度得到了控制，但总体污染水平却未改善，质量 浓度可能不是颗粒物污染控制的唯一判定标准，这就给颗粒物的暴露评估提出了 新的问题。 颗粒物的质量浓度与数量浓度在尺寸分布上有明显的不同( 如图1 3 ) ，质量 浓度主要集中在细颗粒物和粗颗粒物，而数量浓度则集中在超细颗粒物 2 1 - 2 2 】。 粒径小于1 0 0 n m 的颗粒物其质量浓度是可以忽略的，但对数量浓度则有主要贡 献。质量浓度的控制标准仅是针对细颗粒物和粗颗粒物制定的，而无法判断超细 颗粒物的污染情况。 图l - 3 不同尺寸段颗粒物质量和数量浓度分布 事实上，颗粒物的质量浓度与数量浓度并不是完全独立的，其质量、数量与 尺寸是密切联系的。研究表明，颗粒物质量浓度与数量浓度在特定粒径尺寸内存 在某种相关性。h a r r i s o n 与m o r a w s k a 两人的研究均发现质量和数量浓度之间存 在线性相关性【7 5 2 1 。r u u s k a n e n 及m o l n d r 研究表明p m 2 5 和粒径范围在0 1 0 5 岬 的数量浓度相关性好，但是与粒径0 1 l i m 以下的颗粒物数量浓度相关性差【6 4 7 。 p o m e r o y 等研究发现细颗粒物数量浓度与质量相关性好于粗颗粒物【5 引，而 j o h a n s s o n 长期监测分析结果表明p m l o 与数量浓度具有很好的相关性【3 引。 目前，对质量与数量相关性的研究并不明确，大多数研究城市大气颗粒物仅 是单独针对质量或数量，同时测量质量与数量的研究较少。质量可以反映细颗粒 物和粗颗粒物浓度水平，而数量反映了超细颗粒物的浓度水平。完整评价颗粒物 污染水平，应同时兼顾质量与数量浓度的监测。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 颗粒物污染来源解析 降低颗粒物浓度，提高人们的健康水平是我们的最终研究目标。为控制颗粒 物污染，世界上许多国家都实施了严格的环境空气质量标准。但是，现行的空气 质量标准都是以降低颗粒物的质量浓度为目标，但是降低质量浓度是否会降低颗 粒物的健康危害尚不能确定。事实上，颗粒物越小，其质量越小，但其健康危害 却更大。上述标准均采用“总体质量作为唯一标准对不同污染源进行同等( 一 刀切) 控制，而不是根据不同污染源的不同毒性进行区别对待，这样付出的经济 成本与代价较大，因为有些过程排放出来的颗粒物总体质量浓度可能超标，但对 人体健康危害不大，而有些过程排放颗粒物的质量浓度可能很低，但排放的微量 元素( 如铅等) 对人体健康危害极大【5 4 巧5 。如果颗粒物( 质量) 浓度水平超标， 我们该如何控制却成为难题。 如果能对颗粒物污染源进行分类与排序，知道：哪个( 类) 污染源是最重要 的? 哪个( 类) 污染源是其次的? 然后通过优先治理重要污染源就能有效地改善 污染状况。因此，最合理有效的控制策略是根据不同污染源的重要性( 包括贡献 量的大小、有害元素毒性的强弱) 进行分级或梯度控制。源解析为实现这种控制 策略提供了科学的分析方法。由于颗粒物化学组分特征与其来源有关，因此根据 颗粒物的化学组分特征就能够辨识出其主要来源，并解析出每个污染源贡献量大 小及贡献元素，这就是源解析思想。近年来，源解析技术得到广泛应用，为解决 城市及区域环境空气污染( 包括有害气体、臭氧、颗粒物等) 提供了非常有效的 控制措施与策略【5 6 j 。 国际上关于源解析的方法有很多，其中比值法、轮廓图法和特征化合物法适 用于定性识别污染源；化学质量平衡法( c m b ) 和多元统计法可以定性、定量 地辨识污染来源【5 7 郴】。目前多元统计法在辨识污染来源应用较多，在大量数据的 基础上利用统计技术找出数据之间的内在规律p 圳。 目前，源解析已广泛应用于城市颗粒物污染研究中，并对制定有效的城市颗 粒物控制策略提供了重要科学依据。1 9 9 7 年，美国国家和区域控制策略的政府 报告中显示美国东部和西部的p m 2 5 化学成分有明显差异，如华盛顿和东北部等 地硫酸盐是主要成分( 约5 0 ) ，而西部的s i e r r an e v a d a 等地的o c ，e c 含量较 多( 5 0 左右) 。这一结果反映了不同地区颗粒物来源的差异，被作为美国区域 颗粒物污染控制的重要依据【硎。与此类似，欧洲国家为对颗粒物污染进行控制 也进行了大量的颗粒物源解析研究。 国内有关学者从8 0 年代起开展颗粒物来源解析研究。目前，北京奥运期间 空气质量尤为受人关注。在近年北京空气污染治理后，s 0 2 ，n 0 2 和c o 均达到 l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 国家环境空气质量二级标准，但唯有可吸入颗粒物p m l o 年均值仍超过国家二级 标准。北京环保局在2 0 0 0 2 0 0 4 年政府报告中指出颗粒物污染为北京主要环境问 题。c h e n g 、z h e n g 、s o n g 等分别对北京市p m l o 和p m 2 5 进行了大量颗粒物源解 析研究，得出不同季节的颗粒物p m l o 和p m 2 5 的来源贡献并提出有效的控制方 法，对建立有效的城市颗粒物污染控制政策提供了有力和可靠的科学依据【6 1 拼】。 这些研究结果表明燃煤、交通污染、周边地区尘土的远距离传输和二次氧化物是 北京颗粒物的主要来源。为保证2 0 0 8 北京绿色奥运会的空气质量，采用煤烟污 染控制( 包括锅炉改造和搬迁、清洁能源替代) 、机动车尾气控制、扬尘控制( 道 路扬尘、农田裸露地表扬尘和建筑扬尘) 、工业污染控制等策略治理颗粒物污染。 按照控制策略改进后，到2 0 0 8 年北京空气质量满意率为8 2 9 ，空气品质得到 极大改善。 1 3 本文研究目的与研究内容 2 0 0 7 年湖南省环境状况公报指出，可吸入颗粒物p m l o 为全省大气环境 主要污染物之一，长沙市大气环境颗粒物的污染水平十分严重，年平均值超过国 家二级标准。大气中常年有大量的悬浮颗粒物及灰尘，不仅导致整个城市的可见 度降低，更严重影响了城市居民的健康水平。城市中不仅存在大量的可吸入颗粒 物p m l o ，而且还存在与人工污染源和远距离传输相关的细颗粒物p m 2 5 0 城市大 气中细颗粒物主要来源于燃烧过程，尤其是汽车尾气的排放。近年来，长沙市经 济持续增长，城市交通需求量急剧上升。随着机动车数量的增加，汽车尾气污染 越来越严重，必将导致p m 2 5 浓度增高。然而，我国大多数城市仅开展了粗颗粒 物质量浓度的监测，对p m 2 5 浓度水平的研究十分缺乏，目前尚未制定细颗粒物 p m 2s 的控制标准。 尽管长沙市环境监测站已对p m l o 进行了长期的监测和预报工作，但缺乏科 学系统的分析。如果能对城市可吸入颗粒物浓度的监测数据进行系统全面的分 析，同时增加细颗粒物p m 2 5 与数量浓度的研究，得到颗粒物质量浓度与数量的 日变化及年变化规律和特征，那么该研究成果必将在国内颗粒物的研究领域产生 重要的意义。 为获得城市大气颗粒物全面系统的数据信息，本文对长沙市大气环境中颗粒 物质量浓度( p m l o 、p m 2 5 ) 和数量浓度同时进行监测。分析颗粒物质量浓度和 数量浓度污染水平及变化特性；探讨质量与数量之间的相关性。本文工作将添补 国内城市颗粒物污染水平研究数据，探索科学合理的监测手段和方法，为我们有 中南大学硕士学位论文第一章绪论 效控制颗粒物污染提供科学的依据。 以长沙市大气环境中颗粒污染物为研究对象，在大量监测数据的基础上，对 上述问题进行分析和讨论。主要研究内容如下： ( 1 ) 对p m i o 、p m 2 5 质量浓度进行实时监测，讨论大气环境中颗粒物污染 水平状况并分析p m l o 与p m 2 5 之间的相关性； ( 2 ) 对颗粒物的数量浓度和尺寸分布进行实时监测，分析数量浓度变化特 性及其尺寸分布特征； ( 3 ) 探讨质量浓度和数量浓度之间的相关性； ( 4 ) 分析气象因素( 温度、湿度、风速) 对颗粒物浓度的影响。 中南= 学硕十学何论文第二章颗粒物浓度监洲实验 第二章颗粒物浓度监测实验 2 0 0 7 年1 1 月至2 0 0 8 年1 0 月对长沙市大气环境r p 的颗粒物质量及数量浓度 进行连续监测。采月j 大气颗粒物监测仪t e o m 、粉尘测定仪d u s t t r a k 和空气动 力学粒径谱仪a p s 采集颗粒物质量浓度与数量浓度实时数捌，并应用s p s s 软件 对实验数据进行统计分析。 21 实验方案 2 1l 监测时间和采样地点 2 0 0 7 年1 1 月至2 0 0 8 年1 2 月对长沙城市大气环境中的颗粒物浓度水平进行 实时连续监测。长沙( 2 8 。2 9 t n ，1 1 2 。9 6 7 e ) 是典型的内陆城市，位于我国中南 部、湘江下游和长浏盆地西缘，该地区属亚热带季风性湿润气候，夏热冬玲，夏 冬季长，春秋季短。周边城市株洲、湘潭均届重工业地区。近年来，实行长株潭 一体化政策，工业发展十分迅速，这就导致工业排放对长沙大气环境造成一定程 度的影响。 如图2 1 所示，颗粒物浓度测试的采样点位于长沙市两南部某大学校斟附近， 背靠岳麓山，紧邻二环线，周边有轻度工业污染。实验设备放置在在楼顶，距地 面大约15 m