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硕士论文 南京市典型地区可吸入颗粒物的监铡研究 摘要 采用便携式气溶胶监测器直接测定空气中可吸入颗粒物( p m l o ) 的质量浓度，监 测了2 0 0 5 年l o 月至2 0 0 6 年4 月期间，南京市典型地区人群呼吸带高度p m l o 的时空 变化，并分析了其影响原因。结果表明，春、秋、冬三个季节中，冬季的p m 】o 浓度 较小，春季与秋季p m i o 浓度值相近；一日中，城市道路和居民生活区p m i o 浓度达到 最大值的时间不同，分别是上午8 点和1 0 点左右，两者均在1 6 点左右出现最小值； 各典型地区中，紫金山地区的p m l o 浓度最小测定了道路上p m l o 浓度及相关因素， 结果表明，机动车类型和气象条件是影响p m l o 浓度最主要的因素。各气象条件中， 云量和相对湿度对p m l o 浓度的影响最显著，风速次之，影响作用较复杂。以光华路 为例，采用多元线性逐步回归方法，建立了春季城市一般道路的p m l o 浓度估算模型， 可根据云量、相对湿度和风速等因素，快速估算p m l o 浓度。对隧道内p m l o 浓度的测 定结果表明，隧道对污染物具有积聚效应。以玄武湖隧道为例，采用大气扩散方程建 立了隧道内p m l o 的扩散模型，模型的计算值与实际测定值的一致性较好。 关键词：可吸入颗粒物，监测，时空分布，模型，城市道路，隧道 - 硕士论文 南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 a b s t r a c t t h ec o n c e n t r a t i o n o f t h e i n h a l a b l e p a r t i c u l a t e m a t t e r s ( p m l 0 ) w a s m e a s u r e d b y t h e p o r t a b l e d n s t t r a ka e r o s o lm o n i t o r - 8 5 2 0f r o mo c t o b e r2 0 0 5t oa p r i l2 0 0 6 ，a tt h es p a no ft h e h u m a nb r e a t h i n gi nt h ea i ro ft h et y p i c a la r e a si nn a n j i n gc i t y t h ev a r i a t i o n a lo r d e r l i n e s s a n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ec o n c e n t r a t i o nw e r ea l s oi n t e n s i v e l ys t u d i e d i tt u r n so u tt h a t t h ep m i oc o n c e n t r a t i o ni st h el o w e s ti nw i n t e r ；h sc l o s ei ns p r i n ga n da u t u m n i na d a y , t h e m a x i m u mp m i 0c o n c e n t r a t i o ni nt h es t r e e tc o m e so u ta ta b o u t8a mi ti sd i f f e r e n tf r o m t h a ti nr e s i d e n t i a la r e a , w h i c hc o m e so u ta ta b o u t1 0a m ，a n dt h em i n i m u ma ta b o u t4p m t h ec o n c e n t r a t i o ni nz i j i nm o u t a i na r e ai st h el o w e s ti na l lt y p i c a la r e a s b ym e a s u r i n gt h e c o n c e n t r a t i o na n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r si nt h es t r e e t s ，i t si n d i c a t e dt h a tt h et y p e so ft h e v e h i c l e sa n dt h em e t e o r o l o # cc o n d i t i o n sa r et h et w om o s tn o t a b l ei n f l u e n c i n gf a c t o r s a m o n gt h em e t e o r o l o g i cc o n d i t i o n s ，t h ei n f l u e n c eo fc t o u d a g ea n dh u m i d i t ya l em o s t n o t a b l e ，t h e nt h ei n f l u e n c eo fw i n ds p e e d ，w h i c hi sm u c hc o m p l e x t h ef o r e c a s tm o d e lo f t h es t r e e t si ns p r i n gw a se s t a b l i s h e du s i n gt h em u l t i p l er e g r e s sm o d e lb ys t u d y i n gu po nt h e g u a n g h u as t r e e t t h r o u g ht h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s u c ha sc l o u d a g e ，h u m i d i t y , w i n ds p e e d , t h ep m l 0c o n c e n t r a t i o nc a nb ee s t i m a t e df a c i l e l y t h es t u d yi n d i c a t e d 血a tt h et u n n e lh a s t h ee f f e c to fa c c u m u l a t i n gp o l l u t a n t u s i n ga t m o s p h e r i cd i f f u s i o ne q u a t i o n , t h em o d e lo f t h ep m l oc o n c e n t r a t i o nf o rr o a d w a yt u n n e lw a sd e v e l o p e d ，b a s e do nt h es t u d yo ft h e x u a n w ul a k et u n n e l t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so ft h em o d e la r ec l o s et ot h o s eo ft h e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：p m l 0 , m o n i t o r i n g ，d i s t r i b u t i o n ，m o d e l ，s t r e e t ，t u n n e l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：登：丝塑 砌犀乡月j 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：铂，敏q 瑚6 年i 只1 7 b 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 1 绪论 大气是人们赖以生存的最基本条件，人们一刻也离不开它。第一次工业革 命以后，人类改造自然的能力大大增强，随着人类生产活动的发展和生活水平 的提高，特别是随着工业和交通运输业的发展而大量开采和使用化石燃料，许 多有害物质如：粉尘、s 0 2 、n o ；、c o 和碳氢化合物等以惊人的数量和速度进 入到大气中，大气成分由此发生变化。当污染物达到一定程度，超过大气的自 净能力时，便构成大气污染，直接或间接地危害人体健康、破坏生态平衡。 1 1 大气污染物组成 大气污染物种类繁多，按形态概括可分为两大类，即气体状态污染物和气 溶胶状态污染物。常见的气体状态污染物主要有：以s 0 2 为主的含硫化合物； 以n o 和n 0 2 为主的含氮化合物；以c o 和c 0 2 为主的碳氧化物：碳氢化合物 及卤素化合物等。气溶胶状态污染物主要分为粉尘、烟、飞灰、黑烟、雾等【l 】， 其中空气动力学直径大于1 0 9 i n 的降尘，能靠其自重自然降落，对环境危害较 小；而空气动力学直径小于1 0 t i m 的飘尘，能形成稳定的气溶胶，在大气中长 期漂浮，易随呼吸进入人体，因而也称可吸入颗粒物( p m l o ) 【2 1 。通常所说的 烟( o o l 恤m l g r a ) 、雾( 1 0 9 t m ) 、灰尘( 1 0 i t m ) 是p m l o 的主要形式。 p m i o 是目前我国很多城市的大气首要污染物。 近年来，人们认识到大气气溶胶中的细颗粒物成分复杂，包括无机物和有 机物。含有的无机物有石棉、s i 0 2 、金属物质( 如h g 、p b 、c r 、c d 、m n 和f e 等) 及其化合物等，有机污染物有多种烃类，特别是多环芳烃等碳氢化合物， 另外还含有细菌和病毒等。大部分飘尘有吸湿性，在大气中易吸收水分，形成 表面具有很强吸附性的凝聚核，能吸附有害气体和经过高温冶炼排出的各种金 属颗粒物以及致癌性很强的苯并( a ) 芘等。有些颗粒物表面还具有催化作用， 往往增大其毒性，如f e 2 0 3 能催化其表面的s 0 2 成为s 0 3 ，吸水成为硫酸p 】。 各成分在颗粒物中的含量因其来源和形成机理等因素的不同会有很大不同。 1 2 可吸入颗粒物的来源和危害 1 2 1 可吸入颗粒物的来源 形成大气中的颗粒物原因可分为两大方面，即自然因素和人类活动因素。 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 自然因素产生的大气颗粒物，主要由地球表面岩石和土壤的风化、火山喷发、 自然火灾排放，土壤尘、海盐粒子、植物花粉和真菌类孢子等形成，这类颗粒 物的粒径一般大于1 0 “m ；而由人类各种活动产生的大气颗粒物，如化石燃料 的燃烧、交通运输排放的废气、工业粉尘、废弃物焚烧等产生的颗粒物，粒径 一般小于1 0 h m 【4j 。对p m i o 来源进行研究，结果表明，各类源中分担率较大的 是燃煤尘、道路建筑尘、汽车尾气尘和二次粒子，占p m l o 总浓度的近9 0 5 1 。 由此可见，人类活动因素是大气p m l o 污染的主要来源。 在城市现代化进程中，交通需求量较大，人均收入提高，汽车保有量增大； 另一方面，为保护环境质量，一般都将大型工厂迁出城区，所以机动车尾气的 污染也就顺理成章地日益成为影响城市空气质量的最主要来源，机动车尾气带 来的环境问题已不容忽视。 机动车排放的污染物中颗粒物占很大比例，主要由两方面原因造成：燃料 不完全燃烧和非燃料燃烧产生。具体来讲，燃料燃烧产生的碳微粒主要是由于 燃料在高压燃烧条件下，柴油机和车况欠佳的汽油机所使用的混合气不均匀， 过浓混合气在高温缺氧区，燃料被裂解成碳，大部分是粒径在o 1 m 1 0 恤m 的 多孔型碳粒【6 】。这些颗粒物易于吸附s 0 2 、致癌物苯并c a ) 芘等可溶性有机物 及臭气。以重量计，柴油机和汽油机排出的颗粒中，9 0 以上粒径小于1 9 m ， 说明柴油机和汽油机排出颗粒物的危害相当严重。非燃料燃烧排放的颗粒物产 生于机动车蹄片磨损、车轮与路面相互摩擦、机动车本身附带尘土、装运物料 撒落路面或空中飞散和行驶过程中引起的二次扬尘。 1 2 2 可吸入颗粒物的危害 1 2 2 1 可吸入颗粒物对人体的危害 p m l o 能随呼吸而进入人体呼吸道，对人类呼吸系统、心肺功能等的危害性 已经被国内外大量流行病学和毒理学研究所证实。特别是粒径在2 5 肛m 以下的颗 粒物，能直接进入人体肺部并且沉淀下来，导致癌症、慢性病、肺气肿、皮肤 病等疾病【7 1 颗粒物对人体的危害程度不仅取决于人体吸尘量的多少，而且还取决于空 气中含颗粒物的浓度大小，人体接触颗粒物的时间、颗粒物的种类、颗粒物的 分散度以及游离s i 0 2 的含量等其中，游离s i 0 2 含量越高，致病危险就越大研 究结果表明，颗粒物因其粒径差别进入呼吸器官对人体的危害有所不同。表1 1 2 -l l；ill，、irl_0【_【 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 列出了不同粒径的颗粒物进入呼吸器官的程度伟l 。由于小颗粒具有比较大颗粒更 大的比表面积，因而其吸附性也更强，更容易成为空气中各种毒害物质的载体， 特别是容易吸附空气中的多环芳烃、多环苯类等，使得癌症的发病率明显升高1 9 1 。 表1 1 颗粒物粒度进入呼吸器官深度 t a b l e1 1t h ed e p t hi n t ot h ea p p a r a t u sa c c o r d i n gt ot h ep a r t i c l e s d i a m e t e r 粒径( “m )进入器官深度 1 0 深入肺部，但可随着呼出，肺中有存留 容易吸入肺部并储集 很少吸入肺内，吸入后则储集 滞留在上呼吸道中 1 2 2 2 可吸入颗粒物对生态系统和环境的危害 颗粒物污染不仅对人体造成危害，对生态系统和环境也产生严重影响。植 物枝叶上沉积的过多颗粒物不仅影响外观，而且妨碍了其光合作用，影响植物 的生长，严重时甚至导致植物枯死。 细颗粒物的散光效应以及碳黑、含碳黑颗粒等对光具有较强的吸收作用， 致使大气能见度降低，给交通运输和日常生活带来极大的不便，严重时甚至会 导致恶性事故。大气颗粒物中的部分有毒有害物质，接受阳光和其它物质作用 而产生光化学反应，带来一系列危害0 0 l 。 1 3 可吸入颗粒物的存在和控制 研究表明，不同粒径的气溶胶粒子在大气中的寿命也不同，直径l p m 左右 的气溶胶粒子寿命最长。在对流层下部，稳定气溶胶粒子( 直径0 1 “m 1 0 i _ t m ) 的寿命约为1 个星期；在对流层上部，为1 个月；在平流层中可达数年在对 流层下部直径大于l o u m 和小于0 0 1 l i r a 的粒子的寿命均小于1 天【1 1 1 。细小颗 粒物漂浮在空气中的时间长，大大增加了与人体接触以及在大气中接受阳光和 其它物质作用而产生光化学反应的机会。 人类活动向大气中排放了大量的颗粒物，却很难将其清除，大气中的颗粒 物主要靠自然清除，采用的方式是降水冲刷和自然沉降。但自然清除的速度跟 硕士论文 南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 不上人类活动排放颗粒物的速度，造成空气质量逐渐恶化 提高空气质量的关键在于控制污染源，首先是尽量减少它的产生，可通过 改善燃烧条件、提高燃料质量或采用清洁能源等方法实现对于已经产生的颗 粒物，则要从排放源头加以控制，可根据需要选择采用机械除尘、电除尘、湿 式除尘或过滤式除尘等手段减少排放，最终还人类自身一个清洁的空气环境。 1 4 可吸入颗粒物监测研究概况 1 4 1 可吸入颗粒物浓度标准 随着对大气颗粒物研究的深入，人们认识到大气颗粒物中粒径在1 0 “m 以 下的颗粒物是对环境和人体健康危害最大的一类。目前，p m i o 监测是世界上很 多国家衡量城市空气污染的主要因子，制定了p m l o 标准。例如，美国国家环 保局( e p a ) 于1 9 8 5 年将原始颗粒物指示物质由总悬浮颗粒物( t s p ，t o t a l s u s p e n d e d p a r t i c l e ) 项目修改为p m i o ，美国国家标准规定p m l o 的日均值和年均 值分别不能超过0 1 5 m g m 刁和0 0 5 r a g m 一。我国近几年开始用p m l o 代替t s p ， 在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 中也规定了p m l o 的标准。标准规定p m l o 的浓度限值列于表1 2 中，与美国国家标准比较，表明 我国p m i o 二级标准日均值与美国国家标准相同，年均值高于美国l 倍，规定 不如美国严格。 表1 2p m t o 的浓度限值1 1 2 j t a b l e1 2t h es t a n d a r dp m l oc o n c e n t r a t i o n 1 2 1 1 4 2 可吸入颗粒物的监测现状 众多学者对大气中的p m l o 进行监测分析，不断根据研究需要改进采样和 分析方法p m l o 浓度的测定主要有重量法、压电晶体振荡法、b 射线吸收法 大气颗粒物中元素成分的分析方法主要有x 射线荧光法( x r f ) 、原子吸收法 ( a a s ) 、中子活化( i n a a ) 、等离子发射光谱( i c p ) 和质子荧光法( p i x e ) 等颗粒物中的有机碳通常可以使用热分解法、热锰氧化分析法( t m o ) 、热 4 硕士论文 南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 光反射法( t o r ) 等方法测试。对于颗粒物中吸附的有机物的分析，多用气相 色谱一质谱( g c m s ) 法和离子色谱法( i c ) 、高分辨率的质谱热分析( m s t a ) 法、纸色谱法、红外光谱法和高压液相色谱一质谱( h p l c m s ) 法，其中 h p l c m s 是对气溶胶中极性有机物进行分子级定量的最具前景的技术。在观测 微小粒子的形态及微细结构时多使用透射电子显微镜( t e m ) 或扫描电子显微 镜( s e m ) 1 4 1 。监测得到各个不同地区和条件下p m l o 的不同性状，为深入研究 控制和改善大气环境质量提供了有利的依据。 国外对p m l 0 和更细颗粒物环境行为的研究起步较早，通过改进采样和分 析技术，实现了在线监测。些发达国家早已将包括p m i o 指标在内的空气质 量日报作为环保部门的一项日常服务项目。 我国对大气颗粒物的研究起步较晚，最早的研究主要是针对自然降尘，以 t s p 的研究为主。随着对环境空气质量的逐步重视，越来越多的研究转向p m i o 和p m 2 加但目前尚未形成大规模、高层次的系统研究，主要的研究方向集中 在成分分析和源解析。 自1 9 9 7 年5 月2 3 日南京市率先发布空气质量周报以来，全国相继有4 6 个城市 推出了空气质量周报。这4 6 个城市包括所有的直辖市、省会城市、经济特区城 市以及一部分重点旅游城市。随着环境监测工作的发展，通过建设现代化的城 市空气质量自动监测系统，空气质量周报已经逐步发展为空气质量日报，并进 而实现空气污染预报。目前我国已有5 个城市，即北京、厦门、南京、青岛、大 连实现了空气质量日报。我国已初步建成全国环境监测网，监测网分为国家网、 省级网和市级网三级。2 0 0 6 年1 月1 日起实行的环境空气监测技术规范将国 家监测网的必测项目确定为s 0 2 、n 0 2 、c o 、0 3 和p m l o p m l o 已经逐渐成为我 国许多大中城市的首要污染物，对人体健康、环境、气候和大气能见度等造成 了严重的危害，国内已初步建成p m l o 监测网。 1 4 3 可吸入颗粒物浓度模型研究现状 目前污染浓度预测方法分为两种：数值模式和统计模式。数值预测模式可 实现区域网络化的空气质量预报输出，具有直观地模拟污染物时空分布特征和 规律的功能，但建立模型不仅需要考虑各种污染物复杂的物理化学形成过程， 还耍依赖于时空上较精确的边界层气象、污染源信息、空气质量等资料。其研 究工作技术难度大，模型预报精度难以保证，而且投资经费高，系统运行时间 较长，难以满足日常预报工作的时效性要求。 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 统计预报模式是以数理统计为基础，以空气污染浓度资料及同期的气象观 察资料为依据，建立的预报模式。统计模式有三种类型：统计回归法( 应用以 往的浓度、气象资料进行分析预测) 、分类法( 通过分析过去的污染物浓度与 天气形势之间的对应关系，导出每类天气的浓度时空分布规律，建立定量关系， 以做出预报) 和趋势外延法( 根据污染物变化的延续性的特点，通过分析历史 污染物浓度的变化趋势，找出其中的变化规律特征，由此预测未来污染物浓度 的变化情况) l ”】。 大气扩散理论和边界层理论研究的不断深入和计算机技术的日新月异，为 大气扩散模型模拟污染物的输送扩散提供解决方法。大气扩散模型的实质就是 用一定的物理模型和数学表达式及相应的处理方法，在一定的初始条件和边界 条件下，模拟分析并定量估算空气污染物的分布状况，预测大气质量【1 4 l 。自2 0 世纪6 0 年代末，欧洲、美国和日本等国家就开始对机动车排气污染物扩散模式 进行了多方面研究，以现场监测、野外示踪剂试验和风洞试验的结果为基础， 开发出了不少扩散模式。这些模式大多是以扩散微分方程的解析为基础的烟流、 烟团模式，其次是直接求解微分方程的数值模拟模式，还有基于观测结果的半 经验模式。 所开发的模式主要有高斯型模式、经验模式、数值模拟模式和箱模式。其 中高斯型模式适用于建筑物少和建筑物低矮的道路的污染物扩散，以及道路周 围平坦的高速公路机动车污染物扩散模拟，不适用于道路两侧存在高层建筑物 时污染物的扩散模拟【l5 1 。数值模拟模式可以处理结构复杂的街道大气扩散，但 过程十分复杂，不利于普遍推广经验模式方法简单，但缺乏正确的理论基础， 限制模式的普遍应用，需综合各种不同条件下的资料，增强模式的可靠性。 a d m s ( a t m o s p h e r i cd i s p e r s i o nm o d e l l i n gs y s t e m ) 模型是由英国剑桥环境 研究中心( c e r c ) 开发的一套先进的大气扩散模型，被视为较为成熟的模型l l ”。 a n d r e wr i d d l e 等 j t l 在研究其他扩散模型时将其作为参照它的一个主要特点是 能够计算地面反射影响，化学反应影响和地形影响，对颗粒物的干沉降影响使 用了阻力公式，沉降速度考虑到污染物在大气表面层，穿过层流底层到达地面 所受污染物阻力的总和，附加重力沉降，计算湿沉降使用了下洗率的定义【i 引。 孙大伟【1 9 l 应用一般的高斯模型与a d m s ，分别计算了朝阳市区在不同的气象条 件下的s 0 2 日均浓度，并与实测浓度进行了对比分析结果表明，应用a d m s 模 型可以得到与实测浓度较一致的结果刘振山等 1 8 1 利用沈阳市1 9 9 9 年度污染源 排放清单和全年逐时气象数据验证了针对t s p 和s 0 2 的a d m s u r b a n 大气扩散模 型，并将该模型应用到沈阳市大气环境容量测算和环境空气质量数值预报工作， 6 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 初步效果比较理想。 由丹麦国家环境研究所大气环境部门研发的城市街道颗粒物污染模型 o s p m ( o p e r a t i o n a ls t r e e tp o l l u t i o nm o d e l ) ，是基于计算直接贡献的烟羽扩散 模型和求再循环部分的箱式模型来评价街道中污染物的浓度该模型在北欧一 些城市验证后，得到比较满意的结果。如j a a k k ok u k k o n e n 等【2 0 l 监测了芬兰首 都赫尔辛基的街道峡谷的颗粒物浓度，并与o s p m 模型测算的结果有较好的一 致性。r u w i mb e r k o w i c z 等【2 1 1 基于o s p m 模型监测预算了城市街道的空气污染 状况。f i n np a l m g r e n 等【2 2 j 运用o s p m 模型对哥本哈根街道上的污染物进行了 监测，估算实际车流在实际行驶环境中污染物的排放量o s p m 模型也应用于 我国一些城市的污染评价中。傅立新等【2 3 l 的实验结果表明，该模式可以较好地 模拟风速、风向对街道峡谷内机动车污染扩散地影响，准确反映街道峡谷中流 场和湍流场的主要特征以及街道峡谷中机动车污染物的扩散规律。 还有不少其它模型用于分析污染物的扩散。g u i d ol a n z a n i 等【2 4 】研究尝试了 利用微尺度拉格朗日颗粒模型分析街道峡谷中主要污染物的扩散，该方法灵敏、 准确。李树文等【2 5 l 在建立t s p - - 、维有限差分数值扩散模型的基础上，运用v i s u a l b a s i c 语言，研制了t s p 浓度预测模拟信息系统为t s p 污染源控制与管理提供了科 学依据。王雪松等f 2 6 ) 在利用三维空气质量模式及其内嵌的气溶胶模块对京、津 地区以光化学烟雾污染和气溶胶细粒子污染为主要特征的区域空气质量进行数 值模拟的基础上，重点研究北京市城近郊区p m l 0 的时间变化规律和空间分布特 征以及二次p m l o 气溶胶对p m l 0 总浓度变化的影响。邓顺熙等1 2 7 】根据大气扩散方 程建立了公路隧道内空气质量方程，并计算了3 座营运公路隧道内的污染物浓度 值，与实测值之间有良好的线性关系。 大气扩散的理论和实践研究表明，在不同的气象条件下，同一污染源排放 所造成的近地层污染物体积份数可相差几十倍乃至几百倍。大气污染物有明显 的日变化，在不同的气象条件下，同一污染源排放造成的近地污染会有很大差 异。颗粒物的迁移、扩散、沉降及化学转化很大程度取决于气象条件，污染物 浓度的变化与气象因子存在着显著的联系【2 0 0 们。 分析城市气候现象产生的城市效应问题，了解其对空气污染的影响是研究 空气中颗粒物的来源、变化趋势的基础。目前，研究p m i o 与各气象因子的相 关关系，建立统计模式，对其浓度的测算预报正逐渐成为研究的热点之一 j o r g e n b r a n d t 掣3 1 ，3 2 瞻用丹麦国家环境研究所研发的t h o r 空气污染预报 系统，可预报欧洲地区三天的空气污染状况，该系统综合了一系列的空气污染 7 型文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 模型。刘实等【3 3 1 分析了t s p 污染指数与气象条件的关系，发现地面风速与t s p 指数的关系应从两个方面去理解：风速较小时，污染物不易扩散，因而浓度较 大；而当风速足够大时，大风可将地表的干士吹卷到空中，造成t s p 增多空 气流动引起的二次扬尘是影响p m l o 的重要因素，是机动车贡献的3 7 倍1 3 4 1 。 潘建国等p 习分析了2 0 0 0 年6 月至2 0 0 1 年5 月珠海空气中的p m i o 观测数据， 发现其月均浓度变化主要表现为夏、秋低，冬、春高；日变化主要形式是白天 高，夜晚低。在综合预报方法探索【”l 的研究中发现空气中冷暖平流会改变大气 稳定度状况，从而对p m l o 浓度产生影响。冷平流时，气温降低，有利于大气 不稳定，空气污染轻；暖平流时，气温上升，有利于大气稳定，空气污染重。 邱洪斌等 3 6 1 通过对城市街道不同高度、不同季节和特殊气象条件下大气颗 粒物进行监测分析，同步测定了有关气象条件，结果表明，城市街道大气颗粒 物污染严重，气象条件是影响城市街道大气t s p 浓度的重要因素，在1 5 m 高度 建立了各气象因素与t s p 浓度的回归方程。周丽等 3 7 1 运用统计分析和气象统计预 报的方法，使用北京白石桥小区的污染物观测资料和同期北京地区的气象观测 资料，对影响大气污染的气象因子进行了综合分析，并分别建立了气溶胶p m 2 5 粒子浓度与气体污染物、气象要素场的两类统计相关拟合模型。发现气溶胶p m 2 5 粒子浓度与气体污染物浓度存在不同程度的相关性，且与气象条件亦存在显著 的相关关系。 1 4 4 机动车排放因子的研究 排放因子是机动车直接污染排放状况的研究关键，同时也是治理机动车污 染的最根本的主要数据资料。在g b 5 1 8 1 5 8 中，排放因子称为质量排放量，是指 特定车辆的某种污染物在各种因素影响下的平均排放量。机动车污染物排放水 平受很多实际因素的影响，有车辆本身的设计、制造特性，发动机的机械状况 及保养频率和水平，所使用的油料、燃油油品及油质，检查维护制度的实施情 况及其效果，车队的特点( 包括车队的构成、使用状况、车龄结构) 以及车辆 的道路运行特性( 包括海拔、温度、湿度状况，道路使用状况，交通状况) 。重 型机动车排放的p m t o 大约为轻型机动车的1 4 5 倍【3 引排放因子对不同地区、不 同城市的具体情况取值不同，特别是公路和城市道路的排放因子的差异比较大 目前，各国研究人员已开发了各种用于机动车辆排放因子评估的模式，杨新桦 等p 9 1 介绍了当前使用频率比较高的几种用于道路交通和机动车辆排放计算和评 估的模式，并对其进行了分类比较，主要包括：m o b i l e 系列、a t e i 、u c d r i v e 、 c a l i n e 4 、c o p e r t 3 、m i c r o f a c c o 、v t - m i c r o 和c m e m 等模式。我国还没有根据 8 硕士论文 南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 本国道路交通状况，在排放因子试验的基础上建立的数据统计关系，因此主要 是根据国外先进的排放因子计算模式和我国机动车特性、车队特点、车辆的道 路运行特性等实际因素修正得到。 众多学者对排放因子进行了测定。g i l l i e s 等 4 0 j 通过隧道实验研究表明，机动 车排放的p m , o 大约为0 0 3 0 ( o 0 0 9 ) 至0 1 3 l ( 0 0 2 4 ) g k m t v e h ，平均值 为0 0 6 9 ( 0 0 3 0 ) g k m q v e h ，排放情况与机动车的车速等行驶情况有关。m i l a n j a m r i s k a 等人【4 l 】利用d u s t t r a k 测定了隧道中机动车的p m 2 5 的质量排放量。傅立新 等【4 2 1 系统分析了m o b i l e 模式并给出了一些重要参数的确定方法，并将其应用 到南京市机动车污染物排放因子的计算中。谢绍东等人【4 3 1 的研究结果表明应用 c o p e r t i i i 模型计算获得的排放因子更接近中国机动车实际排放情况。 1 5 课题的来源和意义 p m l o 已经成为我国很多城市的大气首要污染物【4 4 1 。2 0 0 2 年5 月2 0 日至2 2 日召 开的以“可吸入颗粒物的形成机理和防治对策”为主题的香山科学会议第1 8 3 次 学术讨论会提出。在我国深入开展对细粒子的系统研究具有重大的科学意义【4 5 1 。 统计南京市环保局空气质量日报数据可知，2 0 0 5 年秋季全市空气质量良好 率为7 4 7 ，轻度污染率为1 2 1 ，优秀率为1 3 2 ，p m l o 为首要污染物的天 数占9 0 1 ；冬季全市空气质量良好率为6 9 7 ，轻度污染率为1 2 4 ，优秀 率为1 8 0 ，p m l o 为首要污染物的天数占6 8 5 ；2 0 0 6 年春季全市空气质量 良好率为6 9 7 ，轻度污染率为2 8 8 ，优秀率仅为1 5 ，p m l o 为首要污染 物的天数竞达9 8 5 。统计结果表明，南京市空气质量不理想，p m i o 为首要污 染物。 南京市是我国的主要工业城市之一。近年来，随着工业的快速发展和人民 生活水平的不断提高，工业、生活、交通和建筑等各类排放源排放了大量的烟 尘和粉尘粒子，导致大气中p m l o 含量逐年增加。尽管，许多工矿企业增加或 改进了除尘设施，烟尘或粉尘得到了很好地控制，但除去的主要是较大颗粒尘 埃，细粒子仍然排入大气。细粒子虽然只占t s p 质量的一部分比例，但它的数 量很大，占了t s p 的绝大部分。细粒子的大量增加导致轻雾、霾等不利天气出 现频繁，低劣能见度现象经常出现，对气候和人类生活影响极大。研究发现 近l o 年来，南京地区p m l o 数浓度显著增加，平均增加近4 倍【4 6 1 黄鹂呜等【4 7 ， 4 s 1 调查了南京市空气中颗粒物p m t o 、p m 2 5 的污染水平，结果表明其污染很严 重，应引起公众和相关职能部门的高度重视。因此，为改善和控制大气环境， 9 颂士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监铡研究 监测研究p m l o 的浓度，了解影响其时空变化规律和主要影响因素，与统计数 学方法相结合建立浓度预测模型就显得尤其重要。 本课题是江苏省自然科学基金项目一城市典型地区可吸入颗粒物形成机理 与监测模型( 编号：b k 2 0 0 4 2 1 6 ) 的子课题。 1 6 课题主要研究内容 课题主要利用便携式气溶胶监测器测定p m l o 浓度，从以下三方面开展研 究： ( 1 ) 南京市典型地区p m l 0 的时空变化规律研究。实时监测南京市典型地区 p m l o 的质量浓度，总结南京市p m l 0 浓度的季节变化、日变化规律及各典型地区 的浓度特征，并分析其原因，为有效地控制p m l 0 污染提供科学依据。 ( 2 ) 道路上p m i o 浓度的影响因素研究。通过测定和记录p m i o 浓度及同时的 机动车流量和类型、空间位置、风速、气温、湿度、气压和云量等因素，单独 分析各因素对p m l 0 浓度的影响，为改善道路环境质量提供依据 ( 3 ) p m l o 浓度模型的研究。主要从两方面建立模型：采用多元线性逐步回 归方法，建立城市一般道路人群呼吸带高度p m l o 浓度的拟合模型，根据模型中 的各参数，快速估算p m i o 浓度；考虑隧道的特殊建筑结构，应用污染物大气扩 散基本理论，建立隧道内的p m l o 扩散模型。 1 0 硕士论文 南京市典型地区可吸入颗粒物的监铡研究 2 实验方法 2 1 仪器设备 2 1 i 仪器设备概况 在整个项目过程中所使用的仪器设备主要有便携式气溶胶监测器、多用途 风速仪、大流量t s p 采样器、切割器、电子天平、马福炉和玻璃纤维滤纸等。 各仪器设备的主要情况如表2 1 所列。 表2 1 仪器设备一览表 t a b l e2 1t h es c h e d u l eo f a p p a r a t u s e sa n de q u i p m e n t s * h 1 9 9 5 1 8 ( k e s t r e l3 0 0 0 ) 携带式微电脑多用途风速仪可在获取风速数值的同时测定 气温、相对湿度等气象数据，使实验数据更为完善 2 1 2 气溶胶监测器原理与校正 2 1 2 1 气溶胶监测器原理 本课题所使用p m l o 测定仪为美国t s i 公司生产的便携式颗粒物浓度自动 分析仪( d u s t t r a k a e r o s o l m o n i t o r - 8 5 2 0 ) ，如图2 1 所示该仪器是由电池或交 流供电的激光系统，利用9 0 。直角光散射原理，由光的散射来测量微粒的浓度 仪器利用内置气泵将气体微粒吸入光学室中，微粒在通过激光时会散射出光电 子，而光电子的数量与颗粒浓度成正比，从而测定颗粒物浓度。特殊的设计使 硬士论文 南京市典型地区可吸入颢粒物的艋墨i 研宄 光学室内的镜片有一层空气包覆系统保护，因此当微粒进入光学室时，光学镜 片仍可保持清洁，以获得更精确的读数和更少量的维修保养利用该仪器可直 接显示并记录p m i o 的质量浓度。使用时，可设定仪器记录时间间隔和取平均 数值的时间段长度。目前，国内已有一部分介绍利用该仪器开展的研究 4 9 圳。 图2 i8 5 2 0 型气溶胶监测器 f i g 2 1d o s i t r a ka e r o s o lm o n i l o r - 9 5 2 0 2 1 2 2 气溶胶监铡器的校正 仪器原厂校正是依美国i s 0 1 2 1 0 3 - la 1 铡试粉尘( 旧为亚利桑纳州路尘) 的呼吸性微粒一一种大粒径分布的颗粒物来校准的。由于光学量测的微粒质量 与微粒的粒径、性质有极大的相关性，因此为增加测量的精确度，在进行p m o 取样前，用广泛采用的大流量采样器对它进行重新标定。将8 5 2 0 型气溶胶监测 器的数据与传统的大流量采样方法获得的p m l o 浓度数据进行比较，以大流量 采样器得到的浓度数据作为标准校正8 5 2 0 型气溶胶监测器的测试数据。 为保证两仪器的测定数据的可比性，需同时同地进行实验。具体操作为： 将连接有p m l o 切割器的大流量t s p 采样器和9 5 2 0 型气溶胶监测器置于道路边，在 同一高度下。同时连续采样1 2 h ，两仪器相距1 5 m 左右，避免两者相互影响。根 据最终得到的两个p m i o 浓度数据求得两个仪器采样浓度的系统差异。求取气溶 胶监测器的校正系数 大流量采样器的操作步骤：采样前，先将玻璃纤维滤膜放入马福炉中，在 温度为1 5 0 的条件下烘烤4 h ，除去杂质，然后放入干燥器中平衡2 4 h 各用；采 样时t 将切割器与大流量采样器连接，采样高度1 5 m 空气中颗粒物( t s p 、p m i o ) 收集在已称量的滤膜上，连续采样1 2 h 采样后，将滤膜在干燥器中恒重2 4 h 后 按使用前的控制条件下再称量两次称量的质量之差，除以采样体积，便得到 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒物的监测研究 空气中颗粒物的质量浓度。称量使用的天平为电子天平( b s 2 1 0 s ) ，精度为o 1 m g 。 大流量采样器和8 5 2 0 型气溶胶监测器在相同的条件下同时采样，三次实验 各自得至u p m l o 浓度值见表2 2 。 表2 2 两种仪器数据比较 t a b l e2 2c o m p a r a t i o no ft h er e s u l t sg i v e nb yt w oa p p a r a t u s e s 由上述三组数据可知，两种采样方法得到的浓度存在一定的比例关系。将 大流量采样器获得的数据视作实际浓度。8 5 2 0 型气溶胶监测器得到的数据应乘 以一个比例系数，作为校正系数，使得到的数据更接近真实值。由以上三组数 据求得平均系数为0 7 7 7 。设定仪器校正系数为0 7 7 7 ，得到的浓度数值才能较为 准确地反映真实浓度，则实际浓度c 女为： c 女= o 7 7 7 4 c - ( 2 1 ) 式中，c i 为8 5 2 0 型气溶胶监测器校正前测得的p m l o 浓度，m g r l l 一。 2 2 监测点布设 南京市位于北纬3 1 。1 4 3 2 。3 6 ，东经1 1 8 。2 2 1 1 9 。1 4 ，地处我国东 南部的长江下游，属亚热带湿润气候，四季分明。实验分别在南京理工大学校 园、光华路、洪武路、紫金山、大厂以及山西路和玄武湖、鼓楼、富贵山隧道 布设多个监测点。各监测点的位置见图2 2 。 各监测点包括了各主要功能区，如：以南京理工大学校园为代表的居民生 活区，以洪武路代表的商业区，以紫金山为代表的清洁区，以大厂为代表的工 业区和以山西路为代表的商业及居民生活混合区除大厂和山西路的采样点， 其余采样点的高度设置在1 0i l l 至2 0m 之间，为人群呼吸带高度，目的是监测大 气中p m l o 对人类活动和生活环境的影响。 各监测点中最主要的是光华路路段的监测点，该路段车流量较稳定、路面 开阔、道路结构简单，受周围的建筑、环境等各方面影响较少，比较适合道路 估算模型的研究建立。 硕士论文 南京市典型地区可吸 颗粒物的监衡研究 隧道中的测定稍有不同，不是在固定的某一点测定，而是以极缓慢的速度 连续测定了各隧道全长的p m l o 浓度，从而得出隧道中p m l o 的变化规律 图2 2 监测点布设 f i g 2 2s e t t i n go f t h em o n i t o r i n gs i t e s 监测点位置；，鹾道出入口 l 一南京理工大学校园；2 一光华路：3 一洪武路；4 一紫金山；5 一大厂；6 一山西路；7 一玄 武湖隧道；8 一鼓楼隧道；9 一富贵山隧道 2 3 实验安排 2 3 1 可吸入颗粒物的时空分布 2 3 1 1 备月浓度变化 以光华路路段作为代表，监测2 0 0 5 年1 0 月至2 0 0 6 年4 月期间的p m l o 浓度，经 历了南京市的秋季、冬季和春季。每个月测定5 天，均选取天气状况相似的e t 子， 1 4 硕士论文南京市典型地区可吸入颗粒轫的监测研究 测定时间均为1 4 ：o o 1 6 ：0 0 ，将同一采样点的5 天平均浓度作为该月的p m l o 浓度平均值，使测定数据能有代表性地反映各月的变化规律。 2 3 1 2 日浓度变化 采用8 5 2 0 型气溶胶监测器连续2 4 h 监测p m l o 的浓度日变化，不间断地采 集和记录p m i o 的瞬时浓度值，同时每半小时记录气象条件的变化。实验进行 地点为光华路道路旁和南京理工大学校园内，分别采集监测了2 0 0 6 年3 月中4 天的浓度变化，总结日浓度变化趋势规律并分析其原因。 2 3 1