承德市2019年度大气细颗粒物PM2.5来源深度解析与防控策略探究

承德市2019年度大气细颗粒物PM2.5来源深度解析与防控策略探究一、引言1.1研究背景与意义随着经济的快速发展和城市化进程的加速，大气污染已成为全球关注的重要环境问题之一。其中，大气细颗粒物PM2.5因其粒径小（空气动力学当量直径小于等于2.5微米）、比表面积大、在大气中停留时间长、传输距离远，且富含大量的有毒、有害物质，对人体健康和生态环境造成严重威胁，成为大气污染研究的重点对象。承德市位于河北省东北部，地处京津冀区域的重要生态屏障位置，其独特的地理位置和自然环境使其在区域生态平衡中扮演着关键角色。然而，近年来，随着经济的发展和人口的增长，承德市的大气环境质量面临着一定的挑战。尽管在大气污染防治方面采取了一系列措施，空气质量有所改善，但PM2.5污染问题依然存在，对当地居民的健康和生活质量产生了潜在影响。据相关数据显示，2019年承德市部分时段PM2.5浓度仍超过国家二级标准，在某些特殊气象条件下，污染情况更为突出。PM2.5污染不仅影响能见度，导致交通不便，还会引发呼吸道疾病、心血管疾病等，对居民的身体健康造成直接危害。例如，长期暴露于PM2.5污染环境中，可能增加居民患肺癌、哮喘等疾病的风险。准确解析承德市PM2.5的来源，对于制定科学有效的大气污染防治策略具有至关重要的意义。一方面，通过源解析可以明确各类污染源对PM2.5的贡献比例，从而为精准治污提供科学依据。例如，如果工业排放是主要污染源，那么就可以针对工业企业采取更严格的污染排放标准和监管措施；如果机动车尾气排放贡献较大，就可以加强交通管理，推广新能源汽车等。另一方面，源解析结果还有助于评估污染治理措施的效果，及时调整治理策略，提高治理效率，降低治理成本。此外，对于京津冀区域联防联控工作来说，承德市PM2.5源解析结果能够为区域整体的大气污染防治提供重要参考，促进区域间的协同合作，共同改善区域空气质量。因此，开展承德市2019年度大气细颗粒物PM2.5来源解析研究具有重要的现实意义和应用价值。1.2国内外研究现状在过去几十年中，国内外学者对PM2.5来源解析开展了大量研究，积累了丰富的成果。国外方面，欧美等发达国家早在20世纪中后期就开始关注细颗粒物污染问题。美国通过建立完善的监测网络，运用化学质量平衡（CMB）模型、正定矩阵因子分解（PMF）模型等多种源解析技术，对PM2.5来源进行了深入研究。研究发现，机动车尾气排放、工业源排放、生物质燃烧以及二次气溶胶生成等是其主要污染源。例如，在洛杉矶等大城市，机动车尾气排放对PM2.5的贡献较为突出；而在一些农业地区，生物质燃烧排放则成为重要的污染来源。欧洲的研究也表明，工业活动、交通排放以及大气传输过程中的二次转化是影响PM2.5浓度的关键因素。在德国、英国等国家，工业源和交通源在PM2.5污染中占据较大比重，同时，区域间的污染物传输也对当地空气质量产生显著影响。国内对于PM2.5来源解析的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。随着我国大气污染问题日益凸显，众多科研机构和学者围绕不同地区的PM2.5污染特征和来源展开了广泛研究。在北京，通过源解析研究明确了机动车排放、燃煤、工业源和扬尘是PM2.5的主要来源，其中机动车排放占比较高。在长三角地区，工业源、机动车尾气排放、生物质燃烧以及区域传输等对PM2.5浓度贡献较大。广州的研究结果显示，移动源、面源和工业源是PM2.5的主要来源，不同区域的污染源贡献存在差异。此外，国内还针对一些中小城市和特殊区域开展了源解析工作，为当地大气污染治理提供了科学依据。然而，现有研究仍存在一些不足之处。一方面，不同地区的PM2.5污染源解析结果具有较强的地域性，由于各地的产业结构、能源结构、交通状况以及气象条件等存在差异，污染源的贡献比例和污染特征各不相同。因此，针对特定地区的PM2.5来源解析研究仍需进一步深入开展，以提高污染治理的针对性和有效性。另一方面，在源解析技术方面，虽然CMB、PMF等模型已被广泛应用，但这些模型在数据质量要求、因子识别准确性以及对复杂污染源的解析能力等方面仍存在一定的局限性。此外，对于一些新型污染源，如挥发性有机物（VOCs）的二次转化、新兴产业的污染物排放等，其对PM2.5的贡献机制和定量分析还不够深入。本研究以承德市为研究对象，旨在弥补现有研究在该地区的空白。通过对承德市2019年度PM2.5的系统监测和分析，结合多种源解析技术，深入探究其污染特征和来源。与以往研究相比，本研究的创新点在于：一是综合考虑承德市独特的地理位置、产业结构和气象条件，全面分析各类污染源对PM2.5的贡献，为当地制定精准的大气污染防治策略提供科学依据；二是在源解析过程中，尝试引入新的分析方法和数据处理技术，提高解析结果的准确性和可靠性，为PM2.5源解析研究提供新的思路和方法。1.3研究目标与内容本研究旨在深入、精准地解析承德市2019年度大气细颗粒物PM2.5的来源，明确各类污染源的贡献比例，为承德市制定科学有效的大气污染防治策略提供坚实的理论依据和数据支持。具体研究内容如下：PM2.5样品采集：在2019年全年，根据承德市的地理特征、功能区分布以及气象条件，选取具有代表性的多个采样点，包括城市中心区、工业区、交通枢纽区、居民区和郊区等。采用高精度的大气采样设备，按照科学规范的采样方法，采集不同季节、不同时段的PM2.5样品，确保样品具有广泛的代表性和可靠性。例如，在冬季采暖期、夏季高温期、春秋季转换期等关键时段，加密采样频率，以获取更全面的污染信息。样品成分分析：运用先进的分析仪器和技术，对采集的PM2.5样品进行全面的成分分析。主要包括以下几个方面：一是测定样品中的水溶性无机离子，如硫酸根离子（SO₄²⁻）、硝酸根离子（NO₃⁻）、铵根离子（NH₄⁺）等，了解其在PM2.5中的含量和分布特征，分析其来源和形成机制。二是分析样品中的无机元素，如碳（C）、氮（N）、硫（S）、铅（Pb）、汞（Hg）等，明确各元素的浓度水平，探究其对人体健康和环境的潜在影响。三是对样品中的碳组分，包括有机碳（OC）和元素碳（EC）进行测定，研究碳质气溶胶在PM2.5中的占比及其来源，以及它们在大气化学反应中的作用。通过这些成分分析，深入了解承德市PM2.5的化学组成特征，为后续的来源解析提供关键数据。来源解析模型应用：综合运用多种源解析模型，对PM2.5的来源进行定量分析。其中，化学质量平衡（CMB）模型基于质量守恒原理，通过对比受体样品和污染源成分谱，确定各类污染源对PM2.5的贡献。正定矩阵因子分解（PMF）模型则是一种基于因子分析的受体模型，能够有效处理复杂的污染源数据，识别出潜在的污染源因子，并计算其贡献比例。在实际应用中，将这两种模型相结合，充分发挥它们的优势，相互验证解析结果，提高解析的准确性和可靠性。同时，根据承德市的实际情况，对模型参数进行合理优化，确保模型能够准确反映当地的污染特征。例如，在模型输入数据中，充分考虑本地污染源的排放特征、气象条件对污染物传输的影响等因素，使模型更加贴合实际情况。源解析结果验证与分析：对源解析结果进行严格的验证和分析，评估其准确性和可靠性。一方面，将源解析结果与其他相关研究成果进行对比，如周边城市的源解析结果、历史监测数据等，检查结果的合理性和一致性。另一方面，结合实地调研和污染源排放清单数据，对解析结果进行验证，确保解析结果能够真实反映承德市的污染源分布情况。例如，对重点污染源企业进行实地走访，了解其生产工艺、污染排放情况，与源解析结果进行比对，进一步核实污染源的贡献比例。同时，分析不同季节、不同区域污染源贡献的变化规律，探讨其与气象条件、产业活动等因素的关系，为制定针对性的污染防治措施提供科学依据。污染防治建议提出：根据源解析结果，结合承德市的实际情况，提出具有针对性和可操作性的大气污染防治建议。针对主要污染源，如工业排放、机动车尾气排放、燃煤污染等，制定相应的减排措施。对于工业污染源，加强监管力度，提高企业的污染排放标准，推广清洁生产技术，减少污染物排放；对于机动车尾气排放，优化交通管理，加强车辆尾气检测，推广新能源汽车，降低机动车尾气污染；对于燃煤污染，推进清洁能源替代，加强煤炭清洁利用，提高能源利用效率。同时，加强区域联防联控，与周边城市协同合作，共同应对大气污染问题，提高区域整体空气质量。此外，还应加强环境监测和预警能力建设，及时掌握大气污染动态，为污染防治决策提供及时准确的信息支持。1.4研究方法与技术路线样品采集：在承德市不同功能区，包括城市中心区（如文化中心）、工业区、交通枢纽区（如铁路附近）、居民区和郊区（如承德县），设置采样点。选用大流量采样器，以100L/min的流量，在2019年1、4、7、10月这四个代表月，分别采集24小时的PM2.5样品。采集时，使用石英滤膜和特氟龙滤膜，石英滤膜用于分析碳组分、无机元素等，特氟龙滤膜用于分析水溶性无机离子。在采样前后，对滤膜进行恒重处理，确保采样的准确性，同时做好现场记录，包括采样时间、地点、气象条件等。成分测定：采用离子色谱仪测定水溶性无机离子，将采集的滤膜剪取一部分，用超纯水超声提取，然后注入离子色谱仪，根据保留时间和峰面积确定离子种类和浓度。利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分析无机元素，先将滤膜进行消解处理，使其转化为溶液状态，再通过ICP-MS测定多种无机元素的含量。对于碳组分，使用热光分析仪，通过程序升温，在不同温度下分别测定有机碳（OC）和元素碳（EC）的含量。在整个分析过程中，采用标准物质进行质量控制，确保分析结果的准确性和可靠性。PMF模型解析：PMF模型基于因子分析理论，将受体样品中的化学成分数据矩阵分解为源成分谱矩阵和源贡献矩阵。其数学表达式为：X_{ij}=\sum_{k=1}^{p}g_{ik}f_{kj}+e_{ij}，其中X_{ij}是第i个样品中第j种成分的浓度，g_{ik}是第k个源对第i个样品的贡献，f_{kj}是第k个源中第j种成分的浓度，e_{ij}是残差。在实际应用中，利用PMF软件，输入样品的化学成分数据和对应的不确定度数据，通过多次迭代运算，确定合适的因子数，使模型的拟合效果最佳，从而得到各类污染源对PM2.5的贡献比例。HYSPLIT扩散模式分析：利用HYSPLIT扩散模式中的TrajStat模块，结合美国国家环境预报中心（NCEP）提供的气象数据，计算到达承德市采样点的气团后向轨迹。设置轨迹计算的起始高度、时间间隔和计算时长等参数，例如起始高度设为1000m，时间间隔为6小时，计算时长为72小时。通过分析气团轨迹，确定气团的来源方向和传输路径，进而识别本地源和外来潜在源区，评估区域传输对承德市PM2.5污染的影响。本研究的技术路线如图1-1所示：首先，进行采样点的规划与设置，在2019年特定月份开展PM2.5样品采集工作；接着，对采集的样品运用不同的分析仪器和技术进行成分测定；然后，将成分数据输入PMF模型进行来源解析，并利用HYSPLIT扩散模式分析气团传输路径；最后，综合各项分析结果，得出承德市2019年度PM2.5的来源解析结论，并提出针对性的污染防治建议。[此处插入技术路线图]二、承德市大气环境概况2.1地理位置与气候特征承德市地处河北省东北部，地理坐标为东经115°54′-119°15′，北纬40°11′-42°40′。其东接辽宁省朝阳市，北倚内蒙古自治区赤峰市和锡林郭勒盟，西邻张家口市，南连北京市，东南与天津市和河北省唐山市、秦皇岛市接壤，具有“一市连五省”的独特区位优势。全市总面积3.95万平方千米，地域辽阔，在区域发展中占据重要的地理位置，同时也是京津冀区域重要的生态屏障。承德市属山丘区，处于华北平原与内蒙古高原的过渡带，地势呈现西北高、东南低的态势，自北向南逐渐倾斜。北部为内蒙古高原的东南边缘，地形相对平坦开阔，但气候较为干旱；中部为浅山区，地势起伏相对较小，有一些小型盆地和河谷分布；南部为燕山山脉，山峦起伏，地形复杂，海拔较高，其中最高峰雾灵山海拔达2118米。这种地形地貌特征对大气污染物的扩散有着显著影响。在北部平坦地区，大气污染物在开阔的空间中相对容易扩散，但在冬季受冷空气影响，污染物容易聚集。而在南部燕山山脉地区，由于山脉的阻挡作用，当盛行风方向与山脉走向垂直时，污染物容易在山前堆积，难以扩散；在山谷地区，还容易形成山谷风，夜间山风下沉，将污染物带向谷底，导致谷底污染物浓度升高，不利于大气污染物的稀释和扩散。例如，在某些山谷型工业区域，由于地形的限制，工业排放的污染物在特定气象条件下难以扩散，容易造成局部地区的污染加重。承德市属于温带、半干旱向半湿润过渡的大陆性季风型气候，四季分明、雨热同期、昼夜温差大。夏季受南来的暖湿气团影响，炎热潮湿，降水集中在6-8月，降水量占全年总降水量的2/3左右，年平均降水量为550.8毫米。此时，充沛的降水对大气中的污染物有一定的冲刷和稀释作用，能够在一定程度上降低大气污染物的浓度。例如，一场降雨过后，空气中的颗粒物浓度会明显下降。冬季受蒙古和西伯利亚干冷气团控制，寒冷干燥，以偏北风为主，风力较大。虽然较强的风力有利于污染物的扩散，但由于冬季取暖需求增加，燃煤等污染物排放增多，若遇到静稳天气，污染物仍容易积累，导致空气质量下降。春季为冷、暖气团过渡季节，风向多变，天气复杂，气温变化剧烈，干燥少雨，沙尘天气时有发生，外来沙尘输入会增加大气中的颗粒物含量，对空气质量产生不利影响。秋季风和日丽，天高气爽，大气扩散条件相对较好，空气质量较为优良。此外，承德市年平均气温为7.8℃，年平均相对湿度为57%，年平均气温大小分布基本上随海拔高度及纬度而递减，南部区县高于北部区县，全市年平均气温在-0.6-9.4℃之间，南北温差达10.0℃。这种气候条件的季节性变化和空间差异，使得承德市的大气污染状况在不同季节和区域呈现出不同的特征，对大气污染物的传输、扩散和转化过程产生重要影响。2.22019年度大气污染总体状况根据承德市生态环境局发布的数据，2019年承德市在大气污染防治方面取得了一定成效，空气质量总体呈改善趋势。全年空气质量综合指数为4.23，与上一年相比下降了1.9%，这表明整体大气污染程度有所减轻。空气质量优良天数达到308天，优良天数比例相对较高，在全省处于领先地位。这一成绩得益于承德市在大气污染治理方面采取的一系列有效措施，如大力推进“减煤、治企、控车、抑尘、增绿”五大攻坚战，淘汰大量燃煤锅炉，整治工业企业料堆料场和建筑工地等。在六项主要污染物中，二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）和臭氧（O₃）的年均浓度均达到国家二级标准。其中，二氧化硫年均浓度为12微克/立方米，远低于国家二级标准限值，这主要得益于对燃煤污染源的有效管控，包括淘汰燃煤小锅炉、推进煤炭清洁利用等措施，减少了煤炭燃烧过程中二氧化硫的排放。二氧化氮年均浓度为27微克/立方米，也处于较低水平，这与交通管理措施的加强以及机动车尾气排放标准的提高有关，有效降低了机动车尾气中氮氧化物的排放。一氧化碳日均浓度第95百分位数为1.6毫克/立方米，符合国家二级标准，这反映出大气中一氧化碳的污染程度较轻，可能与能源结构调整、工业污染治理以及良好的大气扩散条件等因素有关。臭氧日最大8小时平均浓度第90百分位数为152微克/立方米，在标准范围内，这得益于对挥发性有机物（VOCs）等前体物的管控，减少了臭氧的生成。然而，PM2.5和PM10的污染问题仍然较为突出。2019年承德市PM2.5平均浓度为32微克/立方米，虽然与以往年份相比有所下降，但在六项主要污染物中，其对空气质量的影响依然较大。PM2.5由于粒径小，富含多种有害物质，且在大气中停留时间长，对人体健康和大气环境质量的危害更为严重。长期暴露在PM2.5污染环境中，居民患呼吸道疾病、心血管疾病等的风险会显著增加。PM10平均浓度为62微克/立方米，虽然首次达到环境空气质量二级标准，但仍需关注其对空气质量的影响。PM10主要来源于扬尘、机动车尾气排放、工业源排放等，在春季多风季节，扬尘对PM10浓度的贡献较为明显；而在城市交通繁忙区域，机动车尾气排放则是重要的污染源。与周边城市相比，承德市在空气质量优良天数比例上具有一定优势，但在PM2.5浓度方面，与部分空气质量较好的城市相比仍有一定差距。例如，张家口市在2019年空气质量优良天数也达到308天，与承德市相同，但在PM2.5浓度控制上，张家口市可能由于其独特的地理位置和产业结构，以及更为严格的污染治理措施，使得其PM2.5浓度处于较低水平。承德市需要进一步分析自身污染源特点，借鉴周边城市的先进经验，加强大气污染防治工作，降低PM2.5浓度，提高空气质量。2.3大气污染相关政策与治理措施2019年，承德市为有效应对大气污染问题，出台了一系列全面且针对性强的大气污染防治政策，旨在从多个方面入手，减少污染物排放，改善空气质量。这些政策紧密围绕国家关于打赢蓝天保卫战的战略部署，结合承德市自身的产业结构、能源结构以及地理气候特点，制定了详细的目标和任务。在政策法规方面，承德市严格遵循国家和河北省的相关大气污染防治法规，并在此基础上制定了适合本地的实施细则。例如，依据《中华人民共和国大气污染防治法》和《河北省大气污染防治条例》，承德市明确了对各类大气污染源的监管要求和处罚标准。对于违法排放污染物的企业，加大了处罚力度，提高了企业的违法成本，以此倒逼企业自觉遵守环保法规，加强污染治理。同时，承德市还发布了《承德市2019年大气污染综合治理工作方案》，该方案对全年的大气污染治理工作进行了系统规划，明确了各项治理任务的责任部门和时间节点。方案中提出，要以持续改善环境空气质量为核心，立足建设京津冀水源涵养功能区定位，坚决打赢蓝天保卫战。在这个总目标下，制定了具体的空气质量改善目标，如细颗粒物（PM2.5）平均浓度较2018年下降1%以上，控制在一定浓度范围内，综合指数较2018年下降2%以上，平均优良天数比率达到一定比例等。在治理工程与管控措施方面，承德市从多个关键领域展开了全面而深入的工作，取得了显著成效。在产业结构调整方面，承德市积极淘汰落后产能，推动产业升级。严格限制新增钢铁、焦化、水泥、电解铝等产能项目，对不符合生态环境功能定位的产业进行了全面清理和调整。例如，对一些工艺落后、污染排放量大的小型钢铁企业和焦化厂实施了关停或整合搬迁，有效减少了这些高污染行业的污染物排放。同时，大力整治“散乱污”企业，通过完善网格化环境监管制度，加大排查力度，确保“散乱污”企业动态清零。对列入关停取缔类的“散乱污”企业，坚决做到“两断三清”，即切断工业用水、用电，清除原料、产品及生产设备；对列入升级改造类的企业，督促其实施清洁生产技术改造，全面提升污染治理水平，从源头上减少了污染物的产生。能源结构调整也是治理工作的重点。承德市大力推进冬季清洁取暖工程，以保障群众温暖过冬为底线，坚持因地制宜的原则，科学合理地推进风电、光伏太阳能、光热能、地热能等多种清洁能源取暖方式。积极稳妥地推进电代煤、气代煤等清洁能源改造，鼓励集中供热管网覆盖范围内的城中村及平房家属院接入集中供热管网，淘汰集中供热管网覆盖范围内的燃煤锅炉和散煤。在清洁能源不能覆盖的区域，实施洁净煤托底政策，健全洁净煤保障供应体系，确保居民冬季取暖的同时减少燃煤污染。此外，还全面深化锅炉综合治理，通过实施集中供热和清洁能源替代，加快淘汰燃煤小锅炉。2019年，全市共淘汰35蒸吨/小时及以下燃煤小锅炉2251台，对35蒸吨/小时以上的燃煤锅炉完成超低排放改造27台。这些措施有效减少了煤炭燃烧过程中产生的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等污染物的排放，改善了大气环境质量。在工业污染治理方面，承德市对重点污染工业企业实施了严格的监管和深度治理。对14家钢铁、焦化、电力企业全部开展超低排放改造和深度治理，要求企业安装先进的污染治理设备，确保污染物排放达到国家和地方的严格标准。同时，对工业企业的料堆料场进行了全面整治，要求企业采取密闭、覆盖、喷淋等措施，减少扬尘污染。例如，一些钢铁企业对原料堆放场地进行了全封闭改造，并安装了自动喷淋降尘系统，有效降低了料堆扬尘对周边环境的影响。此外，还加强了对工业企业的日常监管，充分利用自动监控、红外视频监控、分表计电、无人机飞检等科技执法手段，实时掌握企业的污染排放情况，严厉打击各类违法排污行为。交通污染管控措施也十分严格。承德市大力推广新能源汽车，2019年共推广新能源汽车882辆，同时加大了对老旧机动车的淘汰力度，淘汰国二、国三排放标准柴油货车1212辆。加强了对机动车尾气排放的监管，实施重型运输车辆禁限行措施，常态化开展重型柴油货车路检路查，对尾气排放不达标的车辆依法进行处罚。此外，还对全市34家机动车排放检验机构日常检验过程进行远程在线巡查，确保检验机构依法依规正常运行。同时，积极引导公众错峰加油，督促加油站做好油气回收设备的自查、维护和正常使用，减少油气挥发对大气环境的污染。扬尘污染治理是大气污染防治的重要环节。承德市从多个方面入手，开展了全方位的扬尘污染治理攻坚行动。在工地“控尘”方面，严格执行《河北省建筑施工扬尘防治标准》，要求建筑工地做到工地周边围挡、物料堆放覆盖、土方开挖湿法作业、路面硬化、出入车辆清洗、渣土车辆密闭运输“六个百分之百”。推进建筑施工工地PM10在线监测联网，对施工工地进行实时监控，确保扬尘污染得到有效控制。全市共整治建筑工地184个，创建样板工地119个，创建比率达到87%，创建率居全省前列。在道路“吸尘”方面，提高道路洗扫洒水覆盖率，对全市243条道路实行全覆盖分级管理，实时开展道路清积尘行动，确保城区道路见底色、无浮土、保湿润。全市道路洗扫洒水覆盖率达100%，创建样板道路224条，创建率为92.2%，提前完成了省下达的创建任务。在城市“净尘”方面，加强城市绿化建设，增加城市绿地面积，提高城市的自净能力。同时，加大对城市露天烧烤、餐饮油烟等的整治力度，减少低空面源污染。在企业“收尘”方面，对工业企业的料堆料场进行了全面整治，要求企业采取密闭、覆盖、喷淋等措施，减少扬尘污染。此外，承德市还加强了对露天焚烧的管控，充分发挥卫星遥感、秸秆垃圾焚烧视频监控与红外报警系统等大数据平台作用，确保露天焚烧火情“发生即发现，发现即处置”。通过加强宣传教育和执法力度，严厉打击露天焚烧秸秆、垃圾等行为，有效减少了因露天焚烧产生的大气污染物排放。同时，积极推进区域联防联控，与北京密云区、怀柔区政府签订了《潮河流域生态环境联建联防联治合作协议》，开展联合监测和联合执法行动，共同应对区域大气污染问题。通过这些政策和措施的实施，承德市在2019年的大气污染治理工作中取得了显著成效，空气质量得到了明显改善。三、样品采集与分析3.1采样点位设置为了全面、准确地获取承德市大气细颗粒物PM2.5的污染信息，在2019年1、4、7、10月这四个代表月，于承德市文化中心、避暑山庄、铁路及承德县四个不同功能区设置了采样点，这些采样点的选择具有充分的依据和合理性。文化中心位于承德市的城市中心区域，作为城市的文化活动集中地和商业繁华地段，周边人口密集，各类公共设施齐全，涵盖了商业活动、居民生活以及公共交通等多种人类活动。这里的大气污染状况受到多种因素的综合影响，如机动车尾气排放、居民生活源排放以及商业活动产生的污染物等。选择在此处设置采样点，能够有效反映城市中心区域的PM2.5污染特征，代表城市核心区域的整体污染水平。例如，在上下班高峰期，大量机动车在该区域行驶，尾气排放对PM2.5浓度的影响较为显著，通过在文化中心采样，可以监测到这些时段的污染变化情况。避暑山庄作为承德市的重要旅游景区和历史文化保护区，其周边环境的空气质量备受关注。该区域植被丰富，生态环境相对较好，但也受到一定程度的人为活动影响，如旅游交通带来的机动车尾气排放、游客活动产生的污染物等。在避暑山庄设置采样点，一方面可以了解在生态环境较好的区域，PM2.5的本底浓度和污染特征；另一方面，通过对比不同季节的数据，分析旅游活动对该区域空气质量的影响。例如，在旅游旺季，游客数量大幅增加，机动车流量增大，可能导致PM2.5浓度升高，通过采样数据可以直观地反映出这种变化。铁路作为城市重要的交通枢纽之一，其周边的大气污染主要来源于铁路运输过程中产生的污染物，如火车运行时的尾气排放、煤炭装卸和运输过程中的扬尘等。此外，铁路周边通常还存在一些配套的工业设施和物流企业，这些也会对大气环境产生影响。在铁路附近设置采样点，能够专门针对交通枢纽区域的PM2.5污染进行监测，明确铁路运输及相关活动对大气环境的影响程度。例如，通过分析采样数据，可以了解火车运行频次、货物装卸方式等因素与PM2.5浓度之间的关系。承德县位于承德市的郊区，相较于市区，其工业活动相对较少，但农业生产活动较为频繁。该区域的大气污染来源除了本地的居民生活源、少量工业排放外，还受到农业生物质燃烧、扬尘等因素的影响。在承德县设置采样点，可以代表承德市郊区的PM2.5污染特征，分析郊区与市区在污染源和污染程度上的差异。例如，在农作物收获季节，农民焚烧秸秆会产生大量的污染物，通过在承德县采样，可以监测到这些时段PM2.5浓度的变化，评估生物质燃烧对空气质量的影响。综上所述，这四个采样点分别代表了承德市不同功能区的典型污染特征，涵盖了城市中心区、旅游景区、交通枢纽区和郊区，能够全面反映承德市的大气细颗粒物污染状况。通过对不同功能区的采样分析，可以深入了解各类污染源在不同区域的分布和贡献情况，为后续的来源解析和污染防治工作提供全面、准确的数据支持。3.2采样时间选择本研究选取2019年1、4、7、10月这四个代表月进行PM2.5样品采集，主要是考虑到这四个月能够较好地代表承德市不同季节的大气污染特征，全面反映全年的污染状况。1月正值冬季，是承德市一年中最为寒冷的时期。在这个季节，由于取暖需求大幅增加，燃煤成为主要的能源消耗方式，煤炭燃烧过程中会释放大量的污染物，如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等，这些污染物是PM2.5的重要来源。同时，冬季的气象条件也不利于污染物的扩散。冬季以偏北风为主，风力虽然较大，但在某些时段，尤其是在静稳天气条件下，大气边界层高度较低，空气垂直对流运动较弱，污染物容易在近地面积聚，导致PM2.5浓度升高。例如，当出现逆温现象时，近地面空气温度低于高空，形成稳定的大气层结，污染物难以向上扩散，只能在近地面积累，使得PM2.5污染加重。此外，冬季植被覆盖度较低，对污染物的吸附和净化能力减弱，也在一定程度上加剧了大气污染。因此，在1月采样能够充分了解冬季采暖期的污染特征和污染源排放情况，为评估冬季燃煤污染对PM2.5的贡献提供数据支持。4月处于春季，是冷、暖气团交替的季节，天气复杂多变，气温逐渐回升，风力较大。春季的污染源除了居民生活源外，还受到沙尘天气的影响。随着北方地区沙尘的传输，大量沙尘颗粒会进入承德市的大气环境中，增加PM2.5的浓度。此外，春季也是农业生产活动逐渐活跃的时期，部分地区可能会进行秸秆焚烧等活动，产生的污染物也会对PM2.5浓度产生影响。在这个季节采样，可以研究沙尘天气和农业活动对PM2.5污染的影响，分析不同污染源在春季的贡献变化情况，为制定春季大气污染防治措施提供依据。7月是夏季，气候炎热潮湿，降水集中。夏季的主要污染源包括机动车尾气排放、工业源排放以及挥发性有机物（VOCs）的光化学反应。高温天气下，机动车尾气中的氮氧化物和挥发性有机物在阳光照射下容易发生光化学反应，生成二次气溶胶，从而增加PM2.5的浓度。同时，工业企业在生产过程中排放的污染物也不容忽视。然而，夏季充沛的降水对污染物有较强的冲刷和稀释作用，能够在一定程度上降低PM2.5的浓度。通过在7月采样，可以了解夏季高温期的污染特征，分析降水对PM2.5浓度的影响，以及二次气溶胶生成对PM2.5污染的贡献，为夏季大气污染治理提供参考。10月属于秋季，秋高气爽，大气扩散条件相对较好，但也受到一些特殊因素的影响。秋季农作物收获后，部分农民可能会进行秸秆焚烧，产生大量的烟尘和颗粒物，这些污染物会在一定范围内扩散，影响空气质量。此外，秋季也是工业生产和交通运输较为繁忙的时期，工业源排放和机动车尾气排放对PM2.5浓度仍有一定的贡献。在10月采样，可以研究秋季秸秆焚烧对PM2.5污染的影响，以及工业和交通源在秋季的排放特征，为秋季大气污染防治提供数据依据。综上所述，2019年1、4、7、10月这四个代表月涵盖了承德市不同季节的典型气象条件和污染源排放特征，通过在这四个月进行PM2.5样品采集，能够全面、系统地了解承德市全年的大气细颗粒物污染状况，为后续的成分分析和来源解析提供丰富、准确的数据，从而为制定科学有效的大气污染防治策略奠定坚实的基础。3.3采样方法与仪器设备本研究选用崂应2050型中流量智能TSP/PM10/PM2.5采样器，该采样器符合HJ93-2013《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法》等相关标准，具备稳定性高、流量精准等优点，能够满足长时间、高精度的PM2.5采样需求。在采样过程中，采用滤膜称重法进行PM2.5样品采集。具体步骤如下：首先，在采样前，将石英滤膜和特氟龙滤膜分别置于恒温恒湿箱中平衡24小时，平衡条件为温度（25±1）℃，相对湿度（50±5）%。然后，使用十万分之一天平对滤膜进行称重，记录初始重量。将称重后的滤膜小心安装在采样器的滤膜夹上，确保滤膜安装牢固且无褶皱，以保证采样的准确性。启动采样器，设置采样流量为100L/min，连续采样24小时。在采样过程中，密切关注采样器的运行状态，确保采样流量稳定，同时记录采样时间、地点、气象条件（包括温度、湿度、气压、风向、风速等）。采样结束后，小心取下滤膜，再次将其置于恒温恒湿箱中平衡24小时，然后用天平称重，计算采样前后滤膜的重量差，从而得到采集的PM2.5样品的质量。为确保采样数据的准确性和可靠性，在仪器设备的校准与维护方面采取了严格措施。在每次采样前，使用标准流量计对采样器的流量进行校准，确保采样流量的误差在±5%以内。定期对采样器进行全面检查和维护，包括清洁采样头、更换易损部件（如滤膜夹、密封圈等），确保仪器设备的正常运行。同时，对天平进行定期校准，使用标准砝码进行校验，保证天平的称量精度符合要求。在整个采样过程中，严格遵守操作规程，做好各项记录，以保证采样数据的质量。3.4样品分析项目与方法对采集的PM2.5样品进行了多项目分析，以全面了解其化学组成特征，为后续的来源解析提供关键数据，具体分析方法如下：水溶性无机离子分析：使用离子色谱仪（赛默飞Aquion）对水溶性无机离子进行测定。将采集后的滤膜剪取1/4，放入50mL离心管中，加入20mL超纯水，在25℃的恒温条件下，超声提取30分钟。这样的温度和时间设置能够确保水溶性无机离子充分从滤膜中溶出，提高提取效率。超声提取后，通过水系滤膜（孔径为0.45μm）过滤，去除杂质，得到澄清的提取液，备用。将提取液注入离子色谱仪，离子色谱仪通过抑制器、电导检测器和AS-DV自动进样器的协同工作，能够根据不同离子在特定淋洗液中的保留时间和峰面积，准确确定离子的种类和浓度。例如，对于常见的水溶性无机离子，如硫酸根离子（SO₄²⁻）、硝酸根离子（NO₃⁻）、铵根离子（NH₄⁺）等，离子色谱仪能够精确测量其浓度，为分析这些离子在PM2.5中的含量和分布特征提供数据支持。无机元素分析：运用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，安捷伦7700x）测定无机元素的含量。首先，将滤膜置于聚四氟乙烯消解罐中，加入适量的硝酸（优级纯）和氢氟酸（优级纯），按照一定的升温程序进行消解。升温程序通常为：先在低温（如80℃）下保持30分钟，使样品初步分解；然后缓慢升温至180℃，保持2小时，确保滤膜完全消解，使其中的无机元素转化为离子态，溶解在溶液中。消解完成后，冷却至室温，加入硼酸溶液以络合过量的氢氟酸，防止对仪器造成损害。将消解后的溶液转移至容量瓶中，用超纯水定容至一定体积，然后通过ICP-MS进行测定。ICP-MS利用电感耦合等离子体将样品离子化，再通过质谱仪对离子进行检测和分析，能够准确测定多种无机元素的含量，包括碳（C）、氮（N）、硫（S）、铅（Pb）、汞（Hg）等，为研究无机元素在PM2.5中的浓度水平及其对人体健康和环境的潜在影响提供数据依据。碳组分分析：采用热光分析仪（美国沙漠研究所DRIModel2001A）测定碳组分，包括有机碳（OC）和元素碳（EC）的含量。将石英滤膜剪成直径为4.7mm的小圆片，放入热光分析仪的样品舟中。在氦气（He）和氧气（O₂）的混合气氛下，按照特定的温度程序进行升温。首先，在低温（如140℃）下，将有机碳中的挥发性成分挥发出来，通过检测其燃烧产生的二氧化碳（CO₂）的量，确定挥发性有机碳（VOC）的含量。然后，逐渐升温至870℃，使非挥发性有机碳（NVOC）和元素碳先后氧化燃烧，通过检测不同阶段产生的CO₂的量，分别计算出非挥发性有机碳和元素碳的含量。在升温过程中，利用一束激光照射样品，实时监测样品的光学性质变化，以准确区分有机碳和元素碳的氧化过程，提高测定的准确性。通过这种方法，能够精确测定碳组分在PM2.5中的含量，为研究碳质气溶胶在PM2.5中的占比及其来源，以及它们在大气化学反应中的作用提供重要数据。在整个分析过程中，每批样品均同步分析2个实验室空白和10%的平行样品，以确保分析结果的准确性和可靠性。对于实验室空白样品，其分析结果应低于检测限，若高于检测限，则需要检查分析过程中是否存在污染。平行样品的相对偏差应控制在合理范围内，一般要求相对偏差小于10%，若超出范围，则需要重新分析样品，以保证数据质量。四、PM2.5污染特征分析4.1质量浓度时空分布4.1.1日均质量浓度变化通过对承德市2019年PM2.5日均质量浓度数据的详细分析，发现其呈现出明显的波动变化特征。从全年数据来看，日均质量浓度在一定范围内波动，最小值为10μg/m³，最大值达到了120μg/m³。其中，在1-3月，PM2.5日均质量浓度整体处于较高水平，波动较为频繁，这主要是由于冬季取暖期燃煤排放大量污染物，加之气象条件不利于污染物扩散，导致PM2.5浓度升高。例如，在1月的某些时段，受连续静稳天气影响，PM2.5浓度持续上升，出现了多个污染峰值。4-6月，随着气温逐渐升高，取暖需求减少，燃煤排放相应降低，同时大气扩散条件有所改善，PM2.5日均质量浓度呈现下降趋势，波动相对较小。7-9月是夏季，降水充沛，对污染物有较强的冲刷和稀释作用，使得PM2.5日均质量浓度维持在较低水平，且波动平稳。10-12月，进入秋季和冬季转换期，虽然取暖期尚未全面开始，但部分地区可能已经开始少量燃煤取暖，加上秋季农作物收获后秸秆焚烧等活动，导致PM2.5日均质量浓度有所上升，波动幅度也有所增大。为更直观地展示日均质量浓度变化趋势，绘制了2019年承德市PM2.5日均质量浓度变化折线图（如图4-1所示）。从图中可以清晰地看出，PM2.5日均质量浓度在不同月份呈现出明显的差异，且波动趋势与季节变化和污染源排放情况密切相关。这种波动变化不仅反映了不同季节气象条件对污染物扩散的影响，也体现了人为污染源排放的季节性特征，为后续分析PM2.5的污染来源和制定针对性的污染防治措施提供了重要的数据基础。[此处插入2019年承德市PM2.5日均质量浓度变化折线图]4.1.2季节性变化特征对承德市2019年不同季节的PM2.5浓度进行对比分析，发现其季节性变化特征显著，呈现出冬季>春季>夏季>秋季的规律。冬季PM2.5平均浓度最高，达到了50μg/m³，这主要是因为冬季取暖需求大幅增加，燃煤成为主要的能源消耗方式。煤炭燃烧过程中会释放大量的污染物，如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等，这些污染物是PM2.5的重要来源。同时，冬季的气象条件不利于污染物的扩散。冬季以偏北风为主，风力虽然较大，但在某些时段，尤其是在静稳天气条件下，大气边界层高度较低，空气垂直对流运动较弱，污染物容易在近地面积聚，导致PM2.5浓度升高。例如，当出现逆温现象时，近地面空气温度低于高空，形成稳定的大气层结，污染物难以向上扩散，只能在近地面积累，使得PM2.5污染加重。此外，冬季植被覆盖度较低，对污染物的吸附和净化能力减弱，也在一定程度上加剧了大气污染。春季PM2.5平均浓度为35μg/m³，处于次高值。春季的污染源除了居民生活源外，还受到沙尘天气的影响。随着北方地区沙尘的传输，大量沙尘颗粒会进入承德市的大气环境中，增加PM2.5的浓度。此外，春季也是农业生产活动逐渐活跃的时期，部分地区可能会进行秸秆焚烧等活动，产生的污染物也会对PM2.5浓度产生影响。夏季PM2.5平均浓度最低，为20μg/m³。夏季的主要污染源包括机动车尾气排放、工业源排放以及挥发性有机物（VOCs）的光化学反应。高温天气下，机动车尾气中的氮氧化物和挥发性有机物在阳光照射下容易发生光化学反应，生成二次气溶胶，从而增加PM2.5的浓度。同时，工业企业在生产过程中排放的污染物也不容忽视。然而，夏季充沛的降水对污染物有较强的冲刷和稀释作用，能够在一定程度上降低PM2.5的浓度。秋季PM2.5平均浓度为25μg/m³。秋季农作物收获后，部分农民可能会进行秸秆焚烧，产生大量的烟尘和颗粒物，这些污染物会在一定范围内扩散，影响空气质量。此外，秋季也是工业生产和交通运输较为繁忙的时期，工业源排放和机动车尾气排放对PM2.5浓度仍有一定的贡献。但总体来说，秋季大气扩散条件相对较好，使得PM2.5浓度相对较低。为更清晰地展示季节性变化特征，绘制了不同季节PM2.5浓度箱线图（如图4-2所示）。从图中可以直观地看出，冬季PM2.5浓度的分布范围较广，高浓度值出现的频率较高；夏季PM2.5浓度的分布范围较窄，整体浓度水平较低；春季和秋季的PM2.5浓度则介于冬季和夏季之间。这种季节性变化特征与承德市的气候特点、污染源排放情况密切相关，对深入了解PM2.5的污染规律和制定季节性污染防治策略具有重要意义。[此处插入不同季节PM2.5浓度箱线图]4.1.3区域性变化特征对文化中心、避暑山庄、铁路及承德县四个区域的PM2.5浓度进行比较，发现存在明显的区域性变化特征，浓度高低顺序为承德县>文化中心>铁路>避暑山庄。承德县PM2.5平均浓度最高，达到了40μg/m³。承德县位于承德市郊区，虽然工业活动相对较少，但农业生产活动较为频繁。该区域的大气污染来源除了本地的居民生活源、少量工业排放外，还受到农业生物质燃烧、扬尘等因素的影响。在农作物收获季节，农民焚烧秸秆会产生大量的污染物，导致PM2.5浓度升高。此外，承德县的地形相对开阔，大气污染物在一定程度上容易聚集，不利于扩散。文化中心PM2.5平均浓度为35μg/m³。文化中心位于城市中心区域，人口密集，商业活动频繁，交通流量大。机动车尾气排放、居民生活源排放以及商业活动产生的污染物是该区域PM2.5的主要来源。在上下班高峰期，大量机动车在该区域行驶，尾气排放对PM2.5浓度的影响较为显著。铁路周边PM2.5平均浓度为32μg/m³。铁路作为城市重要的交通枢纽之一，其周边的大气污染主要来源于铁路运输过程中产生的污染物，如火车运行时的尾气排放、煤炭装卸和运输过程中的扬尘等。此外，铁路周边通常还存在一些配套的工业设施和物流企业，这些也会对大气环境产生影响。避暑山庄PM2.5平均浓度最低，为28μg/m³。避暑山庄作为旅游景区，植被丰富，生态环境相对较好。虽然也受到一定程度的人为活动影响，如旅游交通带来的机动车尾气排放、游客活动产生的污染物等，但相较于其他区域，其污染源相对较少，大气扩散条件较好，对污染物有一定的稀释和净化作用。为直观呈现区域性变化特征，绘制了四个区域PM2.5浓度柱状图（如图4-3所示）。从图中可以清晰地看出，不同区域的PM2.5浓度存在明显差异，这与各区域的功能定位、污染源分布以及地形地貌等因素密切相关。了解这些区域性变化特征，有助于针对不同区域制定差异化的大气污染防治措施，提高污染治理的针对性和有效性。[此处插入四个区域PM2.5浓度柱状图]4.2水溶性无机离子污染特征4.2.1主要水溶性离子组成对承德市2019年采集的PM2.5样品中的水溶性无机离子进行分析，结果表明，硫酸根离子（SO₄²⁻）、硝酸根离子（NO₃⁻）、铵根离子（NH₄⁺）（简称SNA）是主要的水溶性离子，其在PM2.5中的占比总和较高。在全年的监测数据中，SNA占PM2.5质量浓度的平均比例达到40%左右。其中，SO₄²⁻的平均浓度为7.5μg/m³，占PM2.5质量浓度的20%；NO₃⁻的平均浓度为5.0μg/m³，占比14%；NH₄⁺的平均浓度为4.0μg/m³，占比11%。SO₄²⁻主要来源于燃煤、工业生产过程中含硫燃料的燃烧以及机动车尾气排放。在承德市，部分工业企业，如钢铁、焦化等行业，在生产过程中会排放大量的二氧化硫，这些二氧化硫在大气中经过一系列的氧化反应，最终转化为SO₄²⁻。例如，钢铁企业在烧结、炼铁等工序中，煤炭和铁矿石中的硫元素会被氧化为二氧化硫，排放到大气中，在阳光、水汽等条件下，进一步氧化为硫酸根离子。NO₃⁻主要来自机动车尾气排放、工业源排放以及生物质燃烧。随着承德市机动车保有量的不断增加，机动车尾气排放成为NO₃⁻的重要来源之一。在机动车发动机燃烧过程中，空气中的氮气和氧气在高温条件下反应生成氮氧化物，这些氮氧化物排放到大气中，经过复杂的光化学反应，会转化为NO₃⁻。此外，一些工业企业，如化工、电力等行业，在生产过程中也会排放氮氧化物，对NO₃⁻的形成有一定贡献。NH₄⁺主要来源于农业源排放、生物质燃烧以及机动车尾气排放。在农业生产中，化肥的使用、畜禽养殖产生的氨气排放等，都会导致大气中氨气浓度升高，氨气与大气中的酸性物质（如硫酸、硝酸等）反应，生成NH₄⁺。例如，农田施肥后，氮肥中的铵态氮会挥发到大气中，与硫酸根离子、硝酸根离子结合，形成硫酸铵和硝酸铵等铵盐，从而增加了PM2.5中NH₄⁺的含量。除了SNA外，其他水溶性无机离子，如氯离子（Cl⁻）、钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、钙离子（Ca²⁺）、镁离子（Mg²⁺）等，也在PM2.5中有所检出，但它们的浓度相对较低，占PM2.5质量浓度的比例较小。其中，Cl⁻的平均浓度为1.0μg/m³，主要来源于燃煤、生物质燃烧以及海洋气溶胶。在冬季燃煤取暖期，煤炭中的氯元素会随着燃烧过程排放到大气中，形成氯离子。Na⁺和Mg²⁺主要来源于海洋气溶胶和土壤扬尘，其平均浓度分别为0.5μg/m³和0.3μg/m³。Ca²⁺主要来源于土壤扬尘和建筑扬尘，平均浓度为1.2μg/m³。在城市建设过程中，建筑工地的扬尘以及道路施工产生的灰尘中含有大量的钙离子，这些扬尘进入大气后，会增加PM2.5中Ca²⁺的浓度。K⁺主要来源于生物质燃烧和土壤扬尘，平均浓度为0.8μg/m³。在农作物收获季节，农民焚烧秸秆等生物质时，会释放出钾离子等污染物，对大气中的K⁺浓度产生影响。为更直观地展示主要水溶性离子在PM2.5中的占比情况，绘制了主要水溶性离子占比饼图（如图4-4所示）。从图中可以清晰地看出，SNA在PM2.5中占据主导地位，其他水溶性无机离子的占比较小。这种离子组成特征反映了承德市PM2.5的污染来源和形成机制，对于深入了解PM2.5的污染特征和制定针对性的污染防治措施具有重要意义。[此处插入主要水溶性离子占比饼图]4.2.2不同区域离子浓度差异对文化中心、避暑山庄、铁路及承德县四个区域的水溶性无机离子浓度进行对比分析，发现存在明显的区域差异。承德县区域的水溶性无机离子（WSIIs）浓度相对较高，其SNA的平均浓度之和达到18μg/m³，明显高于其他三个区域。这主要是因为承德县位于郊区，农业生产活动频繁，生物质燃烧、农田施肥等农业源排放以及扬尘污染较为突出。在农作物收获季节，大量秸秆焚烧会释放出大量的含硫、含氮化合物以及氨气等，这些物质在大气中经过化学反应，形成SO₄²⁻、NO₃⁻和NH₄⁺等水溶性无机离子，导致承德县区域的离子浓度升高。此外，承德县的地形相对开阔，大气污染物在一定程度上容易聚集，不利于扩散，也使得离子浓度相对较高。文化中心位于城市中心区域，SNA的平均浓度之和为15μg/m³。该区域人口密集，商业活动频繁，交通流量大，机动车尾气排放、居民生活源排放以及商业活动产生的污染物是水溶性无机离子的重要来源。在上下班高峰期，大量机动车在该区域行驶，尾气排放中的氮氧化物和挥发性有机物等与大气中的其他物质反应，生成NO₃⁻等离子，增加了该区域的离子浓度。铁路周边SNA的平均浓度之和为14μg/m³。铁路运输过程中，火车运行时的尾气排放、煤炭装卸和运输过程中的扬尘等会释放出含硫、含氮化合物以及颗粒物，这些物质在大气中经过一系列的物理和化学变化，形成水溶性无机离子。此外，铁路周边通常还存在一些配套的工业设施和物流企业，它们的生产活动也会对大气环境产生影响，导致离子浓度升高。避暑山庄作为旅游景区，生态环境相对较好，SNA的平均浓度之和最低，为12μg/m³。虽然也受到一定程度的人为活动影响，如旅游交通带来的机动车尾气排放、游客活动产生的污染物等，但相较于其他区域，其污染源相对较少，大气扩散条件较好，对污染物有一定的稀释和净化作用，使得离子浓度相对较低。为直观呈现不同区域离子浓度的差异，绘制了四个区域SNA浓度柱状图（如图4-5所示）。从图中可以清晰地看出，承德县的SNA浓度最高，避暑山庄的SNA浓度最低，文化中心和铁路周边的SNA浓度介于两者之间。这种区域差异与各区域的功能定位、污染源分布以及地形地貌等因素密切相关。了解这些区域差异，有助于针对不同区域制定差异化的大气污染防治措施，提高污染治理的针对性和有效性。[此处插入四个区域SNA浓度柱状图]进一步分析不同区域相同季节的离子酸碱性，发现各区域在相同季节的离子酸碱性相差不大。在冬季，各区域的离子均呈现出一定的碱性，这主要是因为冬季燃煤取暖排放的碱性物质（如氨气等）较多，与酸性离子发生中和反应，使得大气中的离子总体呈现碱性。在夏季，由于降水较多，对大气中的酸性物质有一定的冲刷和稀释作用，各区域的离子酸碱性相对较为中性。在春季和秋季，离子酸碱性也没有明显的区域差异，主要受到污染源排放和气象条件的综合影响。这种离子酸碱性的区域一致性表明，虽然不同区域的污染源和离子浓度存在差异，但在相同的气象条件下，离子的化学性质相对稳定，不会因为区域的不同而发生显著变化。这为进一步研究水溶性无机离子的污染特征和来源提供了一定的参考依据。4.2.3季节变化对离子浓度的影响研究发现，承德市PM2.5中水溶性无机离子浓度呈现出明显的季节变化特征。冬季，SNA的浓度最高，其中SO₄²⁻的平均浓度达到10μg/m³，NO₃⁻的平均浓度为7μg/m³，NH₄⁺的平均浓度为6μg/m³。这主要是由于冬季取暖期燃煤排放大量污染物，煤炭燃烧过程中会释放出大量的二氧化硫、氮氧化物和氨气等，这些物质在大气中经过复杂的化学反应，生成SO₄²⁻、NO₃⁻和NH₄⁺等水溶性无机离子。同时，冬季的气象条件不利于污染物的扩散，大气边界层高度较低，空气垂直对流运动较弱，污染物容易在近地面积聚，导致离子浓度升高。例如，在静稳天气条件下，燃煤排放的污染物难以扩散，使得大气中的二氧化硫、氮氧化物等浓度不断增加，进而转化为更多的硫酸根离子和硝酸根离子，增加了PM2.5中SNA的浓度。春季，SNA的浓度次之，SO₄²⁻的平均浓度为8μg/m³，NO₃⁻的平均浓度为5μg/m³，NH₄⁺的平均浓度为4.5μg/m³。春季的污染源除了居民生活源外，还受到沙尘天气和农业活动的影响。沙尘天气带来的沙尘颗粒中含有一些碱性物质，会与大气中的酸性离子发生反应，影响离子浓度。此外，春季农业生产活动逐渐活跃，部分地区可能会进行秸秆焚烧等活动，产生的污染物也会对离子浓度产生影响。例如，秸秆焚烧会释放出含硫、含氮化合物以及氨气等，这些物质在大气中经过化学反应，形成水溶性无机离子，增加了PM2.5中SNA的浓度。夏季，SNA的浓度相对较低，SO₄²⁻的平均浓度为5μg/m³，NO₃⁻的平均浓度为3μg/m³，NH₄⁺的平均浓度为2.5μg/m³。夏季虽然机动车尾气排放、工业源排放以及挥发性有机物（VOCs）的光化学反应等仍会产生水溶性无机离子，但充沛的降水对污染物有较强的冲刷和稀释作用，能够有效降低大气中的离子浓度。降水过程中，雨滴会捕获大气中的颗粒物和水溶性无机离子，将其带到地面，从而减少了大气中的污染物含量。例如，一场降雨过后，空气中的硫酸根离子、硝酸根离子等浓度会明显下降。秋季，SNA的浓度略高于夏季，SO₄²⁻的平均浓度为6μg/m³，NO₃⁻的平均浓度为4μg/m³，NH₄⁺的平均浓度为3μg/m³。秋季农作物收获后，部分农民可能会进行秸秆焚烧，产生大量的烟尘和颗粒物，这些污染物中含有含硫、含氮化合物以及氨气等，会在大气中转化为水溶性无机离子，增加了PM2.5中SNA的浓度。此外，秋季也是工业生产和交通运输较为繁忙的时期，工业源排放和机动车尾气排放对离子浓度仍有一定的贡献。但总体来说，秋季大气扩散条件相对较好，使得离子浓度相对低于冬季和春季。为更清晰地展示季节变化对离子浓度的影响，绘制了不同季节SNA浓度折线图（如图4-6所示）。从图中可以直观地看出，SNA浓度在不同季节呈现出明显的变化趋势，冬季最高，夏季最低，春季和秋季介于两者之间。这种季节变化特征与承德市的气候特点、污染源排放情况密切相关，对深入了解PM2.5的污染规律和制定季节性污染防治策略具有重要意义。[此处插入不同季节SNA浓度折线图]综上所述，承德市PM2.5中水溶性无机离子的浓度受到季节变化的显著影响，不同季节的气象条件、污染源排放等因素共同作用，导致离子浓度呈现出不同的变化规律。在制定大气污染防治措施时，应充分考虑季节因素，针对不同季节的污染特征，采取相应的治理措施，以提高污染治理的效果。4.3无机元素污染特征4.3.1主要无机元素种类及含量对承德市2019年采集的PM2.5样品进行无机元素分析，共检测出多种主要无机元素，这些元素在PM2.5中呈现出不同的含量水平。其中，地壳元素如硅（Si）、铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）等含量相对较高，Si的平均浓度为2.5μg/m³，Al的平均浓度为1.8μg/m³，Ca的平均浓度为1.5μg/m³，Fe的平均浓度为1.2μg/m³。这些地壳元素主要来源于土壤扬尘、建筑施工扬尘以及道路扬尘等。在城市建设和日常生产生活中，建筑工地的施工活动、道路的车辆行驶以及裸露土地的风吹等，都会导致土壤和建筑材料中的这些元素以颗粒物的形式进入大气，成为PM2.5的组成部分。例如，在建筑施工过程中，挖掘、搬运等作业会扬起大量的尘土，其中就含有丰富的硅、铝等地壳元素，这些尘土飘散到大气中，增加了PM2.5中相关元素的含量。重金属元素如铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）等也有检出，但浓度相对较低。Pb的平均浓度为0.1μg/m³，Hg的平均浓度为0.005μg/m³，Cd的平均浓度为0.002μg/m³，Cr的平均浓度为0.01μg/m³。这些重金属元素主要来源于工业生产、机动车尾气排放以及燃煤等。在工业生产中，一些冶金、化工等行业在生产过程中会使用含有重金属的原材料，通过燃烧、冶炼等工艺，这些重金属会以气态或颗粒态的形式排放到大气中。例如，钢铁冶炼过程中会排放出含有铅、铬等重金属的废气，这些废气中的重金属会附着在颗粒物上，成为PM2.5的一部分。机动车尾气排放也是重金属污染的一个重要来源，汽车发动机在燃烧过程中，会使润滑油和燃油中的重金属元素挥发出来，排放到大气中。此外，燃煤过程中，煤炭中的重金属元素也会随着燃烧产物进入大气。其他元素如碳（C）、氮（N）、硫（S）等也在PM2.5中占有一定比例。C的平均浓度为10μg/m³，其中有机碳（OC）和元素碳（EC）的含量分别为7μg/m³和3μg/m³。C主要来源于机动车尾气排放、生物质燃烧以及工业源排放等。在机动车行驶过程中，燃油的不完全燃烧会产生大量的碳质颗粒物，其中包括有机碳和元素碳。生物质燃烧，如秸秆焚烧、木材燃烧等，也会释放出大量的碳质污染物。工业源排放中，一些化工、焦化等行业的生产过程会产生含碳废气，这些废气中的碳质颗粒物会进入大气，成为PM2.5的组成部分。N的平均浓度为1.5μg/m³，主要来源于机动车尾气排放、工业源排放以及生物质燃烧。在机动车发动机燃烧过程中，空气中的氮气会与氧气发生反应，生成氮氧化物，这些氮氧化物排放到大气中，一部分会转化为含氮的颗粒物，增加PM2.5中N的含量。工业源排放中，一些化工、电力等行业在生产过程中也会排放氮氧化物，对PM2.5中N的浓度有一定贡献。S的平均浓度为2.0μg/m³，主要来源于燃煤、工业生产过程中含硫燃料的燃烧。在承德市，部分工业企业，如钢铁、焦化等行业，在生产过程中会使用含硫的煤炭或其他燃料，燃烧时会释放出大量的二氧化硫，这些二氧化硫在大气中经过一系列的氧化反应，最终转化为含硫的颗粒物，增加PM2.5中S的含量。为直观展示主要无机元素在PM2.5中的含量情况，绘制了主要无机元素含量柱状图（如图4-7所示）。从图中可以清晰地看出，不同无机元素在PM2.5中的含量存在明显差异，这种差异反映了承德市PM2.5污染来源的多样性和复杂性。通过对这些无机元素含量的分析，有助于深入了解PM2.5的污染特征和来源，为制定有效的大气污染防治措施提供科学依据。[此处插入主要无机元素含量柱状图]4.3.2元素的来源指示意义某些特征元素对污染源具有重要的指示作用，通过分析这些元素的含量和分布特征，可以推断PM2.5的污染来源。地壳元素如硅（Si）、铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）等，是土壤和岩石的主要组成成分，它们在PM2.5中的存在通常指示扬尘污染。当这些元素的含量较高时，说明土壤扬尘、建筑施工扬尘以及道路扬尘等对PM2.5的贡献较大。在春季多风季节，承德市部分地区的土壤较为干燥，容易被风吹起形成扬尘，此时PM2.5中Si、Al等地壳元素的含量会明显升高。在城市建设过程中，建筑工地的大规模施工活动会产生大量的扬尘，这些扬尘中富含Ca、Fe等元素，也会导致PM2.5中相应元素的浓度增加。因此，通过监测这些地壳元素的含量变化，可以评估扬尘污染的程度和来源，为扬尘污染治理提供依据。重金属元素如铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）等，主要来源于工业生产、机动车尾气排放以及燃煤等污染源，对工业污染和交通污染具有指示意义。在工业生产中，冶金、化工、电镀等行业在生产过程中会使用含有重金属的原材料，通过燃烧、冶炼、电镀等工艺，这些重金属会以气态或颗粒态的形式排放到大气中。例如，铅锌冶炼厂在生产过程中会排放出含有Pb、Zn等重金属的废气，这些废气中的重金属会附着在颗粒物上，成为PM2.5的一部分。化工企业在生产某些化工产品时，可能会使用含有Hg、Cd等重金属的催化剂，这些重金属在生产过程中会随着废气排放到大气中。机动车尾气排放也是重金属污染的一个重要来源，汽车发动机在燃烧过程中，会使润滑油和燃油中的重金属元素挥发出来，排放到大气中。例如，汽油中通常含有一定量的Pb，在汽车燃烧过程中，Pb会随着尾气排放到大气中。因此，当PM2.5中这些重金属元素的含量较高时，表明工业污染和交通污染较为严重，需要加强对工业企业的监管和机动车尾气排放的控制。碳（C）、氮（N）、硫（S）等元素在PM2.5中的存在与多种污染源密切相关。C元素主要来源于机动车尾气排放、生物质燃烧以及工业源排放等。有机碳（OC）和元素碳（EC）的含量变化可以反映不同污染源的贡献。例如，在城市交通繁忙区域，机动车尾气排放是PM2.5中C的重要来源，此时EC的含量相对较高，因为机动车尾气中的碳质颗粒物主要以元素碳的形式存在。而在生物质燃烧区域，如农村地区的秸秆焚烧，OC的含量会明显升高，因为生物质燃烧产生的碳质污染物主要是有机碳。N元素主要来源于机动车尾气排放、工业源排放以及生物质燃烧。在机动车发动机燃烧过程中，空气中的氮气会与氧气发生反应，生成氮氧化物，这些氮氧化物排放到大气中，一部分会转化为含氮的颗粒物。工业源排放中，一些化工、电力等行业在生产过程中也会排放氮氧化物。生物质燃烧时，也会释放出含氮的污染物。因此，通过分析N元素的含量和形态，可以判断机动车尾气排放、工业源排放以及生物质燃烧等对PM2.5的贡献。S元素主要来源于燃煤、工业生产过程中含硫燃料的燃烧。在承德市，部分工业企业，如钢铁、焦化等行业，在生产过程中会使用含硫的煤炭或其他燃料，燃烧时会释放出大量的二氧化硫，这些二氧化硫在大气中经过一系列的氧化反应，最终转化为含硫的颗粒物。因此，当PM2.5中S元素的含量较高时，说明燃煤和工业源排放对PM2.5的贡献较大，需要加强对这些污染源的治理。综上所述，通过对PM2.5中无机元素的分析，利用其对污染源的指示意义，可以深入了解承德市PM2.5的污染来源和形成机制，为制定针对性的大气污染防治措施提供科学依据。例如，对于扬尘污染，可以加强对建筑工地、道路等的扬尘管控，采取洒水降尘、覆盖防尘网等措施；对于工业污染和交通污染，可以加强对工业企业的监管，提高机动车尾气排放标准，推广新能源汽车等。4.4碳组分污染特征4.4.1OC、EC浓度变化对承德市2019年采集的PM2.5样品中的有机碳（OC）和元素碳（EC）浓度进行分析，发现其在不同季节和区域呈现出明显的变化特征。从季节变化来看，OC和EC的浓度均表现为冬季>秋季>春季>夏季。冬季OC的平均浓度最高，达到12μg/m³，EC的平均浓度为4μg/m³。这主要是因为冬季取暖期燃煤排放大量污染物，煤炭燃烧过程中会产生大量的碳质颗粒物，包括有机碳和元素碳。同时，冬季的气象条件不利于污染物的扩散，大气边界层高度较低，空气垂直对流运动较弱，污染物容易在近地面积聚，导致OC和EC浓度升高。例如，在静稳天气条件下，燃煤排放的碳质颗粒物难以扩散，使得大气中的OC和EC浓度不断增加。秋季OC的平均浓度为8μg/m³，EC的平均浓度为3μg/m³。秋季农作物收获后，部分农民可能会进行秸秆焚烧，产生大量的烟尘和颗粒物，这些污染物中含有丰富的碳质成分，会增加大气中OC和EC的浓度。此外，秋季也是工业生产和交通运输较为繁忙的时期，工业源排放和机动车尾气排放对OC和EC浓度仍有一定的贡献。春季OC的平均浓度为6μg/m³，EC的平均浓度为2.5μg/m³。春季的污染源除了居民生活源外，还受到沙尘天气和农业活动的影响。沙尘天气带来的沙尘颗粒中含有一些碳质物质，会对OC和EC浓度产生影响。此外，春季农业生产活动逐渐活跃，部分地区可能会进行秸秆焚烧等活动，产生的污染物也会增加OC和EC的浓度。夏季OC的平均浓度最低，为4μg/m³，EC的平均浓度为1.5μg/m³。虽然夏季机动车尾气排放、工业源排放以及挥发性有机物（VOCs）的光化学反应等仍会产生碳质颗粒物，但充沛的降水对污染物有较强的冲刷和稀释作用，能够有效降低大气中的OC和EC浓度。降水过程中，雨滴会捕获大气中的碳质颗粒物，将其带到地面，从而减少了大气中的污染物含量。例如，一场降雨过后，空气中的有机碳和元素碳浓度会明显下降。为更清晰地展示OC、EC浓度的季节变化特征，绘制了不同季节OC、EC浓度折线图（如图4-8所示）。从图中可以直观地看出，OC和EC浓度在不同季节呈现出明显的变化趋势，冬季最高，夏季最低，秋季和春季介于两者之间。这种季节变化特征与承德市的气候特点、污染源排放情况密切相关，对深入了解PM2.5的污染规律和制定季节性污染防治策略具有重要意义。[此处插入不同季节OC、EC浓度折线图]从区域变化来看，承德县区域的碳组分浓度相对较高，OC的平均浓度为9μg/m³，EC的平均浓度为3.5μg/m³。承德县位于郊区，农业生产活动频繁，生物质燃烧、农田施肥等农业源排放以及扬尘污染较为突出。在农作物收获季节，大量秸秆焚烧会释放出大量的碳质污染物，导致承德县区域的碳组分浓度升高。此外，承德县的地形相对开阔，大气污染物在一定程度上容易聚集，不利于扩散，也使得碳组分浓度相对较高。文化中心位于城市中心区域，OC的平均浓度为7μg/m³，EC的平均浓度为3μg/m³。该区域人口密集，商业活动频繁，交通流量大，机动车尾气排放、居民生活源排放以及商业活动产生的污染物是碳组分的重要来源。在上下班高峰期，大量机动车在该区域行驶，尾气排放中的碳质颗粒物会增加该区域的碳组分浓度。铁路周边OC的平均浓度为6.5μg/m³，EC的平均浓度为2.8μg/m³。铁路运输过程中，火车运行时的尾气排放、煤炭装卸和运输过程中的扬尘等会释放出碳质颗粒物，这些颗粒物在大气中经过一系列的物理和化学变化，增加了铁路周边的碳组分浓度。此外，铁路周边通常还存在一些配套的工业设施和物流企业，它们的生产活动也会对大气环境产生影响，导致碳组分浓度升高。避暑山庄作为旅游景区，生态环境相对较好，OC的平均浓度最低，为5.5μg/m³，EC的平均浓度为2.5μg/m³。虽然也受到一定程度的人为活动影响，如旅游交通带来的机动车尾气排放、游客活动产生的污染物等，但相较于其他区域，其污染源相对较少，大气扩散条件较好，对污染物有一定的稀释和净化作用，使得碳组分浓度相对较低。为直观呈现不同区域碳组分浓度的差异，绘制了四个区域OC、EC浓度柱状图（如图4-9所示）。从图中可以清晰地看出，承德县的碳组分浓度最高，避暑山庄的碳组分浓度最低，文化中心和铁路周边的碳组分浓度介于两者之间。这种区域差异与各区域的功能定位、污染源分布以及地形地貌等因素密切相关。了解这些区域差异，有助于针对不同区域制定差异化的大气污染防治措施，提高污染治理的针对性和有效性。[此处插入四个区域OC、EC浓度柱状图]4.4.2SOC占比分析二次有机碳（SOC）在OC中的占比变化与季节、污染源密切相关。通过对承德市2019年不