缙云山气溶胶粒子质量浓度和水溶性离子特征研究

摘要

近年来，气溶胶污染已成为空气质量监测与研究的热点课题。大量研究表明，大气气溶胶不仅影响城市能见度和城市气候，而且含有许多有毒有害物质，是其它污染物的载体和反应床，对人类健康和生态环境有很大的危害。不同的地区气溶胶理化性质存在差异，加上重庆地区自然环境特殊，决定了重庆市空气污染的治理必须因地制宜，做好实地监测研究。缙云山是国家4A级风景名胜区，近年来，由于北碚区城市化建设加快，交通、建筑等粉尘释放源增多，缙云山旅游业日益兴盛，缙云山的空气质量堪忧。
　　 本研究自2010年1月起至2011年1月，对缙云山气溶胶进行了长达13个月的监测，通过分析当地气溶胶TSP和PM10的质量浓度、水溶性离子浓度及其季节变化规律，了解重庆市气溶胶的环境本底状况；同时分析气溶胶中水溶性组分的来源及其与气象条件的关系，掌握缙云山气溶胶粒子的自然源和人为源，为重庆市空气质量评估提供基础数据与合理性建议。
　　 本文的主要研究结论是：(1)缙云山空气质量总体情况较好，雨季TSP质量浓度的均值为103.6μg·m-3，符合国家空气质量一级标准，非雨季TSP质量浓度的均值为158.4μg·m-3，低于国家空气质量二级标准。TSP和PM10中总水溶性离子浓度的年均值分别为60.0μg·m-3、52.4μg·m-3，占颗粒物质量浓度的47％和52％。与十年前相比，气溶胶粒子中水溶性组分的含量和比重都有显著增加，已成为大气TSP和PM10中的主要组分。阴离子中以SO42-所占比重最大，NO3-次之，阳离子中以Ca2+的含量最高，缙云山的大气污染仍以CaSO4型污染为主。
　　 (2)分析气溶胶中水溶性离子的物质来源发现，F-、Cl-、Na+、K+、Mg2+等离子主要来自自然源，说明缙云山生态环境良好，对污染物的自净能力较强，SO42-、NO3-、Ca2+大部分来自人为源，受气象条件影响，季节变化明显。
　　 (3)在自然状况下，气溶胶粒子质量浓度和水溶性组分主要受降水和雾的影响，温度和湿度是影响气溶胶浓度的最重要的气象因子，气溶胶粒子从生成到消亡，经历了一系列复杂的物理、化学变化，归根结底取决于大气中气溶胶的积聚过程和清除过程的双重作用。
　　 (4)大气降水是最重要的湿清除过程。一方面，大气降水对于大颗粒物质具有较强的冲刷作用，另一方面，气溶胶中的水溶性组分能够溶解于云水或雨水中，由降水带至地表。在夏秋季节，湿清除过程占主导，气溶胶粒子和水溶性组分都有所下降。
　　 (5)浓冬和早春时节，大气降水偏少，相对湿度偏低，湿清除过程减弱。而此时节重庆地区多辐射雾，空气层结稳定，污染物质容易积聚。冬季的缙云山与北碚城区相比气温更低，气流下沉，在近地面形成冷高压，高空形成低压，城区的相对暖轻的气流向缙云山上空流动，使污染物质由城区向缙云山上空输送，加重了缙云山大气污染，此过程可看作气溶胶的积聚过程。
　　 (6)重庆地区夏季多连晴高温天气，大气中的SO2、NOx在高温下易发生光化学反应，生成SO42-和NO3-，在没有降水的情况下，部分地存在于气溶胶粒子中，然而气溶胶粒子在大气中的寿命短于酸性气体的寿命，会通过干湿沉降从大气中清除；遇到降水过程，SO42-和NO3-易溶于降水，经湿清除过程被带至地表。这一现象可看成气溶胶的积聚过程和湿清除过程的博弈。
　　 (7)气象因素对二次离子的影响较大。温度对SO42-和NO3-的影响结果显示，当日均温高于或等于27℃，SO42-和NO3-以气态形式的硫酸和硝酸存在，当日均温介于15℃到27℃之间，气态和固态并存。当相对湿度在65～75％之间，气溶胶中SO42-的平均值最高，大气中以固态硫酸盐粒子占主导；高于这个湿度范围，空气逐渐趋于饱和，气态SO2以及由其转化而来的硫酸盐粒子易与大气中的云水或雾水发生非均相化学反应，并随降水从颗粒物中清除；而低于这一范围，则蒸发作用加强，未发生化学反应的那部分SO2则以气态形式重新回到大气中。
　　 (8)微量气体中的酸性气体如SO2和NOx极易与云水或雨水发生非均相的化学反应，或形成硫酸盐和硝酸盐粒子，或直接形成酸雨，进而从大气中清除。在浓雾天气下，较高的相对湿度能加速硫酸盐从前体气体的转化，加重大气的污染水平，尤其是加重大气细粒子的污染。沙尘气溶胶对空气质量具有高污染性，其中水溶性的SO42-和阳离子的含量成倍增长，颗粒物质的大小和形态也与雾天有明显不同。
　　 (9)气溶胶的人为源主要来自化石燃料的燃烧，机动车尾气排放，建筑工地和水泥工厂的扬尘。缙云山大气TSP中NO3-/SO42-的比率均值为0.33(0.06～1.53)，说明固定排放源(燃煤)仍然是当地大气TSP中水溶性离子的主要来源。SO42-的源头是中心城区的工业燃煤，其产生的SO2通过高架源排放进入大气，经远距离输送而至。十年以前，缙云山大气中NO3-/SO42-的比率仅为0.1，说明二次气溶胶的污染源几乎全部来自于工业燃煤，而今移动排放源对二次气溶胶的贡献已不容忽视。在重庆地区封闭地形下，污染物质容易积聚成高浓度，大气环流将城区污染物质带到郊区干净地区，使郊区原本良好的自然环境也受影响。因此，加强重庆市大气环境的综合治理显得尤为重要。