西安市区大气中PM2.5和PM10质量浓度污染特征

董娅玮，杜新黎，李扬扬，曹 磊，张佳音，蒙瑞丽，唐小威，赵胤翔

陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054

可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)分别指环境空气中空气动力学当量直径小于等于10、2.5 μm的颗粒物，其大小、形态和化学组成与人们的健康有着密切的联系。PM10可通过呼吸道进入人体，累积在呼吸系统中，引发许多疾病，危害人体健康。PM2.5作为PM10中粒径较小的部分，对人体健康和大气环境的危害更为突出［1-3］，逐渐成为公众重点关注和研究的热点问题。PM2.5可通过呼吸道直接进入人体肺部，并在肺泡内沉积，进入血液循环，对人体产生极大的危害［4］。由于粒径小，重量轻，PM2.5可以在空气中滞留很长时间，能显著降低大气能见度［1，5］，而其巨大的比表面积能吸附更多的细菌、病毒、重金属等各种对人体健康有害的污染物［6］。有研究指出，大气中PM2.5与医院就诊率、呼吸器官疾病发病率乃至死亡率等诸多不利健康效应之间关系密切［7］。

中国在1996年已将PM10正式纳入空气质量标准开展了常规监测，但直到2012年2月，国家颁布《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)才建立PM2.5质量标准。目前，中国 PM2.5的研究主要集中在北京、上海、珠三角等发达城市，对东北、中部和西部所做的研究相对较少。就近年来相关研究来看，中国大部分地区PM2.5的污染都比较严重，并且 PM2.5占到 PM10的 40% ～80%，PM2.5成为PM10中的主要组成部分。PM2.5污染严重地区主要集中在北京、天津、武汉、南京、青岛、济南等地，达标率均在31.7%以下，而在海口、深圳、上海等地的污染程度较轻［4，8-15］。综上所述，PM2.5和PM10与人体健康密切相关，同时中国PM2.5污染形势严峻，已引起各地高度重视。

西安是中国北方的重要城市，属于暖温带大陆性季风气候，颗粒物污染较为严重。根据陕西省环境保护厅公布数据显示:2013年西安市首要污染物为PM2.5的天数占年度非一级天数的比例为38.8%，PM2.5逐渐成为西安市最主要的空气污染物。通过分析西安市区2013年3月—2014年2月大气中PM2.5和PM10的质量浓度，探讨了二者的污染水平，研究了PM2.5、PM10质量浓度的变化特征，初步摸清了西安市区空气颗粒物的污染现状，旨在对PM2.5研究及制定防治措施提供借鉴，以期为西安市空气质量预报、有效控制大气颗粒物污染提供参考依据。

1 实验部分

1.1 采样点布设

采样地点设在陕西环保综合大厦3楼平台(距地面约10 m)，周围无高大建筑物，该点地处交通十字交叉路、办公楼和居民区之间，且采样期间周边有建筑施工，属于典型的混合区。

1.2 样品采集

采样仪器为TH-3150大气与颗粒物组合采样器，工作流量为100 L/min。监测点放置分别装有PM10和PM2.5切割器的采样器2台，同步采集PM10和PM2.5样品。采样前先进行流量校准，采样滤膜为直径90 mm的石英纤维滤膜(英国)。根据西安市污染源排放的季节变化情况和气象条件的季节规律，分别在春季(2013年3—5月)、夏季(2013年6—8月)、秋季(2013年9—11月)、冬季(2013年12月—2014年2月)共4个时期进行采样，每月中旬开始采样，共10 d，每次持续采样23 h，在无降水过程时段采样，共获得220张有效滤膜。采样期间气象数据如表1所示。

表1 采样期间风速、温度和相对湿度

1.3 样品分析

样品分析采用重量法。采样前，将空白滤膜于恒温恒湿箱中平衡24 h。平衡温度为20℃，相对湿度为50%。在上述平衡条件下用感量为0.01 mg的分析天平称量滤膜，将称量好的滤膜平展地放在滤膜袋中，采样前不得将滤膜弯曲或折叠。样品采集后，在同样条件下平衡稳定24 h后称量，同一滤膜连续2次称量质量之差小于0.04 mg为满足恒重要求。

2 结果与分析

2.1 西安PM10和PM2.5质量浓度和污染水平

西安市城区2013年环境空气PM10、PM2.5质量浓度分布见表2，PM10、PM2.5浓度超标情况如表3所示。

表2 西安市城区2013年PM10和PM2.5日均质量浓度分布

表3 西安市城区2013年PM10和PM2.5污染程度

由表2可见，春季PM10和PM2.5日均质量浓度范围分别为 59 ～496、37 ～267 μg/m3，平均值分别为 295、141 μg/m3;冬季 PM10和 PM2.5日均质量浓度范围分别为 130 ～88、50 ～558 μg/m3，平均值分别为 343、191 μg/m3;夏季 PM10和 PM2.5日均质量浓度范围分别为32 ～297、16 ～188 μg/m3，平均值分别为 133、72 μg/m3;秋季 PM10和 PM2.5日均质量浓度范围为 93～472、43～284 μg/m3，平均值分别为 244、122 μg/m3。

颁布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级评价标准中PM10日平均质量浓度为150 μg/m3，PM2.5日平均质量浓度为 75 μg/m3。由表3可以看出，春季PM10和PM2.5日均质量浓度超标率分别为90.0%和86.7%;PM10日均质量浓度超标倍数为0.08～2.31，平均超标倍数为1.10;PM2.5日均质量浓度超标倍数为0.03～2.56，平均超标倍数为1.06。夏季PM10和PM2.5日均质量浓度超标率分别为32.1%和35.7%;PM10日均质量浓度超标倍数为0.07～0.98，平均超标倍数为0.41;PM2.5日均质量浓度超标倍数为0.09～1.51，平均超标倍数为0.63。秋季PM10和PM2.5日均质量浓度超标率分别为81.5%和69.0%;PM10日均质量浓度超标倍数在0.09～2.15之间，平均超标倍数为0.89;PM2.5日均质量浓度超标倍数为0.02～2.79，平均超标倍数为1.00。冬季PM10和PM2.5日均质量浓度超标率分别为91.3%和87.0%;PM10日均质量浓度超标倍数为0.08～4.91，平均超标倍数为1.42;PM2.5日均质量浓度超标倍数为0.01～6.44，平均超标倍数为1.80。四季共110个样品中PM10日超标率达71.8%，日均超标平均倍数为1.05;PM2.5日超标率达69.1%，日均超标平均倍数为1.17。以上结果说明，西安市区PM2.5和 PM10的污染状况都较严重。

2.2 PM2.5和PM10质量浓度随时间的变化

2.2.1 PM2.5和PM10质量浓度的逐日变化特征

将2013年3月—2014年2月测量的PM10与PM2.5日均质量浓度绘图，如图1所示。

图1 西安市区PM2.5和PM10质量浓度及β值逐日变化情况

从图1可以看出，PM2.5和PM10的质量浓度在整体变化趋势上没有明显的差异，有较好的相关性，且日波动范围较大。最小值在20 μg/m3以下，最大值可达到500 μg/m3以上，最大值为最小值的25倍。如此波动巨大的日变化情况主要受该地区大气环境的气象因素影响。

2.2.2 PM2.5和PM10质量浓度的季节变化规律

采样期间西安市城区大气颗粒物质量浓度四季变化情况如图2所示。

图2 西安市城区PM2.5和PM10质量浓度四季变化情况

由图2可知，西安市区PM10和PM2.5质量浓度季节变化规律相同，均为冬季最高，春季次之，秋季较低，夏季最低。冬季两者浓度均最高，这可能是由于西安市区供暖多为燃煤集中供暖，煤粉尘和二氧化硫排放增加;同时整个冬季降水很少，气候干燥，长期处于静风天气，且温度较低，经常出现逆温现象，大气联合稳定度增加，不利于污染物扩散稀释。2013年春季扬尘天气频繁，导致PM2.5和PM10的质量浓度相对较高。夏季大气对流活动旺盛，污染物容易扩散，加上2013年7月降雨偏多，降水对颗粒物有明显的湿沉降作用，污染物容易被清除，因此夏季PM2.5和PM10的质量浓度最低，空气质量相对较好。

2.3 PM2.5和PM10质量浓度的相关性分析

通过对PM2.5和PM10之间的相关性分析，可以初步判断两者是否来自相同的污染源，还可以根据 PM10的质量浓度来估算 PM2.5的质量浓度［3］。现对所采集的110组数据进行回归分析，得到PM2.5与PM10质量浓度之间的关系，即y=0.557 7x－10.684(r=0.831 9，置信度为 95%)。由此可见，PM2.5与PM10质量浓度存在显著的正相关性。两者的相关性曲线如图3所示，随着PM10质量浓度的增加，PM2.5浓度亦在变大，说明两者有相同或者相似的来源。

图3 PM2.5与PM10质量浓度相关性曲线

2.4 β值的变化特征

采样期间β值的变化幅度较大，当β值较大时，相对应的PM10和PM2.5质量浓度比较小。

PM10分为粒径为2.5～10 μm的粗颗粒和粒径小于2.5 μm的细颗粒2部分，β值反映出PM2.5在PM10中的含量。对110组样品数据进行分析表明，β值为0.245～0.822之间，平均值为0.510，说明 PM2.5在 PM10中所占比例大于PM2.5～10。监测得到的β值与沿海城市比较，与上海0.529(2011 年)［16］相当，比青岛、宁波、南京、杭州(0.647 ～0.850)低［11，17-19］，与内陆城市济南、北京、天津(0.542 ～0.590)相近［4，8，12］。

从表2可以看出，春、夏、秋、冬四季β均值分别为0.485、0.523、0.505和0.532。有研究表明即使在无污染情况下β值也不是恒定不变的，一般情况下，春季和夏季初较低，这是由于生物源(如花粉)会成为一部分粗颗粒的来源［20］。从数据可以看出，西安市β值冬季最高，可能是冬季逆温天气较多，容易形成二次离子(主要是PM2.5)的积累;夏季较高，可能是由于夏季光化学烟雾形成的PM2.5较多，而PM2.5～10却由于降水的清除作用而减少，导致PM2.5在PM10中的比值增高;春季最低，可推测此季节PM2.5～10中较多部分来源于生物源，另外，春季频繁的扬尘天气也对PM2.5～10有较大贡献。

2.5 形成霾天气的原因

采样期间西安市区出现9次霾天气，均发生在2013年12月，其PM2.5和PM10的平均质量浓度和各气象因子列于表4。

表4 形成霾天气的因素

从表4可以看出，霾天气与无霾天气显著的不同之处是相对湿度较高(66.7%)，明显高于无霾天气，另外，PM2.5质量浓度和β值都很高，分别为407 μg/m3和0.604;无霾天气的β值虽然较高，但PM2.5和PM10质量浓度相对较低。这是因为在无风、高湿的天气下，颗粒物多附着、溶解或混合于雾气之中，不但得不到有效的扩散和去除，还易与其他污染物发生化学反应，增加二次气溶胶产生的可能性，加之西安市冬季供暖期能源消耗猛增，逆温天气条件下机动车尾气排放累积，加剧了霾污染天气的形成。

3 结论

1)2013年3月—2014年2月期间西安市区的监测结果显示，PM2.5日均质量浓度范围为16～558 μg/m3，平均值为 128 μg/m3，相对《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准的超标率为69.1%;PM10日均质量浓度范围为32～887 μg/m3，平均值为 249 μg/m3，相对《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准的超标率为71.8%，这说明西安市区PM2.5和PM10的污染状况都较严重。

2)PM2.5和PM10质量浓度存在明显的季节变化，均为冬季最高，春季次之，秋季较低，夏季最低。

3)PM10和PM2.5质量浓度的变化幅度比较大，但在整体变化趋势上没有明显的差异，存在显著的正相关关系，说明两者有相似或者相同的来源。

4)西安市区β值在0.245～0.822之间，平均值为0.510，说明 PM2.5在 PM10中所占比例大于PM2.5～10;季节变化规律为冬季和夏季较高，秋季次之，春季最低;当β值较大时，相对应的PM10和PM2.5质量浓度比较小。

5)西安市区霾天气β值和PM2.5质量浓度明显高于无霾天气。

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