PM2.5在线源解析质谱监测系统在某国控站点的应用研究

南瑞贤

(山西省生态环境监测和应急保障中心，山西 太原 030027)

PM2.5污染控制是环境保护工作的重要内容之一，分析其化学组成特征和识别出污染来源是防治PM2.5的关键所在[1]。近年来，随着国务院《打赢蓝天保卫战三年行动计划》(国发〔2018〕22号)等一系列持续开展大气污染防治行动方案出台，我国各地市细颗粒物(PM2.5)浓度及重污染天数明显降低，人民群众蓝天获得感、幸福感明显提高。然而，PM2.5来源十分复杂，既有人为源排放又有天然源排放，既有有组织源排放又有无组织开放源排放，既有一次排放的颗粒物来源又有经过化学反应形成的二次颗粒物来源。因此，在PM2.5的来源分析中存在着“三个不清楚”问题，即来源不清楚、贡献不清楚、变化不清楚，对大气颗粒物排放源实行分类控制，定量解决“三个不清楚”问题是环境管理的当务之急。

本文基于建立的本地化颗粒物污染源谱库，以在线单颗粒质谱法为主线技术，在某国控点位开展固定连续监测，获得不同污染程度、不同变化过程的高时间分辨率PM2.5在线源解析数据，结合监测点位PM2.5小时质量浓度和气象条件，分析不同污染程度下PM2.5来源分析及PM2.5上升过程源解析结果，为颗粒物污染控制提供科学依据。

1 PM2.5在线源解析质谱监测系统

1.1 设备简介及组成

PM2.5在线源解析质谱监测系统包括三部分：在线单颗粒气溶胶质谱仪(简称SPAMS)、污染源谱库和“指纹”比对模型。在线源解析的基础在于指纹特征差异化的污染源谱库，比如机动车尾气、燃煤、工艺工业等的谱图，这些谱图相当于每一个污染源的“指纹”，当仪器在某地进行监测时，与仪器配套的模型比对系统会自动将实时测到的每个颗粒物特征与谱库中的谱图进行比对，即“指纹”比对，及时判断出颗粒物的来源。在线单颗粒气溶胶质谱仪，如图1所示。

图1 在线单颗粒气溶胶质谱仪

1.2 管理功能及意义

在线单颗粒气溶胶质谱仪具有如下功能和监测意义：

1) 掌握重点区域PM2.5来源，明确治理方向。掌握重点区域颗粒物来源，便于差异化管控整体掌握重点区域，以及区域中不同类型功能区(如工业区、居民区、生态保护区等)大气颗粒物的大类源分配情况，明确治理方向[2]。

2) 及时判定污染过程成因，提供监管指向。利用单颗粒质谱高时间分辨率的优势，可分析污染过程中逐小时的颗粒物成分及来源随颗粒物浓度变化情况，结合气象条件、污染源分布及现场巡查，判断污染成因。

3) 分析异常升高时段原因，实现污染削峰。根据高时间分辨率成分及来源结果，结合高时间分辨率气象及辅助数据(风向、风速、气态污染物、污染源分布等)，剖析长期异常的点位异常原因，尤其是其异常时段相对于正常时段的差异，提供精准管控指向。

4) 评估措施的管控效果，动态调控，持续改进。针对污染管控措施，通过实时评估及后评估两种形式，评估污染管控成效，与调控措施制定结合，实现正向循环和持续改进。

2 PM2.5在线源解析质谱监测系统在某国控点的应用

2.1 某国控站点监测基本信息

2019年12月16日22时～25日9时，在某市新城区国控点位进行监测。监测期间主导风向为北、东北和东南风，风速在2 m/s～4 m/s，平均2.6 m/s。监测点位周边以行政住宅区及教育办公区为主，除东南侧6.8 km处为一发电有限责任公司，不存在较多的工业企业，但是点位周边均为新城区主干道，来往车流量较大，同时由于点位位于新城区，与老城中心有一段距离，因此点位北侧1.1 km、东侧2.4 km左右处分别为一高速、省道。

2.2 整体PM2.5成分及来源分析

监测期间颗粒物数浓度与质量浓度小时均值变化趋势较为一致，说明SPAMS的数浓度变化趋势反映大气污染状况的代表性较好。根据该国控点的空气质量六参数及气象数据可知，监测期间点位PM2.5、CO浓度高值集中在静稳天气下，NO2浓度高值集中在点位东北侧和西北侧，O3浓度高值集中在点位东北偏北侧，PM10浓度高值集中在点位周边及北侧，SO2浓度高值集中在点位北侧。同时，根据监测期间监测点位细颗粒物主要成分及来源分析，推测出期间受机动车尾气、燃煤源和二次无机源的影响较大。

2.3 不同污染程度下污染来源分布

为掌握该国控站点不同污染程度下污染来源分布，充分利用SPAMS高时间分辨率的特点，提取监测期间不同污染天气(等级)下的源解析结果，具体如表1和图2所示。

表1 不同污染程度污染源比例统计

图2 不同PM2.5污染等级下源解析结果

由表1及图2可知，总体看来，随着PM2.5质量浓度从良等级的60 μg/m3上升至重度污染的186 μg/m3，主要表现为机动车尾气占比的大幅上升，从23.5%上升至35.4%，升幅为11.9个百分点；在优良及轻度污染天气时，燃煤源为首要污染源，占比均在30%以上；扬尘源、生物质燃烧源的占比随着污染等级的提升而下降；工业工艺源占比在各污染等级下均保持在14.1%～14.9%范围之内；二次无机源占比在各污染等级下没有较为明显的变化规律。

2.4 PM2.5上升过程源解析结果分析

2019年12月18日～25日期间，该国控点位点位PM2.5质量浓度呈波动变化趋势，19日19时～22日16时期间总体为中度污染，期间PM2.5峰值达185 μg/m3；之后又于22日17时～25日9时出现重度污染过程，PM2.5峰值达236 μg/m3。将18日～25日的PM2.5源解析结果分为以下3个时段进行分析，如表2和第200页图3所示。

表2 PM2.5上升过程时段统计

由表2及图3可知，第1个时段内PM2.5浓度均值为64 μg/m3，污染等级为良，主要污染源为燃煤(33.7%)、机动车尾气(24.6%)和工业工艺(14.7%)；第2个时段内PM2.5浓度均值为129μg/m3，污染等级为中度污染，相较于时段1，二次无机源大幅上升了8.3个百分点，增长率达76.8%，机动车尾气源小幅上升了2.3个百分点。结合气象数据，时段2期间内平均湿度达89%，高湿的气象条件加速了气态污染物(SO2、NO2)向颗粒态污染物的二次转化，同时机动车尾气颗粒物不断吸湿增长，从而促进了PM2.5的显著上升。

图3 不同污染时段内PM2.5源解析变化情况

22日13时～20时，点位PM2.5经历了短暂的下降，从21时开始持续上升，第3个时段内PM2.5浓度均值为168 μg/m3，污染等级为重度污染，期间主要污染源为机动车尾气(35.5%)、燃煤源(24.6%)和工业工艺(14.1%)；相较于时段2，机动车尾气源大幅上升了8.6个百分点，增长率达32%。结合气象数据，时段3期间内平均湿度高达93%，机动车尾气颗粒物不断吸湿增长，从而造成PM2.5的爆发性增长。

3 结论及建议

结合本文分析及本次在线监测数据，可得如下结论：

1) PM2.5在线源解析质谱监测系统。包括SPAMS、污染源谱库和“指纹”比对模型，运用其可以掌握重点区域PM2.5来源，明确治理方向；及时判定污染过程成因，提供监管指向；分析异常升高时段原因，实现污染削峰；评估措施的管控效果，动态调控，持续改进。

2) 某国控站点监测结果及PM2.5污染典型特征。①整体源解析结果：根据监测期间监测点位细颗粒物主要成分及来源分析，推测出期间受机动车尾气、燃煤源和二次无机源的影响较大。②不同污染程度下污染来源分布：随着PM2.5浓度污染等级从良升至重度污染，机动车尾气占比从23.5%持续上升至35.4%，说明监测期间点位污染天气的发生主要受到机动车尾气排放累积的影响，在优良及轻度污染天气时，燃煤源为首要污染源。③PM2.5污染过程分析：19日19时～22日16时期间的污染过程主要成因为高湿的气象条件加速了气态污染物(SO2、NO2)向颗粒态污染物的二次转化，同时机动车尾气颗粒物不断吸湿增长；22日17时～25日9时的污染过程期间由于机动车尾气颗粒物不断吸湿增长，造成PM2.5的显著上升。