. 4 北 京 及 周 边 区 域 颗 粒 物 和 细 粒 子 排 放 源 特 征 及 其 来 源 解 析 王 跃 思 唐 贵 谦 潘 月 鹏 摘 要 : 2013 年 初, 北 京 成 为 中 国 受 雾 霾 危 害 最 严 重 的 城 市 之 一, 因 此 受 到 国 际 社 会 的 特 别 关 注 那 么, 造 成 雾 霾 现 象 的 原 因 到 底 是 什 么? 其 化 学 组 成 结 构 形 成 机 理 和 特 征 的 主 要 来 源 又 是 什 么? 本 章 通 过 对 北 京 及 周 边 区 域 大 气 污 染 物 排 放 源 清 单 的 整 理, 分 析 大 气 污 染 排 放 特 征 来 源 及 其 形 成 机 理, 并 基 于 这 些 分 析 提 出 应 对 措 施 关 键 词 : 颗 粒 物 细 粒 子 排 放 源 污 染 排 放 一 北 京 及 周 边 区 域 污 染 排 放 现 状 分 析 社 会 经 济 活 动 的 发 展 能 量 消 费 的 增 加 以 及 各 类 环 保 措 施 的 实 施 共 同 影 响 了 北 京 及 周 边 区 域 的 大 气 污 染 物 排 放 污 染 源 排 放 清 单 是 进 行 空 气 质 量 模 拟 的 必 要 输 入, 因 而 也 是 进 行 控 制 措 施 评 估 的 关 键 和 科 学 制 定 污 染 控 制 对 策 的 基 础 为 了 定 量 了 解 北 京 及 周 边 区 域 大 气 污 染 物 排 放 的 地 域 和 部 门 特 征, 为 空 气 质 量 模 式 提 供 排 放 源 清 单, 以 科 学 地 指 导 控 制 北 京 及 周 边 区 域 大 气 污 染, 本 研 究 以 东 亚 大 尺 度 排 放 清 单 为 基 础, 整 理 使 用 了 北 京 和 天 津 市 环 保 局 的 环 境 统 计 数 据 及 北 京 天 津 和 河 北 地 区 的 统 计 年 鉴 以 及 路 网 信 息, 以 2010 年 为 基 准, 建 立 了 北 京 及 周 边 地 区 北 京 奥 运 会 前 后 各 种 大 气 污 染 物 的 排 放 清 单 王 跃 思, 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 教 授 ; 唐 贵 谦, 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 博 士 ; 潘 月 鹏, 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 博 士 053
低 碳 经 济 蓝 皮 书 ( 一 ) 北 京 及 周 边 区 域 高 分 辨 率 清 单 排 放 源 清 单 制 作 所 需 资 料 包 括 : 东 亚 区 域 排 放 源 清 单 环 境 统 计 调 查 数 据 统 计 年 鉴 以 及 以 往 研 究 报 告 和 成 果 本 文 所 采 用 的 东 亚 区 域 排 放 源 清 单 是 TRACE - P 实 验 和 ACE - Asia 实 验 提 供 的 排 放 源 清 单, 该 清 单 在 经 过 一 系 列 改 进 后, 2006 年 又 进 行 了 更 新, 此 清 单 在 亚 洲 区 域 使 用 最 广, 得 到 了 广 泛 认 可 中 国 统 计 年 鉴 北 京 市 统 计 年 鉴 天 津 市 统 计 年 鉴 和 河 北 省 经 济 年 鉴 等 作 为 反 映 中 华 人 民 共 和 国 经 济 和 社 会 发 展 的 资 料 性 年 刊, 系 统 收 录 了 全 国 各 省 市 自 治 区 的 经 济 社 会 环 境 等 各 方 面 的 统 计 数 据, 这 些 数 据 真 实 地 反 映 了 各 地 的 生 产 生 活 状 况 而 中 国 能 源 年 鉴 和 中 国 交 通 年 鉴 则 是 反 映 中 国 能 源 建 设 生 产 消 费 供 需 平 衡 以 及 交 通 运 输 邮 电 通 信 业 的 整 体 情 况 的 权 威 性 资 料 书 本 研 究 为 了 衡 量 各 地 区 的 污 染 物 排 放 量, 对 与 污 染 物 排 放 有 关 的 统 计 数 据 进 行 了 整 理, 作 为 污 染 物 排 放 量 推 估 和 空 间 分 配 的 依 据 东 亚 区 域 排 放 源 清 单 以 及 环 境 统 计 调 查 数 据 不 能 被 模 式 直 接 利 用, 污 染 物 排 放 数 据 要 经 过 空 间 的 处 理, 对 排 放 量 进 行 网 格 化 处 理 以 适 用 于 模 式 空 间 数 据 的 整 理 包 括 两 部 分 : 一 是 地 理 信 息 数 据 整 理 ; 二 是 排 放 数 据 网 格 化 中 国 基 础 地 理 信 息 系 统 数 据 库 提 供 了 中 国 县 级 行 政 区 界 数 据, 同 时 也 提 供 了 直 辖 市 各 区 的 行 政 区 界 数 据 之 后, 将 最 小 单 元 为 区 县 的 排 放 量 平 摊 到 区 县 面 上, 应 用 ArcGIS 的 空 间 数 据 处 理 功 能, 对 此 排 放 量 进 行 切 分, 切 分 后 区 县 的 边 界 与 模 式 网 格 相 交 划 分 成 许 多 小 区 域, 这 些 区 域 既 属 于 某 一 个 区 县 又 属 于 某 一 个 模 式 的 网 格, 将 属 于 同 一 个 模 式 网 格 的 小 区 域 合 并 就 得 到 了 此 网 格 的 排 放 量 本 研 究 结 合 北 京 天 津 和 河 北 的 统 计 年 鉴 能 源 年 鉴 等 和 环 境 统 计 数 据 把 最 小 排 放 单 元 从 0. 5 0. 5 度 细 化 到 区 或 县 利 用 ArcGIS 的 空 间 分 配 功 能, 将 县 或 区 的 排 放 量 进 行 网 格 化, 制 作 了 北 京 及 周 边 区 域 9km 9km 的 高 分 辨 率 排 放 源 清 单 此 高 分 辨 率 排 放 源 清 单 中 排 放 源 的 分 类 与 东 亚 区 域 排 放 源 清 单 保 持 一 致, 包 含 的 污 染 物 有 NO x SO 2 VOCs PM 10 PM 2. 5 CO 和 NH 3 ( 二 ) 各 类 排 放 源 对 大 气 污 染 的 贡 献 度 分 析 图 1 显 示, 京 津 冀 区 域 的 SO 2 排 放 源 主 要 来 自 电 厂 工 业 居 民 化 石 燃 料 054
燃 烧, 这 三 类 排 放 源 贡 献 超 过 99%, 其 中 电 厂 排 放 的 SO 2 的 贡 献 率 达 到 62%, 其 次 为 工 业 排 放, 贡 献 率 也 超 过 25%, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 大 概 占 11% 天 津 和 河 北 不 同 排 放 源 对 SO 2 的 贡 献 率 较 为 相 似, 而 北 京 则 有 很 大 不 同 虽 然 三 个 主 要 排 放 源 没 有 变 化, 但 是 电 厂 对 于 北 京 SO 2 的 贡 献 仅 占 48%, 而 贡 献 率 占 第 二 位 的 则 是 居 民 化 石 燃 料 燃 烧, 贡 献 率 占 25%, 工 业 的 贡 献 率 与 天 津 和 河 北 类 似, 均 在 25% 左 右 图 1 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 SO 2 贡 献 率 055
低 碳 经 济 蓝 皮 书 图 2 显 示, 京 津 冀 区 域 主 要 的 NO x 排 放 源 与 SO 2 有 很 大 差 异, 主 要 的 排 放 源 有 四 种, 分 别 为 电 厂 工 业 机 动 车 和 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 其 中, 电 厂 贡 献 41%, 工 业 贡 献 29%, 机 动 车 贡 献 23%, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 贡 献 6% 两 个 直 辖 市 北 京 和 天 津 与 河 北 的 排 放 源 构 成 有 很 大 差 别 北 京 和 天 津 主 要 的 NOx 排 放 源 为 机 动 车 和 电 厂, 而 河 北 则 是 电 厂 和 工 业 占 较 大 份 额, 这 也 反 映 出 北 京 天 津 与 河 北 能 源 结 构 的 巨 大 差 异 图 2 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 NO x 贡 献 率 056
京 津 冀 区 域 VOCs 的 主 要 排 放 源 为 三 类, 分 别 为 工 业 机 动 车 和 居 民 排 放, 对 三 个 省 市 VOCs 排 放 贡 献 的 排 放 源 都 不 相 同 图 3 显 示, 北 京 市 主 要 的 VOCs 排 放 源 为 机 动 车 和 工 业, 两 种 排 放 源 分 别 占 40% 左 右, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 和 溶 剂 使 用 则 占 16% ; 天 津 市 炼 油 行 业 较 多, 导 致 主 要 的 VOCs 排 放 源 为 工 业, 贡 献 率 达 到 64%, 其 次 为 机 动 车, 贡 献 率 达 20%, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 和 溶 剂 使 用 占 10% ; 河 北 省 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 和 溶 剂 使 用 占 VOCs 排 放 的 比 例 明 显 升 高, 达 32%, 工 业 和 机 动 车 则 分 别 占 35% 和 29% 图 3 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 VOC s 贡 献 率 057
低 碳 经 济 蓝 皮 书 图 4 表 明 京 津 冀 区 域 NH 3 的 排 放 源 主 要 来 自 养 殖 业 和 化 肥 施 用 两 类 北 京 和 天 津 两 个 直 辖 市 化 肥 施 用 的 贡 献 率 在 45% 左 右, 养 殖 业 则 分 别 占 41% 和 33%, 由 于 两 个 大 城 市 人 口 较 多, 人 体 排 放 的 贡 献 率 也 在 10% 以 上 河 北 省 是 农 业 大 省, 化 肥 施 用 占 的 贡 献 率 超 过 60%, 养 殖 业 也 超 过 30% 图 4 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 NH 3 贡 献 率 058
图 5 显 示, 京 津 冀 区 域 原 生 排 放 的 PM 10 主 要 来 自 工 业 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 和 电 厂 排 放, 其 中 工 业 排 放 的 贡 献 超 过 60%, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 超 过 20%, 电 厂 贡 献 在 12% 北 京 市 由 于 工 业 搬 迁 使 得 工 业 所 占 的 百 分 比 只 有 51%, 而 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 的 贡 献 则 接 近 30% 图 5 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 PM 10 贡 献 率 059
低 碳 经 济 蓝 皮 书 图 6 显 示, 京 津 冀 区 域 原 生 排 放 的 PM 2. 5 的 来 源 与 PM 10 有 很 大 差 异, 主 要 的 PM 2. 5 排 放 源 为 机 动 车 工 业 和 电 厂 其 中, 机 动 车 排 放 和 道 路 扬 尘 所 占 比 例 为 50%, 工 业 排 放 的 贡 献 占 37%, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 和 电 厂 排 放 仅 占 10% 左 右 图 6 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 PM 2. 5 贡 献 率 060
图 7 显 示, 京 津 冀 区 域 黑 炭 (BC) ( 虽 然 在 PM 2. 5 中 仅 占 3% ~ 5%, 但 消 光 的 作 用 很 大 ) 主 要 来 自 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 工 业 和 机 动 车 排 放 由 于 居 民 燃 煤 减 排 措 施 比 较 少, BC 排 放 量 较 大, 占 总 排 放 量 的 比 例 超 过 50%, 工 业 则 占 34%, 机 动 车 占 12% 左 右 值 得 注 意 的 是, 天 津 的 BC 排 放 与 北 京 和 河 北 呈 现 很 大 差 异 天 津 市 主 要 的 BC 来 源 为 工 业, 贡 献 率 超 过 50%, 这 也 主 要 与 天 津 工 业 占 较 大 比 重 有 关 图 7 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 BC 贡 献 率 061
低 碳 经 济 蓝 皮 书 图 8 显 示, 京 津 冀 区 域 有 机 碳 ( OC) 的 排 放 与 黑 炭 BC 大 同 小 异, 只 不 过 主 要 的 排 放 源 变 成 了 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 工 业 和 生 物 质 燃 烧 其 中, 居 民 化 石 燃 料 燃 烧 贡 献 比 例 为 67%, 工 业 排 放 相 比 BC 减 少 到 20% 左 右, 生 物 质 燃 烧 的 贡 献 为 8% 图 8 京 津 冀 区 域 不 同 排 放 源 的 OC 贡 献 率 062
二 排 放 源 清 单 的 校 验 图 9 反 映 的 是 地 面 观 测 卫 星 观 测 与 排 放 源 时 空 分 布 的 比 对 左 侧 为 NO x, 右 侧 为 SO 2, 自 上 而 下 分 别 为 地 面 观 测 卫 星 观 测 和 排 放 源 强 度 在 获 取 了 京 津 冀 区 域 不 同 污 染 物 的 排 放 源 清 单 后, 我 们 需 要 利 用 观 测 数 据 对 排 放 源 强 度 的 时 空 分 布 进 行 校 验 一 次 污 染 物 中 NO x 和 SO 2 的 地 面 和 卫 星 数 据 较 全, 而 VOCs 种 类 较 多, NH 3 数 据 较 少, 因 此 后 两 种 污 染 物 与 观 测 的 比 对 较 难 实 现 另 外, 由 于 PM 为 二 次 污 染 物, 与 PM 的 直 接 排 放 强 度 关 系 不 显 著, PM 排 放 与 环 境 浓 度 的 比 对 也 比 较 困 难 因 此, 我 们 针 对 一 次 污 染 物 中 的 NO x 和 SO 2 进 行 了 地 面 卫 星 观 测 与 排 放 源 强 度 的 比 对 ( 见 图 9) 从 图 9 中 可 以 看 出, NO x 的 地 面 和 卫 星 观 测 结 果 与 排 放 源 强 度 的 时 空 分 布 状 况 一 致, 呈 现 出 大 城 市 浓 度 高 农 村 及 偏 远 山 区 浓 度 低 的 特 征 但 卫 星 观 测 结 果 与 排 放 源 强 度 分 布 状 况 稍 微 有 些 不 同, 北 京 作 为 华 北 区 域 最 大 的 城 市, 卫 星 观 测 的 NO x 浓 度 并 不 是 最 高, 地 面 的 NO x 却 基 本 处 于 最 高 水 平, 产 生 这 种 差 异 的 原 因 是, 北 京 地 区 电 厂 较 少, 而 石 家 庄 天 津 和 唐 山 市 电 厂 较 多, 较 高 的 烟 囱 以 及 烟 雨 的 抬 升 使 得 电 厂 对 地 面 NOx 浓 度 的 贡 献 较 少, 也 就 导 致 石 家 庄 唐 山 和 天 津 的 地 面 观 测 浓 度 低 于 北 京, 而 卫 星 观 测 柱 浓 度 则 高 于 北 京 这 一 点 也 充 分 反 映 了 估 算 的 排 放 源 强 度 不 仅 总 量 正 确, 不 同 种 类 排 放 源 的 分 配 也 很 合 理 SO 2 的 地 面 卫 星 的 观 测 结 果 显 示 天 津 和 河 北 的 平 原 区 域 SO 2 浓 度 较 高, 北 京 地 区 浓 度 次 之, 山 区 及 农 村 浓 度 最 低, 与 之 对 应 的 排 放 源 强 度 也 显 示 出 这 种 特 征 通 过 分 析 可 以 发 现 : 第 一, 北 京 地 区 电 厂 较 少, 地 面 的 SO 2 浓 度 较 低 ; 第 二, 北 京 地 区 SO 2 的 减 排 效 果 显 著, 地 面 和 卫 星 浓 度 均 呈 现 较 低 浓 度 尽 管 如 此, 卫 星 观 测 的 SO 2 的 空 间 分 布 与 地 面 观 测 有 些 许 差 别, 这 除 了 前 面 提 到 的 高 空 排 放 源 的 差 异 以 外, 卫 星 观 测 SO 2 时 所 用 光 谱 与 O 3 的 吸 收 带 一 致, 也 导 致 了 卫 星 观 测 SO 2 浓 度 有 较 大 偏 差 综 合 以 上 来 看, 两 个 重 要 的 PM 前 体 物 NO x 和 SO 2 的 地 面 观 测 卫 星 观 测 和 排 放 源 强 度 的 时 空 分 布 特 征 较 为 一 致, 说 明 排 放 源 的 估 算 合 理 可 靠, 能 够 用 于 研 究 京 津 冀 区 域 的 污 染 特 征 分 析 063
低碳经济蓝皮书 图 9 地面观测 卫星观测与排放源时空分布比对 三 北京及周边地区细粒子污染现状及来源 ( 一) 北京及周边地区细粒子及前体物空间分布 图 10 为京津冀地区 SO2 的年均浓度空间分布图 从图 10 中可以看出, 京 津冀平原地区河北和天津站点 SO2 浓度较高, 其中石家庄站 SO2 浓度最高, 达 064
31 ppbv 山 区 和 北 京 及 近 周 边 站 点 SO 2 浓 度 较 低, 其 中 乡 村 站 灵 山 最 低, 仅 有 1. 4 ppbv 京 津 冀 地 区 SO 2 的 主 要 排 放 源 为 工 业 和 电 厂, 占 区 域 SO 2 排 放 总 量 的 60% 以 上 通 过 以 上 分 析 可 以 发 现, 以 奥 运 为 契 机, 北 京 SO 2 污 染 源 减 排 措 施 实 施 效 果 显 著, 使 得 北 京 及 近 周 边 区 域 SO 2 浓 度 低 于 其 他 区 域 石 家 庄 保 定 和 河 间 三 个 站 点 年 均 值 超 过 国 家 二 级 标 准 (60μg / m 3 ), 天 津 和 唐 山 站 浓 度 也 接 近 国 家 二 级 标 准 因 此, 二 氧 化 硫 的 重 点 控 制 区 域 为 京 津 冀 平 原 的 河 北 和 天 津 地 区 京 津 冀 地 区 NO x 排 放 主 要 来 自 机 动 车 电 厂 和 工 业 燃 烧 局 地 机 动 车 排 放 对 近 地 面 NO x 浓 度 的 贡 献 超 过 74%, 而 局 地 电 厂 与 工 业 源 对 近 地 面 NO x 浓 度 的 贡 献 分 别 为 2% 和 13% 总 体 来 说, 由 于 NO x 化 学 活 性 较 强, 生 存 寿 命 较 短, 其 浓 度 主 要 受 局 地 排 放 影 响, 区 域 输 送 较 弱 另 外, 由 于 机 动 车 的 排 放 高 度 较 低, 使 得 机 动 车 排 放 对 近 地 面 NO x 浓 度 的 贡 献 最 大 因 此, NO x 浓 度 的 时 空 分 布 与 机 动 车 排 放 量 有 很 好 的 相 关 性, 也 反 映 了 当 地 的 机 动 车 保 有 量 NO x 浓 度 与 城 市 类 型 和 大 小 直 接 相 关 拥 有 较 多 机 动 车 的 大 型 城 市, 比 如 北 京 天 津 石 家 庄 保 定 NO x 浓 度 较 高, 其 中 北 京 铁 塔 站 最 高, NO x 年 均 浓 度 达 55ppbv 乡 村 与 较 不 发 达 的 山 区 城 市 NO x 浓 度 较 低, 其 中 灵 山 站 最 低, 年 均 值 仅 有 8ppbv O 3 高 值 区 域 都 分 布 在 非 城 市 区 域, 这 与 NO x 的 分 布 趋 势 恰 好 相 反 其 中 兴 隆 站 由 于 排 放 量 较 低, 受 北 京 及 河 北 天 津 输 送 的 影 响 O 3 浓 度 最 高, 年 均 值 达 49. 3ppbv 华 北 平 原 的 城 市 地 区 O 3 较 低, 唐 山 站 浓 度 最 低, 仅 有 18ppbv, 这 种 低 值 正 是 由 于 较 高 浓 度 的 NO 对 O 3 的 消 耗 造 成 的 O x 浓 度 反 映 了 区 域 的 大 气 总 氧 化 能 力 京 津 冀 区 域 大 气 总 氧 化 能 力 较 强, 呈 现 北 部 高 南 部 低 的 特 点 南 部 四 个 站 点 石 家 庄 沧 州, 河 间 和 衡 水 Ox 浓 度 均 在 40ppbv 左 右, 而 北 部 站 点 多 在 45ppbv 以 上, 其 中 XL 站 最 高, 达 到 57ppbv PM 是 京 津 冀 地 区 的 主 要 污 染 物 工 业 源 排 放 是 京 津 冀 区 域 的 主 要 排 放 源, 其 次 为 居 民 生 活 电 厂 和 机 动 车 排 放 从 图 10 中 可 以 看 出, 区 域 PM 10 污 染 严 重, 所 有 站 点 PM 10 年 均 值 均 超 过 国 家 二 级 标 准 100μg / m 3 华 北 平 原 西 南 部 站 点 石 家 庄 保 定 以 及 北 京 近 周 边 站 点 PM10 浓 度 较 高, 其 中 石 家 庄 站 PM 10 浓 度 最 高, 年 均 值 达 到 197μg / m 3 山 区 及 北 京 城 郊 站 点 PM 10 浓 度 065
低碳经济蓝皮书 图 10 京津冀地区 SO2 NO x O3 O x PM 10 和 PM 2 5 年均浓度空间分布 066
较 低, 但 也 达 108. 9μg / m 3 对 于 细 粒 子 PM 2. 5 来 说, 京 津 冀 区 域 污 染 更 为 严 重, 所 有 9 个 站 点 PM 2. 5 浓 度 均 超 过 USEPA 年 均 值 标 准 25μg / m 3 其 中, 北 京 城 郊 站 阳 坊 浓 度 最 低, 也 达 40μg / m 3, 超 过 USEPA 年 均 值 标 准 的 1. 6 倍 浓 度 最 高 的 站 点 为 保 定 站, PM 2. 5 的 浓 度 达 125μg / m 3, 是 USEPA 年 均 值 标 准 的 5 倍 PM 10 和 PM 2. 5 的 这 种 分 布 特 征 与 两 个 因 素 有 关, 分 别 为 排 放 源 强 度 和 京 津 冀 区 域 的 风 场 由 于 PM 10 和 PM 2. 5 在 空 气 中 寿 命 较 长, 受 区 域 输 送 影 响 较 大 受 太 行 山 和 燕 山 的 影 响, 华 北 平 原 内 风 速 较 小, 山 区 风 速 较 大 较 高 的 污 染 物 排 放 以 及 较 低 的 风 速 使 得 京 津 冀 西 南 部 区 域 颗 粒 物 污 染 最 为 严 重 通 过 分 析 各 个 站 点 PM 2. 5 / PM 10 可 以 看 出, 京 津 冀 区 域 6 个 站 点 PM 2. 5 / PM 10 值 为 0. 38 ~ 0. 66 受 海 盐 的 影 响, 沿 海 站 点 塘 沽 PM 2. 5 / PM 10 最 低, 仅 有 0. 38 内 陆 重 污 染 城 市 保 定 站 PM 2. 5 / PM 10 值 最 高, 达 到 0. 66, 北 京 铁 塔 站 PM 2. 5 / PM 10 为 0. 55, 这 与 之 前 的 观 测 研 究 一 致 ( 二 ) 细 粒 子 化 学 组 成 特 征 由 于 Anderson 采 样 器 没 有 PM 2. 5 的 粒 径 段, 相 似 的 粒 径 段 只 有 PM 2. 1, 因 此 用 此 粒 径 段 的 水 溶 性 离 子 成 分 说 明 不 同 站 点 PM 2. 5 的 化 学 组 分 图 11 为 京 津 冀 区 域 5 个 站 点 PM 2. 1 中 水 溶 性 离 子 时 间 序 列 变 化 图, 其 中 金 属 元 素 为 Na + K + Ca 2 + Mg 2 + 的 总 和 从 图 11 中 可 以 看 出, 天 津 塔 保 定 和 唐 山 站 颗 粒 物 中 化 学 成 分 变 化 一 致, 体 现 出 冬 季 较 高 的 二 次 和 金 属 离 子 浓 度 夏 季 较 高 的 二 次 离 子 浓 度 ; BJT 站 颗 粒 物 化 学 成 分 略 有 不 同, 体 现 出 冬 季 较 高 的 NO - 3 和 金 属 离 子 浓 度, 夏 季 较 高 的 二 次 离 子 浓 度, 冬 季 SO 2-4 和 NH + 4 浓 度 较 低 ; 兴 隆 站 化 学 成 分 差 别 较 大, 体 现 出 夏 季 最 高 的 二 次 离 子 浓 度, 其 他 季 节 的 化 学 组 分 都 较 低 因 此 来 看, 化 学 分 成 分 析 的 结 果 显 示 了 因 子 分 析 结 果 中 不 同 种 类 站 点 的 污 染 特 点 也 就 是 说, 河 北 西 南 部 天 津 和 河 北 东 部 站 点 冬 季 一 次 粒 子 和 二 次 粒 子 均 较 高, 夏 季 二 次 粒 子 浓 度 较 高 ; 由 于 北 京 站 点 脱 硫 设 施 的 全 面 启 动, 冬 季 北 京 站 点 SO 2-4 和 NH + 4 浓 度 较 低, 但 是 NO - 3 浓 度 和 一 次 粒 子 浓 度 仍 较 高, 夏 季 则 体 现 出 较 强 的 二 次 粒 子 生 成 ; 乡 村 站 点 一 次 粒 子 浓 度 较 低, 大 部 分 粒 子 来 自 二 次 生 成 067
低 碳 经 济 蓝 皮 书 图 11 京 津 冀 地 区 5 个 站 点 PM 2. 1 中 水 溶 性 离 子 时 间 序 列 变 化 068
综 合 以 上 所 述, 河 北 西 南 部 天 津 和 河 北 东 部 站 点 应 重 点 控 制 冬 季 的 一 次 污 染 物 排 放, 包 括 原 生 排 放 的 SO 2 NO x NH 3 PM 10 和 PM 2. 5, 夏 季 则 需 要 重 点 控 制 一 次 气 态 污 染 物 SO 2 NO x 和 NH 3 的 排 放 北 京 和 河 北 北 部 站 点 冬 季 应 控 制 NO x PM 10 和 PM 2. 5 的 排 放, 夏 季 应 控 制 SO 2 NO x 和 NH 3 的 排 放 乡 村 站 点 一 次 污 染 物 排 放 量 均 较 低, 但 仅 靠 二 次 粒 子 生 成 和 传 输 仍 然 使 得 PM 2. 5 年 均 值 和 日 均 值 超 标, 说 明 区 域 二 次 粒 子 生 成 量 较 大 因 此 来 看, 区 域 二 次 粒 子 的 控 制 是 重 中 之 重, 也 就 是 要 着 重 控 制 整 个 区 域 的 SO 2 NO x 和 NH 3 的 排 放 ( 三 ) 颗 粒 物 化 学 组 成 重 构 北 京 及 其 周 边 地 区 2009 ~ 2011 年 大 气 颗 粒 物 化 学 组 成 特 征 的 统 计 结 果 见 表 1 从 表 1 中 可 以 看 出, 北 京 及 周 边 地 区 PM 2. 1 的 区 域 平 均 质 量 浓 度 为 155. 9μg / m 3, 最 高 值 出 现 在 天 津, 为 224. 8μg / m 3, 最 低 值 出 现 在 兴 隆, 为 73. 1μg / m 3, 城 市 站 点 明 显 高 于 区 域 背 景 站 点 5 个 站 点 PM 2. 1 中 化 学 成 分 的 平 均 含 量 依 次 为 未 解 析 部 分 (26. 6% ) > 二 次 无 机 盐 (26. 2% ) > 有 机 物 (21. 6% ) > 矿 物 尘 (13. 5% ) 建 筑 尘 (5. 0% ) 海 盐 (3. 7% ) > 重 金 属 (1. 7% ), 水 溶 性 无 机 盐 和 有 机 物 占 据 PM 2. 1 的 绝 大 部 分, 其 中 最 重 要 的 又 是 二 次 无 机 盐, 4 个 城 市 站 点 二 次 无 机 盐 的 相 对 比 例 从 高 到 低 分 别 为 保 定 (34. 0% ) 北 京 (30. 9% ) 唐 山 (26. 0% ) 和 天 津 (16. 4% ) 四 个 城 市 站 的 有 机 物 相 对 比 例 比 较 接 近, 均 在 20% 左 右, 约 为 区 域 背 景 站 兴 隆 的 两 倍 五 个 站 点 海 盐 的 相 对 比 例 天 津 和 唐 山 略 高 于 其 他 站 点, 主 要 由 于 两 者 在 地 理 位 置 上 更 易 于 受 到 海 洋 的 影 响 重 金 属 仅 占 大 气 颗 粒 物 的 一 小 部 分, 约 占 降 尘 量 的 1. 7%, 但 由 于 它 们 主 要 来 自 人 为 源, 毒 性 强, 需 要 关 注 其 环 境 健 康 效 应, 重 金 属 的 相 对 比 例 从 高 到 低 依 次 为 唐 山 保 定 天 津 北 京 和 兴 隆 北 京 及 周 边 地 区 PM 9 的 区 域 平 均 浓 度 为 264. 1μg m - 3, 各 站 点 从 高 到 低 依 次 为 保 定 唐 山 天 津 北 京 和 兴 隆 矿 物 尘 是 PM 9 的 主 要 组 成, 其 次 是 二 次 无 机 盐 和 有 机 物, 分 别 占 其 总 质 量 浓 度 的 21. 7% 20. 0% 和 18. 8%, 4 个 城 市 站 矿 物 尘 的 相 对 比 例 分 别 为 保 定 (28. 3% ) > 唐 山 (26. 9% ) > 北 京 (22. 6% ) > 天 津 (17. 8% ), 建 筑 尘 与 其 存 在 相 同 的 站 点 间 变 化 关 系 二 次 069
低 碳 经 济 蓝 皮 书 无 机 盐 从 高 到 低 依 次 为 天 津 (24. 7% ) 北 京 (22. 3% ) 唐 山 (22. 1% ) 和 保 定 (12. 2% ) 与 PM 2. 1 相 同, 四 个 城 市 站 的 有 机 物 相 对 比 例 比 较 接 近, 均 在 20% 左 右, 约 为 区 域 背 景 站 兴 隆 的 两 倍, 重 金 属 的 相 对 比 例 从 高 到 低 依 次 为 唐 山 保 定 天 津 北 京 和 兴 隆 北 京 及 周 边 地 区 TSP 的 区 域 平 均 浓 度 变 化 为 311. 8μg / m 3, 各 站 点 从 高 到 低 依 次 为 保 定 唐 山 天 津 北 京 和 兴 隆, 最 高 值 出 现 在 保 定 (383. 0μg / m 3 ), 最 低 值 出 现 在 兴 隆 (141. 1μg / m 3 ) TSP 中 化 学 成 分 的 平 均 含 量 依 次 为 矿 物 尘 (24. 4% ) > 二 次 无 机 盐 (17. 8% ) > 有 机 物 (17. 7% ) > 建 筑 尘 (7. 1% ) > 海 盐 (3. 6% ) > 重 金 属 (1. 4% ) 矿 物 尘 是 TSP 的 主 要 组 成, 5 个 站 点 矿 物 尘 的 相 对 比 例 从 高 到 低 分 别 为 保 定 ( 31. 9% ) 唐 山 ( 28. 0% ) 北 京 (25. 1% ) 天 津 (20. 8% ) 和 兴 隆 (8. 8% ) TSP 中 有 机 物 的 相 对 比 例 与 PM 2. 1 和 PM 9 相 比, 略 有 降 低, 但 站 点 间 的 变 化 关 系 相 同 4 个 城 市 站 点 的 二 次 无 机 盐 的 相 对 比 例 从 高 到 低 依 次 为 天 津 (21. 1% ) 北 京 (19. 3% ) 唐 山 (19. 2% ) 和 保 定 (11. 5% ) 重 金 属 的 相 对 比 例 从 高 到 低 依 次 为 唐 山 保 定 天 津 北 京 和 兴 隆 总 体 上, 二 次 无 机 盐 矿 物 尘 和 有 机 物 在 颗 粒 物 中 的 比 例 较 高, 细 粒 子 的 主 要 成 分 为 二 次 无 机 盐, 而 矿 物 尘 是 粗 粒 子 的 主 要 组 成 二 次 无 机 盐 在 不 同 粒 径 粒 子 中 的 相 对 比 例 依 次 为 PM 2. 1 ( 26. 2% ) > PM 9 ( 20. 0% ) > TSP (17. 8% ), 二 次 无 机 盐 的 相 对 含 量 随 着 粒 径 增 大 呈 递 减 趋 势, 表 明 二 次 无 机 盐 在 细 粒 子 中 存 在 显 著 富 集 矿 物 尘 不 同 粒 径 粒 子 中 的 相 对 比 例 依 次 为 PM 2. 1 (13. 5% ) < PM 9 (21. 7) < TSP (24. 4% ), 矿 物 尘 的 相 对 含 量 随 着 粒 径 的 增 大 呈 递 增 趋 势, 表 明 矿 物 尘 显 著 影 响 粗 粒 子 的 质 量 浓 度 PM 2. 1 PM 9 和 TSP 中 有 机 物 的 相 对 含 量 分 别 为 21. 6% 18. 8% 和 17. 7%, 随 着 粒 径 的 增 大, 有 机 物 的 相 对 含 量 逐 渐 减 小, 指 示 有 机 物 在 细 粒 子 中 存 在 更 显 著 的 富 集 建 筑 尘 相 对 含 量 随 粒 径 的 变 化 趋 势 为 PM 2. 1 (5. 0% ) < PM 9 (6. 6) < TSP (7. 1% ), 与 矿 物 尘 相 同, 指 示 其 对 粗 粒 子 质 量 浓 度 的 贡 献 重 金 属 在 不 同 粒 径 粒 子 中 的 相 对 比 例 依 次 为 PM 2. 1 ( 1. 7% ) > PM 9 ( 1. 5% ) > TSP (1. 4% ), 随 着 粒 径 增 大 逐 渐 减 小 的 变 化 趋 势 同 样 指 示 了 重 金 属 在 细 粒 子 中 的 显 著 富 集 综 上 所 述, 二 次 气 溶 胶 粒 子 有 机 物 和 重 金 属 在 颗 粒 物 中 的 相 对 含 070
量 随 着 粒 径 减 小 呈 递 增 趋 势, 表 明 有 毒 物 质 在 细 粒 子 中 富 集 而 矿 物 尘 建 筑 尘 随 着 粒 径 增 加 而 增 加, 主 导 了 粗 粒 子 的 主 要 部 分 海 盐 的 相 对 含 量 在 不 同 粒 径 颗 粒 物 中 无 显 著 差 异 表 1 大 气 颗 粒 物 质 量 重 构 后 化 学 组 成 特 征 的 统 计 结 果 PM 粒 径 站 点 PM 浓 度 (μg / m 3 ) 建 筑 尘 (% ) 矿 物 尘 (% ) 重 金 属 (% ) 有 机 物 (% ) 元 素 碳 (% ) 海 盐 (% ) 二 次 无 机 盐 (% ) 未 解 析 (% ) 北 京 137. 0 3. 8 9. 8 1. 3 19. 6 1. 5 3. 2 30. 9 29. 9 天 津 224. 8 6. 2 23. 4 1. 5 22. 0 1. 6 5. 1 26. 0 14. 2 PM 2. 1 唐 山 144. 6 5. 2 13. 2 2. 3 22. 7 2. 0 4. 0 34. 0 16. 6 保 定 200. 1 3. 2 7. 1 2. 1 25. 5 1. 9 2. 6 16. 4 41. 1 兴 隆 73. 1 7. 5 7. 6 0. 9 11. 4 1. 5 3. 1 29. 4 38. 6 区 域 平 均 155. 9 5. 0 13. 5 1. 7 21. 6 1. 7 3. 7 26. 2 26. 6 北 京 255. 4 5. 7 22. 6 1. 3 19. 1 1. 3 3. 5 22. 3 24. 1 天 津 259. 0 6. 8 26. 9 1. 5 22. 5 1. 6 5. 4 24. 7 10. 7 PM 9 唐 山 281. 9 8. 8 28. 3 1. 8 18. 6 1. 5 3. 7 22. 1 15. 0 保 定 383. 0 5. 2 17. 8 1. 6 19. 4 1. 3 2. 6 12. 2 39. 9 兴 隆 141. 1 7. 5 8. 1 0. 8 10. 3 0. 6 3. 5 24. 2 45. 0 区 域 平 均 264. 1 6. 6 21. 7 1. 5 18. 8 1. 3 3. 7 20. 0 26. 3 北 京 308. 5 5. 9 25. 1 1. 2 18. 3 1. 1 3. 3 19. 3 25. 7 天 津 319. 8 7. 0 28. 0 1. 4 20. 1 1. 4 5. 1 21. 1 15. 8 TSP 唐 山 341. 4 9. 8 31. 9 1. 7 17. 4 1. 4 3. 5 19. 2 15. 1 保 定 434. 7 5. 7 20. 8 1. 5 18. 6 1. 2 2. 6 11. 5 38. 1 兴 隆 154. 5 7. 6 8. 8 0. 9 10. 0 0. 6 3. 7 22. 9 45. 5 区 域 平 均 311. 8 7. 1 24. 4 1. 4 17. 7 1. 2 3. 6 17. 8 26. 8 ( 四 ) 细 粒 子 源 解 析 1. 常 规 源 解 析 按 照 PM 的 污 染 特 征, 将 北 京 及 周 边 地 区 站 点 分 为 三 个 种 类, 分 别 为 河 北 和 天 津 地 区 北 京 地 区 和 北 京 地 区 为 了 分 析 这 个 三 类 地 区 PM 的 来 源, 将 观 测 期 间 每 个 站 点 获 得 的 48 组 PM 2. 1 化 学 成 分 的 分 析 数 据 输 入 PMF 模 型 中, 071
低 碳 经 济 蓝 皮 书 输 入 不 同 的 因 子 数 目 (3 ~ 12 个 ) 运 行 得 到 了 不 同 的 结 果, 通 过 比 较 不 同 因 子 数 目 得 到 的 模 型 输 出 Q (E) 值 以 及 每 个 源 成 分 谱 的 差 异, 发 现 因 子 数 为 6 7 和 8 时 得 到 的 源 成 分 谱 比 较 合 理 进 一 步 参 考 北 京 地 区 细 粒 子 的 排 放 源 以 及 比 较 别 人 的 研 究 结 果, 我 们 将 最 终 的 因 子 数 目 确 定 为 6 个 经 过 多 次 运 行 后 发 现, 当 因 子 不 旋 转 时 (FPEAK = 0), Q (E) 的 变 化 比 较 稳 定, 因 此 确 定 PMF 模 型 运 行 的 最 终 方 案 为 Factor = 6, FPEAK = 0 图 12 显 示 了 PMF 解 析 出 来 的 保 定 市 PM 2. 5 的 6 类 可 能 来 源, 分 别 为 二 次 源 燃 煤 扬 尘 生 物 质 燃 烧 工 业 源 和 机 动 车 PM 2. 1 的 第 一 类 污 染 源 为 二 次 源, 浓 度 贡 献 较 高 的 化 学 元 素 为 NH + 4 NO - 3 SO 2-4 和 OC, 分 别 代 表 了 通 过 光 化 学 反 应 生 成 的 二 次 无 机 离 子 和 二 次 有 机 物 从 二 次 源 的 时 间 序 列 变 化 来 看, 夏 季 二 次 源 的 贡 献 明 显 高 于 冬 季, 夏 季 温 度 湿 度 较 高, 大 气 的 氧 化 能 力 强, 有 利 于 光 化 学 反 应 的 发 生, 而 冬 季 受 温 度 的 影 响, 大 气 的 氧 化 能 力 较 弱, 不 利 于 光 化 学 反 应 的 产 生 观 测 期 间 二 次 源 对 PM 2. 5 的 贡 献 为 24. 9% ( 见 表 2) 在 2000 年 的 观 测 结 果 显 示, 北 京 地 区 细 粒 子 中 二 次 硫 酸 盐 和 二 次 硝 酸 盐 对 PM 2. 5 的 贡 献 分 别 为 19. 3% 和 11. 6%, 二 次 转 化 的 无 机 离 子 贡 献 之 和 为 30. 9%, 与 本 研 究 结 果 十 分 接 近 第 二 类 污 染 源 中 浓 度 贡 献 较 大 的 化 学 元 素 为 EC OC Cl 和 K, 这 4 种 化 学 元 素 通 常 被 认 为 是 燃 煤 的 特 征 元 素, 同 时 从 该 类 污 染 源 贡 献 的 时 间 序 列 变 化 来 看, 夏 季 该 类 污 染 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 几 乎 为 零, 而 冬 季 则 显 著 上 升, 符 合 华 北 地 区 燃 煤 源 分 布 的 季 节 差 异, 因 此 可 以 判 定 第 二 类 污 染 源 为 燃 煤 源 观 测 期 间 燃 煤 源 对 PM 2. 5 的 贡 献 为 26. 4% ( 见 表 2), 远 高 于 北 京 2000 年 的 观 测 结 果 (17. 2% ) 同 时, 从 图 12 可 以 看 出, 硫 酸 盐 对 燃 煤 源 的 贡 献 几 乎 为 零, 这 也 体 现 出 与 以 往 解 析 的 PM 2. 5 中 燃 煤 源 不 同 的 特 征 之 前 利 用 PMF 模 型 解 析 的 细 粒 子 的 燃 煤 源 中, 硫 酸 盐 的 贡 献 较 大, 以 上 现 象 表 明, 华 北 地 区 冬 季 采 暖 期 的 主 要 燃 料 发 生 了 变 化, 由 以 往 的 以 燃 煤 为 主 的 取 暖 方 式 向 以 燃 油 为 主 的 方 式 转 变, 这 可 能 也 是 本 文 研 究 结 果 中 燃 煤 源 对 PM 2. 5 的 贡 献 显 著 降 低 的 主 要 原 因 072
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第 三 类 污 染 源 为 扬 尘, 其 特 征 化 学 元 素 为 Mg Ca Na Al 等 地 壳 元 素, 同 时 从 图 12 中 还 可 以 看 出, 在 扬 尘 源 中 EC 也 表 现 出 一 定 的 贡 献, 这 可 能 是 由 于 扬 尘 受 人 类 活 动 的 影 响 较 大, 大 量 腐 烂 的 植 物 垃 圾 和 燃 烧 源 排 放 出 的 高 浓 度 EC 进 入 扬 尘 中 有 关 同 时, 从 扬 尘 源 的 时 间 序 列 变 化 来 看, 夏 季 观 测 期 间 扬 尘 源 的 变 化 幅 度 较 小 观 测 期 间 冬 季 扬 尘 的 贡 献 量 明 显 高 于 夏 季, 这 主 要 是 由 于 受 沙 尘 的 影 响, 地 面 沉 降 的 扬 尘 量 增 加, 从 而 导 致 更 多 的 扬 尘 被 机 动 车 带 起 重 新 进 入 大 气 环 境 观 测 期 间 扬 尘 的 贡 献 为 5. 7%, 低 于 以 往 北 京 的 研 究 结 果 (7. 8% ), 但 量 级 基 本 相 当 表 2 与 北 京 地 区 2006 年 PM 2. 5 的 源 解 析 结 果 比 较 本 研 究 Song et al., 2006 源 类 型 源 贡 献 源 贡 献 源 类 型 % μg / m 3 % μg / m 3 二 次 源 24. 9 34. 6 二 次 硫 酸 盐 19. 3 18. 4 二 次 硝 酸 盐 11. 6 11. 1 燃 煤 26. 4 36. 8 燃 煤 17. 2 16. 4 扬 尘 5. 7 7. 9 道 路 扬 尘 7. 8 7. 4 生 物 质 燃 烧 6. 2 8. 3 生 物 质 燃 烧 9. 8 9. 4 工 业 源 11. 4 15. 8 工 业 源 5. 6 5. 3 机 动 车 9. 4 13. 0 机 动 车 5. 9 5. 6 沙 尘 4. 9 4. 7 其 他 16. 0 22. 3 其 他 17. 9 17. 1 生 物 质 燃 烧 污 染 源 的 特 征 为 高 K 每 年 6 月 中 旬 至 7 月 初 是 华 北 地 区 农 田 焚 烧 冬 小 麦 秸 秆 的 季 节, 6 月 生 物 质 燃 烧 源 的 贡 献 明 显 高 于 观 测 期 间 的 其 他 月 份, 这 也 反 映 了 秸 秆 焚 烧 的 贡 献 本 研 究 中 生 物 质 燃 烧 源 的 贡 献 为 6. 2% ( 见 表 2), 低 于 以 前 的 研 究 结 果 (9. 8% ), 主 要 原 因 在 于 近 年 来 对 秸 秆 焚 烧 的 管 控 措 施 第 五 类 污 染 源 中 金 属 元 素 (Pb Zn Cd 和 Mn 等 ) 的 浓 度 较 高, 主 要 来 自 工 业 源 的 排 放, 特 别 是 金 属 冶 炼 行 业 观 测 期 间 工 业 源 的 贡 献 为 11. 4% ( 见 表 2), 明 显 高 于 以 往 北 京 的 研 究 结 果 (5. 6% ), 说 明 保 定 的 工 业 仍 然 占 075
低 碳 经 济 蓝 皮 书 有 很 大 比 例 第 六 类 流 动 源 的 特 征 为 EC Zn 以 及 地 壳 元 素 Ca 和 Mg 的 贡 献 较 高 Zn 广 泛 被 用 于 润 滑 油 刹 车 片 和 轮 胎 中, 因 此 常 常 作 为 汽 油 燃 烧 的 示 踪 物 此 外, 机 动 车 源 在 观 测 期 间 季 节 间 的 差 异 不 明 显, 这 也 是 移 动 源 ( 机 动 车 ) 区 别 于 固 定 源 ( 燃 煤 ) 的 特 征 观 测 期 间 机 动 车 源 的 贡 献 为 9. 4% ( 见 表 2), 明 显 高 于 以 前 的 研 究 结 果 (5. 9% ) 近 几 年 机 动 车 保 有 量 持 续 增 加, 反 映 出 此 类 排 放 源 贡 献 率 的 升 高 通 过 以 上 解 析 我 们 发 现, 虽 然 解 析 结 果 与 之 前 的 研 究 有 类 似 之 处, 但 是 存 在 两 个 较 大 的 问 题 第 一 个 是 有 些 单 独 的 有 机 物 排 放 源 无 法 解 析, 如 植 物 排 放 溶 剂 使 用 以 及 餐 饮 业 ; 第 二 是 二 次 生 成 的 贡 献 率 无 法 分 配 到 一 次 排 放 源, 也 就 不 能 对 政 策 进 行 有 效 的 指 引 2. 全 化 学 成 分 谱 源 解 析 针 对 第 一 个 问 题, 本 课 题 组 设 计 了 一 种 化 学 成 分 全 谱 分 析 方 法 利 用 观 测 得 到 的 颗 粒 物 中 的 OC 分 类 数 据, 分 析 其 中 的 典 型 标 识 物, 分 别 能 表 征 不 同 的 排 放 源, 从 而 将 植 物 排 放 溶 剂 使 用 和 餐 饮 业 进 行 有 效 的 区 分 其 中, 植 物 排 放 的 有 效 标 识 物 为 高 碳 数 有 机 酸, 主 要 是 由 植 物 蜡 氧 化 生 成 ; 溶 剂 使 用 的 标 识 物 为 低 碳 数 有 机 酸, 主 要 是 溶 剂 氧 化 的 产 物 ; 而 餐 饮 业 的 标 识 物 为 油 酸 和 亚 油 酸, 主 要 是 油 类 挥 发 导 致 我 们 找 到 了 三 种 典 型 的 标 识 物, 将 有 机 酸 数 据 增 加 到 PMF 模 式 重 新 进 行 解 析 得 到 九 类 排 放 源 不 能 化 学 成 分 贡 献 的 百 分 比 ( 见 图 13) 对 解 析 结 果 进 行 整 理 发 现, 其 他 六 类 源 解 析 结 果 变 化 不 大, 增 加 的 三 类 有 机 物 的 源 占 9. 0% ( 见 图 14), 其 中, 植 物 排 放 溶 剂 使 用 和 餐 饮 业 的 贡 献 分 别 占 0. 7% 5. 1% 和 3. 1% 3. 二 次 源 的 分 解 及 源 解 析 结 果 虽 然 通 过 全 谱 分 析 解 析 了 有 机 物 排 放 源 对 颗 粒 物 PM 2. 1 的 贡 献, 但 是 二 次 源 如 何 分 配 到 一 次 排 放 源 中 仍 然 是 一 个 很 重 要 的 科 学 问 题 为 了 解 决 这 个 问 题, 根 据 高 时 空 分 辨 率 源 清 单 的 结 果, 我 们 对 不 同 地 区 不 同 排 放 源 排 放 的 一 次 污 染 物 进 行 了 详 细 的 研 究 忽 略 输 送 的 影 响, 按 照 不 同 地 区 不 同 排 放 源 对 SO 2 NO x 和 NH 3 的 贡 献, 将 二 次 源 分 配 到 一 次 排 放 源, 获 得 北 京 及 周 边 地 区 5 个 站 点 PM 2. 1 的 源 解 析 结 果 076
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低 碳 经 济 蓝 皮 书 图 14 保 定 站 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 率 从 图 15 中 可 以 看 出, 北 京 站 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 贡 献 占 前 3 位 的 分 别 是 燃 煤 机 动 车 和 餐 饮, 三 个 主 要 排 放 源 占 总 贡 献 的 56. 5% ; 天 津 站 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 占 前 3 位 的 分 别 是 燃 煤 机 动 车 和 工 业, 三 个 主 要 排 放 源 占 总 贡 献 的 53. 7% ; 保 定 站 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 占 前 3 位 的 分 别 是 燃 煤 机 动 车 和 工 业, 其 中 燃 煤 占 总 贡 献 超 过 40% ; 唐 山 站 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 占 前 3 位 的 分 别 是 燃 煤 机 动 车 和 餐 饮, 三 个 主 要 排 放 源 占 总 贡 献 的 54. 6% ; 由 于 兴 隆 站 地 处 背 景 区 域, OC 分 类 数 据 含 量 太 低, 因 此, 有 机 酸 无 法 检 出, 因 此 常 规 源 解 析 发 现 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 占 前 3 位 的 分 别 是 燃 煤 机 动 车 和 扬 尘, 三 者 之 和 超 过 60% 通 过 以 上 分 析 发 现, 北 京 市 和 唐 山 市 应 该 着 重 削 减 燃 煤 机 动 车 和 餐 饮 源 ; 而 保 定 和 天 津 区 域 应 着 重 削 减 燃 煤 机 动 车 和 工 业 排 放 源 ; 兴 隆 处 于 背 景 区 域, 大 部 分 的 污 染 物 来 自 河 北 天 津 和 北 京 的 区 域 输 送, 由 于 区 域 背 景 站 点 显 示 燃 煤 和 机 动 车 的 贡 献 较 大, 因 此 可 以 得 出, 北 京 及 周 边 区 域 受 燃 煤 和 机 动 车 的 影 响 最 大, 也 就 是 说, 这 两 种 排 放 源 是 应 首 先 着 重 控 制 的 排 放 源 080
图 15 北 京 及 周 边 区 域 5 个 站 点 不 同 排 放 源 对 PM 2. 1 的 贡 献 率 081
低 碳 经 济 蓝 皮 书 四 结 论 及 建 议 通 过 编 制 北 京 及 周 边 地 区 高 分 辨 率 排 放 源 清 单, 认 识 到 北 京 及 周 边 区 域 主 要 的 细 粒 子 前 体 物 SO 2 主 要 来 自 电 厂 和 工 业 过 程, NO x 主 要 来 自 机 动 车 和 电 厂, NH 3 主 要 来 自 化 肥 施 用 和 畜 牧 业, VOCs 主 要 来 自 机 动 车 和 工 业 过 程, BC 和 OC 主 要 来 自 燃 烧 过 程 大 气 物 理 所 对 京 津 冀 区 域 PM 2. 1 的 化 学 成 分 分 析 发 现, 二 次 水 溶 性 离 子 硫 酸 盐 硝 酸 盐 和 铵 盐 占 30% ~ 40%, 碳 质 气 溶 胶 占 30% ~ 40%, 金 属 元 素 占 10% 左 右 通 过 对 不 同 区 域 的 观 测 发 现, 为 了 控 制 细 粒 子 污 染, 河 北 西 南 部 天 津 和 河 北 东 部 站 点 应 重 点 控 制 冬 季 的 一 次 污 染 物 排 放, 包 括 原 生 排 放 的 SO 2 NO x NH 3 PM 10 和 PM 2. 5, 夏 季 则 需 要 重 点 控 制 一 次 气 态 污 染 物 SO 2 NO x 和 NH 3 的 排 放 北 京 和 河 北 北 部 站 点 冬 季 应 控 制 NO x PM 10 和 PM 2. 5 的 排 放, 夏 季 应 控 制 SO 2 NOx 和 NH 3 的 排 放 乡 村 站 点 一 次 污 染 物 排 放 量 均 较 低, 但 仅 靠 二 次 粒 子 生 成 和 传 输 仍 然 使 得 PM 2. 5 年 均 值 和 日 均 值 超 标, 说 明 区 域 二 次 粒 子 生 成 量 较 大 因 此 来 看, 区 域 二 次 粒 子 的 控 制 是 重 中 之 重, 也 就 是 要 着 重 控 制 整 个 区 域 的 SO 2 NO x 和 NH 3 的 排 放 通 过 源 解 析 进 一 步 研 究 表 明, PM 2. 5 的 来 源 发 生 了 巨 大 变 化, 燃 煤 和 汽 车 及 相 关 产 业 来 源 占 50% ; 钢 铁 化 工 和 电 子 等 工 业 过 程 产 生 占 不 到 10% ; 餐 饮 过 程 所 占 份 额 升 高 较 快, 在 北 京 和 唐 山 超 过 10% 从 技 术 角 度 分 析, 首 先 要 从 源 头 控 制, 也 就 是 在 消 减 一 次 排 放 的 PM 2. 5 的 同 时, 大 力 消 减 PM 2. 5 的 主 要 气 态 前 体 物 SO 2 NO x NH 3 和 VOCs 的 排 放 但 是 鉴 于 PM 2. 5 化 学 组 成 的 时 空 差 异, 应 针 对 不 同 地 区 不 同 季 节 特 有 的 致 霾 因 子 制 定 不 同 的 消 减 策 略 以 北 京 市 为 例, PM 2. 5 大 约 30% ~ 40% 来 自 原 始 排 放, 20% ~ 30% 来 自 大 气 中 的 光 化 学 转 化, 30% ~ 40% 来 自 区 域 的 协 同 贡 献 北 京 市 虽 然 能 降 低 自 身 大 气 污 染 物 的 排 放, 却 无 法 解 决 周 边 污 染 物 的 生 成 和 传 输 因 此 来 看, 目 前 北 京 PM 2. 5 污 染 仍 难 以 改 变 1 / 3 靠 天, 1 / 3 靠 自 己, 1 / 3 靠 周 边 的 格 局 北 京 市 虽 然 能 降 低 自 身 大 气 污 染 物 的 排 放, 却 无 法 解 决 周 边 污 染 物 的 生 成 和 传 输 因 此 来 看, 单 靠 一 个 地 方 政 府 努 力, 永 远 达 082
不 到 新 标 准 的 规 定 区 域 联 防 联 控, 是 解 决 PM 2. 5 问 题 的 前 提, 但 由 于 联 合 组 织 方 式 本 身 就 需 要 大 量 的 科 学 研 究, 使 得 区 域 联 防 联 控 的 难 度 非 常 大 为 了 控 制 京 津 冀 区 域, 特 别 是 北 京 地 区 细 粒 子 污 染, 可 能 的 控 制 措 施 建 议 如 下 (1) 产 业 结 构 调 整 改 变 粗 放 型 经 济 增 长 方 式, 大 力 发 展 第 三 产 业, 降 低 高 能 耗 的 第 二 产 业 比 例 (2) 产 业 布 局 由 于 偏 南 风 容 易 导 致 京 津 冀 地 区 的 高 污 染, 将 京 津 冀 作 为 一 个 整 体 考 虑 产 业 布 局, 建 议 高 能 耗 的 第 二 产 业 ( 工 业 电 厂 等 ) 移 到 沿 海 地 区 或 京 津 冀 以 北 和 以 西 的 高 海 拔 地 区, 这 有 利 于 一 次 污 染 物 的 扩 散 和 沉 降 (3) 环 保 措 施 监 管 快 速 推 进 脱 硫 除 尘 和 脱 硝 设 备 的 安 装 和 使 用, 特 别 需 要 加 强 大 气 污 染 物 处 理 设 备 的 有 效 使 用 和 独 立 监 管 (4) 清 洁 能 源 使 用 加 快 推 进 低 硫 煤 天 然 气 太 阳 能 和 风 能 等 清 洁 能 源 的 使 用, 提 高 油 品 质 量, 从 根 本 上 降 低 化 石 燃 料 燃 烧 排 放 的 污 染 物 (5) 加 强 新 排 放 源 研 究 评 估 观 测 研 究 发 现, 燃 油 含 硫 量 偏 高 餐 饮 烟 气 排 放 VOCs 和 区 域 来 源 不 明 确 的 NH 3 排 放, 都 对 PM 2. 5 有 不 可 忽 略 的 贡 献, 需 要 加 强 监 测 和 评 估, 确 定 源 头 后 才 能 制 定 应 对 措 施 例 如, 京 津 冀 NH 3 的 可 能 来 源 如 若 确 定 为 近 海 养 殖 畜 牧 业 农 业 ( 主 要 是 化 肥 过 量 施 用 ) 汽 车 ( 三 元 催 化 过 量 ) 工 业 脱 硝 ( 还 原 剂 用 氨 水 或 尿 素 过 量 ) 和 垃 圾 处 理, 即 可 制 定 相 应 减 排 措 施, 可 削 减 大 部 分 NH 3 排 放, 从 而 使 大 气 中 PM 2. 5 减 少 15% 083