基于SPAMS研究西安市莲湖区夏季细颗粒物组分特征及解析

张军

摘要：利用单颗粒气溶胶飞行质谱（SPAMS）于2020年7月21日-8月1日在西安市莲湖区中心监测了夏季细颗粒物PM2.5的化学组成。对PM2.5的组分分析结果发现：莲湖区PM2.5特征组分占比前三分别为EC占比30%、HM（重金属）占比16%、K离子和ECOC占比均为14%;来源解析占比贡献前三源分别为移动源、扬尘源和工业工艺源，分别占比31.2%、25.1%和13.7%，总共贡献70%，其次为燃煤源和二次生成源分别贡献9.8%和8.5%.

关键词：单颗粒气溶胶飞行质谱（SPAMS）;PM2.5;源解析

引言：

莲湖区位于西安市主城区西部区域，辖区既有西安市主要的工业企业集群，也是著名的旅游景区所在地，同时作为老城区也是建筑改造工地的密集区，大气污染源错综复杂，整体环境质量较差，其PM2.5污染指标常年处于西安市末尾水平。本次研究利用单颗粒气溶胶飞行质谱，在莲湖区中心位置进行连续测试，对莲湖辖区夏季典型气象条件下PM2.5的污染特征和来源进行解析。

一、研究方法和仪器

⒈本次监测测为定点监测，采用单颗粒飞行时间质谱仪器对PM2.5进行快速源解析，快速识别污染过程。测点位于西安市莲湖区大庆路57号，莲湖区中心位置。监测时间：2020年7月21日-8月1日。

⒉单颗粒飞行时间质谱仪：SPAMS05R-15

该仪器通过将实际大气中的气溶胶快速引入质谱离子源区域，随即进行电离和检测。大气颗粒物首先汇聚为单个颗粒束，单个颗粒经逐一测径后通过激光等方法电离为带电碎片，碎片在真空腔中飞行，最后通过微通道板检测器得到各颗粒物质谱信号[1]。

二、源解析结果及分析

⒈根据本次单颗粒质谱采集到的颗粒物组分组成特征，对颗粒物进行聚类，将化学组分数据进行分析，最终确定了8类颗粒物，分别为元素碳（EC）、有机碳（OC）、混合碳（ECOC）、重金属（HM）、左旋葡聚糖（LEV）、矿尘（DUST）、富钾（K）、富钠（Na）.

其中，元素碳（EC）颗粒主要组分为較纯的碳族元素，主要来自机动车等一次排放;有机碳颗粒（C）主要含有大量的有机化合物，来源较为广泛，既有污染源的一次排放，又有通过光化学反应生成的二次有机碳;混合碳颗粒中既有较纯的碳族元素，又有大量的有机化合物;重金属颗粒中则含有大量的重金属元素（如铅、锰、铜等）;矿尘颗粒中主要含有地壳元素（钙、硅等），主要来自扬尘污染;左旋葡聚糖颗粒中含有生物质特有的左旋葡聚糖物质，通常指示生物质燃烧[2]。

⒉来源解析结果

通过本次PM2.5来源解析组分特征占比发现EC占比最高为30%，其次为HM（重金属）占比为16%，K离子和ECOC（混合碳）均占比14%.其中重金属占比较大，分析可能是由于周边涉金属材料再加工企业排放导致。

根据单颗粒质谱仪在线来源解析结果显示，来源占比贡献前三分别为移动源、扬尘源和工业工艺源，分别占比31.2%、25.1%和13.7%，总共贡献70%。其次，燃煤源和二次生成源分别贡献9.8%和8.5%。

⒊典型污染过程分析

⑴机动车源

根据本次PM2.5来源解析结果显示，机动车源占比31.2%，为莲湖区PM2.5组分的主要来源。通过分析PM2.5与EC小时数据变化趋势，在多个时段两者变化趋势基本一致。

在8月1日出现了一次典型的机动车源导致的PM2.5污染过程，通过分析站点PM2.5小时浓度及来源解析百分占比时序图发现。8月1日7时高压开关厂站点PM2.5浓度仅为31微克/立方米，机动车源占比33.2%，此后PM2.5开始迅速上升，至16时到达峰值65微克/立方米，而机动车源占比也高达60%。说明造成站点此时段PM2.5升高的主要原因是机动车尾气排放所致。

⑵建筑、道路扬尘源

通过对比分析PM2.5与扬尘源示踪离子铝离子小时变化趋势，7月份两者相关性一般。但在PM2.5相对高值时段，铝离子明显同步升高，说明在洁净时段转向污染时段的过程中，扬尘源起到了明显的推高作用。

⑶工业工艺源

除了矿尘颗粒与元素碳颗粒之外，高压开关厂监测点位PM2.5中的金属颗粒占比明显偏高。通过对比锰离子、铁离子、铅离子、镁离子、铜离子和锌离子色阶图分析，各金属离子峰值基本均在9时至11时，锌离子峰值出现在16时，但锌离子在9时也出现较高值（如表1）。

同时根据重金属颗粒物中不同金属元素数浓度占比，可以看出铁和锰离子数浓度相对较高，铁和锰主要来自工业和机动车排放。而重金属离子多源于工业和机动车排放，如ZnC1+主要来自电焊过程中助焊剂以及除锈剂的燃烧排放。而监测点位周边有西电电工、西电电气、法士特、延长石油等较多工业企业，说明周边工业排放PM2.5贡献不容忽视，尤其是在白天时段，影响尤为显著。

三、结论

综上解析，夏季期间西安市莲湖区PM2.5来源占比贡献前三分别为移动源、扬尘源和工业工艺源，分别占比31.2%、25.1%和13.7%，总共贡献70%。减少源头排放是降低PM2.5浓度的根本，加强道路交通管理，控制工地和厂区扬尘源、做好重点企业废气排放管控，是抑制夏季PM2.5污染的重要措施。

参考文献：

[1]闫璐璐，刘焕武，黄学敏，高健，张文杰.利用SPAMS研究西安市重污染天气细颗粒物污染特征及来源.环境科学研究，2018，31（11）：29-36

[2]洪纲.基于单颗粒质谱技术的石家庄市2016年秋季空气重污染成因分析.科学技术与工程，2018，18（9）：348-354