綿陽市城區環境空氣中非甲烷總烴污染特征分析

龍 平，宋鵬程，馬傳功，左乙杉

(四川省綿陽生態環境監測中心站，四川 綿陽 621010)

引 言

非甲烷總烴(NMHCs)指除甲烷以外所有碳氫化合物的總稱，主要包括烷烴、烯烴、芳香烴和含氧烴等組分[1]。非甲烷總烴是VOCs中最主要的一類物質，具有光化學活性強的特性，在一定程度上可以簡單直觀地反映大氣中VOCs污染的總體情況[2]。大氣環境中的非甲烷總烴人為源有機動車尾氣、工業源、油氣揮發和化石燃料燃燒等[3～7]。大氣環境中的非甲烷總烴與NOX、CO等其他成分在光化學條件下可生成過氧乙酰硝酸酯(Peroxyacetyl Nitrate，PAN)、二次有機氣溶膠(SOA)和臭氧(O3)等污染物，形成“霧霾”天氣和臭氧污染[8]。

綿陽市位于四川盆地西北部，涪江中上游地帶，地貌自西北向東南傾斜，地貌也由山地向丘陵過渡。綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候區。綿陽市年平均氣溫為14.7～17.3℃，降水量比較充沛，年均降水量825.8～1417mm，分布特點是南北少，中部多，東邊少而西邊多。綿陽市一般風速較小，以東北風到北風為盛行風。從氣象條件和地形地貌上分析，春季和冬季容易出現污染物積累并維持較長時間。

隨著綿陽市經濟不斷發展和城市不斷壯大，建成區面積、常住人口、汽車保有量和工業產值分別從2020年的167.6km2、486.8萬人、108萬輛和1174.4億元增加至2022年的189.26km2、489.8萬人、130萬輛和1514.3億元。雖然2020～2022年綿陽市城區環境空氣質量總體上有明顯好轉，基本上消除了重度及以上污染，但綿陽市城區環境空氣中首要污染物由原來的顆粒物(PM2.5和PM10)逐步轉變為PM2.5和O3，復合型污染特征非常明顯，由于臭氧造成的污染天數也在不斷增加。非甲烷總烴是O3的前體有機物，大量研究表明，非甲烷總烴包含烯烴和芳香烴等最大增量反應活性最強的物種，是造成大氣復合污染物關鍵因素之一。

本研究選擇2021年1～12月建設街站的非甲烷總烴在線自動監測數據以及氣象五參數(相對濕度、氣溫、大氣壓、風向、風速)數據，結合附近市人大站同時段內常規6參數(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3)監測結果，以及實驗中學站同時內段碳組分(OC、EC)監測結果，綜合分析綿陽市城區非甲烷總烴的污染特征、變化趨勢以及影響因素，探討其與常規6參數和碳組分的關聯以及對環境空氣質量的影響，為后續綿陽市大氣污染>防治工作提供理論依據。

1 監測和分析

1.1 監測時間

監測時間2021年1月1日～2021年12月31日，連續監測1年，監測頻次為24h連續監測。

1.2 監測點位

非甲烷總烴及氣象參數監測點位為建設街站點，位于綿陽市涪城區建設街6號，原市農業局樓頂(北緯31.4562°，東經104.7545°)，離地面約24m，東距一環路南段約300m，南距南河路約220m，西距紅星街約150m，北距建設街約15m，東南方向350m是市人大國控空氣站。該站點周邊500m以內主要是居民生活區和行政辦公區。

常規6參數監測點位為市人大站點，位于涪城區南河路26號綿陽市人社局樓頂(北緯31.4539°，東經104.7536°)，離地面約25m。東距一環路南段約140m，南距體運村路約180m，西距文昌路約900m，北距南河路約30m。該站點周邊500m以內主要是居民生活區和行政辦公區。

碳組分監測點位為實驗中學站，位于綿陽市涪城區城北街道高虹街2號綿陽市實驗中學城北校區教學樓樓頂(北緯31.5012°，東經104.7397°)，離地面約20m，東距濱江西路北段段約60m，南距高虹街約50m，西距圣高路約190m，北距高水北街約150m，西北方向1.3km是三水廠國控空氣站。該站點周邊500m以內主要是居民生活區和行政辦公區。監測點位見圖1。

圖1 綿陽市城區建設街站與市人大站地理位置圖Fig.1 Geographical location map of Jianshe street station and municipal people's congress station

1.3 監測儀器與分析方法

建設街站點的非甲烷總烴儀器來自于杭州譜育科技發展有限公司(分析儀參數：程序升溫：80℃；檢測器：FID；檢測器溫度：80±1℃；檢測器氣體流量：H2-40±0.5ml/min；Air-300±2mL/min；總烴色譜柱：PQ柱；甲烷色譜柱：空柱；載氣類型：Air)；氣象五參數儀器來自于深圳市智翔宇儀器設備有限公司MULTI-5P型多參數氣象測量儀。市人大站常規6參數中氣態污染物儀器來自于澳大利亞Ecotech公司，顆粒物儀器來自于美國賽默飛世爾科技公司。實驗中學站的碳組分儀器來自于安徽光學精密機械研究所。監測儀器與分析方法見表1。

1.4 質量控制

建設街站、市人大站與實驗中學站均是由專業運維人員負責日常運行維護，按照相關運行維護技術規范定期開展零點/跨度校準以及精密度、多點線性、流量校準、標模校準等質量控制措施。

1.5 數據處理與分析

綿陽市城區環境空氣中的非甲烷總烴、常規6參數、碳組分數據統計分析采用統計學軟件SPSS 26.0，非甲烷總烴與常規6參數、碳組分以及氣象因子的相關性采用皮爾遜相關系數進行分析；氣象因子對非甲烷總烴的影響程度采用灰色關聯分析法進行分析；污染玫瑰圖使用OriginPro 9.0進行繪制。

2 結果與討論

綿陽市城區環境空氣中污染物呈明顯季節性變化。常規6參數以及碳組分中，除臭氧外其它污染物高值普遍出現在1～2月和11～12月，低值出現在7～9月，而臭氧則正好相反。非甲烷總烴高值出現時段與常規6參數(除臭氧外)以及碳組分基本一致，但低值出現在4～7月，見表2。

表2 2021年綿陽市城區環境空氣污染物濃度統計Tab.2 Statistics of air pollutant concentrations in Mianyang City in 2021 (μg/m3)

續表2

2.1 非甲烷總烴變化特征

2月份處于冬季和春節假期，受不利氣象條件以及春節期間的居民生活及機動車使用強度增加，造成直接排放的一次污染物SO2、NO2、CO及非甲烷總烴等偏高，濃度較整個全年相比處于較高水平。同時由于冬季綿陽市城區氣象擴散條件較差，容易造成污染物累積；在這種光照較弱、低溫、高濕的靜穩氣象條件下，非甲烷總烴與NOX、CO等光化學反應能力較低，二次反應生成的O3較少[9]，被消耗的非甲烷總烴較少，這也是綿陽市城區冬季非甲烷總烴濃度較高的一個原因。綿陽市城區非甲烷總烴濃度時間變化規律為夏季與秋季較低，春季與冬季較高。

2.2 OC/EC變化特征

2021年綿陽市OC月均濃度為4.0～20.1μg/m3，EC月均濃度為0.4～2.7μg/m3，OC和EC均呈現出冬季>秋季>春季>夏季的季節特征。研究表明[10]，OC/EC值大于2時，可認為有二次有機碳(SOC)的生成。2021年綿陽市OC/EC比值范圍為4.9～10.7，表明全年均存在二次污染反應生成的SOC；OC/EC比值呈現夏季>春季>冬季>秋季的季節特征，可能是因為夏季光化學反應活躍，部分一次有機碳(POC)經二次轉化形成了SOC。

2.3 環境空氣中污染物主要來源

根據《綿陽市大氣污染源排放清單建立研究報告》，綿陽市SO2主要受工業過程源、固定燃燒源和道路移動源影響，排放行業主要為燃煤電廠、燃煤鍋爐以及磚瓦、水泥等建材行業；NOX受移動源影響明顯，其次為工業過程源和固定燃燒源，主要排放行業為柴油車、建材行業、電廠、工業鍋爐；工業過程源對CO貢獻突出，主要排放行業為電廠、鍋爐、水泥、磚瓦、石灰石膏、化工、小型載客汽油車等行業；PM10、PM2.5均主要受工業過程源和揚塵源影響，其中PM10主要來源于道路交通、建筑或市政施工等，PM2.5還受到建材、化工、生物質燃燒、鋼鐵等行業影響；對OC來說，固定燃燒源、生物質燃燒是主要貢獻源，工業過程源對OC也有較大貢獻，包括直接排放的POC和經過光化學反應形成的SOC，而EC則主要來源于生物質或化石燃料等不完全燃燒排放。

O3并非來自污染源直接排放，其形成機制非常復雜，主要原因是揮發性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOX)等臭氧前體物在強日照、高氣溫、少云量、弱風力、少降雨等不利氣象條件下，發生光化學反應所產生的二次污染物。根據《綿陽市臭氧和顆粒物來源解析研究報告》，綿陽市VOCs(含非甲烷總烴)主要來源于道路移動源、工業過程源、溶劑使用源，主要來源行業為汽油小客車、摩托車、化工、酒與飲料以及木制品加工、印刷印染、電子、工業涂裝等溶劑使用行業。

2.4 非甲烷總烴與常規6參數及碳組分的相關性

從分析結果上看，非甲烷總烴與NO2、CO、PM2.5、PM10、OC、EC呈顯著正相關性，與O3呈顯著負相關性，與SO2無明顯相關性，見表3。

從建設街站及市人大站周邊環境分析，兩個站點均位于主城區，周邊以行政辦公及居民生活為主，日常機動車流量較大，堵車現象時常發生，導致汽車尾氣排放量較大。NO2、CO與非甲烷總烴呈顯著正相關性，說明非甲烷總烴與NO2和CO的來源基本一致，大部分來源于機動車尾氣，這與陳成淼[2]、雷熊[6]、杜玥萱[11]等的研究結果類似。

非甲烷總烴與PM2.5呈顯著正相關，同時非甲烷總烴與PM2.5中OC、EC也為顯著性正相關，相關性系數分別為0.477和0.547，顯然，非甲烷總烴與PM2.5及OC來源基本一致，說明綿陽市城區部分非甲烷總烴會通過化學反應生成二次有機氣溶膠。

從表3可見，非甲烷總烴濃度與二次污染物O3濃度呈低度負相關，相關性系數為-0.161。根據《綿陽市臭氧和顆粒物來源解析研究報告》，綿陽市人為源VOCs組分中烷烴和芳香烴對綿陽市貢獻占比相當，分別為30.4%和28.8%，其次為含氧化合物，占比為25.2%。從綿陽市各物種的臭氧生成潛勢(OFP)來看，烯烴貢獻最大，約占86.1%，其次是芳香烴和含氧化合物，分別占6.9%和5.0%。非甲烷總烴作為O3的前體物有顯著的季節變化，在低濕度、強光照和高溫條件下，近地面光化學反應條件較好，造成非甲烷總烴通過二次反應生成O3，從而成為夏季O3升高的原因之一，同時導致綿陽市城區的非甲烷總烴在夏季濃度偏低。

2.5 非甲烷總烴與氣象因子的關系

2021年綿陽市城區建設街站的氣象數據統計結果見圖2。

圖2 2021年綿陽市城區氣溫、風速、相對濕度和大氣壓月變化情況Fig.2 Monthly variation chart of temperature，wind speed，relative humidity and atmospheric pressure in Mianyang City in 2021

運用SPSS 26.0 軟件中的皮爾遜相關系數對綿陽市城區環境空氣中非甲烷總烴含量與相對濕度、氣溫、大氣壓、風向、風速等氣象因子進行分析。結果表明，非甲烷總烴與氣溫和風速呈顯著負相關，與大氣壓呈顯著正相關，與相對濕度無明顯相關性，見表4。

表4 非甲烷總烴與氣象因子相關性Tab.4 The correlation between NMHC and meteorological factors

運用SPSS 26.0 軟件中灰色關聯分析法對綿陽市城區環境空氣中非甲烷總烴含量與相對濕度、氣溫、大氣壓和風速等氣象因子進行分析。結果表明，風速對非甲烷總烴的影響最大，大氣壓和相對濕度次之，氣溫對非甲烷總烴的影響則相對最小，見表4。

綿陽中心城區東北西南向條帶狀，地處淺丘，“四山”(東旗、西鼓、南蛇、北龜)作固，“三水”(涪江、安昌河、芙蓉溪)環抱，中心城區地勢相對較低。逆溫現象在冬季頻繁出現，加之同期邊界層較低，主風向為東南風，晝間(尤其是下午14點之后)近地面有明顯升溫過程，隨著氣壓逐漸升高，造成郊區近地面氣溫升高速度比城區快，導致污染物從郊區向城區聚集；同時由于非甲烷總烴發生光化學反應速率小于累積速率，加之受逆溫層影響，導致城區垂直方向上的空氣流動性較差，進而造成環境空氣中非甲烷總烴濃度升高，因此氣壓升高是非甲烷總烴濃度升高的一個因素。

氣溫是影響光化學反應的重要因素，有研究表明，溫度越高，太陽輻射越強，光化學反應也越強，使得O3的生成加快[12]，非甲烷總烴作為O3前體物的消耗速率也加快。由表4可見，綿陽市城區的非甲烷總烴與氣溫呈顯著負相關。

從全年情況來看，相對濕度在63.9%～79.9%之間波動，波動浮動不大。非甲烷總烴與相對濕度無顯著相關性，影響程度也不大，見表4。

風速是決定大氣污染物稀釋程度的重要因素之一，與大氣稀釋擴散能力之間存在著直接對應關系。當其它條件相同時，下風向上的污染物濃度與風速成反比關系。由表4可見，非甲烷總烴與風速呈顯著負相關，灰色關聯度為-0.655。說明風速越高，大氣擴散稀釋能力就越強，非甲烷總烴濃度也就越低。

從圖3可以看出，2021年建設街站主要受到東風和東南風的影響，西北、北、東北方向風頻很低。建設街站點東南方向350m即為市人大國控站點，推測市人大國控站點周邊的移動源和工業園排放是非甲烷總烴的主要來源，餐飲油煙和加油站也存在一定的貢獻。

圖3 2021年非甲烷總烴污染玫瑰圖Fig.3 Rose Chart of NMHC in 2021

3 結 論

(1)2021年綿陽市城區非甲烷總烴的平均濃度為225μg/m3，時間變化規律為夏季與秋季較低，春季與冬季較高。非甲烷總烴主要來自于工業污染源以及機動車尾氣的排放。

(2)綿陽市城區環境空氣中非甲烷總烴濃度與SO2無明顯相關性，與O3呈負相關，與PM2.5、PM10、NO2、CO以及OC、EC均呈顯著正相關。

(3)綿陽市城區環境空氣中非甲烷總烴濃度與氣溫和風速呈顯著負相關，與氣壓呈極顯著正相關，與相對濕度無明顯相關性。其中，氣溫對非甲烷總烴的影響則相對最小，大氣壓和相對濕度次之，而風速對非甲烷總烴的影響最大。

(4)綿陽市城區非甲烷總烴主要是受東南風和東風的影響，其主要來自市人大國控站點周邊的移動源和工業園排放，以及餐飲油煙和加油站的影響。