面对严重的大气颗粒物污染问题，华南工业城市东莞探索出保障环境与经济协同发展的成功经验。这种经验对正在实施工业倍增计划的华中地区重要工业城市武汉具有重要借鉴作用。基于进一步改善环境空气质量的国家要求，本论文拟在东莞/武汉两地城市区域，开展大气颗粒物理化特性研究。重点考察PM1.0、PM2.5、PM10中的9种水溶性离子、元素组分、16种多环芳烃（PAHs）和C10~C36正构烷烃的污染特征，探究两个城市大气颗粒物污染的异同点及其原因，以期为改善两地环境空气质量，尤其是为制定大气颗粒物污染防治对策提供理论依据。主要研究结论如下：
（1）采用数理统计方法分析了东莞/武汉两地城市区域颗粒物的浓度水平、污染物年排放总量和气象等参数，发现武汉大气颗粒物污染整体较东莞严重。武汉PM1.0的年均浓度为82μg/m3，是东莞的1.86倍；PM1.0/PM2.5、PM1.0/PM10均值分别为0.81和0.67，分别为东莞城区的1.25倍和1.59倍。造成这种差别的原因之一是武汉市颗粒物排放总量大大超过东莞市，而大气扩散条件又比东莞差。
（2）大气颗粒物理化性质的时空分布研究显示，东莞/武汉城市区域颗粒物浓度、水溶性离子浓度、元素组分及有机组分均呈现出不同的季节性分布特征。其中：颗粒物浓度、水溶性离子浓度、多环芳烃和正构烷烃的浓度呈现“冬高夏低”特征，元素浓度却为“春高夏低”。但东莞城区PM1.0/PM2.5、PM1.0/PM10比值则是冬季最高，秋季次之，而武汉则是夏季最高，冬季次之。以上两地理化特性季节差异的主要原因为：亚热带海洋性季风气候和亚热带湿润性季风气候造成两地气象条件的季节差异、海盐粗粒子的输入和北方沙尘的输入。
（3）基于颗粒物上阴阳离子电荷平衡理论和线性回归分析发现，东莞/武汉两地城市区域颗粒物的酸性特征和离子赋存形式存在明显差异。其中，东莞的水溶性离子SO42-和NH4+主要以NH4HSO4形态存在，武汉则主要以(NH4)2SO4形态存在。这导致东莞的细粒子PM1.0、PM2.5偏酸性，而武汉的PM1.0、PM2.5相对偏碱性。这一结果可能是由于武汉城市区域周边农业源比重大于东莞市，使得农业源排放更多NH3进入颗粒物中形成NH4+所致。
（4）根据质量平衡原理开展了颗粒物的化学组分质量闭合分析研究，发现东莞/武汉两地城市区域大气颗粒物中主要化学组分存在明显差异，尤其在细颗粒物PM1.0中。其中，东莞城市区域的首要物质可能为有机物，而武汉的则为SO42-/NO3-/NH4+（简称SNA）。两地工业结构的巨大差异，可能是造成颗粒物中主要化学组分差异的重要原因。
（5）颗粒物的粒径分布特征研究表明，东莞/武汉两地城市区域大气颗粒物中水溶性离子、元素组分和有机组分具有相同的分布特征，即SNA、K+和Cl-均主要分布在细粒子PM1.0上，而Na+、Ca2+、Mg2+和F-主要分布在粗粒子PM2.5~10上。同时，重金属元素、PAHs和正构烷烃也主要分布在亚微米粒子PM1.0中。因此，从人体健康角度考虑，更应关注亚微米粒子PM1.0的污染治理。
（6）颗粒物的水溶性离子和元素组分含量分析结果显示，东莞/武汉两地城市区域不同粒径中的浓度存在明显差异。其中，东莞PM1.0中Na+和Mg2+分别为武汉的1.23倍和1.35倍，而武汉城市区域PM1.0中的K+含量则是东莞的1.81倍。同时，除Na、Mg和Ca元素外，武汉城区PM1.0中元素组分浓度整体高于东莞城区，尤其是Cd和As，分别是东莞城区PM1.0中对应元素浓度的16.3倍和5.1倍。东莞不同功能区颗粒物中有机组分分析结果显示，不同功能区的大气PM1.0中正构烷烃的碳数分布较为相近，而16种PAHs的浓度分布却存在差异。
基于特定比值法发现，东莞PM1.0中Na+和Mg2+比武汉高的原因是东莞细颗粒物中含有大量的海盐气溶胶带来的Na+和Mg2+，而武汉周边地区生物质燃烧使得PM1.0中的K+含量远高于东莞；基于富集因子法和主成分分析法发现，冶金炼钢、燃煤发电是造成武汉城区PM1.0中Cd和As的浓度和富集因子明显高于东莞城区的重要原因。基于主峰碳数、碳优势指数和植物蜡排放贡献率法，东莞工业区和生活区PM1.0中正构烷烃的首要贡献源均为化石燃料燃烧，贡献率分别为84.1％和83.6%。而基于PAHs的特定比值法发现，东莞工业区和生活区对PM1.0中PAHs的贡献源存在差异。
（7）通过主成分分析法（PCA）对两地城区大气颗粒物进行了来源解析，结果显示两地大气颗粒物的贡献源均包括：二次无机源、燃煤源、机动车尾气源和建筑/土壤混合扬尘源。而武汉城区还包括冶金源、水泥/玻璃工业混合源、生物质燃烧源以及机动车机械摩擦源，它们对武汉城区PM1.0的贡献量分别为12.63μg/m3、8.45μg/m3、7.46μg/m3和1.97μg/m3；东莞城区则还包括工业源和海洋源，它们对东莞城区PM1.0的贡献量分别为8.76μg/m3和1.19μg/m3。尽管不同粒子的主要贡献源类型相近，但同类源对不同粒子的贡献率存在明显差异。
（8）通过比较两地城区不同季节霾日与非霾日的大气颗粒物理化特性差异发现，东莞/武汉两地城区不同季节霾日PM1.0的理化特性和气象特征存在明显差异。同时，基于大气复合污染在线监测系统数据，并通过正定矩阵分解法（PMF）和K-均值聚类分析的方法对2013年武汉春节至元宵节期间的PM2.5进行来源解析，结果表明春节间武汉城区PM2.5的贡献源包括机动车尾气源、燃煤源、本地冶金源、二次无机源、烟花源、本地玻璃/水泥工业源和道路扬尘源，对其质量的贡献率分别为20.7%、17.9%、13.8%、13.2%、9.2%、9.0%和5.4%。此外，研究期间武汉城区PM2.5中的Pb主要来自燃煤源。
总之，较PM2.5，亚微米粒子PM1.0是更能代表主要受人为源影响的粒子，同时东莞武汉两地城区大气颗粒物的理化特性和来源存在显著差异。因此，在借鉴大气颗粒物治理经验的同时还需因地制宜，提出有针对性的本地化措施。
- 作 者：
- 刘立
- 学科专业：
- 环境工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 华中科技大学
- 导师姓名：
- 胡辉
- 学位年度：
- 2016
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
