环境科学  2024, Vol. 45 Issue (11): 6255-6266   PDF    
漯河市夏季大气挥发性有机物变化特征和来源解析
黄竞钢1, 薛爽2, 牛大伟3, 郑之龄1, 马志强4, 林伟立1     
1. 民族地区生态环境国家民委重点实验室(中央民族大学), 北京 100081;
2. 中国环境科学研究院, 北京 100012;
3. 漯河市环境监控中心, 漯河 462000;
4. 北京城市气象研究院, 北京 100089
摘要: 漯河市是中原城市群重要的节点城市, 近年来大气臭氧(O3)污染情势严峻.为此, 于2022年7月在漯河市开展O3前体物挥发性有机物(VOCs)的在线观测, 分析其变化特征并进行来源解析, 为O3污染控制提供科学依据.观测期间φ(TVOCs)的均值为(16.49±5.73)×10-9. 其中, 烷烃(33.7%)、含氧有机物OVOC(24.0%)和卤代烃(21.9%)占比前3.源解析结果表明, 主要VOCs来源(贡献)分别有天然气(NG)使用(20.1%)、区域输送(14.8%)、溶剂使用(14.2%)、汽油车排放(12.3%)、工业排放(11.6%)、柴油车排放(10.5%)、液化石油气(LPG)使用(9.8%)和植物排放(6.7%). OVOC对臭氧生成潜势(OFP)和自由基损耗速率(L·OH)贡献最大.结果表明, 机动车尾气贡献(22.8%)是漯河市VOCs的首要来源, 但其它来源复杂且相对均衡, 需要制定有针对性的综合防治措施.
关键词: 挥发性有机物(VOCs)      正定矩阵因子分解模型(PMF)      来源解析      漯河      变化特征     
Characteristics and Sources of Volatile Organic Compounds (VOCs) in Luohe City During Summer
HUANG Jing-gang1 , XUE Shuang2 , NIU Da-wei3 , ZHENG Zhi-ling1 , MA Zhi-qiang4 , LIN Wei-li1     
1. Key Laboratory of Ecology and Environment in Minority Areas (Minzu University of China), National Ethnic Affairs Commission, Beijing 100081, China;
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. Environmental Monitoring Center of Luohe City, Luohe 462000, China;
4. Institute of Urban Meteorology, CMA, Beijing, Beijing 100089, China
Abstract: Luohe City is an important node city in the Central Plains Urban Agglomeration in China, where the atmospheric ozone (O3) pollution situation has been serious in recent years. In order to provide a scientific basis for O3 pollution control, the online filed observation of O3 precursor volatile organic compounds (VOCs) was carried out in Luohe City in July 2022 to understand their variation characteristics and sources. The mean ratio of φ(TVOCs) during the observation period was (16.49±5.73)×10-9. Among them, alkane (33.7%), oxygenated volatile organic compounds OVOC (24.0%), and halohydrocarbon (21.9%) accounted for the top three. The results from source apportionment showed that the main VOCs sources (contributions) included the natural gas (NG) use (20.1%), regional transport (14.8%), solvent use (14.2%), gasoline vehicle emissions (12.3%), industrial emissions (11.6%), diesel vehicle emissions (10.5%), liquefied petroleum gas (LPG) use (9.8%), and plant emissions (6.7%). OVOC contributed the most to ozone formation potential (OFP) and free radical loss rate (L·OH). The results showed that the contribution of motor vehicle exhaust (> 22.8%) was the primary source of VOCs in Luohe City. However, other sources were complex and with comparable contributions, requiring the development of targeted and comprehensive prevention and control measures.
Key words: volatile organic compounds (VOCs)      positive matrix factorization model (PMF)      source apportionment      Luohe City      variation characteristics     

挥发性有机化合物(VOCs)是O3[1]、二次有机气溶胶和过氧酰基硝酸酯的重要前体物[2, 3], 会影响人体健康[4]、植物发育[5]、空气质量[6]和辐射收支[7]等.近几十年来, 随着中国经济发展和城市化进程的加快, 伴随着严重的空气污染问题[8, 9]. 2013年《大气污染防治行动计划》颁布后, PM2.5污染得到一定程度的缓解[10], 但O3污染不容乐观, 特别在人口稠密地区[11].中国NOx排放总量自2011年起开始下降, 而VOCs的排放却逐年上升[12, 13], 因此了解VOCs的污染特征对臭氧控制有重要意义.

近年来许多中小型城市的O3污染在加重.然而, 当前对O3和VOCs的研究多集中在大城市, 缺少对中小型城市的研究[14].城市规模、人口和产业结构等特征都会影响城市的VOCs污染特征[15, 16].中小型城市更依赖第二产业来带动经济发展, 大城市则倾向于发展第三产业, 且在城市规模和人口上二者之间的差别大, 在污染物排放特征上会有显著的差异.因此, 开展中小型城市的VOCs研究非常迫切和必要.

漯河市坐落于河南省中南部, 其主要产业是食品加工、机械装备和医药制造等, 同时也是一个农业城市.自2013年以来, 漯河市的O3污染严峻[17], 但缺乏VOCs的相关研究.为了探究漯河市的VOCs污染特征, 并识别其主要来源及贡献, 于2022年7月在漯河市开展了VOCs在线观测, 通过获取VOCs污染特征和来源, 以期为O3污染控制提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 观测站点

站点位于河南省漯河市郾城区社会主义学院综合楼5楼(33.60°N, 114.06°E), 采样口伸出房顶1.5 m.如图 1所示, 站点西和南两侧临近主干道, 西侧有一工业区, 周边被大量植被和住宅包围.

图 1 观测点及周边环境示意 Fig. 1 Location of the observation site and surrounding environment

1.2 污染物与气象要素观测

使用低温预浓缩与气相色谱⁃质谱/氢火焰离子化检测器(GC-MS/FID)联用分析仪(5800-GM型, Thermo Scientific, USA)在线测量大气中的VOCs.在60 mL·min-1的采样流量下, 样气经过颗粒物过滤和低温干燥除水后, VOCs在低温(5℃)冷阱中富集33 min, 然后快速加热到230℃解析, 进入双色谱柱分离和检测.每3 d通入零气和稀释到体积分数为2×10-9的标气(115种VOCs/N2混合气, 体积分数为1×10-6;美国Linde公司)进行零和跨检查.MS还使用了一溴一氯甲烷、1, 4-二氟苯、氯苯-D5和4-溴氟苯作为内标.使用标准气配置7个体积分数梯度建立标准曲线.目标VOCs及其标准曲线R2表 1所示, 方法检测限在0.007×10-9 ~ 0.095×10-9.所测量的115种VOCs, 包括29种烷烃、11种烯烃、35种卤代烃、17种芳香烃、21种OVOCs、1种含硫化合物和1种炔烃.在2022年7月5~31日期间, 共获得540组有效数据.利用定期的零和跨检查结果, 假定仪器在没有进行响应系数调整或维护的情况下, 相邻两次跨检查之间仪器的响应系数随时间线性变化, 则通过线性插值获得相邻两次跨检查期内的其它时间的响应系数, 从而对数据进行订正.订正后, 115种目标VOCs的零点结果均为0.00×10-9, 跨点结果均为2.00×10-9.

表 1 115种目标VOCs标准曲线R2 Table 1 Standard curve R2 for 115 target VOCs

观测站点同时有NO2、O3、CO和SO2等其它污染物和气象参数(风向、风速、温度和相对湿度)的观测. NO2、SO2、CO和O3分别使用美国ThermoFisher Scientific公司生产的42i、43i、48i和49i型号仪器测量, 质控方案参考HJ 818-2018.气象参数由VAISALA公司生产的WXT530型气象站测量.

1.3 臭氧生成潜势(OFP)和自由基损耗速率(L·OH

最大反应增量(MIR)被广泛用于量化不同VOCs发生光化学反应时对OFP的贡献[18].OFP计算结果指明单一物种对O3生成的最大贡献, 具体计算见式(1):

(1)

式中, OFPi为物种i的OFP;MIRi为物种i的最大反应增量, 其值取自一项基于广州市大气环境的研究[19].

每种VOCs的L·OH值通过式(2)计算[20]

(2)

式中, L·OHi为物种iL·OHk·OHi为物种i与·OH的反应速率常数;式(1)和式(2)中的[VOCi]为物种i在环境中的体积分数.

1.4 初始VOCs体积分数计算

为减小光化学损耗对源解析的影响, 使用Mckeen等[21]提出的光化学特征物种比值法来计算初始VOCs体积分数.此方法假设VOCs同源, 光化学损耗均来自·OH的消耗.利用同源性好的乙苯和间/对-二甲苯与·OH反应速率差(反应速率常数分别为7×10-12和1.87×10-11)及其体积分数来间接获得·OH体积分数, 进而计算初始VOCs体积分数.具体公式为:

(3)
(4)

式中, Δt为气团老化时间, 即光化学龄;[·OH]为·OH的体积分数平均值;kEkX分别为乙苯和间/对-二甲苯与·OH的反应速率常数;E/X|t0和E/X|t分别为乙苯与间/对-二甲苯的初始和观测体积分数比;[VOCi]t0和[VOCi]t分别为VOCi的初始和观测体积分数;ki为VOCi与·OH的反应速率常数. E/X|t0选取方法参考Liu等[22]的研究.E/X在00:00~05:00的时间内的变化较为平稳(0.30~0.33), 且该时段的NOx/NOy值均大于0.8, 因此取00:00~05:00时段内E/X均值(0.31)作为初始体积分数比进行计算.由于异戊二烯主要来自植物源, 这与上述方法的假设相悖.因此使用连续反应模型法计算初始异戊二烯体积分数[23]

(5)
(6)

式中, [MACR]t为甲基丙烯醛在时间为t时的观测体积分数;[ISOP]t为异戊二烯在时间为t时的观测体积分数;kISOP为异戊二烯与·OH的反应速率常数;kMACR为甲基丙烯醛与·OH的反应速率常数;[ISOP]0为异戊二烯的初始体积分数.式(3)~(6)仅适用于计算07:00~18:00时段的初始VOCs体积分数.

1.5 来源解析

使用USA EPA(美国环保署)推荐的正定矩阵因子分解模型(PMF5.0)进行VOCs来源解析[24]

(7)

式中, Xij为第i个样品中测量的第j个化学物种浓度;gik为第k个来源对第i个样品的物种贡献;fkj为第k个来源的第j个物种的物种体积分数;eij为第i个样品中第j个物种的残差矩阵.PMF通过最小化函数Q来输出因子贡献和源谱:

(8)

式中, mn分别为物种数和样本数, uij为样本i中物种j的不确定性.样本数据不确定性的计算为:

(9)
(10)

式中, MDL为方法最低检测限;EF为每个物种的误差系数, 其值设为20%[25]φ为每个物种的体积分数.如果样本数据低于MDL, 采用式(9)计算Unc, 否则采用式(10)计算.

在选取输入PMF模型的VOCs物种时, 遵循以下原则[26, 27]:①排除样本缺失比例相对较高或超过50%浓度值低于MDL的物种;②排除高活性的挥发性有机物物种;③纳入典型的源示踪剂.

1.6 条件二元概率函数(CBPF)

CBPF通过统计在不同风向和风速下超过设定阈值的观测浓度的比例分布, 以辅助判断周边排放源的影响[28].将风速和风向数据与PMF模型解析的因子结果相结合, 可定位区域输送和局部排放对VOCs的影响[29].CBPF可表示为:

(11)

式中, CBPFΔθ, Δμ为在风速和风向区间分别为Δμ和Δθ的范围内超过阈值的概率;mΔθ, Δμ为在同样范围内超过阈值的样本数;nΔθ, Δμ为在同样范围内的总样本数.将阈值设为每个源贡献的第75百分位数, 以确保仅使用“高”值来确定源的方向.该函数由Uria-Tellaetxe和Carslaw开发, 并在RStudio中使用“openair”包进行分析[30].

2 结果与讨论 2.1 漯河VOCs的浓度水平和组成

φ(TVOCs)范围为8.54×10-9 ~ 40.72×10-9, 平均值为(16.49±5.73)×10-9.如表 2所示, 漯河φ(TVOCs)明显低于郑州(29.46×10-9)和北京(27.90×10-9)等特大城市, 以及新乡(37.42×10-9)、芜湖(31.24×10-9)和湛江(127.55×10-9)等中大型城市, 甚至低于旅游城市桂林(23.67×10-9).漯河φ(TVOCs)也分别比北京郊区怀柔(18.30×10-9)和上海郊区淀山湖(32.70×10-9)低11%和98%.烷烃是漯河夏季VOCs的主要贡献组分(33.7%), 其体积分数[(5.55±2.46)×10-9]小于2020年苏州(16.58×10-9)和2022年北京(9.68×10-9)的值;比背景站秋冬季的结果低53%[31];比山东农村夏季的结果低18%[32].含氧有机物(OVOC)是贡献占比排名第2(24.0%)的组分, 其体积分数[(3.96±2.66)×10-9]低于成都(8.72×10-9), 高于广州(1.48×10-9), 与武当山背景点(2.96×10-9)相当.卤代烃是贡献占比排名第3(21.9%)的组分, 其体积分数[(3.62±1.21)×10-9]接近广州(3.53×10-9)和北京(3.52×10-9)夏季的水平, 低于郑州(5.69×10-9)和新乡(6.33×10-9)等城市.芳香烃[(0.99±0.79)×10-9]、炔烃[(0.96±0.44)×10-9]、烯烃[(0.89±0.55)×10-9]和其他(异戊二烯+二硫化碳)[(0.51±0.53)×10-9]在TVOCs中的占比相对较低, 分别为6.0%、5.8%、5.4%和3.1%.漯河芳香烃和烯烃体积分数分别高于武当山背景点的(0.40×10-9)和(0.43×10-9).漯河炔烃体积分数水平与怀柔(0.93×10-9)、湛江(0.99×10-9)相当.按占比由大到小排序, 前10的VOCs物种分别为乙烷(12.0%)、一氯甲烷(7.3%)、丙烷(7.2%)、乙醛(6.9%)、乙炔(5.8%)、二氯甲烷(4.9%)、异戊烷(4.4%)、乙烯(3.7%)、正丁烷(3.6%)和甲苯(2.7%), 占φ(TVOCs)的58.5%.总体比较而言, 漯河的TVOCs体积分数处于相对较低水平, 甚至低于旅游城市和郊区.结合不同城市O3和NO2浓度水平的比较(图 2), 漯河的NO2浓度水平也相对较低, 然而O3浓度却相对较高.其原因有待于进一步地研究.

表 2 不同城市的平均TVOCs体积分数和组分构成1) Table 2 Average mixing ratios and component composition of TVOCs in different cities

图 2 观测期间漯河与其他城市的NO2浓度和O3MAD8浓度分布情况 Fig. 2 Comparisons of the NO2 and the daily maximum 8-h average O3 (O3MAD8) concentrations in different cities during the observation period

2.2 漯河VOCs的变化特征

图 3为不同组分VOCs、NO2和O3小时均值浓度的时间序列和不同组分VOCs日变化分布, 7月11日到7月13日期间和7月18日到7月19日期间VOCs数据缺失分别是仪器维护和绘制标准曲线导致的, 其余时间的VOCs数据缺失是零和跨检查造成的.表 3为不同参数之间的相关性分析结果. TVOCs存在明显的日间变化, 与NO2变化较为同步, 其峰值的出现早于O3.因为TVOCs和NO2是O3的重要前体物.整个观测期间内, 不同VOCs组分和TVOCs的变化趋势基本相同, 相关系数为0.53~0.78, 表明他们之间有相同或相近的来源. TVOCs在7月7日、7月8日、7月14日和7月18日出现高值.在7月7日和7月8日OVOC占比增加, 7月14日烷烃占比增加, 7月18日则为OVOC和烷烃的占比增加, 显示出VOCs源汇的复杂性.

图 3 2022年观测期间O3、NO2和不同组分VOCs的时间序列和不同组分VOCs日变化分布 Fig. 3 Time series of O3, NO2, and different VOCs and average diurnal variations in different VOCs in 2022

表 3 不同组分VOCs、TVOCs、O3、NO2和气象因素的小时均值之间的相关性1) Table 3 Correlations between hourly mean values of different component VOCs, TVOCs, O3, NO2, and meteorological factors

不同VOCs组分与温度、风速之间呈显著负相关(表 3).高温伴随强日照促进光化学反应进行, 风速上升能加快污染物的扩散, 导致VOCs的下降[45].烷烃、炔烃和芳香烃的日变化特征为双峰结构[图 3(b)], 这与直接排放有关[46].常见的烷烃一次来源有车辆排放、液化石油气和天然气的使用[47, 48], 炔烃则是不完全燃烧的指示剂[49], 交通、溶剂使用和工业生产会释放芳香烃[50].OVOC既有一次排放也有二次生成.OVOC日变化呈单峰结构, 峰值出现在17:00并维持高浓度水平到22:00.OVOC在白天日照强的时段出现低值, 这表明二次生成对OVOC的贡献不显著.车辆(如柴油车)排放是城市OVOC的重要来源[51].OVOC夜间的高值可能是由于限行措施, 柴油车在夜间运输量大所致.卤代烃的化学活性普遍较低, 日变化呈单峰结构, 峰值出现在早高峰时间段, 这可能与人为源有关[52].卤代烃一次源有生物质燃烧[53], 其体积分数在13:00有小幅上升, 考虑到观测点周边有大量农田和农村, 因此生物质燃烧对环境中卤素有一定贡献.烯烃日变化为单峰型, 与交通早高峰时间契合, 以一次排放为主.

2.3 来源解析 2.3.1 特征物质比值法判定

特征物种的比值可在一定程度上识别VOCs的来源.甲苯和苯是典型的人为一次源的标志物.水稻、小麦和玉米秸秆的燃烧排放中甲苯/苯值范围为0.2~0.6[54];不同类型和燃料车辆排放的甲苯/苯值分布为0.9~2.2[55];工业过程排放中, 甲苯/苯值在3~6.9 [56];工业排放和溶剂使用排放的甲苯/苯值处于1~100 [57].从图 4(a)中可看到, 大部分甲苯/苯值落在(0.2~0.6)和(> 1)的集合内, 这说明漯河城区的生物质燃烧、交通排放、工业生产和溶剂使用对环境VOCs影响较大.燃煤过程的异戊烷/正戊烷值是0.56~0.8;液化石油气(LPG)使用是2.2~3.8;车辆排放是1.5~3.0[58, 59].多数异戊烷/正戊烷值处于大于1.5小于3.8的范围[图 4(b)], 表明LPG使用和车辆燃料燃烧对漯河VOCs影响较大.乙烷和丙烷是LPG和天然气(NG)的主要成分[60, 61], 因此丙烷/乙烷值可用于判断LPG和NG对环境VOCs浓度水平的影响.西安的公交车和出租车使用双燃料(汽油和NG), 导致西安的丙烷/乙烷值多数分布在0.5~1.0的区间内[55], 漯河的公交车和出租车也使用双燃料, 且漯河的丙烷/乙烷值大多也分布在0.5~1.0范围内[图 4(c)], 说明NG使用是漯河VOCs的一个重要来源.特征物种对只能对样本来源进行简单分析, 更具体的来源解析需要通过PMF模型计算.

图 4 甲苯和苯、异戊烷和正戊烷以及丙烷和乙烷的线性相关性分布 Fig. 4 Linear correlation distribution between toluene, benzene, i-pentane, and n-pentane, as well as propane and ethane

2.3.2 PMF源解析

按照1.5节的原则共选择了28个VOCs物种(分别占观测TVOCs、总OFP、L·OH的79%、75%、72%)和3种无机污染物(SO2、NO2、CO)进行来源解析.为降低化学转化对源解析结果的影响, 运用1.4节的方法计算28种VOCs的初始VOCs体积分数并输入进PMF模型中, 模型计算体积分数与观测体积分数拟合度较好(斜率=0.88, R2=0.92), Qtrue/Qexp值为1.24.最后确定的8个因子源谱如图 5(a)所示, 每个因子的VOCs体积分数平均日变化和贡献率分别如图 5(b)图 5(c)所示.图 5(d)~(k)展示了不同因子VOCs体积分数、风速和风向的CBPF分布.

(a)PMF解析因子的源谱, 1.苯, 2.甲苯, 3.乙苯, 4.氟利昂12, 5.一氯甲烷, 6.氟利昂11, 7.二氯甲烷, 8.氟利昂113, 9.三氯甲烷, 10. 1, 2-二氯乙烷, 11.四氯化碳, 12. 1, 2-二氯丙烷, 13.丙烯醛, 14.丙酮, 15.乙醛, 16.丙醛, 17.正丁烷, 18.异戊烷, 19.正戊烷, 20.2-甲基戊烷, 21.异丁烷, 22.正丁烯, 23.异戊二烯, 24.乙烷, 25.丙烷, 26.乙烯, 27.丙烯, 28.乙炔, 29.SO2, 30.NO2, 31, CO;(b)PMF解析因子的平均日变化;(c)PMF解析因子的贡献率;(d)~(k)PMF解析因子的CBPF分布情况, 灰色圆环数值表示风速, 单位为m·s-1 图 5 PMF解析因子的源谱、平均日变化、贡献率和CBPF分布情况 Fig. 5 Source profile, average diurnal variation, contribution rate and CBPF distribution of PMF resolution factors

因子1中, 氟利昂12、氟利昂11、氟利昂113和四氯化碳的占比高(40%~51%).氯氟烃的生产和使用已被禁止, 它们在大气中的浓度日变化较为平稳, 因此通常指示着环境背景[62, 63].此外, OVOC如丙烯醛、丙酮、丙醛和乙醛的占比也高(34%~47%), 且丙酮和丙醛之间的相关性为0.98, 说明两者有相同或相近的源.在市内道路和高速公路上行驶的重型柴油车排放源中OVOC的占比超过50%[64].生物质燃料是我国农村地区重要的燃料之一, 一氯甲烷是其特征示踪物[65], 在该因子中贡献29%.此外, 因子中高的SO2、CO的贡献(43%、30%)也说明与燃料燃烧有关[66].综上, 因子1表现出背景、远距离运输排放和生物质燃烧贡献的区域性特征.因子1日变化是双峰结构, 峰值分别出现在20:00和03:00, 并且在下午到夜间维持较高的水平[图 5(b)].因子1的高值受东北方向的盛行风主导[图 5(d)].东北方向分布有大量农田和农村, 多个物流基地和两条交通干线(G329、G4).因此因子1指示着主要来自东北方向的区域输送源.

因子2是柴油车尾气.柴油车尾气的主要成分是烯烃和OVOC[64], 乙烯、丙烯、乙苯和丙烯醛在该因子中的占比较高(27%~77%), 23%占比的NO2也说明因子2与交通排放有关.此外, 因子2日变化表现为明显的早高峰和晚高峰[图 5(b)].CBPF结果显示来自东北方向气团对因子2高值的贡献较大[图 5(e)], 这是因为站点东北方向存在交通繁忙的桥梁.

在因子3中, 异戊二烯贡献(89%)突出.异戊二烯是植物排放的重要示踪物[67], 同时因子3的日变化在中午达到峰值[图 5(b)], 符合植物排放规律.因此因子3被认为是植物排放源.CBPF结果表明因子3来源在观测点东南方向[图 5(f)].

在因子4中, 1, 2-二氯乙烷、1, 2-二氯丙烷、一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷的贡献高(46%~71%), 苯、甲苯和乙苯的占比也不低(35%).上述5种卤素与家具制造、制鞋、化工和医药行业中使用的溶剂有关[68, 69], 二氯甲烷更是溶剂使用的示踪剂之一[70];BTEX也是有机溶剂中的重要组分[71].因此因子4指示着溶剂使用.因子4日变化在白天是单峰结构, 峰值出现在11:00, 并在夜间保持高值[图 5(b)]. CBPF分析结果表明该因子的高值与西方向的盛行风有关[图 5(g)], 这是因为采样点西方向有一综合工业园, 西方8.5km处有大型医药企业和综合工业园.

在因子5中, 乙醛和正丁烷的贡献高(23%~45%).如图 5(b)所示, 因子5的日变化是白天高、夜晚低的单峰结构, 因此该因子被认为是一次排放.根据漯河源清单, 烟酒制造业排放的废气中同时包含大量的乙醛和正丁烷, CBPF结果显示因子5受西北偏西的盛行风主导[图 5(h)], 该方向3~5 km处有大型烟酒制造厂.综上因子5被认为是工业排放, 如烟、酒制造排放.

因子6中, C2~C3的烷烃、乙炔和苯的占比较高(29%~72%). C2~C3的烷烃是天然气的主要成分, 乙炔和苯也是燃烧的示踪物[72].综上, 因子6指示着NG使用源.因子6日变化为双峰结构, 峰值分别出现在早高峰和夜间[图 5(b)].CBPF结果显示因子6的排放源集中在西南方向[图 5(i)].

因子7中, 正戊烷、异戊烷、2-甲基戊烷和甲苯的占比较高(43%~60%).正戊烷、异戊烷和甲苯常见于汽油车尾气当中[73], 2-甲基戊烷是汽油车排放的重要示踪物[74].因此因子7指示汽油车尾气排放源.因子7日变化同样存在明显的早、晚高峰[图 5(b)].CBPF结果与因子2类似, 东北方向气团的贡献较大[图 5(j)].

在因子8中, 正丁烷、异丁烷、丙烷和正丁烯的贡献较高(34%~44%). LPG主要成分包括正丁烷、异丁烷和丙烷[75], 因子8源谱与北京的LPG源谱相似[76].因此, 因子8归为LPG使用.因子8的日变化为双峰结构, 且在夜间保持高值[图 5(b)].CBPF结果显示该因子的高值主要与来自西北方向和北方向的盛行风有关[图 5(k)].

图 5(c)所示, NG使用、区域输送、溶剂使用、汽油车排放、烟酒制造排放、柴油车排放、LPG使用和植物排放对环境VOCs的贡献分别为20.1%、14.8%、14.2%、12.3%、11.6%、10.5%、9.8%和6.7%.与南京(61%)[77]和郑州(28%)[33]等城市类似, 机动车尾气排放是漯河夏季VOCs的首要来源(> 22.8%).NG使用是VOCs的第二大来源.NG是一种常用于家庭生活和工业生产中的清洁燃料.根据河南统计年鉴, 早在2021年, 漯河的NG普及率就已达到100%. NG也是食品加工业的重要能源;工业炉窑也使用NG替代高污染燃料.来自东北方向的区域输送是VOCs的第三主要来源, 决定了区域背景特征.

2.4 O3生成敏感源识别

从控制VOCs环境水平角度, 高强度排放源是主要减排目标.但对O3生成而言, 高活性贡献的VOCs物种控制会更加有效.OFP和L·OH可用于识别高活性物种.7月, 漯河VOCs的OFP和L·OH的均值分别是26.40×10-9和2.95 s-1, 统计结果如图 6(a)图 6(c)所示.对OFP贡献率前3的分别是OVOC(28.8%)、芳香烃(20.4%)和异戊二烯(18.1%).对L·OH贡献率前3的是OVOC(38.1%)、异戊二烯(34.3%)和烯烃(13.3%).从单一物种上看, OFP贡献率前5的依次为异戊二烯(18.1%)、乙醛(16.2%)、丙醛(8.5%)、间/对-二甲苯(8.0%)和甲苯(7.0%). L·OH贡献率前5的为异戊二烯(34.3%)、乙醛(13.8%)、丙醛(4.2%)、乙烯(4.1%)和甲基丙烯醛(3.0%).图 6(b)说明OFP主、次要来源分别是区域输送和植物排放, 图 6(d)说明L·OH主、次要来源分别是植物排放和区域输送.主要贡献物种为异戊二烯、乙醛和丙醛.

图 6 不同组分VOCs和不同源的OFP贡献率和L·OH贡献率 Fig. 6 Contribution rate of OFP and L·OH from different VOCs and different sources

3 结论

(1)观测期间漯河φ(TVOCs)为(16.49±5.73)×10-9, 其中烷烃、OVOC和卤代烃对TVOCs的贡献率分别为33.7%、24.0%和21.9%.与其它地方相比, 漯河VOCs和NO2整体处于较低水平, 然而O3浓度却相对较高.

(2)漯河大气VOCs的来源较为复杂和相对均衡, 贡献率在前4位的分别为交通排放(> 22.8%)、天然气使用(20.1%)、区域输送(14.8%)和溶剂使用(14.2%).这表明漯河需要一个综合的VOCs减排措施.

(3)OVOC和芳香烃对OFP贡献率较高, 分别为28.8%和20.4%;OVOC同时也对L·OH贡献率最高(38.1%).异戊二烯和乙醛是首要的OFP和L·OH贡献物种.

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