成都市春季污染物浓度和组分化学平衡关系的研究

成都市春季污染物浓度和组分化学平衡关系的研究

张晨炜

（郴州市气象局  423000）

摘要:本文利用2011年5月成都市大气污染物浓度逐小时检测资料和气象资料，对成都市气态污染物浓度和组分化学平衡关系进行了研究。使用污染物检测资料中含氮组分的浓度数据，计算了在检测期间发生二次污染时，气态、与颗粒态的、的平衡常数K的日平均变化，并将之与五种气象要素进行相关性分析。

关键词：；二次污染；氮平衡常数；相关性；污染防治

引言：

众所周知，大气是人们赖以生存的必备条件之一，但是近年来随着社会的发展，各种高楼，大厦，工厂一一拔地而起，经济发展的同时，随之而来的大气污染问题却也日愈严重。以成都为例，作为西南地区的经济重脉，近20年来的发展甚至可以用天翻地覆来形容，但是在环保方面，虽然其也长期进行了污染的治理工作，但是在极为有限的环境容量下，大气污染形势却依旧严峻，近几年雾霾天气发生的频次也明显的增。而雾霾现象的大面积发生，且由此所引发的空气质量问题也愈来愈引起社会的热切关注。本文主要利用了2011年5月成都的气象资料，对成都市春季污染物浓度和组分的化学平衡进行研究，以期找到一个合适的值并对成都市的大气污染防治提供依据。

1. 研究资料与方法

1.1研究资料

本资料数据的监测点选择是位于四川省成都市武侯区四川大学望江校区中心的二层建筑顶部，避开了主要的交通要道和特殊大气污染源的影响，属于商业和学校集中的区域，具有明显的城市居民生活区的特征，且该检测点符合所规定的一般大气污染检测与采样的要求。

而对的采样主要选用了武汉天虹环保产业股份有限公司研发生产的TH-150C智能中流量空气总悬浮微粒采样器，并搭配该公司研发生产的PM10-100型大气可吸入颗粒物切割器（采样头）进行。其主要的优点在于可任意设置采样时间，并自动记录检测期间的气温、风速、大气压等参数。

采样的样品是从2011年5月1日开始至5月31日结束，依次对上述监测点的进行逐日采样，每个采样品的采集时间我们设置为23个小时，且采样器的流量为100 L/min，并于每天早上的十点钟重新更换滤膜，并实时记录标况体积。而我们在滤膜更换前均用电子分析天平对样品进行称重，并在采集样品后静置24小时后再次用同样的分析天平再次进行称重。如此反复，我们一共得到342个有效数据。

1.2研究方法

为了讨论出成都市春季气态污染物浓度与化学组分之间的关系，我们首先对成都2011年5月的空气质量进行了分析，统计了整体API指数和浓度的变化，然后我们对当时的温度与气压的变化进行了分析，由此讨论得出成都市春季的具体空气质量概况。

接着我们使用成都市2011年5月颗粒物水溶性离子和气态污染物浓度数据资料对成都市整体污染物的种类进行了分析，并对其中较为主要的氮化物的化学平衡常数K进行计算，并得出了K指数的日变化图像。

而在分析K指数变化的同时，我们又利用2011年5月成都地面气象资料数据，对当时每天的日平均气温，日平均气压，湿度，太阳辐射，混合层高度进行统计计算，并将之与K指数进行结合对比，计算两者之间的相关系数，并对结果进行相关性检验，最后利用python做出五种气象要素和K指数的日平均变化的关系图，并对结果进行了详细分析。

2.成都市气候与空气质量特征分析

2.1空气质量状况分布

由现有数据可以得到如下表1数据，而根据此表我们可以看出，成都市春季的API的总体平均值稳定在72.11左右。由空气质量周报所用的空气污染指数的分级可以大致知道成都市空气状况总体属于良好，且我们可以看到API的最低值仅为25，空气质量级别为I级，空气质量状况较优。但是我们也不能因此放松警惕，可以看到在表中API的最高值已经达到了127，属于轻微污染程度，而且根据图3.1，可以看出已经有接近一半的天数的API指数已经接近或是超过100。故在未来，空气污染问题仍然是我们需要关注并且长期关注的一个重点，人们也仍需要学习相关的环保知识，并建立起自身的环保。

而反观，我们可以看到在2011年成都市5月份的指数的平均值大致在179.21 左右，远高于GB3095-2012《环境空气质量标准》24小时平均值的二级标准150（图略） ，污染较为严重。而且的最大值出现在5月18日，浓度为361.68 ，而最小值出现在5月21日，浓度为40.59 ，对比之图1，不难发现，这两天也正好市API指数当月最大值和最小值的时间。再观之总体，我们不难看出和API指数呈现一种负相关的关系，即浓度越高的日子里，其污染也就越严重，故可以认定值的大小是直接影响当地API指数的基本原因。

图1：成都市2011年5月和API的日变化图

2.2温度与气压

成都市五月份的日平均温度的具体情况（略），我们可以看见，2011年5月份成都的月平均气温大约为290.53 K，即17.38 ℃，最高值出现在27日，为23.96 ℃，最低值出现在1日，为8.51 ℃，两者相差15.45 ℃，可以看出温度变化还是比较大的，而对于气压，其最高值出现在16日，为799.625 hPa，而最低值出现在7日，数值为782.86 hPa。在气温较高的日子的浓度也偏高，且在气温较低的日子的浓度也较为偏低，二者呈现一种正相关的关系。故我们可以大胆推测的浓度可能是与其当地的气温有一定的关联，而我们又知道在大气中如果温度升高，则空气密度则会变小，单位体积的空气所产生的压强也就会，而再对比图1后，我们可以猜测在温度影响气压的同时，气压的改变可能也会影响到的浓度。

3 污染物浓度和组分化学平衡关系

3.1中的水溶性离子及其转换

本文共检测成都市13种不同污染物质的浓度，其中气态物质有5种，分别是HONO、、、HCL、，水溶性离子有8种，分别是、、、、、、，

可知，气态污染物中在主要成分的为、，而对于水溶性离子中含量最高的为，推测应该是当地建筑工地的水泥扬尘导致，而其次为，为二次污染的主要水溶性离子，在对比气态污染物和其他水溶性离子，不难看出，成都当地受到二次污染较为严重。

在这个过程中、与被称为二次组分或者说二次气溶胶，其主要是由于其气态前体物经过光化学反应而二次转化而成，然后由于空气中微粒物上时常会吸附一些水分子，又由于这些离子的水溶性，使得他们一一吸附在了这些微粒物上，造成二次污染。

在经过一系列的研究后我们发现，这种途径其中最重要的一个来源便是汽车尾气，汽车运行，引擎工作燃烧产生的高温活化了大气中的惰性的氮气和我们呼吸的氧气随之便产生了氮氧化物，而且由于中国人口较多，这几年随着经济的不断发展，人民的生活水平不断的提高，私家车的数量也越来越多，故随之产生的氮氧化物也便越来越多。

3.2组分的化学平衡

由上节的理论，我们继续对组分的化学平衡进行深入的讨论。上述过程是一个可逆过程，即污染物不可能无休止的从气态不断的转化成固态，他们之间存在着一个平衡关系，即固态污染物也可以重新转化成气态，使的浓度降低，而本文即是计算了在我们所检测的区域内发生二次污染时，气态、与颗粒态的、的平衡常数，并分析此平衡常数在这一阶段中的日平均变化，其中，气态、与颗粒态的、的转换方程如下公式3.2.1，而我们将以此公式及上节的所得结果作为实验的理论依据。

根据此方程，我们计算其各生成物的浓度的化学计量数次幂的乘积与各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积的比值，这个数一般来说是一个常数，我们令其为K，并且我们将此K的计算公式表示如下：

可以看出，K作为一种平衡常数，在每一个连续的二次颗粒物污染事件中均体现出，有一个独特的数值，且这个数值都保持在某一稳定水平的特点。

3.3K指数与各气象要素之间的关系

我们利用相关系数的公式，对K指数与五种气象要素间的相关系数，其中，分别为第k个及第1个变量的标准差。对结果进行显著性检验，以期能够更好的判断出K指数于气象要素之间的关系。

我们假设显著水平为α=0.05的双侧显著情况下，对六组，每组184个数据的样本进行分析，并假设样本在t分布的情况下，计算的相关系数临界值，其中rc为相关系数临界值，tα为显著水平α=0.05的临界值，n为样本容量。凡是绝对值大于相关系数临界值的相关系数都通过检验。在对比后发现，只有相对湿度于K指数是显著相关的，而具体情况我们将继续进行分析。

采样期间，K指数和湿度呈一定的正相关关系，且系数为0.137。二者的相关性较好，可以看出在采样期间，相对湿度对K指数变化的影响较大。

对于温度与气压，采样期间，我们发现，虽然温度与气压与平衡常数K的关系不像湿度对K指数的影响那么明显。且由相关性分析可以看出气温与气压与K指数呈一定的正相关关系，且系数分别为0.085和0.053。

平衡常数K的值与太阳的辐射通量也同样有着密切的关系，平衡常数和太阳辐射同的相关性分析可知，二者呈一定的正相关关系，其系数为0.028。而二次污染物中的光化学烟雾的基本原理便是光化学反应，而光化学反应的主要反应能源就是太阳辐射。即在物质的分子吸收光子后，内部的电子发生能级跃迁，形成不稳定的激发态，然后进一步发生离解或其他反应，从而造成光化学。

4 大气污染的防治对策

以成都市为例，解决这些问题，我们首先要从问题的根源下手，即控制污染源的产生。政府一定要站出来，统领全局，起到关键性的带头作用。并且相关部门也要同时颁发出一系列健全的法律法规，使大气污染防治工作能够有法律武器作为支柱，将整个大气污染的防治工作规范化和制度化，并且一切违反相关法律的个人和企业一律给予严惩，但是同时对于其他遵纪守法的个人与企业也要给予适当的鼓励与。

其次，对于大气污染的防治工作，也不能仅仅全部依靠法律法规去治，我们还要去做到防，而且这个防才是整个大气污染防治的重点，所谓防，指的是从源头下手，特别是一些能够产生大量的空气污染物质的大型企业，我们必须要严格按照国家所规定的标准对其的排放进行管理，对于一切不达标的企业必须予以严惩，且必须令其进行整改后使其排放达到国家标准后才能允许继续开工。加强整体城市的生态环境的，并在以人为本的基础下进行城市绿色化建设工作，并积极推行节能减排，绿色出行，以期能够达到人与自然和谐发展、永续发展。

随着科学技术的不断发展，各种新兴高科技的关于大气污染的防治措施也正在慢慢的，这里以除尘技术为例，现如今的除尘技术正在不断的进步，主流的除尘技术主要分为，械力除尘、过滤除尘、静电除尘和湿式除尘四种。合理的运用新兴技术，可以有效地降低大气颗粒物浓度，减少大气环境污染。

结语

（1）2011年5月成都市的日平均API指数大致稳定在72.11左右，但是其五月份大气浓度的平均值为179.21左右，是《环境空气质量标准》GB3095-2012中规定的24小时平均值的二级标准150的1.2倍，污染较为严重。

（2）由成都市2011年5月颗粒物水溶性离子和气态污染物浓度数据，分析后得知，成都市5月份主要受二次污染严重，且其中氮组份的转化是成都市二次污染中最主要的过程。

（3）成都市的二次污染过程中，气态物质再二氧化硫作为催化剂的时候由气态转化成了硫酸盐和硝酸盐，污染物由气态转变成了固态，但是这种反应是不可能无休止的进行的，他们之间存在着一个平衡关系。

（4）氮组分的平衡常数受到五种气象要素，即当地的气温、气压、相对湿度、混合层高度，以及太阳辐射通量共同影响，且根据相关性研究，氮组分的平衡常数K与气温，气压，相对湿度，太阳辐射呈正相关关系，相关系数分别为0.085、0.053、0.137、0.028，而与混合层高度呈负相关关系，相关系数为-0.067。即在一定的气象条件下，气温越低，气压越低，相对湿度较低，太阳辐射通量较低，但混合层高度越高的情况下，K指数越小，越不利于气态污染物向颗粒态的转化，颗粒物污染程度就越轻，且在此之中，相对湿度对K指数的大小起到了关键性作用。

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作者简介：张晨炜，(1996.07)，男，汉，贵州省都匀市人，硕士研究生，助理工程师，从事研究方向或职业：数值模拟。