【摘要】：作為主要大氣污染物的可吸入和細顆粒物(PM10,PM2.5)、二次氣溶膠、近地面臭氧的生成與演變一直是各級地方政府和公眾關(guān)注的重點。由于沙塵影響,新疆沙漠戈壁地區(qū)的大氣顆粒物濃度位于我國前列,對當(dāng)?shù)鼐用裆钆c健康影響顯著。本博士論文研究的主要目的是較系統(tǒng)地研究新疆塔里木盆地來自自然源的大氣顆粒物中碳質(zhì)氣溶膠和多環(huán)芳烴理化特征及其源匯關(guān)系,為有效應(yīng)對區(qū)域大氣環(huán)境污染提供重要科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。通過對2010年1月至2010年12月塔里木盆地喀什、塔中、民豐和鐵干里克四個采樣點的總懸浮顆粒物(TSP)中的水溶性離子、多環(huán)芳烴(PAHs)和碳質(zhì)氣溶膠的理化特征及其來源進行分析和數(shù)值模擬,得到以下主要結(jié)論:(1)觀測期間四個站點TSP年平均濃度為民豐塔中鐵干里克喀什,其變化特征與采樣點地理位置和氣流活動關(guān)系密切。塔里木盆地TSP樣本的pH總體上來說呈堿性,四個采樣點陽離子分布比較相似,即Ca~(2+)為五種陽離子中濃度最高的,然后依次分別是Na+,K~+,NH~(4+)和Mg~(2+)。高濃度的Na+和Ca~(2+)可能源自塔克拉瑪干沙漠的沙塵物質(zhì)中所含Na2SO4、NaCl和CaSO4等無機鹽,并且受沙塵天氣影響。K~+和NH~(4+)的波動則是受到季節(jié)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響。(2)塔里木盆地四個采樣點TSP中OC(有機碳)和EC(元素碳)的年平均質(zhì)量濃度分別為8.2μg/m~3和2.5μg/m~3。塔里木盆地OC質(zhì)量濃度低于中國大中型城市,這說明塔里木盆地城鎮(zhèn)碳氣溶膠污染比較輕,而碳質(zhì)組分濃度相對較低,僅占TSP質(zhì)量濃度的3%。四個采樣點的OC和EC濃度月變化存在一定的一致性,在采暖季節(jié)(10月至第二年4月)和沙塵季節(jié)(3-5月)相對其他季節(jié)較高,夏季OC和EC濃度變化幅度相對較小。觀測期間OC/EC比值變化范圍是1.58-6.57。四個采樣點的年平均OC/EC比率均大于2,這表明塔里木盆地有機碳成分在碳質(zhì)氣溶膠成分中占據(jù)主導(dǎo)地位,存在一定程度的二次污染。同時,本研究還表明城鎮(zhèn)地區(qū)比鄉(xiāng)村含碳氣溶膠污染物來源更為復(fù)雜,而TSP中水溶性鉀離子與OC之間較高的相關(guān)性說明生物質(zhì)燃燒也是塔里木盆地碳質(zhì)大氣污染物的一個重要來源。研究還發(fā)現(xiàn)塔里木盆地氣象條件變化對TSP中OC和EC濃度變化影響較小。除了喀什,其他三個采樣點oc和ec都存在顯著性相關(guān),民豐、塔中、鐵干里克oc和ec的來源相似,喀什碳質(zhì)氣溶膠來源比較復(fù)雜,反映出人為排放源對喀什碳氣溶膠污染有著重要影響。喀什、民豐、塔中三個采樣點在秋、冬季的soc濃度要高于其他季節(jié),鐵干里克春、夏季soc濃度高于秋季和冬季。夏季四個采樣點的溫度都比較高,太陽輻射強,但由于可用于轉(zhuǎn)換為soc揮發(fā)性有機污染物的排放相對較低,因此soc含量處于較低水平。(3)研究表明塔里木盆地最大城市喀什tsp中的16種多環(huán)芳烴年平均濃度(Σ16pahs)和鐵干里克相當(dāng),然后依次是民豐和塔中,這四個采樣點的濃度分別為390.5ng/m~3、388.65ng/m~3、84.54ng/m~3、74.07ng/m~3。塔里木盆地tsp中的多環(huán)芳烴以4-5環(huán)為主,其中苯并[a]芘(bap)是四個采樣點所有樣品中濃度最高的。而2-3環(huán)小分子量的多環(huán)芳烴所占比重非常小�？κ病㈣F干里克、民豐、塔中年平均苯并[a]芘的等效濃度bapeq分別為:38.40ng/m~3、34.07ng/m~3、10.42ng/m~3、7.22ng/m~3,70年生命周期內(nèi)pah吸入罹患癌癥風(fēng)險(icr)值分別為:3.21×10-3(6.1×10-6-22.5×10-3)、2.85×10-3(2.60×10-5-13.9×10-3)、8.7×10-4(1.84×10-6-13.5×10-3)、6.3×10-4(1.47×10-6-3.9×10-3)。冬季和春季風(fēng)險值較高,當(dāng)?shù)鼐用裨谶@兩個季節(jié)更容易發(fā)病。這四個采樣點的人群對tsp的暴露已經(jīng)超出最大可接受風(fēng)險水平。基于比值法分析發(fā)現(xiàn),塔里木盆地tsp顆粒物中多環(huán)芳烴污染物主要是由高溫裂解過程產(chǎn)生。基于主成分分析進一步發(fā)現(xiàn),塔里木盆地pahs主要來源為機動車尾氣排放、燃煤煉焦和生物質(zhì)燃燒排放�？κ捕喹h(huán)芳烴主要來源為:機動車尾氣和燃煤排放、秸稈和木柴等生物質(zhì)燃料及煤化工業(yè)和煉焦排放有關(guān);鐵干里克多環(huán)芳烴主要來源為:燃煤和生物質(zhì)燃燒排放、汽車尾氣排放及煉焦排放;民豐多環(huán)芳烴主要來源認為是煤炭燃燒、機動車尾氣排放和煉焦等綜合作用的結(jié)果;塔中多環(huán)芳烴主要來源為:機動車燃燒和煉焦排放及焦油/煤燃燒排放。與東部地區(qū)pahs排放源不同,塔里木盆地的pahs排放源日變化幅度不大,只在取暖季節(jié)存在一定波動,主要與pahs排放源和排放物質(zhì)相對穩(wěn)定有關(guān)。多環(huán)芳烴大氣濃度后向軌跡分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)塔里木盆地大氣中pahs濃度分布和擴散受來自中亞的大氣氣流影響,盆地西南地區(qū)(包括巴基斯坦和印度北部)的氣流對塔里木盆地pahs擴散和遷移的影響也不容忽略。前向軌跡分析發(fā)現(xiàn)新疆東部、甘肅西北部受來自塔里木盆地氣流影響最大,并有可能到達中國東部地區(qū),可以推斷出塔里木盆地東部和東南部是多環(huán)芳烴的一個主要匯區(qū)。(4)利用canmetop模型模擬的塔里木盆地phe和bap主要分布在西北部地區(qū),與監(jiān)測結(jié)果一致,該研究證明了canmetop模型對塔里木盆地pahs模擬的可行性,并具有很大的研究潛力。但是,監(jiān)測的16種PAHs濃度都是冬季和春季大于夏季和秋季,而模型模擬的PHE和BaP濃度的季節(jié)變化為PHE在夏季的濃度最大,然后是春季和秋季,冬季濃度最低,與監(jiān)測相反,BaP模擬結(jié)果是秋、冬季大于春、夏季,與監(jiān)測結(jié)果也不太相同,這主要是模擬實驗僅輸入了PAH年排放。這也說明,以后的模型模擬中應(yīng)發(fā)展使用PAH的季節(jié)排放清單,更全面的綜合考慮各環(huán)境要素對大氣中多環(huán)芳烴濃度的影響,同時還應(yīng)該增加采樣點,以便更好的對模擬結(jié)果進行驗證。數(shù)值情景(scenario)實驗結(jié)果顯示,塔里木盆地東部地區(qū)對西部地區(qū)的PHE和Ba P濃度的影響很小,西部地區(qū)污染物主要由本地排放源排放造成。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X513
【圖文】：

圖 1-1 同 1750 年相比，2000 年全球大氣不同成分的平均輻射強迫 ( Change et al., 2001)Figure 1-1 Compared with 1750, the average radiative forcing of different global atmospherecomponents in 2000 (Change et al., 2001)1.2.4 碳質(zhì)氣溶膠對人體健康的危害近年來，碳質(zhì)氣溶膠由于其對能見度、空氣質(zhì)量和區(qū)域氣候以及人體健康等方面的影響引起了世界各地科學(xué)技術(shù)和政府部門的極大關(guān)注（Cao et al., 2004）。碳質(zhì)氣溶膠可通過其光學(xué)特性（吸收和光學(xué)散射）改變大氣能見度，能見度的降低又可對人類的生產(chǎn)和生活以及氣候都會產(chǎn)生影響（Seinfeld et al., 2012）。位于小粒徑段的 BC 氣溶膠顆粒很容易通過呼吸作用進入人體呼吸系統(tǒng)，有機氣溶膠化學(xué)組分復(fù)雜，是多種化學(xué)物的集合，常包含有多種有毒有害物質(zhì)，對人體健康造成了嚴重的危害（Zhao et al., 2013），例如 ：OC 氣溶膠中常包含有多氯聯(lián)苯和其它一些含氯的有機化合物，而其中著名的 PAHs，就具有“三致”（致突變、致畸、致癌）效應(yīng)，還可吸附在細小微粒或 BC 表面，然后進入人的呼吸系統(tǒng)，進一步通過肺部進入人體血液(Shrestha et al., 2010)。OC 氣溶膠對酸沉降過程和大

12圖 1-2 USEPA16 種優(yōu)控 PAHs 結(jié)構(gòu)、名稱及英文縮寫Figure 1-2 Stractures, names and abbreviations of 16 USEPA priority PAHs多環(huán)芳烴來源廣泛，在大氣、水體、土壤和生物體中廣泛存在（Tang l.,2005; Napier et al., 2008; Vácha et al., 2010; Wang et al., 2008; Chen et a012）。環(huán)境中多環(huán)芳烴的來源可分為天然源與人為源兩種。天然源即環(huán)境中多芳烴的本底值，主要來自森林草原火災(zāi)、火山噴發(fā)、沉積物成巖，植物和微生生長過程中合成排放等。人為排放是環(huán)境中多環(huán)芳烴的重要來源，主要是由人生產(chǎn)或生活過程中生物質(zhì)和化石燃料的不完全燃燒產(chǎn)生（吳宇澄等, 2013）。人污染源包括固定源和移動源，固定源包括居民生活排放、工廠排放，機動車排則屬于移動源。環(huán)境中的多環(huán)芳烴是各種不同污染源排放的疊加產(chǎn)物，由于能結(jié)構(gòu)的差異，各地污染源也不盡相同，環(huán)境中多環(huán)芳烴濃度和種類與當(dāng)?shù)啬茉礃?gòu)緊密相關(guān)，同時多環(huán)芳烴排放還呈現(xiàn)出典型的季節(jié)變化特征。

本章首先對塔里木盆地研究區(qū)自然地理概況進行簡要描述。然后，就大氣顆粒物采樣，理化實驗方法進行介紹。最后簡要陳述本研究中所用到的氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析方法。2.1 研究區(qū)概況2.1.1 塔里木盆地自然地理概況塔里木盆地深居亞洲內(nèi)陸，盆地南北兩側(cè)分別是昆侖山脈-阿爾金山和天山山脈，南面是廣袤的青藏高原，西面是高聳的帕米爾高原，東面與河西走廊相接。塔里木盆地是典型的半封閉型盆地，地勢西高東低，呈不規(guī)則菱形，盆地邊緣多為綠洲和戈壁，盆地中部是中國最大的沙漠-塔克拉瑪干沙漠。相關(guān)研究指出塔克拉瑪干沙漠是 5300 萬年前的古海洋隆起后干涸，而后經(jīng)歷長期風(fēng)化形成，新構(gòu)造運動中大幅隆起的青藏高原改變了新疆大氣環(huán)流格局，在阻擋印度洋暖濕氣流北上的同時，也使來自高緯度西伯利亞地區(qū)的冷空氣聚集加強，最終形成了典型的溫帶大陸干旱性氣候（圖 2-1）（金炯等, 1994; Sun and Liu, 2006）。

本文編號：2758973