郑州市大气VOCs时空分布特征、来源及其对环境的影响

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近年来,郑州市面临着臭氧(O3)和PM2.5复合型大气污染问题。挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)作为O3和二次有机气溶胶(Secondary Organic Aerosol,SOA)形成的关键前体物,引起广泛关注。本论文选取郑州市四个采样点于2020年7月至2021年6月进行VOCs离线采样,分析郑州市VOCs浓度、组分构成、时空分布、来源及差异,评估VOCs对O3和SOA形成的贡献及其毒害效应,并结合各VOCs物种的臭氧生成潜势(Ozone Formation Potential,OFP)、二次有机气溶胶生成潜势(Secondary Organic Aerosol Potential,SOAP)及毒性数据,评估VOCs对环境的综合影响。首先,基于实验室分析显示,观测期间郑州市VOCs体积分数为36.85×10-9,烷烃占比最高(33.4%),丙酮、乙酸乙酯和乙烷为含量丰富物种。季节变化为冬季(43.98×10-9)>秋季(37.09×10-9)>夏季(35.27×10-9)>春季(31.13×10-9)。空间变化为郑州大学(47.20×10-9)>市监测站(37.36×10-9)>经开区管委(34.20×10-9)>岗李水库(28.90×10-9)。相关性分析显示VOCs体积分数与气象因素关系密切。夏季一次典型O3污染期,VOCs体积分数为40.72×10-9,O3污染天VOCs体积分数与非污染天相比下降8.3%,且VOCs各组分在O3污染天呈现下降趋势,期间VOCs日变化呈现出夜晚高于白天的特征,早高峰出现在6:00~9:00。其次,基于特征物种比值分析和PMF模型源解析显示,郑州市大气VOCs来源主要有机动车排放(29.1%)、溶剂使用(25.8%)、工业排放(22.2%)、燃料蒸发(18.9%)和植物源(4.1%)。夏季溶剂使用(31.9%)和机动车排放(24.4%)贡献较高;秋季机动车排放(43.8%)和溶剂使用(21.4%)贡献较高;冬季工业排放(31.2%)和机动车排放(31.0%)贡献较高;春季溶剂使用(34.9%)和工业排放(22.9%)贡献较高。机动车排放、溶剂使用和工业排放均是各站点重要排放源,三者贡献超过73.5%,其中在经开区管委站点高达93.4%。郑州大学站点燃料蒸发贡献突出,达24.2%。最后,VOCs对O3和SOA形成的贡献及其毒害效应显示,烯烃和芳香烃对OFP贡献较多,烯烃在夏季和秋季贡献最多,芳香烃在冬季和春季贡献最多,且芳香烃在经开区管委站点贡献最多,烯烃在其他站点贡献最多。在不同季节和不同站点,芳香烃均是对SOAP贡献最多的组分,而卤代烃和芳香烃的毒害效应较高。综合环境效应结果表明,芳香烃是贡献最多的组分,甲苯、苯和二氯甲烷是贡献较多的物种。
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