中國大氣非甲烷碳氫化合物時空分布特征初步研究

【摘要】：作為最重要的揮發(fā)性有機物(VOCs)種類之一,非甲烷碳氫化合物(NMHCs)在大氣化學過程中扮演了極其重要的角色,對一些區(qū)域或全球性氣候環(huán)境問題有重要影響。非甲烷碳氫化合物是對流層臭氧和二次有機氣溶膠的重要前體物,影響城市或區(qū)域的空氣質(zhì)量和人體健康,對全球變化有間接影響。此外,一些非甲烷碳氫化合物,如苯,是毒害性空氣污染物,會對人體健康帶來不良影響。近幾十年來,我國經(jīng)歷了快速的城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟增長,能源消費量以及機動車保有量也在急劇上升,將越來越多的包括NMHCs在內(nèi)的多種污染物排放到大氣中,最終造成我國面臨嚴峻的光化學煙霧和灰霾等空氣污染問題,以及空氣毒害物健康風險問題。了解我國大氣中NMHCs及其關(guān)鍵組分的水平、組成和來源的時空分布格局,對當前和未來我國VOCs減排、大氣污染控制和人體健康保護尤為重要。本研究于2012年3月-2014年2月在我國不同區(qū)域的十二個采樣點(包括東部發(fā)達地區(qū)6個背景點、中西部地區(qū)5個城市點、青藏高原地區(qū)1個背景點)同步采集了大氣NMHCs樣品并進行了全組分分析,在此基礎(chǔ)上分析了我國NMHCs濃度及組成的空間分布和時間變化,探討了NMHCs對臭氧生成的貢獻,并對關(guān)鍵組分苯系物的時空分布、主要來源和健康風險進行了深入的研究。論文主要研究結(jié)論如下:1、十二個站點總NMHCs年均濃度的變化范圍為6795±845-29013±3185pptv,最低濃度出現(xiàn)在青藏高原背景站點拉薩站,最高濃度出現(xiàn)在中西部地區(qū)城市站點重慶站。東部地區(qū)背景站點總NMHCs濃度水平(13821-22631 pptv)與中西部地區(qū)城市站點總NMHCs水平(15569-29013 pptv)相當。各站點NMHCs組成以烷烴為主,貢獻了總NMHCs濃度的48.07%到65.94%;自然源BVOCs比例最低,占總NMHCs濃度的1.00-7.49%。乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、異丁烷、正丁烷和異戊烷均為各站點NMHCs貢獻TOP 10化合物,TOP 10化合物貢獻了各站點總NMHCs濃度的69.98-87.76%。2、北方站點(海倫站、沈陽站、禹城站、太原站)受冬季供暖和邊界層降低的影響,1月、2月和12月總NMHCs濃度水平遠高于3月-11月總NMHCs濃度水平。而受氣象條件、排放強度和大氣反應(yīng)等的影響,其他站點NMHCs濃度表現(xiàn)出不同的時間變化。人為源排放的NMHCs組成(烷烴、烯烴、炔烴和芳香烴)的時間變化與總NMHCs時間變化一致。而自然源排放的BVOCs組成的時間變化則不同:受氣溫、光照等條件影響各站點6月-8月觀測到較高的BVOCs濃度和比例。3、十二個站點中總臭氧生成潛勢(OFPs)的年均值在21.16±2.62(拉薩站)-104.18±11.00 ppbv(重慶站)范圍內(nèi)。與NMHCs濃度組成不同,總OFPs值貢獻最多的組成是烯烴和芳香烴,兩者一起貢獻了各站點總OFPs值的58.98-80.30%,雖然兩者一起僅貢獻了總NMHCs濃度的22.54-38.21%。BVOCs對總OFPs值的貢獻(3.59-27.90%)也要大于其對總NMHCs濃度的貢獻。乙烯、丙烯、1-丁烯、甲苯和間/對-二甲苯均為各站點OFPs值貢獻TOP 10化合物,TOP10化合物貢獻了各站點總OFPs值的63.09-74.73%。4、中國東部發(fā)達地區(qū)背景站點中,苯貢獻了東北地區(qū)背景站點和華北地區(qū)背景站點總BTEX水平的50%以上,而甲苯、乙苯和二甲苯一起貢獻了長三角地區(qū)背景點和珠三角地區(qū)背景點總BTEX濃度的77%以上。北方站點BTEX與燃燒源示蹤物一氧化碳(CO)顯著性相關(guān)(p0.01)但與機動車排放指示物甲基叔丁基醚相關(guān)性弱,說明煤和生物質(zhì)/生物質(zhì)燃料燃燒是BTEX的主要來源,且冬季供暖期苯的水平會明顯提高。相反,在南方站點BTEX主要來自機動車排放和(或)工業(yè)排放,因為BTEX與CO相關(guān)性弱但與甲基叔丁基醚或四氯乙烯(工業(yè)排放示蹤物)相關(guān)性顯著(p0.01)。觀測數(shù)據(jù)計算的苯/CO初始比值與前期排放清單中排放比值較一致,差異在兩倍以內(nèi),但是東北地區(qū)站點甲苯/CO比值以及華北地區(qū)站點鄰-二甲苯/CO比值僅是排放清單相應(yīng)比值的29%和38%,而長三角地區(qū)站點乙苯/CO和二甲苯/CO比值是排放清單相應(yīng)比值的3.2-3.5倍。5、中西部城市站點中,BTEX總濃度的變化范圍為2.42±0.35(昆明站)-3.65±0.51 ppbv(重慶站),低于前期中國發(fā)達城市地區(qū)的觀測值。然而苯的觀測值,0.72±0.12(昆明站)-1.88±0.46 ppbv(太原站)與前期中國發(fā)達城市地區(qū)觀測值相當,甚至高于美國或歐洲城市的報道濃度。在所有中西部城市站點中,苯(或甲苯)與CO或甲基叔丁基醚具有較好的相關(guān)性,且甲苯/苯比值在煤燃燒/生物質(zhì)燃燒和(或)機動車排放比值范圍內(nèi),說明中西部城市BTEX主要來自于燃燒源。這些站點可能也偶爾受到工業(yè)和溶劑排放的影響,因為少量樣品中觀測到較高的甲苯/CO、甲苯/苯、C8-芳香烴/CO和C8-芳香烴/苯比值。6、苯系物的健康風險評估結(jié)果表明,中國不同地區(qū)十二個站點苯的致癌風險值(1.02E-05-7.31E-05)要比美國環(huán)保署規(guī)定的成年人可接受的長期致癌風險水平1.0E-06高一個數(shù)量級,說明我國大氣中苯的暴露形勢非常嚴峻,對人體健康存在潛在致癌風險。十二個站點BTEX的非致癌風險(5.56E-02-3.34E-01)均小于美國環(huán)保署規(guī)定的潛在非致癌風險限值(1),說明我國大氣BTEX暴露所引起的非致癌風險并不明顯。 【關(guān)鍵詞】：中國 非甲烷碳氫化合物 時空分布 苯系物 來源 健康風險
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(廣州地球化學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X51
【目錄】：

• 致謝4-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 引言16-58
• 第一節(jié) 非甲烷碳氫化合物概述16-25
• 一、揮發(fā)性有機物與非甲烷碳氫化合物的定義與分類16-18
• 二、非甲烷碳氫化合物的來源18-22
• 三、非甲烷碳氫化合物的分析方法22-25
• 第二節(jié) 非甲烷碳氫化合物的環(huán)境健康效應(yīng)25-35
• 一、非甲烷碳氫化合物與近地面臭氧污染26-31
• 二、非甲烷碳氫化合物與二次有機氣溶膠生成31-32
• 三、非甲烷碳氫化合物對人體健康影響32-35
• 第三節(jié) 國外大氣非甲烷碳氫化合物觀測研究35-43
• 一、美國環(huán)保署PAMS觀測網(wǎng)35-40
• 二、其他觀測研究40-43
• 第四節(jié) 中國大氣非甲烷碳氫化合物觀測研究43-56
• 一、多點同步觀測研究43-47
• 二、華北地區(qū)（京津冀地區(qū)）NMHCs研究47-50
• 三、長三角地區(qū)NMHCs研究50-51
• 四、珠三角地區(qū)NMHCs研究51-54
• 五、其他東部發(fā)達地區(qū)NMHCs研究54-55
• 六、中西部地區(qū)NMHCs研究55-56
• 第五節(jié) 本研究選題目的、意義和研究內(nèi)容56-58
• 第二章 研究方法與技術(shù)手段58-74
• 第一節(jié) 野外樣品采集58-65
• 一、采樣站點介紹58-63
• 二、環(huán)境VOCs樣品采集63-64
• 三、樣品數(shù)量的空間和時間分布64-65
• 第二節(jié) 實驗室全組分分析方法65-68
• 一、VOCs分析方法65-67
• 二、一氧化碳分析方法67-68
• 第三節(jié) 質(zhì)量控制及質(zhì)量保證（QA/QC）68-72
• 一、采樣罐的清洗與空白實驗68-69
• 二、采樣過程的QA/QC69
• 三、實驗室分析過程的QA/QC69-72
• 第四節(jié) 后向軌跡模型介紹72-74
• 第三章 中國NMHCs時空分布74-100
• 第一節(jié) NMHCs水平的空間分布74-79
• 一、總NMHCs濃度的空間分布74-75
• 二、烷烴濃度的空間分布75
• 三、烯烴濃度的空間分布75-76
• 四、炔烴濃度的空間分布76-77
• 五、芳香烴濃度的空間分布77-78
• 六、BVOCs濃度的空間分布78-79
• 第二節(jié) NMHCs組成的空間分布79-85
• 一、NMHCs組成的空間分布79-80
• 二、芳香烴組成的空間分布80-82
• 三、BVOCs組成的空間分布82-83
• 四、NMHCs組成中主要化合物83-85
• 第三節(jié) NMHCs水平及組成的時間變化85-91
• 一、總NMHCs濃度的時間變化85-88
• 二、芳香烴濃度的時間變化88-89
• 三、BVOCs濃度的時間變化89-90
• 四、NMHCs組成的時間變化90-91
• 第四節(jié) 臭氧生成潛勢的時空變化91-98
• 一、臭氧生成潛勢的空間分布91-92
• 二、臭氧生成潛勢組成的空間分布92-93
• 三、貢獻臭氧生成潛勢的主要化合物93-95
• 四、臭氧生成潛勢的時間變化95-97
• 五、臭氧生成潛勢組成的時間變化97-98
• 第五節(jié) 本章小結(jié)98-100
• 第四章 中國苯系物的時空分布及來源100-154
• 第一節(jié) 中國發(fā)達沿海地區(qū)苯的暴露水平、來源及健康風險100-110
• 一、研究背景100-102
• 二、苯的本底水平102-105
• 三、苯的主要來源105-109
• 四、苯的暴露和健康風險評價109-110
• 第二節(jié) 中國發(fā)達沿海地區(qū)苯系物的時空分布及來源110-132
• 一、研究背景110-112
• 二、BTEX的濃度水平112-114
• 三、組成的空間差異114-117
• 四、氣團傳輸軌跡對BTEX水平和組成的影響117-119
• 五、BTEX水平的時間變化119-124
• 六、BTEX來源識別124-130
• 七、人為源排放清單的評估130-132
• 第三節(jié) 中國中西部地區(qū)城市點苯系物的污染特征及來源132-144
• 一、研究背景132-134
• 二、BTEX污染水平及組成134-137
• 三、與國內(nèi)外其他城市站點研究的對比137-138
• 四、BTEX濃度與組成的季節(jié)變化138-140
• 五、BTEX來源識別140-144
• 第四節(jié) 苯系物健康風險評價144-151
• 一、健康風險評價方法介紹144-145
• 二、苯的致癌風險145-146
• 三、BTEX的非致癌風險146-151
• 第五節(jié) 本章小結(jié)151-154
• 第五章 結(jié)論154-158
• 第一節(jié) 主要結(jié)論154-155
• 第二節(jié) 特色和創(chuàng)新155-156
• 第三節(jié) 不足之處和后續(xù)工作展望156-158
• 參考文獻158-196
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果196-201

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