山西北部煤层自燃区大气颗粒物污染特征研究.pdf

山西北部煤层自燃区大气颗粒物污染特征研究 * 成娜1彭林1冀豪栋1牟玲1赵英煚1吴高峰2田晶晶2侯丽2 1. 太原理工大学环境科学与工程学院， 太原 030024; 2. 山西省煤炭地质资源环境调查院， 太原 030024 摘要 为研究山西北部煤层自燃区大气颗粒物污染特征， 对山西北部煤层自燃区三区县共 12 个点位的 TSP 和 PM10进 行了采集分析。结果表明 山西北部煤层自燃区颗粒物污染较为严重， TSP、 PM10平均浓度分别为 327. 75 115. 5 μg/m3、 205 74. 1μg/m3。TSP 和 PM 10污染特征均表现为 河曲县 ＞ 大同南郊区 ＞ 宁武县， 采空自燃区 ＞ 露头煤层 自燃区。PM10/TSP 比值均大于 0. 6， 采空自燃区与露头煤层自燃区 PM10/TSP 比值相等， 井工矿的不同对其排放的颗 粒物在 TSP 和 PM10这一分级上没有较明显影响。无论是地理行政三区还是井工矿两区分类， PM10与 TSP 均表现出 Ｒ2 为 0. 98 的高度线性相关， 相互表征效果明显。 关键词 煤层自燃区; TSP; PM10; 相关性 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404015 A STUDY ON CHAＲACTEＲISTICS OF ATMOSPHEＲIC PAＲTICULATE MATTEＲ POLLUTION IN NOＲTHEＲN SHANXI COAL SPONTANEOUS COMBUSTION ZONE Cheng Na1Peng Lin1Ji Haodong1Mu Ling Zhao Yingjiong1Wu Gaofeng2Tian Jingjing2Hou Li2 1. College of Environmental Science and Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024，China; 2. Shanxi Ｒesources and Environment Survey of Coal Geology，Taiyuan 030024，China AbstractTo study atmospheric particulate matter pollution characteristics of the northern Shanxi coal spontaneous combustion zone，TSP and PM10of 12 points of three counties in the northern Shanxi coal spontaneous combustion zone were collected and analyzed． The results show that particulate pollution is more serious in the northern Shanxi coal spontaneous combustion zone， TSP average concentration and PM10average concentration are 327. 75 115. 5μg/m3and 205 74. 1μg/m3 respectively． TSP and PM10pollution characteristics are Hequ County ＞ Datong South Suburban Area ＞ Ningwu County; gob area ＞ outcrop coal spontaneous combustion zone． PM10/TSP ratios are greater than 0. 6 and PM10/TSP ratio are the same in both gob area and outcrop coal spontaneous combustion zone． Which shows that emissions of particulate matter of different underground mines have no obvious effect on classification of PM10and TSP．Whether three segments of geographic administrative partition or two segments of well mining districts，PM10and TSP have shown high linear correlation Ｒ2of 0. 98 ，mutual characterization effect is obvious． Keywordscoal spontaneous combustion zone;TSP;PM10;Correlation * 国家自然科学基金 41173002 。 收稿日期 2013 －06 －29 0引言 大气颗粒物是环境空气的重要污染物之一， 它不 仅会降低大气可见度， 而且其成分对酸雨形成、 环境 污染、 人体健康都有重要的影响［1- 3 ］。目前， 我国对大 气颗粒物污染特征的研究主要集中在大中型城 市 ［4- 6 ］， 而对郊区、 人烟稀少等地区研究甚少。据此， 于 2012 年 11 月2013 年 2 月在山西北部煤层自燃 区域 以下简称实验区 同步采集了 TSP 和 PM10 ， 分 别以 TSP 和 PM10为研究对象， 探讨了二者的污染特 征， 为了解整个山西省大气环境的污染现状提供数据 支持， 并为环境科研与管理部门提供科学依据。 1实验部分 1. 1采样点位 本研究样品采集点位为山西北部煤层自燃区域， 根据地质和实地勘测情况， 分别取大同南郊区、 宁武 县及河曲县三区县进行研究。各采样均位于山区人 36 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 烟稀少地区。具体采样点位及井工矿情况见表 1。 表 1山西北部煤层自燃区大气颗粒物采样点位 Table 1Atmospheric particulate matter sampling point in northern Shanxi coal spontaneous combustion zone 点位分区采样点位 大同南郊区官窑 采空区 ; 红糜沟 采空区 ; 青瓷窑 露头煤 层 ; 马脊梁 采空区 宁武县云岗镇 露头煤层 ; 大木厂 露头煤层 ; 分水岭 露 头煤层 ; 西栈沟 露头煤层 ; 石辉沟 露头煤层 河曲县硬地峁 采空区 ; 范家梁 露头煤层 ; 赵家沟 露头 煤层 1. 2样品采集与分析 气象条件 晴， 无固定风向， 风速 1. 3 ～ 3. 4 m/s， 温度 －10 ～3 ℃。 采样仪器与设备 选用青岛崂应仪器仪表有限公 司生产的崂应 2050 型空气/智能 TSP 综合采样器， 切 割粒径为 10 μm， 设定流量为 100 L/min。 采样滤膜 实验选取石英纤维滤膜进行吸附采 样， 滤膜直径 90 mm。 采样时间及方法 由于各点位的地理特殊性， 样 品采集时间范围跨度较大， 为 2012 年 11 月2013 年 2 月。各点位连续采样 3 天， 对 TSP 和 PM10进行 同步采样， 每次采样连续 8 h。由于本实验过程操作 谨慎， 无滤膜损坏， 共得到 TSP 和 PM10有效样品各 36 个。 1. 3质量控制与质量保证 样品采集前对每张滤膜用 X 光看片机进行检 查， 保证无针孔或任何缺陷; 然后将滤膜在马弗炉中 灼烧3 h 后放入铝箔包装， 密封贮存。采样前后将石 英纤维滤膜放置于恒温恒湿箱中平衡 48 h 后，进行 称重。平衡条件 温度取 15 ～30 ℃中一点， 相对湿度 控制在 45 ～55。样品采集前对采样器进行流量 校准， 使其相对偏差小于 5。 2结果与讨论 在本小节中主要从地理行政 大同南郊区、 宁武 县及河曲县 分区和井工矿 采空自燃区、 露头煤层 自燃区 分区两个角度进行分析讨论。 2. 1TSP、 PM10浓度分析 2. 1. 1从地理行政 大同南郊区、 宁武县及河曲县 分区分析 采样期间， 山西北部煤层自燃区域 TSP 浓度范 围为 195 ～670 μg/m3， 日均浓度为 327. 75 115. 5 μg/m3。与天津冬季 TSP 浓度 531. 3 μg/m3［7 ］ 、 北 京市北京站 470 μg/m3 ［8 ］相比， 日均浓度相对较 小， 其可能原因是采样点位人烟稀少， 主要污染源为 煤层自燃。这说明颗粒物污染在一定程度上是由人 为原因造成。依据 GB 30951996环境空气质量标 准 表 1 中三级标准 TSP 日均浓度 500 μg/m3， 实验 区有 2 个点位超标， 超标率为 16. 67。河曲县污染 最为严重， 日均浓度为 401 μg/m3， 其中硬地峁超标， 超标倍数为 0. 28 倍; 其次是大同南郊区， 日均浓度为 345 μg/m3， 其中马脊梁超标， 超标倍数为 0. 05 倍; 宁 武县环境空气质量相对良好， 日均浓度为251 μg/m3。 山西北部煤层自燃区域 PM10浓度范围为 95 ～ 429 μg/m3， 平均浓度为 205 74.1μg/m3。根据标准 GB 30951996 PM10日均浓度250 μg/m3， 实验区有3 个 点位超标， 超标率为 25。河曲县污染最为严重， 日均 浓度为244 μg/m3， 其中硬地峁、 范家梁超标， 超标倍数 分别为 0.27 倍、 0.21 倍， 比 2008 年南京郊区 228 μg/ m3 ［ 9 ］污染严重; 其次是大同南郊区， 日均浓度为 221 μg/m3， 其中马脊梁超标， 超标倍数为 0.60 倍; 相比 较而言， 三区中宁武县环境空气质量良好， 日均浓度为 155 μg/m3， 但仍高于东营市 121.87 μg/m3 ［ 10 ］。 由上分析可知， 实验区 TSP 和 PM10污染特征分 布为 河曲县 ＞ 大同南郊区 ＞ 宁武县， 表明 TSP 和 PM10具有一定的相关性。各实验区 TSP 和 PM10日均 质量浓度值见图 1。 2. 1. 2从井工矿 采空自燃区、 露头煤层自燃区 分 区分析 样品采集点位中， 采空自燃区设置 4 个点位， 露 头煤层自燃区设置 8 个点位。具体分布情况见表 1。 采空 自 燃 区 TSP 日 均 浓 度 范 围 为 213 ～ 670 μg/m3， 平均浓度为 411. 75 172. 8μg/m3。 根据标准 GB 30951996， 采空自燃区有两个点位超 标， 超标率为 50。超标点位分别为硬地峁、 马脊 梁， 超标倍数依次为 0. 05 倍、 0. 28 倍。露头煤层自 燃区 TSP 日均浓度范围为 195 ～ 489 μg/m3， 平均浓 度为 285. 75 67. 93μg/m3。根据标准 GB 3095 1996， 露头煤层自燃区无超标点位。采空区自燃区 TSP 日均浓度是露头煤层自燃区的 1. 44 倍。 采空自燃区 PM10日均浓度范围为 119 ～429 μg/ m3， 平均浓度为 254. 25 104. 75μg/m3。根据标 准 GB 30951996， 采空自燃区有 2 个点位超标， 超 标率为 50。超标点位分别为硬地峁、 马脊梁， 超标 倍数依次为 0. 27 倍、 0. 60 倍。露头煤层自燃区 PM10 46 环境工程 Environmental Engineering 图 1山西北部煤层自然区 PM10和 TSP 日均质量浓度及比值变化曲线 Fig．1Daily average mass concentration of PM10and TSP and the ratio curve in northern Shanxi coal spontaneous combustion zone 日均浓度为 95 ～ 330 μg/m3， 平均浓度为 180. 38 50. 72μg/m3。根据标准 GB 30951996， 露头煤层 自燃区有一个超标点位， 超标率为 12. 5。超标点位 为范家梁， 超标倍数为0. 21 倍。采空自燃区 PM10日均 浓度是露头煤层自燃区的1. 41 倍。 根据以上分析可知， 露头煤层自燃区 TSP 及 PM10质量浓度均优于采空自燃区， 说明采空自燃区的 污染较露头煤层自燃区严重， 这可能是因为相对于露 头煤层自燃而言采空区煤层燃烧更加不完全造成的。 采空自燃区及露头煤层自燃区 TSP 及 PM10日均质量 浓度分布见表 2。 表 2采空自燃区及露头煤层自燃区 TSP 及 PM 10 日均质量浓度分布 Table 2TSP and PM10daily average concentration distribution in gob spontaneous combustion zone and seam outcrop spontaneous combustion zoneμg/m3 采样区分类 PM10TSP 采空自燃区254. 25411. 75 露头煤层自燃区180. 375285. 75 2. 2PM10/TSP 比值分析 2. 2. 1从地理行政 大同南郊区、 宁武县及河曲县 分区分析 山西北部煤层自燃区域实验三区中， PM10与 TSP 日均 质 量 浓 度 比 值 的 平 均 值 为 0. 623。实 验 区 PM10/TSP比值由大到小顺序为 大同南郊区 0. 646 ＞ 宁武县 0. 612＞ 河曲县 0. 600 。三区比值均大 于 60， 说明山西北部煤层自燃区域细颗粒物的污 染更为严重。由图1 可知， 红糜沟比值最大， 为72.3; 官窑比值最小， 为 53. 9。 2. 2. 2从井工矿 采空自燃区、 露头煤层自燃区 分 区分析 采空自燃区及露头煤层自燃区 PM10与 TSP 日均 质量浓度比值的平均值均为 0. 62。这表明在采空自 燃区和露头煤层自燃区的大气颗粒物污染中， PM10在 TSP 中的比重并没有因为井工矿的不同而表现出明 显差异， 这可能与煤层自燃产生的颗粒物状态和性质 等有直接关系， 且该颗粒物对 TSP 和 PM10污染这一 分级没有较显著影响。 2. 3PM10、 TSP 相关性分析 2. 3. 1从地理行政 大同南郊区、 宁武县及河曲县 分区分析 实验三区县大同南郊区、 宁武县及河曲县 PM10 和 TSP 日均质量浓度具有显著线性相关性， Ｒ2分别 高达 0. 97、 0. 98、 0. 99。其中， 宁武县高度相关可能 是因为所采点位偏少， 我们将在后续工作中继续研 究探讨各分区二者的相关性， 以证实现有结论。但 从山西北部煤层自燃区域实验三区 PM10和 TSP 质 量浓度相关性分析来说， 两者存在显著线性关系， 回归方程 PM10 0. 63TSP － 1. 12， Ｒ2 0. 98。这与 2. 1 的推论一致。实验区各区 PM10和 TSP 相关性 见图 2。 2. 3. 2从井工矿情况 采空自燃区、 露头煤层自燃 区 分区分析 采空自燃区、 露头煤层自燃区 PM10和 TSP 日均 质量浓度具有显著线性关系， 均为 0. 98。表明从一 定程度上 PM10和 TSP 质量浓度可相互表征， 且不会 因为井工矿的不同有明显差异， 正好证实了 2. 2 中第 二部分的推论。两区 PM10和 TSP 相关性分析见图 3。 56 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 2山西北部煤层自燃区各区 PM 10和 TSP 相关性分析 Fig．2Correlation analysis of PM10and TSP in northern Shanxi coal spontaneous combustion zone districts 图 3山西北部煤层自燃区井工矿分区 PM 10和 TSP 相关性研究 Fig．3Correlation analysis of PM10and TSP in northern Shanxi coal spontaneous combustion zone well mining districts 由上分析可知 无论是地理行政三区还是井工 矿两区分类， PM10和 TSP 质量浓度显著线性相关， 所以在监测过程中可以通过只监测一项而间接测 定另外一项的浓度值。这将为环境管理部门、 质量 监测部门对煤层自燃区环境空气的监测提供一定 的理论支撑。 3结论 1 山西北部煤层自燃区大气颗粒物污染严重， 污染分布特征表现为河曲县 ＞ 大同南郊区 ＞ 宁武县， 采空自燃区 ＞ 露头煤层自燃区， 这可能与煤层燃烧更 加不完全有关。 2 山西北部煤层自燃区域实验三区 PM10/TSP 比值均大于 0. 6， 细颗粒物的污染更为严重， 分布特 征为大同南郊区 ＞ 宁武县 ＞ 河曲县。采空自燃区及 露头煤层自燃区 PM10/TSP 比值均为 0. 62， 推测煤层 自燃产生的颗粒物对 TSP 和 PM10污染这一分级影响 甚微。 3 无论是地理行政三区还是井工矿两区分类， PM10和 TSP 质量浓度显著线性相关， 相关系数为0. 98。 参考文献 ［1］Cambell A，Oidham M，Becaria A，et al． Particulate matter in polluted airmay increase biomarkers of inflammation in mouse brain ［J］． Neuro Toxicology， 2005， 26 1 133- 140. ［2］Peters A．Particulate matter and heart diseaseevidence from epidemiologicalstudies［ J ］．ToxicologyandApplied Pharmacology， 2005， 207 2 477- 482. ［3］Tsai Y I，Lin Y H，Lee S Z． Visibility variation with air qualities in the metropolitan area in southern Taiwan［J］． Water， Air and Soil Pollution， 2003， 144 2 19- 40. ［4］亚力昆江 吐尔逊， 迪丽努尔 塔力甫，阿不力克木 阿布力孜， 等． 乌鲁木齐市冬季大气 PM10 －2. 5、 PM2. 5中水溶性无机离子的 化学特征［J］． 环境工程， 2010， 28 S1 196- 199. ［5］黄海燕． 福州市 5 区大气 TSP 与 PM10的调查分析［J］． 职业与 健康， 2004， 20 11 109- 110. ［6］陈克军， 陈刚才， 王定勇， 等． 重庆市大气 TSP 特征分析［J］． 重 庆环境科学， 2003， 25 4 43- 45. ［7］吴水平， 左谦， 兰天， 等． 天津地区冬季总悬浮颗粒物中 PAHs 污染特征［J］． 环境科学， 2004， 25 4 13- 17. ［8］牛牧晨， 任福民， 周玉松， 等． 北京市铁路站场大气颗粒物的特 征与来源分析［J］． 环境工程， 2007， 25 5 78- 81. ［9］许明君， 王月华， 汤莉莉， 等． 南京城区与郊区秋季大气 PM10中 水溶性离子的特征研究［J］． 环境工程， 2012， 30 5 108- 113. ［ 10］赵雪艳， 徐永海， 刘永． 东营夏季 PM10中有机碳、 元素碳的污染 特征［J］． 南开大学学报． 自然科学版， 2010， 43 5 83- 88． 第一作者 成娜 1988 － ， 女， 硕士， 主要从事大气污染与防治。 chengna923616163． com 通讯作者 彭林 1966 － ， 女， 博士后， 教授， 主要从事大气污染与防 治。penglin6611163． com 66 环境工程 Environmental Engineering