汞是一种剧毒金属元素^[1]。火山喷发、土壤和水体表面的排放、森林火灾、煤炭燃烧、水泥制造、有色金属冶炼、垃圾焚烧、氯碱工业、含汞化工产品等自然及人为活动均可向大气排放大量的汞^[2-6]，通过气体循环和沉降等方式造成空气、土壤和水体汞污染，且其污染具有持久性、隐蔽性、易于迁移等特点^[7-8]。大气中的汞主要分为气态元素汞(GEM)、活性气态汞(RGM)和颗粒态汞(PBM)，GEM是大气汞的主要存在形式，其化学性质稳定，水溶性和干沉降速率较低^[9]，在大气循环作用下可进行全球性迁移^[10]，极易在植物和生物体内积累，并通过食物链进入人体，对神经系统产生毒害作用，因此汞污染已成为全球日益关注的问题。

中国是全球人为大气汞排放量最大的国家之一^[11]，随着中央部署的“丝绸之路经济带核心区”和“三基地一通道”战略^[12]的逐步推进，新疆资源优势的煤电、煤化工和劳动密集型的纺织、印染等产业迎来快速发展，能源消耗不断增长，汞污染、雾霾等大气污染问题也更受关注。大气汞监测有助于更好地揭示环境中汞的污染特征，评价大气汞的污染状况^[13]。近几年乌鲁木齐-昌吉-石河子(简称“乌-昌-石”)区域大气环境质量的改善已被列入新疆维吾尔自治区十大民生实事之一，乌鲁木齐市实行“煤改气”后，其污染物排放有了一定的减少，但周边仍然存在一定数量的工业园区、燃煤锅炉等，城市大气中仍然存在一定浓度水平的GEM。

本研究选取乌鲁木齐市工业或人口较发达的6个区(含1个工业园区)作为研究对象，对乌鲁木齐市大气GEM浓度进行了实时监测，各点位每个季度连续监测1周，分析GEM浓度变化特征，以期为乌鲁木齐市精准治污、科学治污、依法治污，打好污染防治攻坚战提供技术支撑。

1 研究方法 1.1 研究区域概况

乌鲁木齐市地处亚欧大陆中心，是我国西北地区最重要的省会城市之一，全市三面环山，北部平原开阔，东部有喀拉塔格山，西部有喀拉扎山，南部有伊连哈比尔尕山东段等。地势东南高，西北低，海拔680~920 m，属于典型的中温带大陆性干旱气候，年平均降水量较少，仅194 mm，平均温度6.9 ℃。虽然人口和工业企业数量远小于北京、上海、广州等城市，但由于乌鲁木齐市特殊的地形和气象条件，导致大气污染物不易扩散。

1.2 监测点位与监测时间

本研究分别选取天山区、沙依巴克区、水磨沟区、头屯河区、米东区以及甘泉堡工业园区6个区域作为研究对象，在满足电力及安全的监测条件下，共布设6个监测点位，除甘泉堡工业园区外，其余点位周边均属居住、商业和办公混合区，无直接汞排放源，样品采集符合《环境空气手工监测技术规范》(HJ 194—2017)，采样口距离地面垂直高度为1.2 m，监测点周边3 km范围内无明显污染物固定排放源。监测时间为2021年11月—2022年9月，监测点位信息见表 1。点位示意见图 1。

1.3 监测仪器与监测方法

监测设备：便携式汞分析仪(RA-915M，北京鲁美科思仪器设备有限公司)，采样流速1.5 L/min，监测时间间隔10 s。便携式烟气汞采样系统(PMS 30B，南京埃森环境技术股份有限公司)，采样流量0.4 L/min。微脉冲颗粒物激光雷达(PMTracer，北京艾沃思科技有限公司)，激光波长532 nm，脉冲能量＞15 μJ。

GEM监测方法：采用便携式汞分析仪连续监测大气汞浓度，分析原理为塞曼效应原子吸收光谱法直接测定大气中汞浓度，连续24 h不间断，每个季度连续监测1周。监测前使用内部汞源进行基准检验，自动校零，校正周期4 h。仪器进气口安装0.45 μm的聚四氟乙烯滤膜，过滤膜直径5 cm，定期更换。监测仪器放置在室温为25 ℃的空气自动监测站房内或其他安全点位，采样进气口设置在环境空气中，使用不间断电源设备稳定电压，在监测过程中未出现过断电现象。分析方法为《环境空气气态汞的测定便携式冷原子吸收分光光度法(试行)》^[14]。

污染物垂直分布监测方法：采用微脉冲颗粒物激光雷达24 h连续不间断扫描监测。原理为以激光为发射光源，向大气中发射连续的脉冲激光，与大气中的颗粒物相互作用，产生后向散射光，连续监测大气颗粒物的分布与状态，分析颗粒物的时空演变特征，同时以彩图的方式将激光雷达监测的大气颗粒物的消光系数和退偏比空间分布等结果显示出来以反映大气质量情况。

燃煤电厂烟气中GEM监测方法：采用便携式烟气汞采样系统，以0.4 L/min的流速抽取12 L的烟气到专用活性炭吸附管中，烟气中的GEM被吸附管中的活性炭捕集得到样品，结合《固定污染源废气气态汞的测定活性炭吸附/热裂解原子吸收分光光度法》(HJ 917—2017)^[15]对样品进行分析，得到烟气中GEM的浓度。

2 结果与讨论 2.1 乌鲁木齐市GEM质量浓度的整体水平

2021年11月—2022年9月，乌鲁木齐市GEM质量浓度为1.56~10.70 ng/m³，平均质量浓度为(4.45±1.38)ng/m³，高于北半球背景值(1.5~1.70 ng/m³)^[16]。中国不同城市GEM质量浓度差异较大，乌鲁木齐市GEM质量浓度虽然低于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012) 规定的环境空气中汞的年均参考限值(50 ng/m³)，但高于国内许多城市，如北京^[9]、上海^[17]、苏州^[18]和宁波^[19]等，与兰州市^[20]的GEM质量浓度持平，低于郑州市^[21]。具体见表 2。

2.2 乌鲁木齐市不同季节GEM浓度变化

乌鲁木齐市GEM质量浓度总体呈现冬、春季高，分别为(5.49±1.68)ng/m³和(4.72± 1.04)ng/m³，秋季次之[(4.19±0.84) ng/m³]，夏季最低[(3.41±0.85)ng/m³]，具有显著的季节性变化特征。煤炭燃烧是大气汞的主要来源之一，虽然乌鲁木齐市从2012年开始就实行“煤改气”，逐步实现燃气锅炉分批替代燃煤锅炉供热，但改善效果不理想^[22]，而每年采暖期间(10月10日至次年4月10日)是乌鲁木齐一年之中区域性污染天气频发和高发的时期，随着周边工业园区燃煤量以及天然气用量增加，汞排放量也在增加，由于乌鲁木齐市所在天山北坡特殊的地形和气候条件，冬季从天山来的上层焚风遇到盆地冷空气后，造成坡底城市近地面严重逆温现象，不利于污染物的扩散，导致乌鲁木齐市采暖期GEM浓度较高。

激光雷达设备是了解污染物垂直分布特征和传输特性的有效工具^[23]，在激光雷达探测中，可用消光系数颜色的深浅表示气溶胶浓度的大小，浓度越高，颜色越深^[24]。乌鲁木齐市夏季(6月)和冬季(11月)激光雷达消光系数与气溶胶浓度的变化情况分别见图 2、图 3。由图 2、图 3可见，冬季大气污染物扩散层高度仅为400 m左右，不利于大气污染物的扩散，夏季高温气象条件下大气垂直扩散高度增加，高度达2 000 m，大气对流强烈，有利于污染物的稀释和扩散，乌鲁木齐市GEM浓度季节变化趋势与污染物扩散层高度变化趋势一致。

2.3 乌鲁木齐市GEM浓度的日变化特征

乌鲁木齐市冬、夏季GEM日均质量浓度变化特征见图 4。

由图 4可见，冬季和夏季乌鲁木齐市GEM浓度均有明显的昼夜变化，夜晚相对较高，白天较低。23：00左右GEM浓度最高，09：00左右GEM浓度开始下降，在14：00—15：00达到最低，之后浓度开始回升，这与污染物扩散高度日变化趋势相似，夜间污染物扩散高度较低，不利于GEM的扩散，而白天污染物扩散高度较高，较利于污染物的扩散^[25]。此外，GEM浓度还与太阳辐射量成正相关^[26]，白天太阳辐射较强，可加速GEM的氧化，形成二价汞化合物，从而进一步降低GEM的浓度。

2.4 乌鲁木齐市各区域GEM浓度的水平

监测期间乌鲁木齐市各区域ρ(GEM)见表 3。

乌鲁木齐市不同区域各季节GEM质量浓度变化见图 5。由图 5可见，甘泉堡工业园GEM质量浓度最高，米东区次之，天山区最低。主要原因为天山区位于南端，地势较高，米东区、甘泉堡工业园位于北端，地势较低，南北地形相差约1 100 m，地势悬殊^[27]，大气扩散条件差，污染物容易积累。此外，受周边地区(如阜康、昌吉、五家渠等)工业企业发展的影响，乌鲁木齐北端的GEM质量浓度高于南端。

为进一步了解米东区和甘泉堡工业园区GEM质量浓度高的原因，选取米东区和甘泉堡工业园各2家较大的燃煤企业，对其排放烟气中的GEM质量浓度进行采样分析，监测结果见表 4。由表 4可见，4家企业排放烟气中的GEM平均质量浓度分别为5.89，2.44，3.70，8.14 μg/m³，虽然均达标排放，但固定污染源烟气排放量较大，会影响周边区域GEM浓度。

3 结论

(1) 监测期间，乌鲁木齐市GEM平均质量浓度为(4.45±1.38)ng/m³。总体上呈现冬季和春季高(采暖期)，夏、秋季低，具有显著的季节性变化特征。采暖期燃煤燃气量的增加，以及近地面严重的逆温现象，导致污染物扩散高度较低，容易积累，采暖期GEM浓度较高。

(2) 乌鲁木齐市GEM浓度日变化特征表现为夜间高于白天，其与夜间大气污染物扩散高度低，太阳辐射小有关。

(3) 甘泉堡工业园GEM质量浓度最高，为(5.55±1.20)ng/m³，米东区次之，为(5.21±0.84)ng/m³，天山区最低，为(3.40±0.60)ng/m³，而沙依巴克区、水磨沟区及头屯河区3个区域GEM质量浓度分别为(4.28±0.68)，(4.43±0.76)，(3.86±0.82)ng/m³。主要由于乌鲁木齐市三面环山、南高北低的地势导致北部地区大气扩散条件差，污染物容易积累。此外，乌鲁木齐市北部受周边地区(如阜康、昌吉、五家渠等)工业企业发展的影响，燃煤烟气排放量较大，影响该区域GEM浓度。