孫冬梅，曹 磊，李彥妍

(石家莊市環(huán)境綜合執(zhí)法支隊，河北石家莊 050023)

石家莊市空氣質(zhì)量狀況分析

孫冬梅，曹 磊，李彥妍

(石家莊市環(huán)境綜合執(zhí)法支隊，河北石家莊 050023)

針對石家莊市已采取多項治理措施，但大氣污染治理成效仍不顯著的現(xiàn)狀，為改善石家莊市的空氣質(zhì)量，在對石家莊市氣象條件、地形地理情況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及大氣污染源排放狀況進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，運用大氣環(huán)境質(zhì)量模型，模擬計算得出各項大氣污染源對石家莊市空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)比例和本區(qū)域外部傳輸?shù)挠绊?。在石家莊市自然等因素不利于污染物擴(kuò)散的的前提下，針對石家莊市以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)和高耗能產(chǎn)業(yè)占比較大的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等現(xiàn)狀，提出應(yīng)增加清潔能源在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)中的比例、應(yīng)用成熟可行技術(shù)提升工業(yè)企業(yè)治理污染的能力，以及重污染天氣時采取多方面管控措施等手段。研究結(jié)果對改善石家莊市的空氣質(zhì)量有一定的參考價值。

大氣污染防治工程；空氣環(huán)境質(zhì)量；污染狀況分析；WRF-CMAQ模型；治理措施

近幾年來，大氣污染防治工作形勢日益嚴(yán)峻，石家莊市相繼采取了大氣污染物總量減排、大力實施揚塵治理、禁止全市焚燒秸稈、加強機動車污染防治等綜合治理措施，使得環(huán)境空氣中各項污染物的濃度顯著降低，空氣質(zhì)量改善取得了階段性成果[1-8]。但由于燃煤消耗量大、工業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等歷史原因，使得石家莊市近幾年在中國74個重點城市空氣質(zhì)量的排名中始終較為靠后，對城市形象產(chǎn)生較差影響。為改善民生、提升城市整體形象，在客觀分析石家莊市空氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上，綜合考量石家莊市的氣象條件、地理地形、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及大氣污染源排放狀況，合理運用大氣環(huán)境質(zhì)量模型，研究改善石家莊市空氣環(huán)境質(zhì)量狀況的可能性和應(yīng)對的系列措施和辦法。

1 石家莊市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及主要問題

1.1主要污染物年均濃度仍然超標(biāo)

2013—2015年，石家莊市主要污染物的年均濃度均呈下降趨勢；與2013年相比，2014年SO2，NO2，PM10，O3和PM2.5分別下降41%，22%，33%，7%和20%；與2014年相比，2015年SO2，NO2，PM10，O3和PM2.5分別下降24%，3.6%，28.6%，2.8%和28.3%。雖然各項污染物濃度下降幅度均較大，但2015年除SO2年均濃度達(dá)標(biāo)外，NO2，PM10，PM2.5這3項污染物均超標(biāo)，PM10在2014年和2015年分別超標(biāo)1.94倍和1.1倍，PM2.5分別超標(biāo)2.54倍和1.54倍。2013—2015年主要污染物年均濃度如圖1所示。

圖1 2013—2015年主要污染物年均濃度Fig.1 Annual concentration of major pollutants in 2013—2015

1.2顆粒物仍為空氣質(zhì)量超標(biāo)的主要因素

《2013—2015年石家莊市環(huán)境質(zhì)量公告》表明，石家莊市日均濃度超標(biāo)天數(shù)較多的污染物主要為PM2.5和PM10。以2015年為例，PM2.5和PM10分別超標(biāo)132天和170天，達(dá)標(biāo)比例分別僅為63.8%和53.3%?；?015年石家莊空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)及對首要污染物的統(tǒng)計分析，可知石家莊市四季的首要污染物為PM2.5，春季(3—5月)和夏季(6—8月)PM10為次要污染物，冬季(1月、11月、12月)和秋季(9月、10月)NO2為次要污染物。具體統(tǒng)計占比如圖2所示。

圖2 各季節(jié)主要污染物統(tǒng)計Fig.2 Primary pollutant statistics in each season

1.3冬季是控制顆粒物污染的重要季節(jié)

通過對2013—2015年P(guān)M10和PM2.5日均濃度的趨勢進(jìn)行分析可知，石家莊市PM10和PM2.5日均濃度和重污染峰值均有所降低，但是冬季重污染天氣仍然頻發(fā)。以2015年為例，剔除冬季重度污染和嚴(yán)重污染天氣后，石家莊市PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度分別為120 μg/m3和73 μg/m3，冬季極端天氣對當(dāng)?shù)豍M10和PM2.5年均濃度抬升率分別達(dá)到23%和22%。因此，冬季特別是重污染天氣下的“削峰工程”將是控制顆粒物污染的重要時間窗口。2013—2015年石家莊市PM10和PM2.5日均濃度變化趨勢如圖3所示。

2 石家莊市大氣環(huán)境壓力分析

2.1自然氣象條件及特殊的地理地形

石家莊自然氣象條件及特殊的地理地形不利于污染物的擴(kuò)散和清除。石家莊市區(qū)年平均降水量為534 mm，郊縣降水量略高于市區(qū)，城市“干島”效應(yīng)明顯。常年主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，年平均風(fēng)速約為1.6 m/s，小風(fēng)頻率39.2%，年靜風(fēng)頻率達(dá)19.87%，特別是市區(qū)，冬季靜風(fēng)頻率達(dá)到了59.6%。總體上來看，石家莊市穩(wěn)定性天氣出現(xiàn)率高達(dá)48.4%，全市全年大氣狀況處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。此外，石家莊市逆溫層的出現(xiàn)平均頻率達(dá)到了72.5%，尤其是在冬季，逆溫層出現(xiàn)的頻率更是高達(dá)90%以上。石家莊市的逆溫層還有一個特點，就是高度較低，其平均高度約為88 m，平均厚度約為339 m，強度約為1.6度，這都不利于城市大氣污染物的擴(kuò)散和稀釋，從客觀層面上加大了大氣污染治理的難度[1]。另外，石家莊市位于太行山脈東部和南部的天氣系統(tǒng)匯聚帶內(nèi)，氣候常年干燥、少雨，本區(qū)和外來的大氣污染物易于匯聚和凝滯。當(dāng)受東南風(fēng)作用時，石家莊上空的污染物隨風(fēng)西移，遇到太行山脈的阻擋后，轉(zhuǎn)而東移滯留。與此相似，當(dāng)受西北風(fēng)影響的時候，作為巨大屏障的太行山脈，阻擋著西北風(fēng)的通行，致使污染物擴(kuò)散不明顯。再加上近年來石家莊市城區(qū)年均氣溫上升明顯，“熱島效應(yīng)”與“城市焚風(fēng)效應(yīng)”加劇，以及受逆溫等因素的影響，污染物更易聚積于大氣層底部，形成污染物循環(huán)的“城市污染谷”，加劇了城市建成區(qū)大氣環(huán)境的污染程度。

圖3 2013—2015年石家莊市PM10，PM2.5日均濃度變化趨勢Fig.3 PM10 and PM2.5 daily concentration change trend in Shijiazhuang in 2013—2015

2.2高耗能的第二產(chǎn)業(yè)比例偏高

石家莊市能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，高耗能的第二產(chǎn)業(yè)比例偏高。根據(jù)石家莊市統(tǒng)計局公報數(shù)據(jù)可知，2012年石家莊市全社會煤炭消費量約為6 007萬t，甚至超過著名煤產(chǎn)地太原所消耗的4 100萬t，而同年北京年燃煤量為2 000萬t。數(shù)據(jù)顯示，石家莊的7座冬季供熱站和23家熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)年耗煤量之和就已達(dá)到了2 390萬t，超出西安或北京的全年煤炭消耗總量。據(jù)相關(guān)測算顯示，當(dāng)?shù)赜扇济寒a(chǎn)生的污染物約占大氣污染物總量的53.4%[2]。因此，如果未來能源結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，隨著城市的發(fā)展和人口的增加，不僅燃煤量仍將繼續(xù)迅速增加，而且當(dāng)?shù)卮髿馕廴緺顩r也不會得到根本性的改變。

近幾年石家莊市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中第二產(chǎn)業(yè)占比雖略有下降，如2015年第三產(chǎn)業(yè)占比略超過第二產(chǎn)業(yè)，但與國內(nèi)同級城市相比，石家莊市的第二產(chǎn)業(yè)占比仍略高[3]，如圖4所示。

圖4 2011—2015年石家莊市三產(chǎn)比例Fig.4 Proportion of the three industries in Shijiazhuang in 2011—2015

2.3工業(yè)企業(yè)行業(yè)分布廣、污染排放強度大

基于2014年石家莊污染源統(tǒng)計資料顯示，石家莊市二氧化硫全年排放量約為13萬t，氮氧化物量為18萬t，煙粉塵量為9萬t，其中對二氧化硫排放量貢獻(xiàn)較大的行業(yè)依次為電廠(24%)、民用燃煤(16%)和金屬冶煉(14%)、醫(yī)藥化工(14%)；對氮氧化物貢獻(xiàn)較大的為移動源(34%)、電力(27%)和水泥建材(10%)；對煙粉塵排放量貢獻(xiàn)較大的行業(yè)依次為金屬冶煉(18%)、開放源(16%)和移動源(16%)。

通過計算石家莊市單位GDP污染負(fù)荷，并與北京、邢臺、呼和浩特、南京、唐山等其他城市進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)石家莊市二氧化硫和煙粉塵的單位GDP污染物負(fù)荷均為最高，大幅超過北京、南京及河北其他城市，氮氧化物的單位GDP污染物負(fù)荷雖然略低于呼和浩特和其他河北城市，但仍遠(yuǎn)高于北京、南京。可見，工業(yè)布局及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是石家莊市改善城市空氣質(zhì)量的必經(jīng)之路。不同城市單位GDP污染物負(fù)荷狀況如圖5所示。

圖5 不同城市單位GDP污染物負(fù)荷Fig.5 GDP pollutant load in different cities

通過計算石家莊市單位面積污染負(fù)荷，并與北京、呼和浩特、南京、唐山等其他城市進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，與單位GDP污染物負(fù)荷的情況類似，石家莊市二氧化硫和煙粉塵單位面積污染物負(fù)荷仍為最高，氮氧化物的單位面積污染物負(fù)荷略低于南京和唐山，但高于其他對比城市。不同城市單位面積污染物負(fù)荷狀況如圖6所示。

圖6 不同城市單位面積污染物負(fù)荷狀況Fig.6 Pollutant load per unit area in different cities

2.4移動源、金屬冶煉和其他行業(yè)對PM2.5濃度貢獻(xiàn)較大

本文更側(cè)重于對區(qū)域環(huán)境的測算，選用當(dāng)前在國內(nèi)外較為通用的WRF-CMAQ模型[4-6]，對石家莊市2015年1月至12月全年氣象因子和污染物濃度進(jìn)行了模擬，采用石家莊市氣象局和石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心提供的數(shù)據(jù)，分析了各行業(yè)對石家莊市污染物濃度的貢獻(xiàn)情況，如圖7所示。分析結(jié)果顯示，移動源、金屬冶煉和其他行業(yè)對石家莊市PM2.5濃度貢獻(xiàn)較為突出，未來應(yīng)著力削減這3個行業(yè)的大氣污染物排放量，以減輕空氣污染程度。此外，生物質(zhì)燃燒、開放源和民用鍋爐雖然對污染物濃度的貢獻(xiàn)不如重點行業(yè)突出，但由于其本身排放量小且排放高度低，因而對局地的污染物濃度影響狀況也不可忽視。

圖7 大氣污染源對石家莊市大氣污染物濃度貢獻(xiàn)比例Fig.7 Contribution of air pollution sources to atmospheric pollutant concentrations in Shijiazhuang

3 石家莊市空氣質(zhì)量改善措施

根據(jù)以上石家莊市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)及對影響因素的分析，結(jié)合國內(nèi)外的成功經(jīng)驗[7-10]，提出以下改善措施。

3.1增加清潔能源供應(yīng)，降低煤炭消耗總量

石家莊市散煤消耗量較大，是冬季大氣污染的重要來源，因而需控制煤炭消費總量，大力推進(jìn)農(nóng)村散煤清潔化替代工作。

一是要在城市大幅提升集中供熱率，在農(nóng)村大力推進(jìn)“電代煤”“氣代煤”工程，既能解決散煤污染問題，又能有效化解電力、煤炭行業(yè)的過剩產(chǎn)能，推動相關(guān)設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，達(dá)到“一石三鳥”的效果。未來石家莊市建成區(qū)應(yīng)以“氣代煤”工程為主，農(nóng)村地區(qū)應(yīng)以“電代煤”工程為主，加快推進(jìn)散煤清潔化的替代進(jìn)度。

二是協(xié)調(diào)電網(wǎng)企業(yè)加大“電代煤”配套電網(wǎng)建設(shè)的改造力度，將建設(shè)改造費用納入輸配電價成本核算，集中資源重點建設(shè)改造主城區(qū)及周邊區(qū)縣“電代煤”配套電網(wǎng)，通過出臺發(fā)電側(cè)與需求側(cè)相匹配的峰谷分時電價政策，適度提高峰谷電價差，對電采暖居民用戶采暖季暫不執(zhí)行階梯電價，選擇性地執(zhí)行峰谷分時電價。

三是全力協(xié)調(diào)天然氣供應(yīng)量，提高天然氣在總能源消耗中的比例。按照全市一張網(wǎng)的原則，結(jié)合天然氣資源落實和設(shè)施建設(shè)情況，有序推進(jìn)天然氣管網(wǎng)建設(shè)，逐步完成“縣縣通”、居民生活氣化、供熱氣化、工業(yè)窯爐氣化等工程建設(shè)。

四是逐步壓減現(xiàn)有電廠數(shù)目，改變目前向外輸電、賣電的方式，以解決城市本身供電需求為主，提高外購電量比例，逐步關(guān)停小機組和自備電廠，將容量騰給低耗能、高參數(shù)的優(yōu)質(zhì)電廠。

五是劃定高污染燃料禁燃區(qū)，加強煤炭管制，規(guī)范散煤經(jīng)營行為，嚴(yán)格執(zhí)行河北省工業(yè)和民用燃料煤地方標(biāo)準(zhǔn)[11]，嚴(yán)禁銷售不達(dá)標(biāo)煤炭。

3.2優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低單位GDP能耗

供給側(cè)改革的首要任務(wù)是去產(chǎn)能，要以化解產(chǎn)能為契機，加大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度。石家莊要以鋼鐵、水泥、玻璃等行業(yè)為重點，加大環(huán)境監(jiān)管力度，積極淘汰落后產(chǎn)能和化解過剩產(chǎn)能。

一是要控制“兩高”行業(yè)新增產(chǎn)能，根據(jù)石家莊本地區(qū)環(huán)境質(zhì)量改善需求、自然資源特點、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r等，研究符合石家莊的城市功能定位，探索制訂更為嚴(yán)格的產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入政策。

二是結(jié)合《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》[12]及《河北省新增限制和淘汰類產(chǎn)業(yè)目錄》[13]，明確落后產(chǎn)能淘汰任務(wù)，加快淘汰重污染流程或工藝，倒逼企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

3.3加大工業(yè)企業(yè)治污力度，控制大氣污染物排放

一是要整治燃煤鍋爐，盡快實現(xiàn)燃煤鍋爐全部改用天然氣或由周邊電廠供電，通過集中建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，逐步淘汰工業(yè)企業(yè)聚集區(qū)域內(nèi)的燃煤鍋爐。

二是嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)有重點行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)[14-18]，依法關(guān)停排放不達(dá)標(biāo)的相關(guān)企業(yè)。綜合考慮環(huán)境質(zhì)量、發(fā)展?fàn)顩r、治理技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本和管理能力等因素，科學(xué)合理地制定嚴(yán)于國家或省級的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)企業(yè)改造升級和倒逼生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的作用，加快重點行業(yè)環(huán)保設(shè)施達(dá)標(biāo)改造，實現(xiàn)污染物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，逐步推進(jìn)揮發(fā)性有機物污染的治理工作。

3.4加強移動源污染管控，降低機動車污染影響

一是要協(xié)調(diào)統(tǒng)一城市規(guī)劃與交通規(guī)劃，完善多部門聯(lián)合執(zhí)法的工作制度，不定期對施工工地使用的燃油設(shè)備、機械進(jìn)行抽查、檢查；此外，加快建立以軌道交通為骨干、常規(guī)公交為主體、其他交通方式共同協(xié)調(diào)的綜合交通體系。

二是大力推廣使用新能源汽車，加快燃油生產(chǎn)企業(yè)升級工作，確保高標(biāo)準(zhǔn)車用汽柴油的應(yīng)用。通過測算城市環(huán)境容量，合理控制機動車保有量，加快淘汰黃標(biāo)車及老舊車輛。選擇市區(qū)、省市界典型路段，安裝機動車遙感檢測裝置和視頻在線監(jiān)測裝置，并與市交管局、環(huán)保局監(jiān)控平臺聯(lián)網(wǎng)，加大對道路行駛車輛排放的檢測力度。此外，加強用車年度檢驗，不達(dá)標(biāo)車輛不得上路行駛，鼓勵出租車每年更換高效尾氣凈化裝置。鼓勵私人優(yōu)先購買新能源汽車，新增或更換城市公交車、黨政機關(guān)公務(wù)車、執(zhí)法執(zhí)勤巡邏車、環(huán)衛(wèi)車、出租車等，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇新能源汽車。

3.5強化面源污染整治，嚴(yán)格控制揚塵污染

一是要求建設(shè)工程施工現(xiàn)場做到場地圍擋、路面硬化、定期灑水，原料及建筑垃圾要進(jìn)行苫蓋。在房屋建筑施工工地推進(jìn)使用預(yù)拌混凝土(砂漿)、高效自動洗輪機、防塵抑塵材料等新技術(shù)，消除工地車輛車輪帶泥上路行駛的現(xiàn)象。市政道路、水利施工工地和拆遷工地必須分段施工，建議對全市所有渣土運輸車輛安裝衛(wèi)星定位系統(tǒng)，實行“挖、堆、運”全過程監(jiān)控。

二是合理制定城市道路清掃實施方案，依據(jù)石家莊自身氣象特點合理安排清掃和灑水頻次，加強施工區(qū)域及周邊清掃保潔作業(yè)，加大灑水抑塵頻次，提升城市保潔水平。還要改進(jìn)作業(yè)模式，變掃馬路為“吸掃聯(lián)動”，變“大掃把”為機械化。此外，應(yīng)科學(xué)合理地對道路進(jìn)行綠化，消滅裸露地面，減少揚塵。對城市周邊未鋪裝或破損道路應(yīng)及時進(jìn)行鋪裝硬化或修補工作，加強道路的維修保養(yǎng)，提升道路的通行環(huán)境。

3.6修訂應(yīng)急預(yù)案，強化重污染天氣的應(yīng)對工作

一是要修改和完善重污染天氣應(yīng)急預(yù)案，結(jié)合排污許可證管理，嚴(yán)格控制重污染應(yīng)急期間的電力、鋼鐵等重點行業(yè)的污染物排放，將減排措施細(xì)化到具體工藝流程和停限產(chǎn)設(shè)備。

二是要加強重污染天氣預(yù)報預(yù)測能力建設(shè)，堅持空氣質(zhì)量預(yù)報會商制度，建立日常聯(lián)合會商、應(yīng)急會商和信息通報機制，加強重污染天氣過程的分析研判，完善監(jiān)測預(yù)警應(yīng)急體系。規(guī)范預(yù)測預(yù)報、應(yīng)急聯(lián)動、信息報送、監(jiān)督檢查等工作流程，從冬春采暖季常態(tài)化減排比例和應(yīng)急措施減排比例入手，切實做好重污染天氣的應(yīng)對工作。

4 結(jié) 語

中國大氣污染整體上已步入?yún)^(qū)域性、復(fù)合型、疊加型的新階段，所以石家莊市的空氣質(zhì)量改善將是一個長期、復(fù)雜的過程。如果以上空氣改善措施能夠得以實施，那么石家莊市的煙粉塵、氮氧化物和二氧化硫的總體排放量都會有所下降，特別是在火電、金屬冶煉、醫(yī)藥化工、水泥建材等重污染行業(yè)的下降水平會非常顯著。此外，若周邊城市同時加大減排力度，減少區(qū)域傳輸，則石家莊市的空氣質(zhì)量有望得到進(jìn)一步的改善和提升。

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Analysis of air quality condition in Shijiazhuang City

SUN Dongmei, CAO Lei, LI Yanyan

(Shijiazhuang Environmental Comprehensive Law Enforcement Detachment, Shijiazhuang, Hebei 050023, China)

In view of Shijiazhuang City has taken a number of governance measures, but the effectiveness of air pollution control is still not significant status quo, in order to improve the air quality in Shijiazhuang, based on the comprehensive analysis of the meteorological conditions, topography and geography situation, socio-economic development mode and the emission situation of air pollution sources in Shijiazhuang City, the atmospheric environmental quality model is used to calculate the contribution of air pollution sources to the air quality of Shijiazhuang proportion and the impact of the external transmission in the region. In Shijiazhuang City, on the premise that natural and other factors are not conducive to the proliferation of pollutants, according to the coal-based energy structure existing in Shijiazhuang City, high proportion of high energy-consuming industries, etc., it is proposed to enhance the ability of industrial enterprises to control pollution by increasing the proportion of clean energy in the existing energy structure and applying mature and feasible technology, while in heavy pollution weather. The study has certain reference value to improve the air quality of Shijiazhuang City.

air pollution prevention and control engineering；air environment quality；pollution situation analysis；WRF-CMAQ model；treatment measures

1008-1534(2017)06-0471-06

X820

A

10.7535/hbgykj.2017yx06014

2017-09-18;

2017-10-19；責(zé)任編輯：張士瑩

河北省科技計劃項目(冀科成轉(zhuǎn)鑒字[2015]第9-1155號)

孫冬梅(1977—)，女，河北石家莊人，高級工程師，主要從事環(huán)境工程方面的研究。

E-mail:287279321@qq.com

孫冬梅，曹 磊，李彥妍.石家莊市空氣質(zhì)量狀況分析[J].河北工業(yè)科技,2017,34(6):471-476.

SUN Dongmei, CAO Lei, LI Yanyan.Analysis of air quality condition in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(6):471-476.