吳俊松

(山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司,太原 030024)

前 言

長治市位于山西省東南部，是山西重要能源基地。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，加上位于上黨盆地的特殊地形和氣象條件，環(huán)境空氣污染問題日益嚴重，屬于國家確定的大氣污染防治重點區(qū)域[1]。根據(jù)長治市環(huán)境質(zhì)量公報顯示，長治市大氣污染物的主要成份為可吸入顆粒物和臭氧，但環(huán)境質(zhì)量變化趨勢和超標原因尚不十分明確。本研究選取2014～2019年《長治市環(huán)境質(zhì)量公報》等資料，采用中尺度氣象模擬系統(tǒng)(WRFSYSTEM)1.0進行模擬，并結(jié)合長治市地理位置、地形地貌、氣象條件及污染源分布等，分析討論了長治市城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀、變化趨勢及成因，以期為長治市大氣環(huán)境質(zhì)量改善和污染防控措施提供科學(xué)依據(jù)并治理思路和方向。

1 材料方法

1.1 資料來源

本次研究收集長治市城區(qū)國控環(huán)境監(jiān)測點2014～2019年大氣環(huán)境例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、分析長治市城區(qū)2014年～2019年大氣環(huán)境質(zhì)量變化情況。長治市城區(qū)大氣環(huán)境國控站點設(shè)置情況見下表。同步收集了長治市2017年污染源清單及長治市氣象站氣候概況資料。

表 長治市城區(qū)國控站點設(shè)置情況

1.2 研究方法

根據(jù)相關(guān)研究，造成某地大氣污染的原因較多，一般由工業(yè)企業(yè)排放、機動車尾氣、生物質(zhì)燃燒、燃煤、揚塵以及不利氣象條件等多方面的因素造成[2-3]。

WRF(Weather Research and Forecasting Model)是以美國國家大氣研究中心(NCAR)等科研機構(gòu)為中心開發(fā)的一種中尺度天氣預(yù)報模式。WRF模式為完全可壓縮以及非靜力模式，采用F90 語言編寫。水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格點，垂直方向則采用地形跟隨坐標。WRF 模式在時間積分方面采用三階或者四階的Runge-Kutta 算法。WRF模式不僅可以用于真實天氣的個案模擬，也可以用其包含的模塊組作為基本物理過程探討的理論根據(jù)。中尺度氣象模擬系統(tǒng)(WRFSYSTEM)1.0是石家莊環(huán)安科技有限公司開發(fā)的，以WRF為核心的界面化軟件，軟件根據(jù)大氣環(huán)境模擬的特點，將WRF運行常用的參數(shù)和部分數(shù)據(jù)固化在系統(tǒng)內(nèi)部，減少了WRF使用的復(fù)雜程度。軟件采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)框架構(gòu)建的，基于Web GIS的可視化氣象模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)核采用WRF-ARW，合并了WPS、WRF、WRFDA，具備WRF的所有功能，包括網(wǎng)格、積分和參數(shù)化方案、數(shù)據(jù)同化等功能，同時包含了再分析氣象數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)同化、數(shù)據(jù)提取、NCL氣象場圖形繪制等功能。

2 結(jié)果及討論

2.1 長治市主城區(qū)大氣污染現(xiàn)狀

2.1.1 長治市城區(qū)環(huán)境空氣空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及變化

根據(jù)《長治市“十三五”環(huán)境保護規(guī)劃》及長治市環(huán)境質(zhì)量公報[4]中2014～2019年的基本污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3-8h、)統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見圖1)，采用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI法)[5]評價長治市城區(qū)空氣污染程度，見圖2、圖3。

圖1 長治市城區(qū)2014～2019年基本污染物年均濃度變化曲線

圖2 長治市城區(qū)2014～2019年優(yōu)良天數(shù)與重污染天數(shù)統(tǒng)計

圖3 長治市城區(qū)2014～2019年空氣質(zhì)量指數(shù)變化曲線

從以上資料可以看出，2014年以來，長治市CO濃度持續(xù)達標；SO2年均濃度在2014～2016年間增長較快，2016年超標1.7%，2017～2019年有明顯改善；NO2和O3濃度變化較穩(wěn)定，其中，2017年NO2、O3濃度分別超標2.5%、17.5%；PM10和PM2.5為城市首要污染物，其濃度一直保持超標狀態(tài)，總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中2017年P(guān)M10、PM2.5年均濃度同比2014年分別下降15.5%、11.7%。2017年，長治市主城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為6.88，同比下降8.4%。PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO(第95位百分數(shù))、O3-8h(第90位百分數(shù))年均濃度值分別為：60μg/m3、103μg/m3、43μg/m3、41μg/m3、3.1mg/m3、188μg/m3，其中PM2.5、PM10、NO2、O3四項污染物濃度值均超二級標準，超標倍數(shù)分別為0.71倍、0.47倍、0.02倍、0.18倍。從2014～2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，長治主城區(qū)空氣質(zhì)量重污染天數(shù)整體呈減少的趨勢，2017～2019年逐年好轉(zhuǎn)，重污染天氣和綜合指數(shù)在2016年達到峰值，然后逐年降低。

2.1.2 環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀季節(jié)性變化特征

根據(jù)長治市主城區(qū)2017年例行監(jiān)測資料，統(tǒng)計出基本污染物月均濃度變化曲線，見圖4。

圖4 長治市城區(qū)2017年常規(guī)污染物月均值變化曲線

由圖4可知，長治市2017年基本污染物月均值除O3呈倒U型(夏高、冬低)，其余五項污染物基本呈正U型變化(冬高，夏低)；SO2、NO2超標月份主要集中在冬季采暖期(1～3月，11～12月)，O3超標月份主要集中在夏季(5～7月)。

根據(jù)以上分析可知：長治市主城區(qū)從2014～2019年環(huán)境空氣質(zhì)量綜合呈現(xiàn)改善的趨勢，但仍有部分指標存在超標甚至惡化的現(xiàn)象；超標污染物主要為PM10和PM2.5，日均濃度呈現(xiàn)較明顯的冬季高、夏季低的正U型變化；O3濃度增加較快，出現(xiàn)超標，且在超標主要集中在夏季，需要進行重點關(guān)注。

2.2 長治市大氣污染成因分析

2.2.1 地形地貌

長治為太行、太岳兩山所環(huán)繞，構(gòu)成高原地形，整個地形由西北向東南緩緩傾斜，西北部稍高，東南部略低，境內(nèi)有山地、丘陵、盆地等多種地貌類型，海拔大都在800～1 500m之間，最高海拔達2 453m，最低海拔僅380m。市域山地、丘陵和盆地面積分別占總面積的50.67%、33.40%和15.93%，是較典型的以山地丘陵為主的黃土高原盆地。長治市地形圖見圖5。

圖5 長治市地形圖

2.2.2 氣候條件

根據(jù)長治市氣象站統(tǒng)計資料，長治市受海洋性季風(fēng)作用相對較弱，大陸性季風(fēng)氣候影響強盛持久，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，年均頻率為8%；年平均風(fēng)速1.60m/s，4月份月平均風(fēng)速達2.50m/s左右。年大風(fēng)日數(shù)11.60d，主要出現(xiàn)在4、5月份。

2.2.3 污染源分布

根據(jù)長治市2017年大氣污染源排放清單資料[6]，2017年大氣污染物SO2排放總量為40 062t，主要來源于化石燃料燃燒排放；NOX排放總量為63 932t，主要來源于電力行業(yè)、石化行業(yè)以及工業(yè)鍋爐排放，同時道路移動源也是NOX的主要貢獻源之一；VOCs排放總量為85 131t，主要來源于焦化行業(yè)和溶劑使用；NH3排放總量為22 076t，主要貢獻者為農(nóng)業(yè)源；PM10年排放114 856t，PM2.5年排放64 647t，顆粒物主要來源于冶金行業(yè)、電力行業(yè)和石化行業(yè)；黑碳(BC)排放量為5 353t，有機碳(OC)排放量為15 405t，CO排放量為844 903t。 2017年長治大氣污染源貢獻率見圖6。

圖6 長治市2017年各類一級排放源貢獻率

2.2.4 污染成因綜合分析

2.2.4.1 分析方法及數(shù)據(jù)處理

采用環(huán)安中尺度氣象模擬系統(tǒng)(WRFSYSTEM)1.0對長治市及周邊氣象情況進行模擬。模擬時段為2017年1月、4月、7月、10月，分別代表冬季、春季、夏季、秋季，模擬時間間隔為1h。模擬區(qū)域設(shè)置兩層網(wǎng)格嵌套模型，WRF模擬區(qū)域采用Lambert投影坐標，中央經(jīng)度為112.9456°E，緯度為36.4525°N，網(wǎng)格間距3km，劃分為90×90個網(wǎng)格。網(wǎng)格參數(shù)化方案主要包括微物理方案、長波輻射、短波輻射、地面層物理、地表層物理、邊界層方案、積云參數(shù)化方案等。

2.2.4.2 區(qū)域大氣污染傳輸規(guī)律分析

大氣環(huán)流形勢：WRF輸出的長治市2017年地面氣象分析場見圖7，包含地面10米處的風(fēng)場(m/s)和地面氣壓場(hpa)。WRF輸出的850hpa處(約為離地高度1500m)的風(fēng)場見圖8；2017年邊界層高度模擬結(jié)果見圖9。由圖可見，長治市2017年平均風(fēng)速較小，其中4月的風(fēng)力最強，平均風(fēng)向為西北風(fēng)；1月風(fēng)速次于4月，平均風(fēng)向為西風(fēng)，冬季和春季風(fēng)速對長治地面平均氣象場的影響更大；10月的風(fēng)向為南風(fēng)或偏東南風(fēng)，風(fēng)速小于1月；7月風(fēng)速最小，風(fēng)向為南風(fēng)或偏東南風(fēng)，夏季和秋季風(fēng)向?qū)庀髨龅挠绊懜蟆?月和4月影響長治的主要為西北風(fēng)，7月和10月為南風(fēng)。1月和4月，850hpa高度上的風(fēng)向與地面風(fēng)向基本一致；而7月和10月，由于長治東側(cè)自北向南的太行山阻擋，自南向北的近地面氣流翻越太行山，方向略偏東，形成了地面風(fēng)向偏東南風(fēng)，而高空風(fēng)向仍為南風(fēng)的現(xiàn)象。但夏秋季的主要風(fēng)向仍然是以南向北為主。WRF模型邊界層高度模擬結(jié)果表明，邊界層高度在時間上和空間上存在明顯差。

圖7 長治市2017年地面氣象分析場結(jié)果

圖8 長治市2017年850hpa風(fēng)場模擬結(jié)果

圖9 長治市2017年邊界層高度模擬結(jié)果

總體上，春夏季邊界層高度高于秋冬季；長治市中部地區(qū)邊界層高度高于東、西高海拔地區(qū)。7月平均邊界層高度最大，為1 600m，4月平均邊界層高度次之，為1 400m，10月平均邊界層高度為850m，1月平均邊界層高度最小，為620m。

2.2.4.3 長治市主要污染物行業(yè)來源解析

根據(jù)長治市2017年排放源清單的CAMx源解析結(jié)果可知，SO2主要行業(yè)來源為化石燃料燃燒，NO2主要行業(yè)來源為移動源，PM10的主要行業(yè)來源為揚塵源，PM2.5的主要行業(yè)來源為一次揚塵源和化石燃料燃燒二次貢獻源。各行業(yè)對O3均有貢獻，其中化石燃料燃燒、工藝過程源、移動源和溶劑使用源貢獻占比較大。結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量歷史變化規(guī)律，PM2.5和O3為長治市關(guān)鍵大氣污染因子。

華北電力大學(xué)彭林等的研究結(jié)果[7]顯示，長治市首要污染物為PM2.5，且各類污染源產(chǎn)生的各類污染物對PM2.5均有一次貢獻和二次貢獻。長治市大氣顆粒物PM2.5已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出復(fù)合型污染的特征，對大氣顆粒物產(chǎn)生明顯貢獻的源類呈現(xiàn)多源并重的態(tài)勢，防控難度更大，化石燃料燃燒、揚塵對PM2.5的分擔(dān)率遙遙領(lǐng)先，單一防控某一源類將無法有效控制顆粒物污染。生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院區(qū)域空氣質(zhì)量模擬與管控研究中心實時溯源成分來源解析結(jié)果[8]表明，長治市環(huán)境空氣中的PM2.5來源中，硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽以及有機碳(OC)和元素碳(EC)為主要組分。環(huán)境空氣質(zhì)量改善應(yīng)重點針對以上五大來源采取控制措施。根據(jù)相關(guān)研究[9]，NOX和VOC作為 O3生成的前體物，對O3的生成起到?jīng)Q定性作用。由長治市 2017 年例行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，長治市屬于臭氧生成的 VOC 控制地區(qū)，控制 O3濃度需要對NOX和VOC進行雙重控制，并優(yōu)先進行 VOC減排。

2.2.4.4 空間敏感區(qū)域識別

空間敏感區(qū)主要考慮大氣弱擴散區(qū)，同時兼顧人群聚集區(qū)以及空氣質(zhì)量監(jiān)測點分布區(qū)。大氣弱擴散區(qū)的劃定采用環(huán)安科技公司開發(fā)的SMOKE排放源模型和CAMx空氣質(zhì)量模型聯(lián)合模擬。將長治市分成分辨率為3km×3km的空間單元，在每個空間單元上設(shè)置虛擬源，以SO2為例，在不考慮化學(xué)反應(yīng)、干沉降、濕沉降的條件下，進行大氣擴散模擬；模擬時段選取2017年1月、4月、7月、10月，分別代表冬季、春季、夏季、秋季，模擬時間間隔為1h；網(wǎng)格設(shè)置采用蘭伯特投影坐標，網(wǎng)格分辨率為3km，覆蓋長治市全域；氣象參數(shù)采用WRF模擬輸出結(jié)果。模擬結(jié)果：模擬所有虛擬源擴散后，對所有網(wǎng)格點的濃度進行歸一化處理，評價每個網(wǎng)格的擴散性能，取10%作為衡量大氣擴散條件的閾值，確定大氣弱擴散區(qū)，如圖10所示。

圖10 長治市大氣弱擴散區(qū)分布

2.2.4.5 分析結(jié)論

根據(jù)長治市2017年排放源清單的CAMx源解析，結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量歷史變化規(guī)律，PM2.5和O3為長治市關(guān)鍵大氣污染因子。長治市PM2.5呈現(xiàn)出復(fù)合型污染的特征，對大氣顆粒物產(chǎn)生明顯貢獻的源類呈現(xiàn)多源并重的態(tài)勢，防控難度更大，化石燃料燃燒、揚塵對 PM2.5的分擔(dān)率遙遙領(lǐng)先，單一防控某一源類將無法有效控制顆粒物污染。長治市屬于臭氧生成的 VOC 控制地區(qū)，控制 O3濃度需要對NOX和VOC進行雙重控制，并優(yōu)先進行 VOC減排。

長治市地處上黨盆地，風(fēng)速小、濕度大，尤其主城區(qū)、原郊區(qū)、原潞城市和原長治縣位于盆地中部，海拔相對較低，且冬季邊界層高度較低，不利于污染物向外擴散，這也是導(dǎo)致這些地區(qū)綜合指數(shù)較高以及環(huán)境達標天數(shù)較低的原因。長治市空氣逆溫差較大，形成的大氣層結(jié)穩(wěn)定，阻礙了空氣的垂直對流運動，使得近地空氣流動減弱或停滯，同樣不利于大氣污染物擴散，進而影響長治市環(huán)境空氣質(zhì)量。造成關(guān)鍵因子污染的重點污染來源主要為涉化石燃料燃燒的行業(yè)(如電力、鋼鐵、焦化等)，涉VOCs大量排放的行業(yè)(如焦化、塑料等)，揚塵類(如工業(yè)揚塵、道路揚塵等)；各行業(yè)大氣污染物排放量大。不同季節(jié)大氣弱擴散區(qū)不同，秋冬季大氣擴散較弱的區(qū)縣包括潞州區(qū)、上黨區(qū)大部以及沁縣和沁源縣部分區(qū)域，其中，潞州區(qū)、上黨區(qū)弱擴散區(qū)域與企業(yè)分布區(qū)有較大部分重疊，不利于污染物擴散；春夏季大氣擴散較弱的區(qū)縣包括沁縣、沁源縣、襄垣縣、屯留區(qū)部分區(qū)域，其中沁源縣、襄垣縣弱擴散區(qū)域與企業(yè)分布區(qū)有較大部分重疊，不利于污染物擴散。

3 結(jié) 論

3.1 根據(jù)2014～2019年長治市環(huán)境質(zhì)量公報統(tǒng)計數(shù)據(jù)，長治市環(huán)境空氣污染以PM10、PM2.5和O3為主，主城區(qū)從2014～2019年環(huán)境空氣質(zhì)量綜合呈現(xiàn)改善的趨勢，但仍有部分指標存在超標甚至惡化的現(xiàn)象。

3.2 長治市2017年六項常規(guī)污染物月均值除O3呈倒U型(夏高、冬低)外，其余五項污染物基本呈正U型變化(冬高，夏低)。

3.3 PM2.5和O3為長治市關(guān)鍵大氣污染因子。PM2.5呈現(xiàn)出復(fù)合型污染的特征，化石燃料燃燒、揚塵對 PM2.5的分擔(dān)率遙遙領(lǐng)先，單一防控某一源類將無法有效控制顆粒物污染；長治市控制 O3濃度需要對NOX和VOC進行雙重控制，并優(yōu)先進行 VOC減排。

3.4 長治市大氣污染的主要成因為能源結(jié)構(gòu)偏重、污染物排放量大、揚塵及當(dāng)?shù)夭焕牡匦魏蜌夂驐l件等多方面的因素疊加造成；大氣污染治理的主要方向是大力調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大工業(yè)污染源治理和監(jiān)管力度，加強機動車尾氣污染治理和涉VOC行業(yè)的控制；同時要加強大氣污染防治相關(guān)科學(xué)研究及能力建設(shè)，為科學(xué)治污、精準治污、有效治污提供助力。