乐山市重污染应急措施效果评估

何 敏,陈军辉,龙启超，何雨明

(1. 四川省生态环境科学研究院，成都 610041;2. 四川省环保科技工程有限责任公司，成都 610041; 3.四川大学建筑与环境学院，成都 610065)

灰霾会影响大气辐射平衡、增加极端气候事件、引起光化学烟雾、加重人体呼吸道疾病[1～3]。乐山市位于四川盆地西南部，近年来持续采取的大气污染治理措施对城市空气质量的改善发挥了积极作用，然而秋冬季节灰霾污染频发，PM2.5浓度仍超标较为严重，2017年乐山市PM2.5为55.4μg/m3，超过国家空气质量二级标准浓度限值0.58倍。根据国家要求，2017年9月四川省重污染天气应急指挥部办公室发布了《四川省重污染天气应急预案编制指南(2017年修订)》，乐山市根据《指南》要求修订了《重污染天气应急预案》并于2017年12月发布[4]。开展重污染应急措施的有效性和效果评估，对于秋冬季节重污染天气防治及应对决策具有重要意义。

大气污染物存在平流、输送、沉降、气象化学、气溶胶化学等非线性物理、化学过程[5～7]，因此前人多采用数值模拟方法研究和评估大气污染控制措施。吕喆等[8]采用WRF-CMAQ模式对北京市红色预警应急措施效果进行了评估，发现应急措施中增加燃煤源及加大交通源和其他源控制、预警启动时间提前及区域间联防联控可有效缓解PM2.5浓度加重趋势。王凌慧等[9]利用嵌套网格空气质量模式系统(NAQPMS，Nested Air Quality Prediction Modeling System)模拟评估了北京市2013年1月重污染控制措施的效果，表明仅靠北京本地限排限产并不能有效减轻PM2.5浓度，应根据污染物区域输送特征，实施大气污染联防联控。Cheng等[10]的研究发现，北京市预警期间应急措施实施后，污染物总排放量减少10%～30%，PM2.5浓度峰值降低了10%～20%，在红色预警前1～2d实施减排措施，可显著降低PM2.5的峰值。何玉洁等[11]利用WRF-CMAQ对上海市2015年1月的一次典型PM2.5重污染过程的管控效果进行了模拟研究，结果表明污染物区域传输削弱了上海市重污染的改善效果。现有的研究多集中在北京、上海、广州等发达城市，而对西部省份的城市研究较少。本研究根据乐山市的空气质量现状以及乐山市重污染应急预案中对预警级别的要求，筛选出城市达到红色、橙色、黄色预警条件的污染时段，利用本研究团队建立的WRF-SMOKE-CMAQ空气质量模拟系统，评估乐山市不同等级应急预案措施对城市PM2.5浓度的影响，量化减排措施对污染物浓度的削减效果，以期为科学制定应急预案提供理论支持，是应急预案科学性评估的初步探索。

1 资料与方法

1.1 研究区域

乐山市位于四川盆地西南部，地处岷江、青衣江、大渡河中下游。处在南丝绸之路、长江经济带交汇点，是成渝经济区规划建设的区域性中心城市，是成都平原城市群的重要组成部分。乐山市北与眉山接壤，东与自贡、宜宾毗邻，南与凉山相接，西与雅安连界，是成都平原南部中心城市[12-13]，如图1所示。

图1 乐山市地理位置及行政区划Fig.1 Geographical location and administrative division of Leshan

1.2 空气质量模型

采用较新版本的空气质量模型CMAQ(版本v5.0.2)为模拟平台核心。其中模拟域内气象场数据由中尺度模型WRF(版本v3.7)提供，而模型物种化、小时化及网格化清单输入则由本地化后的SMOKE(版本v3.5)处理提供。WRF模拟区域采用三层嵌套网格，最外层模拟范围覆盖全国，包括中国中部及西部，网格分辨率为27km；第二层模拟范围包括四川省以及重庆、贵州、云南、陕西部分区域，网格间距为9km；第三层模拟范围包括四川盆地，网格间距为3km。CMAQ模拟采用两层嵌套，调用了wrf第二层和第三层的模拟结果。SMOKE网格域大小参数设置与空气质量模式保持一致，第一层模拟区域使用的源排放资料采用清华大学贺克斌团队开发的2012年MEIC排放清单，第二层模拟域内四川省人为源排放清单主要来源于本研究团队的成果；天然源VOCs排放主要来源于MEGAN模型的处理结果；第二层四川省以外其他区域的主要污染物排放清单主要来自于清华大学贺克斌团队开发的2012年MEIC清单。

2 乐山市重污染应急措施及减排分析

2.1 乐山市重污染应急措施

乐山市重污染应急措施主要包括工业源、移动源以及扬尘源。其中工业源按照排放量大、可以容易实施停产、对人民群众生活影响相对较小的原则进行重点行业的选取，包括陶瓷、砖瓦、水泥、钢铁、石灰、燃煤锅炉等。停产、限产的企业从污染物(颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机物)排放量大、不能达标排放、污染治理设施水平低、运行状况差、生产工艺落后、产能过剩行业的企业中筛选，同时考虑企业的生产性质，采取停产、限产措施是否可行，采取措施后的环境效益和减排成本等。移动源主要是基于排放标准、行驶时间和区域的机动车限行、柴油货车以及非道路移动源减排等应急措施，减少尾气颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物排放。扬尘源主要包括施工扬尘和道路扬尘，应急措施的选择根据城市各类扬尘源的贡献量、减排潜力及减排成本效益比来确定实施的先后次序。各类污染源不同等级的主要应急减排措施汇总如表1所示。

表1 不同应急预警级别的主要防控措施Tab.1 Main control measures under different grades of alert

续表1

污染源黄色预警橙色预警红色预警扬尘源施工扬尘所有工地建设工地采取湿法作业和喷淋、冲洗、洒水等措施;未落实相关措施的工地停止施工;停止室外喷涂、粉刷等作业;除应急和重大民生工程外,停止土石方作业;中心城区停止商品混凝土的拌和、运输 所有工地建设工地采取湿法作业和喷淋、冲洗、洒水等措施;未落实相关措施的工地停止施工;停止室外喷涂、粉刷等作业;除应急和重大民生工程外,停止土石方作业;停止商品混凝土的拌和、运输所有工地建设工地采取湿法作业和喷淋、冲洗、洒水等措施;未落实相关措施的工地停止施工;停止室外喷涂、粉刷等作业;除应急和重大民生工程外,停止土石方作业;停止商品混凝土的拌和、运输道路扬尘中心城区及城郊结合部道路及行道树、绿化带每天至少进行4次全面冲洗除尘,保证无明显浮尘积土淤泥中心城区及城郊结合部道路及行道树、绿化带每天至少进行4次全面冲洗除尘,保证无明显浮尘积土淤泥中心城区及城郊结合部道路及行道树、绿化带每天至少进行5次全面冲洗除尘,保证无明显浮尘积土淤泥

2.2 乐山市重污染应急措施减排分析

利用本研究团队建立的2016年乐山市大气污染源排放清单，结合表1中所提的措施，计算各预警级别下主要大气污染物的减排情况如表2及图2所示。由表可见，SO2减排比例最高，而VOCs减排比例相对较低，主要因为VOCs排放行业复杂，且多集中在中小企业，减排难度较大。黄色应急措施可减排40%SO2、20.1%NOX、18.8%PM10以及15.5%VOCs，其中SO2和NOX减排主要来自于工业源；PM10减排中，55%来自于工业源的减排，剩余则来自于扬尘源的减排；VOCs减排主要来自于工业源。橙色应急措施可减排42.7%SO2、35.3%NOX、20.9%PM10以及19.8%VOCs。红色预警下，各污染物的减排比例进一步提升，SO2为47.1%，NOX为42.6%，PM10为30.0%，VOCs为21.9%。总体而言，工业源应急措施随着预警级别的提高持续加严，是各污染物的主要减排贡献源。移动源是NOX减排的重要贡献源，黄色预警下移动源防控措施对氮氧化物减排效果并不明显，橙色预警下通过停止建筑施工工程机械使用进一步增大NOX减排比例，达到13%，红色预警下移动源的减排效果与橙色预警一致。扬尘源是PM10减排的重要贡献源，黄色预警和橙色预警下扬尘管控效果基本一致，红色预警下通过提高道路扬尘清扫频次，加大PM10的减排比例，但增长幅度并不大。

表2 乐山市重污染天气应急污染物减排表Tab.2 The reduction ratios of pollutant emissions in different heavy pollution alerts in Leshan (%)

图2 乐山市黄色、橙色、红色预警下各污染源减排贡献Fig.2 Contribution of emission sources reduction under yellow alert, orange alert and red alert in Leshan

3 空气质量模拟结果与分析

3.1 空气质量模型模拟验证

利用地面空气质量监测站的大气污染物浓度监测数据与CMAQ模型模拟的对应网格大气污染物浓度进行比对，以验证CMAQ模型模拟结果的可靠性。本研究参考美国EPA评价标准[14]，利用标准化平均偏差(normalized mean bias, NMB)和相关系数(correlation coefficient, COR)这2个统计指标进行验证。以2016年1月、4月、7月以及10月为各季度典型月份代表，利用乐山市四个国控站点的逐时监测数据对模拟结果进行对比验证，4个站点均位于中心城区，分别为乐山大佛景区、牛耳桥、市第三水厂以及市监测站，其中乐山大佛景区为清洁对照点，其他为趋势点。

表3列出了乐山市4个国控空气质量监测站点PM2.5的相关统计参数值。由表3可以看出：(1)各站点1月、4月、10月份的模拟趋势和量级表现均较好，尤其是4月份，3个站点相关系数均达到0.6以上。(2)7月的模拟趋势相比其他3个月相对较差，各站点的相关系数约为0.1～0.2。(3)各站点1、4、7、10月的模拟量级表现均较好，仅7月市监测站站点NMB值为31%，其他均在30%以内，最低甚至达1%。总体来说，模拟结果能够较好的表现出实际观测的变化趋势,现有的误差可能来源于：污染源排放清单不确定性、气象模拟的不确定性以及数值模型中二次污染物转化机制的不成熟等[15]。

表3 2016年乐山国控站点PM2.5模拟结果分析Tab.3 Simulation result of the PM2.5 of Leshan national control sites in the year of 2016

3.2 重污染应急措施效果评估

考虑到各预警级别的实施条件以及乐山市本地重污染预警的实施情况，本研究主要对黄色、橙色以及红色预警的应急措施进行评估。在具体的评估时段上，根据《四川省重污染天气应急预案编制指南(2017年修订)》中对预警分级标准的要求，结合乐山市的实际情况以及历史空气质量现状来选择。

3.2.1 黄色预警应急措施效果评估

以2017年11月7日～11月13日乐山市达到黄色预警启动条件为例，评估应急措施对污染物的改善效果，结果如表4所示。由表可以看出，实施黄色应急措施后，乐山市各站点污染物浓度均有所下降，其中SO2浓度下降比例最大，约下降13%～18%，主要因为工业SO2减排幅度大的缘故，而PM2.5的下降比例约为6%～7%，PM10的下降比例约为9%，颗粒物浓度下降比例相对较小，某种程度上可能由于城区扬尘源减排有限的缘故。各站点NO2的浓度下降比例有一定差异，其中牛耳桥的NO2浓度下降比例最低，乐山市的NOX减排主要来源于工业源，可能是工业源减排对该站点NO2浓度影响较小的缘故。

表4 黄色应急措施对空气质量改善效果Tab.4 Effects of air quality improvement under the yellow alert emergency (%)

3.2.2 橙色预警应急措施效果评估

以2017年1月1日～1月7日为例，评估乐山市达到橙色预警启动条件时，橙色应急措施对污染物浓度改善的效果，如表5所示。由表可以看出，实施橙色预警应急措施后，乐山市各站点SO2及NO2浓度下降幅度相比黄色预警显著增大，其中SO2浓度下降 14%～20%，NO2浓度下降19%～22%，橙色预警加大了移动源的管控，NO2浓度下降比例显著高于黄色预警。PM2.5浓度下降约为8%，PM10浓度下降约为10%。橙色预警对PM2.5及PM10的改善效果相比黄色预警提高幅度较小，主要是因为橙色预警相比黄色预警仅加大了移动源的管控，工业源以及扬尘源的管控力度与黄色预警相比差异较小。

表5 橙色应急措施对空气质量改善效果Tab.5 Effects of air quality improvement under the orange alert emergency (%)

3.2.3 红色预警应急措施效果评估

以2017年1月25日～1月31日为例，评估乐山市达到红色预警启动条件时，红色应急措施对污染物的改善效果，如表6所示。由表可以看出，红色预警期间，乐山市各站点污染物浓度下降显著，其中SO2浓度下降比例最大，约下降15%～21%，NO2浓度下降比例约为20%～23%，PM2.5浓度下降比例约为8%～9%，而PM10下降比例约为10%～11%。与橙色预警相比，红色预警期间各污染物浓度下降比例略有提高，但是提高幅度不大。主要因为红色预警相比橙色预警，主要加大了工业源以及扬尘源的管控，但是污染物减排比例增加幅度并不大。

表6 红色应急措施对空气质量改善效果Tab.6 Effects of air quality improvement under the red alert emergency (%)

3.2.4 区域协同控制效果评估

以2017年11月成都平原城市群(包括成都市、德阳市、绵阳市、眉山市、资阳市、乐山市、雅安市、遂宁市)实行黄色预警应急为例，模拟本次区域联动应急预警措施对空气质量的改善情效果。设置两个模拟情景：一、区域协同应急；二、乐山市单独应急。该次污染过程从11月3日开始，以5日、6日最重，成都平原城市群有6个城市出现轻度及以上污染。根据区域内各市的预警启动时间，本研究主要分析11月7日～13日的数值模拟结果

就乐山市而言，区域协同应急对空气质量的改善以及城市单独应急对空气质量的改善比对如图3所示。由图3可以看出，在区域联动应急下，乐山市PM2.5浓度下降比例相比单独应急下增加5%～6%，进一步表明联防联控的重要性。

图3 乐山市单独应急以及区域联动应急下 PM2.5浓度的下降比例Fig.3 Decline rate of PM2.5 concentration in Leshan under the scenario of single alert emergency and coordinated inter-regional prevention

4 结 论

4.1 乐山市重污染应急措施主要包括工业源限产停产、移动源禁行限行、道路扬尘清扫频率增加以及建筑工地停止施工等措施。其中，红色预警下，各污染物的减排比例最大，SO2为47.1%，NOX为42.6%，PM10为30.0%，VOCs为21.9%；橙色应急措施可减排42.7%SO2、35.3%NOX、20.9%PM10以及19.8%VOCs；黄色应急措施可减排40%SO2、20.1%NOX、18.8%PM10以及15.5%VOCs；

4.2 工业源是各污染物的主要减排贡献源，50%以上的污染物减排量主要来源于工业源。移动源是NOX减排的重要贡献源，橙色预警下通过停止建筑施工工程机械使用进一步增大NOX减排比例，对NOX的减排贡献达到36.8%。扬尘源是PM10减排的重要贡献源，黄色预警和橙色预警下扬尘管控效果基本一致，红色预警下通过提高道路扬尘清扫频次，加大PM10的减排比例，对PM10的减排贡献达到34.3%。

4.3 实施红色预警应急措施可有效降低PM2.5浓度8%～9%，实施橙色预警应急措施可有效降低PM2.5浓度8%，实施黄色预警应急措施可有效降低乐山市PM2.5浓度6%～7%。虽然红色预警下工业源管控力度显著大于橙色及黄色，然而由于扬尘源的管控并未加严，红色预警下的PM2.5浓度下降幅度相比橙色和黄色增加较少。建议加强扬尘源管控，切实降低颗粒物浓度。

4.4 区域联动应急下，乐山市PM2.5浓度下降比例相比单独应急下增加5%～6%，表明区域联防联控的重要性。