山西省长治市城区大气污染现状及成因分析

吴俊松

(山西晋环科源环境资源科技有限公司,太原 030024)

前 言

长治市位于山西省东南部，是山西重要能源基地。但随着社会经济的发展，加上位于上党盆地的特殊地形和气象条件，环境空气污染问题日益严重，属于国家确定的大气污染防治重点区域[1]。根据长治市环境质量公报显示，长治市大气污染物的主要成份为可吸入颗粒物和臭氧，但环境质量变化趋势和超标原因尚不十分明确。本研究选取2014～2019年《长治市环境质量公报》等资料，采用中尺度气象模拟系统(WRFSYSTEM)1.0进行模拟，并结合长治市地理位置、地形地貌、气象条件及污染源分布等，分析讨论了长治市城区环境空气质量现状、变化趋势及成因，以期为长治市大气环境质量改善和污染防控措施提供科学依据并治理思路和方向。

1 材料方法

1.1 资料来源

本次研究收集长治市城区国控环境监测点2014～2019年大气环境例行监测数据，统计、分析长治市城区2014年～2019年大气环境质量变化情况。长治市城区大气环境国控站点设置情况见下表。同步收集了长治市2017年污染源清单及长治市气象站气候概况资料。

表 长治市城区国控站点设置情况

1.2 研究方法

根据相关研究，造成某地大气污染的原因较多，一般由工业企业排放、机动车尾气、生物质燃烧、燃煤、扬尘以及不利气象条件等多方面的因素造成[2-3]。

WRF(Weather Research and Forecasting Model)是以美国国家大气研究中心(NCAR)等科研机构为中心开发的一种中尺度天气预报模式。WRF模式为完全可压缩以及非静力模式，采用F90 语言编写。水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向则采用地形跟随坐标。WRF 模式在时间积分方面采用三阶或者四阶的Runge-Kutta 算法。WRF模式不仅可以用于真实天气的个案模拟，也可以用其包含的模块组作为基本物理过程探讨的理论根据。中尺度气象模拟系统(WRFSYSTEM)1.0是石家庄环安科技有限公司开发的，以WRF为核心的界面化软件，软件根据大气环境模拟的特点，将WRF运行常用的参数和部分数据固化在系统内部，减少了WRF使用的复杂程度。软件采用浏览器/服务器(B/S)框架构建的，基于Web GIS的可视化气象模拟系统，系统内核采用WRF-ARW，合并了WPS、WRF、WRFDA，具备WRF的所有功能，包括网格、积分和参数化方案、数据同化等功能，同时包含了再分析气象数据下载、数据同化、数据提取、NCL气象场图形绘制等功能。

2 结果及讨论

2.1 长治市主城区大气污染现状

2.1.1 长治市城区环境空气空气质量现状及变化

根据《长治市“十三五”环境保护规划》及长治市环境质量公报[4]中2014～2019年的基本污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3-8h、)统计数据(见图1)，采用空气质量指数(AQI法)[5]评价长治市城区空气污染程度，见图2、图3。

图1 长治市城区2014～2019年基本污染物年均浓度变化曲线

图2 长治市城区2014～2019年优良天数与重污染天数统计

图3 长治市城区2014～2019年空气质量指数变化曲线

从以上资料可以看出，2014年以来，长治市CO浓度持续达标；SO2年均浓度在2014～2016年间增长较快，2016年超标1.7%，2017～2019年有明显改善；NO2和O3浓度变化较稳定，其中，2017年NO2、O3浓度分别超标2.5%、17.5%；PM10和PM2.5为城市首要污染物，其浓度一直保持超标状态，总体呈现下降趋势，其中2017年PM10、PM2.5年均浓度同比2014年分别下降15.5%、11.7%。2017年，长治市主城区环境空气质量综合指数为6.88，同比下降8.4%。PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO(第95位百分数)、O3-8h(第90位百分数)年均浓度值分别为：60μg/m3、103μg/m3、43μg/m3、41μg/m3、3.1mg/m3、188μg/m3，其中PM2.5、PM10、NO2、O3四项污染物浓度值均超二级标准，超标倍数分别为0.71倍、0.47倍、0.02倍、0.18倍。从2014～2019年统计数据看，长治主城区空气质量重污染天数整体呈减少的趋势，2017～2019年逐年好转，重污染天气和综合指数在2016年达到峰值，然后逐年降低。

2.1.2 环境空气质量现状季节性变化特征

根据长治市主城区2017年例行监测资料，统计出基本污染物月均浓度变化曲线，见图4。

图4 长治市城区2017年常规污染物月均值变化曲线

由图4可知，长治市2017年基本污染物月均值除O3呈倒U型(夏高、冬低)，其余五项污染物基本呈正U型变化(冬高，夏低)；SO2、NO2超标月份主要集中在冬季采暖期(1～3月，11～12月)，O3超标月份主要集中在夏季(5～7月)。

根据以上分析可知：长治市主城区从2014～2019年环境空气质量综合呈现改善的趋势，但仍有部分指标存在超标甚至恶化的现象；超标污染物主要为PM10和PM2.5，日均浓度呈现较明显的冬季高、夏季低的正U型变化；O3浓度增加较快，出现超标，且在超标主要集中在夏季，需要进行重点关注。

2.2 长治市大气污染成因分析

2.2.1 地形地貌

长治为太行、太岳两山所环绕，构成高原地形，整个地形由西北向东南缓缓倾斜，西北部稍高，东南部略低，境内有山地、丘陵、盆地等多种地貌类型，海拔大都在800～1 500m之间，最高海拔达2 453m，最低海拔仅380m。市域山地、丘陵和盆地面积分别占总面积的50.67%、33.40%和15.93%，是较典型的以山地丘陵为主的黄土高原盆地。长治市地形图见图5。

图5 长治市地形图

2.2.2 气候条件

根据长治市气象站统计资料，长治市受海洋性季风作用相对较弱，大陆性季风气候影响强盛持久，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。年主导风向为南风，年均频率为8%；年平均风速1.60m/s，4月份月平均风速达2.50m/s左右。年大风日数11.60d，主要出现在4、5月份。

2.2.3 污染源分布

根据长治市2017年大气污染源排放清单资料[6]，2017年大气污染物SO2排放总量为40 062t，主要来源于化石燃料燃烧排放；NOX排放总量为63 932t，主要来源于电力行业、石化行业以及工业锅炉排放，同时道路移动源也是NOX的主要贡献源之一；VOCs排放总量为85 131t，主要来源于焦化行业和溶剂使用；NH3排放总量为22 076t，主要贡献者为农业源；PM10年排放114 856t，PM2.5年排放64 647t，颗粒物主要来源于冶金行业、电力行业和石化行业；黑碳(BC)排放量为5 353t，有机碳(OC)排放量为15 405t，CO排放量为844 903t。 2017年长治大气污染源贡献率见图6。

图6 长治市2017年各类一级排放源贡献率

2.2.4 污染成因综合分析

2.2.4.1 分析方法及数据处理

采用环安中尺度气象模拟系统(WRFSYSTEM)1.0对长治市及周边气象情况进行模拟。模拟时段为2017年1月、4月、7月、10月，分别代表冬季、春季、夏季、秋季，模拟时间间隔为1h。模拟区域设置两层网格嵌套模型，WRF模拟区域采用Lambert投影坐标，中央经度为112.9456°E，纬度为36.4525°N，网格间距3km，划分为90×90个网格。网格参数化方案主要包括微物理方案、长波辐射、短波辐射、地面层物理、地表层物理、边界层方案、积云参数化方案等。

2.2.4.2 区域大气污染传输规律分析

大气环流形势：WRF输出的长治市2017年地面气象分析场见图7，包含地面10米处的风场(m/s)和地面气压场(hpa)。WRF输出的850hpa处(约为离地高度1500m)的风场见图8；2017年边界层高度模拟结果见图9。由图可见，长治市2017年平均风速较小，其中4月的风力最强，平均风向为西北风；1月风速次于4月，平均风向为西风，冬季和春季风速对长治地面平均气象场的影响更大；10月的风向为南风或偏东南风，风速小于1月；7月风速最小，风向为南风或偏东南风，夏季和秋季风向对气象场的影响更大。1月和4月影响长治的主要为西北风，7月和10月为南风。1月和4月，850hpa高度上的风向与地面风向基本一致；而7月和10月，由于长治东侧自北向南的太行山阻挡，自南向北的近地面气流翻越太行山，方向略偏东，形成了地面风向偏东南风，而高空风向仍为南风的现象。但夏秋季的主要风向仍然是以南向北为主。WRF模型边界层高度模拟结果表明，边界层高度在时间上和空间上存在明显差。

图7 长治市2017年地面气象分析场结果

图8 长治市2017年850hpa风场模拟结果

图9 长治市2017年边界层高度模拟结果

总体上，春夏季边界层高度高于秋冬季；长治市中部地区边界层高度高于东、西高海拔地区。7月平均边界层高度最大，为1 600m，4月平均边界层高度次之，为1 400m，10月平均边界层高度为850m，1月平均边界层高度最小，为620m。

2.2.4.3 长治市主要污染物行业来源解析

根据长治市2017年排放源清单的CAMx源解析结果可知，SO2主要行业来源为化石燃料燃烧，NO2主要行业来源为移动源，PM10的主要行业来源为扬尘源，PM2.5的主要行业来源为一次扬尘源和化石燃料燃烧二次贡献源。各行业对O3均有贡献，其中化石燃料燃烧、工艺过程源、移动源和溶剂使用源贡献占比较大。结合环境空气质量历史变化规律，PM2.5和O3为长治市关键大气污染因子。

华北电力大学彭林等的研究结果[7]显示，长治市首要污染物为PM2.5，且各类污染源产生的各类污染物对PM2.5均有一次贡献和二次贡献。长治市大气颗粒物PM2.5已经明显呈现出复合型污染的特征，对大气颗粒物产生明显贡献的源类呈现多源并重的态势，防控难度更大，化石燃料燃烧、扬尘对PM2.5的分担率遥遥领先，单一防控某一源类将无法有效控制颗粒物污染。生态环境部环境规划院区域空气质量模拟与管控研究中心实时溯源成分来源解析结果[8]表明，长治市环境空气中的PM2.5来源中，硫酸盐、硝酸盐、氨盐以及有机碳(OC)和元素碳(EC)为主要组分。环境空气质量改善应重点针对以上五大来源采取控制措施。根据相关研究[9]，NOX和VOC作为 O3生成的前体物，对O3的生成起到决定性作用。由长治市 2017 年例行监测数据分析可知，长治市属于臭氧生成的 VOC 控制地区，控制 O3浓度需要对NOX和VOC进行双重控制，并优先进行 VOC减排。

2.2.4.4 空间敏感区域识别

空间敏感区主要考虑大气弱扩散区，同时兼顾人群聚集区以及空气质量监测点分布区。大气弱扩散区的划定采用环安科技公司开发的SMOKE排放源模型和CAMx空气质量模型联合模拟。将长治市分成分辨率为3km×3km的空间单元，在每个空间单元上设置虚拟源，以SO2为例，在不考虑化学反应、干沉降、湿沉降的条件下，进行大气扩散模拟；模拟时段选取2017年1月、4月、7月、10月，分别代表冬季、春季、夏季、秋季，模拟时间间隔为1h；网格设置采用兰伯特投影坐标，网格分辨率为3km，覆盖长治市全域；气象参数采用WRF模拟输出结果。模拟结果：模拟所有虚拟源扩散后，对所有网格点的浓度进行归一化处理，评价每个网格的扩散性能，取10%作为衡量大气扩散条件的阈值，确定大气弱扩散区，如图10所示。

图10 长治市大气弱扩散区分布

2.2.4.5 分析结论

根据长治市2017年排放源清单的CAMx源解析，结合环境空气质量历史变化规律，PM2.5和O3为长治市关键大气污染因子。长治市PM2.5呈现出复合型污染的特征，对大气颗粒物产生明显贡献的源类呈现多源并重的态势，防控难度更大，化石燃料燃烧、扬尘对 PM2.5的分担率遥遥领先，单一防控某一源类将无法有效控制颗粒物污染。长治市属于臭氧生成的 VOC 控制地区，控制 O3浓度需要对NOX和VOC进行双重控制，并优先进行 VOC减排。

长治市地处上党盆地，风速小、湿度大，尤其主城区、原郊区、原潞城市和原长治县位于盆地中部，海拔相对较低，且冬季边界层高度较低，不利于污染物向外扩散，这也是导致这些地区综合指数较高以及环境达标天数较低的原因。长治市空气逆温差较大，形成的大气层结稳定，阻碍了空气的垂直对流运动，使得近地空气流动减弱或停滞，同样不利于大气污染物扩散，进而影响长治市环境空气质量。造成关键因子污染的重点污染来源主要为涉化石燃料燃烧的行业(如电力、钢铁、焦化等)，涉VOCs大量排放的行业(如焦化、塑料等)，扬尘类(如工业扬尘、道路扬尘等)；各行业大气污染物排放量大。不同季节大气弱扩散区不同，秋冬季大气扩散较弱的区县包括潞州区、上党区大部以及沁县和沁源县部分区域，其中，潞州区、上党区弱扩散区域与企业分布区有较大部分重叠，不利于污染物扩散；春夏季大气扩散较弱的区县包括沁县、沁源县、襄垣县、屯留区部分区域，其中沁源县、襄垣县弱扩散区域与企业分布区有较大部分重叠，不利于污染物扩散。

3 结 论

3.1 根据2014～2019年长治市环境质量公报统计数据，长治市环境空气污染以PM10、PM2.5和O3为主，主城区从2014～2019年环境空气质量综合呈现改善的趋势，但仍有部分指标存在超标甚至恶化的现象。

3.2 长治市2017年六项常规污染物月均值除O3呈倒U型(夏高、冬低)外，其余五项污染物基本呈正U型变化(冬高，夏低)。

3.3 PM2.5和O3为长治市关键大气污染因子。PM2.5呈现出复合型污染的特征，化石燃料燃烧、扬尘对 PM2.5的分担率遥遥领先，单一防控某一源类将无法有效控制颗粒物污染；长治市控制 O3浓度需要对NOX和VOC进行双重控制，并优先进行 VOC减排。

3.4 长治市大气污染的主要成因为能源结构偏重、污染物排放量大、扬尘及当地不利的地形和气候条件等多方面的因素叠加造成；大气污染治理的主要方向是大力调整产业结构，加大工业污染源治理和监管力度，加强机动车尾气污染治理和涉VOC行业的控制；同时要加强大气污染防治相关科学研究及能力建设，为科学治污、精准治污、有效治污提供助力。