济南市历下区大气颗粒物污染防控分析

王程涛孟慧娟李春晓

(1.济南市生态环境监控中心历下分中心，山东 济南250013；2.山东省环境保护科学研究设计院有限公司，山东济南250013)

0 引言

随着我国城市化和区域经济一体化进程的加快，以PM2.5为代表的雾霾污染严重影响人民的健康。 偏重工业的产业结构、化石燃料的能源结构和公路运输的交通结构决定了大气污染治理的复杂性、艰巨性、长期性。 因此，我国迫切需要开展大气污染防控综合决策研究，实现空气质量的长期改善[1-4]。 CHANG 等[5]通过对中国和日本的产业结构和工业排放变化的比较，得出能源利用强度大和偏向于重工业的区域内雾霾污染程度比发展第三产业和高新技术产业地区的严重。 CHENG 等[6]研究表明大多数城市处于污染随着经济发展增加的阶段。 城市建成区人口快速增长，二次产业比重高，能源结构以煤为主，交通强度不断提高，城市雾霾问题日益严重。 MA 等[7]研究了在静稳的气象条件下，即没有明显的环流和对流异常现象，由于缺乏流动性导致区域污染物排放扩散受到影响，随时都会出现雾霾危机。 李玄等[8]从点源、面源和移动源3 个方面提出相应的污染防治对策。 济南市属于京津冀及周边地区“2+26”城市之一，是京津冀大气污染传输通道城市。 历下区是济南市的老城区和中心城区，也是济南市的旅游区，2015 年的PM2.5和PM10分别为84 和143 μg/m3，是GB 3095—2012《环境空气质量标准》[9]中二级标准限值的2.40 和2.04 倍，良好以上只有137 d，严重影响省会城市中心城区的形象。 因此，改善历下区大气环境质量，做好管控分析迫在眉睫。

文章依据济南市在线空气监测数据，重点针对历下区“十三五”期间颗粒物改善采取的多种措施进行分析比较，通过在线监测数据、源解析结果、中尺度气象-区域多尺度空气质量模型模式(Weather Research and Forecasting Model-Community Multiscale Air Quality，WRF-CMAQ)、模拟比较等方式进行改善效果评估研究，得到推进站点及区域环境空气质量持续改善的有效措施，为空气质量持续提升提供研究支撑。

1 研究方法

根据HJ 664—2013《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》[10]，环境空气监测点位布设应具有较好的代表性，分布相对均匀，获取的数据具有可比性，覆盖全部建成区。 历下区5 个在线自动监测点位布设情况如下: 1 个国控站点(市监测站)、2个省控站点(经济学院站、泉城广场站)和2 个市控站点(市博物馆站、锦屏中学站)。 监测项目有PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO 等6 项。 运用与颗粒物有关的污染物平均变化趋势、污染负荷系数、源解析以及WRF-CMAQ 模式模拟的方法，研究“十三五”期间空气中颗粒物变化情况。

5 个站点具体情况是:市监测站站点位于山大路，周边为居民区，建筑密度大并紧邻主干道，周围2 km 范围内有9 个加油站，平时车流量较大，受机动车影响较大。 泉城广场站站点位于商业区，周边为主干道，机动车流量较大，东北方向有餐饮聚集区。 经济学院站站点位于山东财经大学燕山校区附近，周边离城区高架路较近。 锦屏中学站站点位于龙鼎大道锦屏中学附近，周边主要有居民区以及城市主干道，南侧为龙洞风景区。 市博物馆站站点周边有主干道且东部紧邻风景名胜区。 具体点位布设如图1 所示，审图号为鲁SG(2022)018 号。

图1 历下区5 个空气监测站点位图

2 历下区地形、气象及颗粒物排放现状

历下区城区面积为100.89 km2，主城区面积为23 km2。 “十三五”之初人口为56 万，以三产服务业为主。

2.1 地形地貌

历下区地势南高北低，南部为底山丘陵，属泰山山地北支，由罗袁寺顶、金刚垛等山峰组成了东西向的主山脉。 北部为山前洪积、冲积平原，其上分布有五顶茂陵山、鳌角山、菠萝山等5 座孤峰。 区内平均海拔为102 m，最高的白云山海拔为545.4 m，最低处海拔仅为24 m，整个城区地形呈浅碟状[11]。

2.2 气象条件

历下区年平均降水量为665 mm，其春季干旱多风，降水多集中在夏季，冬季寒冷且采暖期长。 夏季盛行南风，冬季北风，主城区南北高、中间低的浅碟状地形地貌不利于污染物的传输扩散。 另外，随着城区高层建筑不断增加，阻挡和摩擦作用使风流经城区时风力明显减弱，静风现象增多，再加上秋冬季也容易出现高湿、静稳、逆温等不利气象条件，城区大气环境容量小，污染物排放水平持续维持在高位，直接导致了秋冬季重污染天气频发[12-15]。

2.3 颗粒物排放现状

2.3.1 扬尘污染

在城市化建设的过程中，房地产得到迅猛发展，基础设施建设也非常多。 由于缺乏完善的管理体系且施工人员自身的环境保护意识较为薄弱，导致PM2.5和PM10污染形势也一直较为严峻，严重威胁城市居民的身体健康[16-17]。 另外，城乡接合部与主路相交的不少支路、施工工地附近、大型企业周边道路存在破损现象，养护和保洁不及时、不彻底，一定程度上也加剧了道路扬尘污染。

2.3.2 机动车污染

作为济南市的老城区和中心城区，受机动车保有量大，交通拥堵严重，公交分担率较低等因素影响，机动车污染排放总量大。 另外，城区货运、土石方运输和施工机械燃用柴油所带来的尾气污染也不容忽视，成为PM2.5和PM10的重要来源。

2.3.3 能源结构问题

“十三五”之前，全区能源消费结构以煤、油品为主，中心城区集中供暖率只有55%。 秋冬季的重污染时段，SO2和NO2二次转化为颗粒物的速率较快，导致燃煤源的贡献在秋冬季重污染时相对增加，居民散煤使用的管理属于薄弱环节。

2.3.4 挥发性有机物污染

挥发性有机物不仅是生成臭氧的关键前体物，也对颗粒物的二次有机组分贡献较大。 历下区东部有炼油厂、黄台电厂等高排放污染源，主城区存在20 余家加油站，部分区域还零星分布着一些企业，且有部分属于“散乱污”，也都排放出挥发性有机物。

2.4 空气监测子站监测数据和源解析情况

2015 年，全区良好以上只有137 d，良好以上的比例为37.5%。 PM2.5、PM10合计占比为57.50%，是影响空气质量的关键指标。 污染负荷见表1。

表1 2015 年空气质量各指标情况表

另外，根据市监测站子站2015 年颗粒物源解析结果，区域传输影响约占35%，因此在做好联防联控的同时，抓好本地源减排是改善颗粒物现状的决定因素。 本地源中燃煤、工业、机动和扬尘等因素占比分别为29%、25%、22%和18%。

3 空气质量改善措施及防控效果评估

3.1 空气质量改善措施

区域污染排放过大，超过生态环境承载能力是形成污染的内因，一旦遇到不利的气象条件便会导致重污染天气的发生。 根据国内外的研究成果，比较有效的措施有:能源结构调整、产业结构调整以及交通运输结构调整等[18-20]，另外还应重视减排及气象因素对颗粒物的影响。

3.1.1 紧盯重点时段，加大减排

在重污染来临前通过提前管控大力削峰，按照《济南市历下区重污染天气应急预案》[21]要求，及时发布预警，启动相应级别的应急响应，有效应对重污染天气，最大可能削峰。 做好应急联防联控，督促排污单位降低生产负荷，实施工业污染源提标改造，做好工业企业无组织排放控制管理，加强挥发性有机物专项整治，减少PM2.5、PM10的二次生成，减少颗粒物的排放。

3.1.2 重视气象因素的影响

姚靖等[22]研究表明风速越大，污染物扩散越快。 在低风速(0 ～1.5 m/s)区域，污染物分布不集中；＞4.5 m/s 的风速，容易带起扬尘，使颗粒物浓度上升。 湿度增加有利于PM10吸收空气中的水分，促进其沉降到地面，可起到降低颗粒物的作用。 降水量约为24 mm 时，净化空气作用最好。

3.1.3 推进能源结构调整

2020 年，历下区人口增至75 万，集中供热面积为2 800 余万m2，供热率提高到95%。 淘汰了辖区内15 个单位的30 余台35 t/h 以下燃煤锅炉，合计200 余t/h。 对41 家100 余台燃气锅炉实施了低氮改造。 推动“外电入济”和居民清洁能源取暖工程，实现双替代的为4 136 户，其中气、电代煤的分别有2 953 和1 183 户。 为少量没有气源、电力负荷低且管网未覆盖的居民提供清洁型煤。

3.1.4 推进产业结构调整

重视产业结构调整，协调污染负荷大的企业搬迁。 2017 年济钢集团停产实施搬迁，降低了历下区的污染负荷。 组织开展“散乱污”企业取缔工作，做好环评审批，对于高污染企业不允许落户。 加强城区风道的研究，严控超高住宅的审批。

3.1.5 做好扬尘管控

(1) 加强工地扬尘管控。 针对工地扬尘采取了严格措施，实施“六个百分之百”抑尘措施。 各类施工工地全部安装在线监测和视频监控设施，并与各行业监管部门联网，实现足不出户，实时监管。(2) 十三五期间，投入数亿元购置深度清洁车和机扫车，不断提升道路保洁水平，落实“五洒五扫一冲洗”的保洁频率，重污染天气期间实施“七洒七扫两冲洗”保洁模式。 城市快速路、主次干路的车行道机扫率、洒水冲刷率分别达到98%、99%。 下大雨后，及时收集南部山区冲下的沙土。

3.1.6 交通运输结构调整

(1) 完成国三及以下营运柴油货车淘汰。 优化渣土车市区通行路线设计方案，在和平路和解放路等重点区域实施禁行。 (2) 做好机动车排放检验，尾气不达标自动锁定车辆。 利用遥感监测设备，在高排放车辆集中通行路段开展遥感监测工作。 对非道路移动机械污染全部喷码挂牌管理。 (3) 推广新能源汽车，财政资金优先购买新能源车辆。

3.1.7 聚焦重点区域、重点污染源

(1) 紧盯重点区域，在国控点周边，加大洒水力度，降低环境温度，减少扬尘生成。 (2) 对于重点污染源，持续推进工业污染源提标改造，燃煤锅炉全部实现超低排放。 山东省济南生建电机厂、济南瑞通铁路电务有限责任公司等单位新上挥发性有机物治理设施，确保污染物稳定达标排放。 22 家加油站均实现在线监控，确保油气浓度达标排放，最大限度减少PM2.5的产生。

3.1.8 对市监测站站点采取精准管控

市监测站站点作为历下区唯一国控站点，地处市中心，人口密度大，周边环境复杂，紧邻城市主干道，且存在多处在建建筑工地和9 家加油站，站点颗粒物浓度较高。 2020 年3 月1 日—8 月1 日期间，在全市13 个国控站点中，PM2.5排名第九位，PM10排名第八位，严重影响了中心城区形象。 为从根本上改善该站点空气质量现状，摆脱在国控站点中排名倒数的落后局面，对市监测站站点实行了精细化管控，采取了3 项措施:(1) 自9 月份开始在国控站点周边主次干道进行了加大洒水力度的实验，调整道路保洁的时间段，每天做到“八冲洗、两清扫、两收集”，山大路等路段最多一天洒水20 余次，通过增加洒水、冲洗、湿式清扫频次降低道路扬尘以及小环境温度。 对周边10 余处建筑工地派专人进驻，严格落实扬尘规定，达不到要求，一律停工。 (2) 对周边2 km 范围内的9 家加油站进行油气回收检查，重点查看卸油口、人井口、加油机以及所有管线是否存在油气泄露的情况，防止油气挥发后产生大量PM2.5。(3) 检查周边300 余家餐饮业油烟排放单位，督促落实安装油烟净化装置并定期清洗，处罚超标排放的单位，并减少颗粒物的排放。

3.2 防控措施效果评估

3.2.1 总体改善效果评估

使用科技手段评估空气质量，编制了“十三五”前后的大气污染物源清单，基本摸清了污染物排放底数。 对“十三五”前后空气监测站站点采用受体模型方法解析分析了全年 PM2.5源。 使用WRF-CMAQ[23]的空气质量模型模拟了“十三五”前后颗粒物变化。 模型采用空气质量模式CMAQv5.0.2，水平分辨率为12 km×12 km，垂直方向从地表到对流层顶分成14 层，采用中尺度天气预报模式，模拟区域采用兰伯特(Lambert)投影，清单分辨率为0.25°×0.25°。

(1) 在线监测数据比较

2020 年，全区良好以上197 d，增加了60 d。“十三五”期间空气质量改善情况见表2。 2020 年中心城区PM2.5、PM10年均分别超标31%、21%，与2015 年相比超标明显降低。 “十三五”期间，PM10、PM2.5均有明显改善，改善幅度分别为41.80%、45.10%，综合指数改善42.40%。

表2 “十三五”期间空气质量改善情况表

(2) 源解析结果比较

“十三五”期间济南市智慧环保综合监管平台中市监测站站点PM2.5源解析结果见表3。 2019 年区域传输影响略有增加，占比为36.0%。 本地源中燃煤因素降到2.3%，工业因素占25.3%，机动车因素上升到29.3%，扬尘因素占11.0%。 燃煤因素下降比例为92.0%，扬尘因素下降比例为38.9%。

表3 “十三五”期间源解析占比情况表 %

(3) WRF-CMAQ 模式比较

根据历下区2015 年和2020 年源清单数据，工业源、生活源、移动源以及其他源的PM10、PM2.5排放量分别为7 070.3 和1 687.5 t，较2015 年分别减排4 713和1 272 t。 利用历下区2015 年和2020 年源清单数据，采用WRF-CMAQ 模式模拟的PM10、PM2.5年均质量浓度结果如图2 所示，审图号为鲁SG(2022)018号。 PM2.5、PM10年均质量浓度分别为48、85 μg/m3，与实测数据基本吻合。

图2 采取WRF-CMAQ 模式模拟采取措施前后污染物质量浓度变化图

3.2.2 站点改善效果评估

(1) 站点防控效果评估

“十三五”期间，5 站点颗粒物改善情况分别见表4、5。 PM2.5最低的站点为锦屏中学，改善幅度最大的站点为市监测站站点，改善幅度为39%～49%。PM10最低的站点为经济学院站点，改善幅度最大的站点为市监测站站点，幅度为36.5%～46.5%。 颗粒物(PM10、PM2.5)改善最大的站点皆为市监测站。

表4 “十三五”期间PM2.5空气质量改善情况表

表5 “十三五”期间PM10空气质量改善情况表

(2) 重点站点精准防控效果评估

市监测站采取3 项措施后，市监测站站点环境空气质量持续改善。 2020 年9 月1 日—2021 年2 月28 日，市监测站站点PM2.5在全市国控站点中排名上升到第二位，PM10排名上升到第三位。 2020年9 月—2021 年2 月历下区空气质量在济南市第一单元的排名上升明显，分列第四、一、一、二、一、一位，一举扭转了排名垫底的态势。 这说明通过增加洒水、冲洗、湿式清扫频次等管控措施后，明显改善了市监测站站点颗粒物的污染状况，促进空气质量持续改善。

4 结语

“十三五”期间，济南市历下区通过推进能源结构、产业结构、交通运输结构调整，做好PM2.5、PM10的严格管控以及聚焦重点时段、重点区域、重点污染源，加大减排力度等措施，实现了环境空气质量的持续改善，总体污染负荷下降了41.6%，良好以上天数增加了60 d，PM10、PM2.5排放均有明显改善，改善幅度分别为41.8%、45.1%。 针对重点站点，通过增加洒水、冲洗、湿式清扫频次等精准化管控措施，站点空气质量得到了明显改善。