城市街道颗粒物污染过程观测及管控模式探讨

张玲玲， 盛 夏， 张亚一， 章许云， 吴 剑

（江苏环保产业技术研究院股份公司，江苏 南京 210019）

0 引言

大气悬浮颗粒物包含可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5），作为城市空气自动站监测的重要因子，一直是影响城市春、秋、冬季空气质量的首要污染物，其表面吸附着大量的有毒物质，对人体健康构成潜在威胁，故被广泛关注[1-2]。为进一步加强生态环境保护， 增进民生福祉， 建设美丽中国， 国务院于2021年底提出深入打好污染防治攻坚战要求，江苏省委、省政府随后印发《关于深入打好污染防治攻坚战的实施意见》，明确“全省PM2.5质量浓度降至30 μg/m3左右，优良天数比例达到82%以上”的目标，顶格推进大气污染防治各项工作， 通过设立污染指标排名制、“点位长”约谈制等，压实全省市、区责任，坚持“目标导向、问题导向和结果导向相结合”原则，着力解决影响区域大气环境及站点监测数据的突出问题，攻坚克难，精细管理，实现区域空气质量的进一步提升。

目前， 城市街道PM10，PM2.5浓度主要以点式监测为主，可反映局地颗粒物浓度水平及变化特征，适用于区域间的污染传输过程分析[3-5]，但对于城市街道本地污染精准管控效用有限。相对而言，气溶胶激光雷达作为一种先进的立体观测技术，可直观、全面地展示颗粒物时空演变过程，弥补点式监测不足[6-9]。

通过采用气溶胶激光雷达技术以及垂直、 水平2 种观测方式，综合点式监测结果，对南京市溧水区颗粒物污染过程进行观测和分析， 基于实践探讨城市街道颗粒物污染管控模式， 为城市大气污染防治提供经验。

1 研究方法

1.1 数据来源

研究采用的环境空气质量数据均为国控站数据，来源于中国环境监测总站（http://www.cnemc.cn/），选取2022年1月～3月份南京市及周边城市（常州市、芜湖市）国控站点的PM10，PM2.5浓度数据。 国控站气象数据来源于南京市空气质量监测网络综合管理平台，其中，溧水国控站3月2日10：00，11：00，12：00 缺值， 国控站无气象数据时则参考同片区省（市）控站数据。

1.2 气溶胶激光雷达设备

气溶胶激光雷达设备采用线偏振激光对大气颗粒物的时空分布进行遥感探测， 从而获取大气消光系数、退偏振比、边界层高度、光学厚度等参数，全面图形化展示颗粒物时空演变过程。其中，消光系数表示气溶胶浓度的大小（颜色越深，浓度越高），退偏比表示非球形粒子占比的轻重（颜色越深，粗颗粒物占比越多）。 气溶胶激光雷达设备型号为艾沃思PMTracer， 垂直观测时间为2022年3月1日～5日，水平观测时间为3月6日～20日，时间分辨率为15 min，扫描范围为5 km，扫描盲区为45 m。

1.3 污染物特征雷达图

污染物特征 雷 达图一 般以SO2，NO2，CO，PM2.5和粗颗粒（PM2.5～10）为计算指标，通过对计算指标进行百分比成分谱化，除以一定时期（一定区域）的平均值得到标准化特征谱， 以消除污染物浓度变化以及不同污染物间浓度值差异的影响，可直观、便捷地展现大气污染在时间序列或空间上发生的变化特征，动态指导环境管理部门决策[10-11]。

2 结果与讨论

2.1 地理及气象环境背景

南京市溧水区为典型的低山丘陵地区， 除石臼湖沿岸外，岗丘散布，地势东南高、西北低，由于山脉具有阻滞作用，故对风速影响较大。 2021年南京市各区域全年风速对比见图1。 由图1 可以看出，对比2021年南京市各区域全年平均风速，溧水区平均风速整体较小，静风（风速为0 ～0.2 m/s）和软风（风速为0.3 ～1.5 m/s）频率占比居多，约70%，不利于大气污染物的扩散。

图1 2021年南京市各区域全年风速对比

2.2 管控前颗粒物浓度对比

选取2022年1月～2月期间南京市国控站点PM2.5和PM10浓度均值数据，具体见图2。 由图2 可以看出，除高淳区外，溧水区PM2.5质量浓度明显较其它行政区高，为54.8 μg/m3，而PM10浓度排名相对较好，位于中等水平，较雨花台区、建邺区、六合区和鼓楼区低。从PM2.5/PM10数值上看，溧水区PM2.5/PM10值高达0.78，区域颗粒物浓度更易受PM2.5影响。

图2 南京市各国控站点PM2.5 和PM10 浓度对比

2.3 典型污染时段分析

2.3.1 颗粒物浓度变化

2022年3月1日～5日观测期间， 溧水区及南京市PM2.5和PM10浓度时均值变化趋势分别见图3和图4。 由图3 和图4 可以看出，溧水区PM2.5质量浓度均值为67.4 μg/m3， 大于南京市国控站PM2.5质量浓度均值56.3 μg/m3， 尤其在3月1日12：00 ～3月2日14：00、3月3日0：00 ～3月4日2：00、3月5日5：00 ～16：00 期间， 其各时刻颗粒物（PM2.5或PM10）浓度均明显超过南京市均值，且3月2日和3日表现为PM2.5超标日，3月5日表现为PM10超标日。 受西北污染气团传输影响，3月1日8：00 左右，溧水区PM2.5质量浓度开始迅速上升，14：00 左右达到高值为134 μg/m3，PM2.5浓度高值持续至3月2日10：00 左右，期间略有波动，整体处于较高水平。3月2日11：00 后，随着污染气团的消散，PM2.5质量浓度很快降至70 μg/m3。 溧水区PM2.5浓度变化整体晚于南京主城区站点，期间PM10受PM2.5影响，浓度波动与PM2.5一致。

图3 溧水区及南京市PM2.5 浓度时均值变化趋势

图4 溧水区及南京市PM10 浓度时均值变化趋势

3月2日傍晚起，溧水区PM2.5质量浓度再次升高，于3月3日7：00 左右达到最高值为121 μg/m3，白天随着扩散条件转好，PM2.5质量浓度值回落至134 μg/m3。 溧水区与上、下风向区域PM2.5浓度对比见图5。 由图5 可以看出，对比溧水区与上风向（常州金坛、常州溧阳）及下风向（南京江宁区、安徽芜湖）站点，PM2.5浓度变化趋势较一致，且溧水区PM2.5浓度低于上风向而高于下风向区域。

图5 溧水区与上、下风向区域PM2.5 浓度对比

3月5日1：00 左右， 受东北污染气团影响，南京市各国控站PM10浓度自北向南陆续升高，3：00左右溧水区PM10质量浓度显著上升，7：00 时高达290 μg/m3。

2.3.2 污染类型分析

污染物特征雷达图可直观、 快速地展现多种污染类型间的转变过程， 从而为污染特征和成因分析提供直观、实时和便利的手段，可用来判断出偏扬尘污染型、偏燃煤污染型、偏二次颗粒物污染型、偏机动车污染型、综合型等多个污染类型。

2022年2月28日23:00 ～3月5日23:00 南京市溧水区污染过程特征分析见图6。 由图6 可以看出，3月1日～5日期间， 溧水区污染类型由偏二次颗粒物污染型转为偏沙尘污染型。其中，3月1日～2日，仅PM2.5特征值超出上限，污染特征以二次污染为主；3月3日，仅PM10特征值超出上限，污染特征以沙尘污染为主；3月4日，各污染因子特征值均未超出污染物特征值上下限；3月5日， 仅PM10特征值超出上限，沙尘污染对环境贡献显著上升。观测期间受地理环境等因素影响，溧水区风速整体较低，均值约为1.2 m/s，扩散条件较弱，易导致污染积聚。因此，在无法抵制远距离污染传输的前提下，需严控本地污染源排放，减少本地污染贡献。

图6 污染过程特征分析

2.3.3 激光雷达垂直观测

2022年3月1日～5日气溶胶激光雷达垂直观测结果见图7。 由图7 可以看出，气溶胶激光雷达垂直观测结果与溧水区颗粒物浓度变化趋势一致。 3月1日8:00 ～2日11:00， 低空环境消光系数较高，退偏比低于0.1，污染物以细颗粒物为主。2日凌晨，随着边界层下降， 高度300 m 以下消光系数达2.0 km-1以上，PM2.5浓度持续高值；此外，期间也可观测到高空的粗颗粒物逐渐下沉，12:00 后近地面PM10浓度有所上升。3月3日凌晨，气溶胶激光雷达浓度再次观测到粗颗粒物和细颗粒叠加的污染气团，其中近地面 （150 m 以下） 的污染气团以细颗粒物为主。 3月5日凌晨， 溧水区空气环境的消光系数从0.3 km-1升至0.5 km-1，退偏比大于0.1，发生以粗颗粒物为主的污染事件，环境中PM10浓度上升。

图7 气溶胶激光雷达垂直观测结果

2.3.4 激光雷达水平观测

激光雷达水平观测适用于一定范围内大气环境的动态观测，针对本地污染源进行应急管控。气溶胶激光雷达水平观测结果（2022年3月6日～20日）见图8。 由图8 可以看出， 汇总2022年3月6日～20日气溶胶激光雷达水平观测结果，累计发现本地污染源59 次，主要包含：道路及建筑施工（36%）、荒地及堆场（24%）、工业企业（17%）、餐饮油烟（8%）、露天焚烧（7%）、道路扬尘（3%）和其它（5%）。 其中，工业企业、露天焚烧、道路扬尘带来的颗粒物污染程度较其它污染源大，扩散范围更广。进一步结合退偏比分析，道路及建筑施工、荒地及堆场、道路扬尘对粗颗粒物贡献明显，而工业企业、餐饮油烟、露天焚烧更易导致环境中细颗粒物浓度升高。

图8 气溶胶激光雷达水平观测结果

3 污染管控模式探讨

通过观测分析， 城市街道颗粒物浓度升高一般由外部传输、本地扩散条件（地理和气象环境）、本地污染排放叠加造成。其中，区域型的污染传输多以联防联控为主， 而降低本地污染排放则可通过科学管控实现。

城市街道污染管控应以改善本区域整体空气环境质量、提升污染指标排名为目标，建立由政府部门主导、第三方技术单位支持、涉污企业配合的协同作战模式，并在此基础上形成协调联动机制、联合会商机制、问题交办督办机制、回头看长效机制等，实现区域污染问题的全面化、智慧化、精准化、闭环式监管。 城市街道污染管控模式见图9。 由图9 可以看出，政府需设立以污染攻坚办为核心的领导小组，统一指挥、协调整体工作，各职能部门配合管理，听取调用；在管控区域进行网格化划分，健全“网格长”制及下属街镇“点位长”制，实现污染管治责任全覆盖，保障各项任务强力推进。 各职能部门通过加大工业企业、施工工地、车辆运输、餐饮油烟等日常检查及夜间执法力度，严控重点污染源排放；通过加装电杆喷雾系统、开展深度保洁除尘、组织不间断洒水及雾炮抑尘作业等措施，改善局地环境。政府需充分发挥第三方服务单位技术和专业优势， 借助第三方力量全面摸底本区域污染源，形成污染源“一本账”，并在日常工作中动态更新相关信息；通过先进的监测、观测、预测及环境治理方式，实现空气质量的多维度实时跟踪、 污染排放的高效溯源、 污染天气的精准预判、重点路段时段的净化改善。 此外，污染攻坚办与第三方技术单位建立高效联动与快速响应机制，实现污染源点及时管控，严厉打击违法排污行为。

图9 城市街道污染管控模式

4 结论

（1）2022年1月～3月特征雷达图显示，南京市溧水区PM2.5特征值超出上限，污染类型整体表现为偏二次型。

（2）2022年3月1日～5日，南京市溧水区颗粒物浓度均值较高，期间受3 次污染气团传输影响，污染类型由偏二次颗粒物污染型转为偏沙尘污染型。气溶胶激光雷达垂直观测结果与环境监测站点数据变化一致，3月1日～2日，低空环境消光系数较高，退偏比低，以细颗粒物污染为主，夜间边界层下降，高空粗颗粒物逐渐下沉， 近地面PM10浓度有所上升；3日观测到粗颗粒物和细颗粒叠加的污染气团，其中近地面以细颗粒物为主；5日，空气环境的消光系数升高，退偏比大，污染以粗颗粒物为主。

（3）城市街道颗粒物浓度升高一般由外部传输、本地扩散条件（地理和气象环境）、本地污染排放叠加造成。气溶胶激光雷达水平观测发现，溧水区国控站周边存在多类型污染源， 包含道路及建筑施工（36%）、荒地及堆场（24%）、工业企业（17%）、餐饮油烟（8%）、露天焚烧（7%）、道路扬尘（3%）和其它（5%）。探讨建立了由政府主导、第三方单位支持、涉污企业配合的协同作战污染管控模式， 以期降低本地污染排放贡献，提升区域环境质量。