石家庄市冬防期细颗粒物污染特征及源解析

冯亚龙,王 玮

(石家庄市环境预测预报中心,河北石家庄 050022)

经济社会的飞速发展致使城市化率不断攀升,城市人口的增长导致对能源需求不断增大,石家庄市的能源结构主要以化石能源为主,化石燃料燃烧所引发的颗粒物污染问题日益突出[1],特别是冬防期期间环境空气质量逐渐转差,重污染天气常有发生[2-5]。

2012年,中国将PM2.5纳入国家监测体系[6]以来,石家庄市大力开展对细颗粒物的治理,经过近十年的治理,冬防期期间PM2.5对石家庄市环境空气质量的影响逐年降低,特别是2018年—2020年,石家庄市通过“气代煤、电代煤”3年攻坚行动,能源结构得到优化,环境空气质量明显改善,但PM2.5污染仍然存在[7-10]。因此,对冬防期PM2.5污染来源进行解析仍具有重要意义。

近年来,部分学者对石家庄市冬防期PM2.5来源进行分析,但主要集中在短期PM2.5重污染过程中的组分分析、粒径分析和污染物来源的解析[11-18],对冬防期长期的PM2.5主要污染来源及变化情况研究较少。因此,本文基于石家庄市2017年10月1日—2018年3月31日、2019年10月1日—2020年3月31日、2021年10月1日—2022年3月31日3个时间段的国控监测数据和实时在线源解析数据,探究石家庄市冬防期PM2.5主要污染源及变化情况,以期为石家庄市开展冬防期污染源头的针对性管控提供有益参考。

1 数据与方法

1.1 研究时段

本文研究重点为石家庄市冬防期,分别选取2017年10月1日—2018年3月31日、2019年10月1日—2020年3月31日、2021年10月1日—2022年3月31日作为研究时段,简称为第1阶段、第2阶段、第3阶段。

研究时段的选取主要考虑到:1)2018年10月1日—2019年3月31日和2020年10月1日—2021年3月31日受设备硬件损坏影响,在线源解析设备(SPAMS)长时间无法正常运行,致使2个阶段数据存在失真现象;2)2017年是《大气污染防治行动计划》第1阶段目标的收官之年;3)2020年是打赢3年“蓝天保卫战”,完成“气代煤、电代煤”的目标年、关键年,2019年—2020年秋冬季攻坚成效直接影响2020年目标的实现;4)2021年是“十四五”规划开局之年,也是“十四五”监测点位优化调整后的第1个秋冬季。综上,所选取的3个阶段的数据代表了2次大气污染防治攻坚行动成效和国控监测点位优化调整后石家庄市第1个秋冬季污染源状况,可为未来冬防期的环境治理提供借鉴。

1.2 数据来源及监测地点

本文所使用的PM2.5浓度数据均来源于石家庄市国家空气质量自动监测站(简称国控监测站),且均为实况数据。第1阶段、第2阶段的PM2.5监测点为“十三五”时期石家庄市建成区7个国控监测站,第3阶段的PM2.5监测点为“十四五”时期石家庄市建成区11个国控监测站。3个阶段的SPAMS监测地点均位于石家庄市环境预测预报中心3楼楼顶(东经:114°31′47.61″,北纬:38°01′26.68″),为实时源解析数据。石家庄市国控监测站点位和SPAMS监测点位如图1所示。

图1 石家庄市大气国控监测站点位和SPAMS监测点位Fig.1 Shijiazhuang air state control monitoring sites and SPAMS monitoring sites

1.3 研究方法

采用人工采集方法对石家庄市各类污染源进行采样分析,建立具有本地化污染特征的颗粒物谱图,同时借助自适应共振神经网络分类方法(ART-2a)将采集到的源颗粒对照谱图特征进行分类,得到各类源的特征图谱,最后将采集到的每个颗粒物与源图谱进行相似度比对,从而得到每一个颗粒物的来源,最终得到具有本地化污染特征的颗粒物源解析结果。

2 空气质量分析

石家庄市3个阶段的空气质量综合指数、PM2.5浓度统计结果见表1。第3阶段,国控监测站点位(以下简称国控点位)从7个调整为11个,由表1可知,第3阶段的各项指标值较前2个阶段均有所下降,国控点位调整后(即第3阶段)对石家庄市空气质量统计结果影响较小,能够较准确地反映石家庄市环境空气质量状况。

表1 石家庄市空气质量综合指数、PM2.5浓度统计结果

石家庄市冬防期3个阶段期间的环境空气质量综合指数分别为7.98,7.03,5.00,第3阶段与第1阶段相比综合指数下降59.6%;PM2.5质量浓度(以下简称浓度)分别为94,81,56 μg/m3,分别超过GB/T 3095—2012《环境空气质量标准》年平均二级标准限值(35 μg/m3)1.7倍、1.3倍和0.6倍,第3阶段与第1阶段相比PM2.5浓度下降38 μg/m3,超标倍数降低1.1倍;PM2.5分担率(PM2.5在大气污染物中的占比)分别为33.6%,32.8%和32.0%,3个阶段PM2.5分担率均超过30%。3个阶段的石家庄市空气质量综合指数、PM2.5浓度及其分担率均呈现下降趋势,说明石家庄市环境空气质量逐渐好转。

石家庄市冬防期从第1阶段到第3阶段,环境空气质量优良天数和优良率逐渐增加;重污染天数和重污染比率逐渐降低;PM2.5分担率下降,但PM2.5始终为石家庄市空气质量首要污染物,分担率占比最高。其中,第3阶段与第1阶段相比优良天数增加52 d,优良率增加27.6个百分点,重污染天数减少26 d,重污染比率和PM2.5分担率分别降低14.7个百分点和1.6个百分点。石家庄市冬防期3个阶段各级别天数统计结果见表2。

表2 石家庄市各级别天数统计结果

石家庄市冬防期按月份统计的环境空气质量结果见表3和表4。按照月份来看,3个阶段的环境空气质量综合指数和PM2.5浓度的最大值均出现在1月份。3个阶段的1月份环境空气质量综合指数分别为8.89,10.70,6.42;PM2.5浓度分别为112,150,89 μg/m3;重污染天数分别为9,15,4 d,分别占冬防期重污染天数的30%,60%,100%;PM2.5分担率分别为36.0%,40.1%,39.5%,分担率分别高出冬防期PM2.5分担率2.4个百分点、7.3个百分点、7.5个百分点。

表3 石家庄市3个阶段各月空气质量综合指数和PM2.5浓度

表4 石家庄市3个阶段中1月份统计结果

3 污染源变化特征

图2 监测期间颗粒物平均谱图Fig.2 Average spectrum of particulate matter during the monitoring period

3.1 冬防期3个阶段的主要污染源状况

由图3可知,石家庄市冬防期3个阶段的PM2.5污染主要受燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源共同作用的影响,3类污染源占比之和均大于60%。分阶段看,第1阶段和第2阶段石家庄市燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源占比均为19%～25%,3类污染源对PM2.5浓度的贡献率占比均衡;第3阶段与前2个阶段相比,燃煤源和工业工艺源占比大幅度降低,机动车尾气源占比升高明显,第3阶段与第1阶段相比燃煤源和工业工艺源占比分别降低11.1个百分点和8.2个百分点,机动车尾气源占比升高12.6个百分点,占比为33.8%,占比首次超过燃煤源和工业工艺源之和,成为石家庄市PM2.5的首要污染源。

图3 冬防期3个阶段的PM2.5主要污染源占比Fig.3 Main pollution sources of fine particulate matter in three stages of winter control period

由图4可知,第3阶段同比第1阶段的燃煤源和工业工艺源粒子数分别下降28.1%和12.2%,机动车尾气源同比上升107.9%。3个阶段中燃煤源和机动车尾气源对PM2.5浓度贡献率的变动幅度最大,其中燃煤源粒子数下降幅度最大,机动车尾气源粒子数上升幅度最大。机动车尾气源对PM2.5浓度的影响逐渐加重。

图4 冬防期3个阶段3类污染源粒子数变化Fig.4 Change of particle number of three pollution sources in three stages during winter defense period

3.2 主要污染源月份变化情况

3个阶段中燃煤源、机动车尾气源和工业工艺源这3类污染源对PM2.5浓度的贡献率除2月份外均超过60%。其中,2月份3类污染源占比降低主要是由于机动车尾气源占比下降幅度较大,二次无机源和扬尘源占比升高明显。而3个阶段中机动车尾气源占比环比下降均超过10个百分点,污染源粒子数环比上个月降低均超过45%;其中,第2阶段污染源粒子数环比下降超过70%,推测原因是受春节影响,2月份机动车尾气源排放量减少。具体详见图5和表5。

表5 冬防期3个阶段各月份主要污染源占比

3.3 不同污染等级主要污染源的变化

由表6可知,第1,2阶段空气质量从优到重度污染,燃煤源、机动车尾气源和工业工艺源对PM2.5浓度贡献率占比的增减幅度均在0～5%,其中工业工艺源为PM2.5的主要污染源。另一方面,在不同污染等级中3类污染源占比差异较小,占比差值均在0～6.5%。

表6 冬防期3个阶段主要污染源不同污染等级占比

第3阶段的空气质量从优到重度污染,机动车尾气源占比升高明显,重污染时段与优良时段相比占比上升16个百分点以上,同时从良到重度污染,机动车尾气源占比超过燃煤源和工业工艺源占比之和,机动车尾气源为PM2.5的最大污染源。

第3阶段PM2.5污染源的变化主要受燃煤使用量减少、机动车辆不断增加的影响。2018年—2020年,石家庄市通过“气代煤、电代煤”3年攻坚行动,居民冬季取暖基本实现了由使用燃煤向清洁能源的转变,燃煤使用量大幅度降低;另一方面,冬季机动车使用频率增加,机动车保有量不断升高致使机动车尾气源的污染排放量增加。

4 典型污染过程

4.1 重污染过程中PM2.5污染源占比变化

从石家庄市冬防期3个阶段中各选取1次重污染过程,其时间段分别为1)第1阶段:2018年1月4日5时至2018年1月8日4时;2)第2阶段:2020年1月1日1时至2020年1月19日6时;3)第3阶段:2022年1月6日8时至2022年1月10日24时。以下分别称为第1次重污染过程、第2次重污染过程和第3次重污染过程。

由图6可知,3次重污染过程中燃煤源、机动车尾气源和工业工艺源均为PM2.5的主要污染源,3类污染源对PM2.5浓度的贡献率之和均超过70%。其中,第1次重污染过程中燃煤源为PM2.5最大污染源;第2次重污染过程中工业工艺源为PM2.5最大污染源;第3次重污染过程中机动车尾气源为PM2.5最大污染源,占比超过40%。

图6 3次重污染过程中PM2.5主要污染源占比变化Fig.6 Change of the proportion of major sources of fine particulate matter in three heavy pollution processes

4.2 主要污染源粒子数变化

由图7可知,3次重污染过程中随着PM2.5浓度的升高,燃煤源、机动车尾气源和工业工艺源粒子数上升明显。其中:第1次重污染过程中,燃煤源粒子数升高幅度最大,对PM2.5浓度的影响最多;第2次重污染过程中,1月1日—12日的工业工艺源粒子数超过燃煤源和机动车尾气源,工业工艺源成为PM2.5的最大污染源,1月13日—19日燃煤源粒子数逐渐升高,燃煤源成为PM2.5最主要的污染源,但整个污染过程中工业工艺源对PM2.5浓度的影响超过燃煤源和机动车尾气源,对PM2.5浓度的贡献最大;第3次重污染过程中机动车尾气源粒子数与PM2.5浓度变化趋势一致性较好,同时机动车尾气源粒子数超过燃煤源和工业工艺源粒子数总和,机动车尾气源成为PM2.5的最大污染源。3次重污染过程中,燃煤源和工业工艺源对PM2.5浓度的贡献率总体呈现下降趋势,机动车尾气源对PM2.5浓度的影响逐渐增大。

图7 3次重污染过程主要污染源粒子数变化Fig.7 Change of particle number concentration of main pollution source in three heavy pollution processes

通过对石家庄市冬防期3次重污染过程分析可以看出,3次重污染过程中PM2.5浓度均达到重度污染。其中,前2次重污染过程中PM2.5浓度升高主要受燃煤源和工业工艺源的影响,而第3次重污染过程主要受机动车尾气源排放的影响。3次重污染过程中PM2.5主要污染源的变化趋势与3个阶段不同污染等级PM2.5主要污染源变化趋势相一致,均显示机动车尾气源对PM2.5浓度的影响逐渐加重。

2018年—2020年石家庄市受“蓝天保卫战”和“气代煤、电代煤”3年攻坚行动影响,冬季居民取暖燃煤使用量不断减少,污染物排放净化设备使用率不断增加,燃煤源和工业工艺源对PM2.5浓度的影响减小,机动车保有量的增加和冬季车辆使用频率的上升均增大了机动车尾气源对PM2.5浓度的影响。

5 结 语

本文利用石家庄市冬防期3个阶段在线源解析实时监测数据,对石家庄市冬防期PM2.5主要污染来源及变化进行了分析,结果表明石家庄市冬防期PM2.5主要污染源由燃煤源、工业工艺源向机动车尾气源转变,并且机动车尾气源逐渐成为影响PM2.5浓度的决定性因素。研究结果为石家庄市冬防期环境空气质量进一步改善,以及有计划、有针对性的大气污染源头管控提供了数据支撑。

5.1 结 论

石家庄市冬防期期间大气污染扩散条件不利因素增多,PM2.5成为大气污染的主要因子。因此,利用SPAMS对3个阶段的PM2.5主要污染来源进行分析,得出以下结论。

1)石家庄市PM2.5主要受燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源共同作用的影响,3个阶段3类污染源对PM2.5浓度的贡献率占比之和分别为70.7%,64.2%,64.0%,占比均大于60%。

2)第3阶段与前2个阶段相比,在不同月份、不同污染等级中燃煤源和工业工艺源对PM2.5浓度的贡献率占比均在20%以下,机动车尾气源对PM2.5浓度的贡献率占比总体大于20%。其中,第3阶段机动车尾气源对PM2.5浓度的贡献率首次超过燃煤源和工业工艺源的贡献率占比之和,占比达到33.8%;在不同污染等级中,从优到重度污染机动车尾气源的贡献率占比上升超过25个百分点,中度到重度污染时段的贡献率占比均达到45%以上。

3)在3个阶段中,2月份机动车尾气源对PM2.5浓度的影响减小,占比环比下降均超过10个百分点,污染源粒子数环比下降均超过45%,推测原因是受春节影响导致2月份机动车尾气源污染排放量减少。

4)第3阶段燃煤源和工业工艺源对PM2.5浓度的影响降低,但2个污染源对PM2.5浓度的贡献率仍然较高,贡献率占比达到30.2%。

5.2 建 议

石家庄市“十四五”冬防期,机动车尾气源对PM2.5浓度的影响进一步加大并逐渐成为PM2.5的最大污染源,为了进一步降低机动车尾气源对PM2.5浓度的影响,优化交通运输结构,提高管理水平,建议如下。

1)多部门联合执法。早、晚高峰时段车流量较大,对道路易堵路段进行分流疏导,减少车辆的道路滞留时间,降低机动车尾气的排放;另一方面,采取限高禁入、增大查处力度等方式对不符合排放标准的车辆动态清零。

2)坚定新能源汽车售卖补偿政策不放松,完善公共充电桩等基础设施建设,不断提升新能源车辆的使用量和便捷性,降低机动车尾气源总量排放。

3)利用电视、微博、微信等多种媒体,通过播放公益广告、推送环境污染危害信息等形式积极引导公众乘坐公共交通工具,倡导绿色出行。

4)燃煤源和工业工艺源对PM2.5浓度的贡献占比依然较大。因此,一方面要使用国家规定的清洁燃煤,杜绝散煤燃烧;另一方面,生产企业要进一步完善排污设备安置,确保污染物达标排放,同时充分利用企业污染物排放在线监测网络,杜绝企业偷排偷放、漏排漏放现象的发生。

5.3 展 望

采用SPAMS对3个阶段冬防期PM2.5主要污染来源及变化进行了分析,比较全面地阐述了PM2.5的首要污染源由燃煤源、工业工艺源向机动车尾气源转变的过程,体现了近几年内机动车尾气源对PM2.5浓度的影响不断攀升。当前,石家庄市污染物排放净化设施进一步完善,清洁能源使用率增加,在未来的污染防治中,机动车尾气源可能依然是PM2.5最大的污染贡献源。

本研究为石家庄市冬防期污染源管控提供了数据支撑,为石家庄市科学防霾、精准治霾提供了有益的参考。但是受2018年10月1日—2019年3月31日、2020年10月1日—2021年3月31这2个时间段数据失真和SPAMS源谱老旧影响,未能全面、准确地反映石家庄市冬防期PM2.5主要污染源的连续性变化,对冬防期PM2.5主要污染源的解析可能存在一定偏差。随着污染源谱的全面更新,神经网络算法的进一步完善,同时结合石家庄市大气复合污染及灰霾超级监测站对污染物组分特征的分析,后续研究结果能够更加精准地反映石家庄市的污染状况,为石家庄市环境空气质量的不断改善提供技术支持。