汾渭典型城市空气质量特征及污染成因分析

＊冯琨 靳春嵩 兰杰 吕安 朱丽娅

（1.山西低碳环保产业集团有限公司 山西 030032 2.山西省生态环境监测和应急保障中心（山西省生态环境科学研究院） 山西 030027 3.中科三清科技有限公司 北京 100029）

引言

近年来，随着城镇化和工业化进程的加快，我国面临的环境问题也日益突出，给人民生活带来很大影响，空气质量下降、水污染、气候变暖，其中大气污染是最严重的环境问题之一[1-2]。汾渭平原是国家大气污染重点防控区域，也是全国空气污染最为严重的地区[3-4]。自2018 年《打赢蓝天保卫战三年行动计划》实施以来，全国大部分地区环境空气质量均得到明显改善[5-6]，但汾渭平原因自身产业结构偏重，煤、焦等占比较大，其中焦化产能达1.07×108t，约占全国的16%[7]，区域整体工业排放量依然较大，结构性污染问题仍普遍存在[8]。《2021 年中国生态环境状况公报》[9]显示，汾渭平原11 个城市PM2.5浓度为42μg/m3，是全国平均水平的1.4 倍，空气质量优良天数比例为70.2%，低于全国平均水平17.3 个百分点，区域内PM2.5浓度排名全国后20 位的城市由2015 年的0 个增至2021 年的6 个[10]，且168 个重点城市排名后20 位中以山西省地市为主，大气污染防治形势严峻[11]。

孝义市地处汾渭平原腹地，吕梁山脉中段东麓，地理位置介于东经111°21′～111°56′，北纬36°56′30″～37°18′45″之间，地势西北高、东南低，属温带季风气候区，主导风向偏西风。孝义市矿产资源丰富，尤以煤、铝为最，故煤炭和铝铁开采及加工业成为当地支柱产业[12]，年均焦化产能1867 万吨，是山西省最大的焦化产业集聚区[13]，同时也是汾渭平原典型山地城市中大气污染最为严重的地区之一[14-15]。在各地污染治理取得显著成效的背景下，孝义市空气质量排名却连年下降，2020—2022 年连续三年排名山西省119 区县第一，严重制约着当地经济、社会发展[16]。

本文以孝义市为例，通过对其2019—2021 年空气质量数据变化特征进行梳理，并与周边区县（平遥、交口、中阳、汾阳、灵石、介休和文水）及全省数据均值进行对比分析，总结污染特征，利用企业排放数据结合AERSCREEN 大气估算模型对重点产业园区点源贡献进行模拟量化研究，以期为汾渭平原山地复杂地形下环境空气污染治理提供借鉴和参考。

1.材料与方法

(1)环境空气质量监测数据

本文环境空气质量监测数据均来源于山西省环境空气质量监测管理平台，且均为审核实况数据。站点监测项目为《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）[17]所要求的6 项基本项目。根据《环境空气质量标准（GB 3095—2012）》针对环境空气污染物质量浓度数据有效性和数据连续性的要求进行筛选剔除。经统计，各监测项目数据均满足《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ 663—2013）中数据统计有效性规定[18]。

(2)工业企业排放数据

本文企业排放数据均为孝义市工业企业在线监控数据及重点企业排污总量核定数据。所有监测数据均根据《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范》（HJ 75—2017）、《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ 76—2017）、《污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ 212—2017）相关要求，按以下原则对在线监测数据进行处理：①剔除已标记的非正常运行时段的数据（包括生产工况中止料、停炉降温、停运、投料以及在线设备系统故障、污染治理设施故障等）；②对未作上述标记的生产线，剔除排放浓度为负值的数据，以及可能由于设备故障等原因造成的连续高值，剔除后的小时数据为有效小时数据；③根据HJ 76—2017 中规定，有效日数据应包含本日至少20 h 的有效小时数据，对在线数据逐日筛选，筛选后的生产线需至少包含1 个月内25 天（其中2 月份至少23 天）的有效日数据[19]。

(3)AERSCREEN空气质量模型

本文采用《环境影响评价技术导则大气环境》HJ 2.2—2018 中的推荐的AERSCREEN 大气估算模型，并按照导则要求对孝义市气象数据、地表参数、点源参数进行处理计算，最终得到孝义市重点园区企业排放对当地大气环境污染贡献强度数据。与SCREEN3 相比，AERSCREEN 在气象数据处理、建筑物下洗参数处理、地形数据处理等方面做出了较大改进[20]，如表1 所示。

表1 孝义市2 个省控站点及设备详细信息

2.结果与讨论

(1)孝义市空气质量现状

①空气质量排名分析

2019—2021 年，孝义市综指分别为8.21、7.58、6.33，连续3 年排名全省后5 位，其中2020 年和2021 年均为倒1。六项参数中SO2年均浓度分别为88μg/m3、69μg/m3、54μg/m3，PM10为143μg/m3、124μg/m3、107μg/m3，两项污染物连续3 年全省均为倒1，NO2为48μg/m3、49μg/m3、45μg/m3，连续3年进入全省排名后10，如表2 所示。

表2 2019—2021 年孝义市各项指标在全省县（市、区）排名统计表

②综合指数贡献分析

2019—2021 年，六项参数中对综指贡献最大的均为PM2.5和PM10，两项参数贡献率之和分别达到47.2%、46.0%、42.6%。SO2对于综指的贡献率呈逐年下降趋势，连续3 年分别为17.9%、15.2%、14.2%。另外，O3和NO2贡献逐年上升，其中O3连续3 年贡献率分别为13.7%、15.5%、19.2%，NO2分别为14.6%、16.2%、17.8%，如图1 所示。

图1 2019—2021 年孝义市大气环境六项参数对综指贡献占比

③重点时段对比分析

从采暖季与非采暖季变化情况看，2021 年与2019年相比，采暖季综指累计改善31.5%，非采暖季累计改善12.5%，六项参数中SO2采暖期与非采暖期浓度分别下降44.4%、26.7%，PM10分别下降28.6%、20.2%，PM2.5分别下降38.4%、28.2%，改善显著，如表3 所示。

表3 2019—2021 年孝义市采暖期与非采暖期空气质量统计表

(2)区域性污染分析

①全年参数对比分析

2021 年孝义市及其周边区域在全省空气质量排名后5 的县（市、区）为孝义市、平遥县、文水县、交城县和介休市，各县（市、区）距离较近，且产业结构均以煤化工和钢铁为主，区域整体污染排放量大，如图2 所示。

图2 2021 年孝义市环境空气质量与周边及全省县（市、区）均值对比

2021 年，孝义市综指为6.33，全省排名倒1，PM2.5、PM10、SO2和NO2浓度分别为41μg/m3、107μg/m3、54μg/m3和45μg/m3，CO 和O3百分位数浓度分别为1.6 mg/m3和194μg/m3。PM10、SO2全省排名均为倒1，NO2倒2，SO2、NO2、PM10和PM2.5分别高出全省均值36μg/m3、17μg/m3、34μg/m3和5μg/m3；SO2、NO2和PM10分别高出周边县（市、区）均值28μg/m3、11μg/m3、15μg/m3，仅PM2.5略低于周边县（市、区）2μg/m3，如表4 所示。

表4 2021 年孝义市及周边县（市、区）空气质量统计结果

②同比改善情况分析

与2019 年相比，2021 年孝义市综指累计下降22.9%，六项参数中SO2、PM2.5、PM10、NO2分别下降38.6%、35.9%、25.2%、6.2%，仅O3上升7.8%。与周边县（市、区）改善幅度相比，除PM2.5改善幅度略好于周边县（市、区）平均水平外，SO2、NO2、O3、CO 分别相差18.1、18.2、4.4、7.2 个百分点；与全省县（市、区）平均水平相比，SO2、NO2、O3、CO 分别相差3.3、9.0、13.6、6.0 个百分点，如图3 所示。

图3 孝义市（2019—2021 年）六项污染物、综指变化情况及与周边区县对比

(3)污染排放分析

①企业在线排放

2021 年孝义市工业排放强度高居汾河谷地首位。孝义市经济开发区内已建成投产焦化产能为1549万吨，正在建设焦化产能为318 万吨，已建成氧化铝产能为720 万吨。从减排效果看，与2019 年相比，孝义市烟（粉）尘排放量削减123 t/a，二氧化硫削减538 t/a，氮氧化物增加了464 t/a。

2021 年孝义市重点企业二氧化硫、氮氧化物、烟（粉）尘排放量分别为908.77 t/a、2797.07 t/a 和260.35 t/a。与文水县和平遥县相比，二氧化硫排放量分别高出701.25 t 和765.98 t，氮氧化物分别高出725.26 t 和2271.12 t，烟粉尘分别高出136.64 t 和242.58 t。孝义市二氧化硫排放强度分别是文水和平遥的5.0 倍、8.7 倍，氮氧化物排放强度分别是介休和平遥的1.5 倍、7.0 倍，烟粉尘排放强度分别是介休和平遥的2.3 倍、28 倍，如表5 所示。

表5 孝义及周边县（市、区）2021 年在线监控排放量统计表

②重点区域污染贡献分析

A.产业布局

孝义经济开发区由一区五园组成[21]，均紧邻市区，其中主城区东南方向5 公里左右是现代煤化工业园，东侧3 公里左右是铝系新材料产业园，西北方向2.5 公里左右是高新科技产业园、农业科技产业园（北区），西南方向5 公里左右是农业科技产业园（南区）。

孝义市环境空气质量自动监测点位与主城区东、南、西周边三大工业园区相距均在6 公里左右，工业有组织和无组织面源排放均对市区空气质量产生影响。其次，孝义开发区涉及煤焦、化工、铝业、冶金、热电等重污染企业物料运输总量在12308.46 万吨/年，过境货运车辆多，每天约5 万辆重型货车上路行驶，机动车尾气以及道路扬尘排放量均对市区空气质量产生较大影响。

B.重点园区污染贡献模拟

基于重点企业排污总量核定数据，应用AERSCREEN空气质量模型，模拟估算现代煤化工产业园、铝系新材料产业园、高新科技产业园、农业科技园在不利气象条件下对孝义市PM10、PM2.5、SO2和NOx年均浓度贡献率，结果如表6 所示。

表6 各工业园区对孝义市环境空气质量贡献率（单位：%）

在排放贡献中，各工业园区对孝义市PM10、PM2.5、SO2和NOx贡献总量分别为56.5%、91.6%、75.9%和68.1%。其中，现代煤化工产业园对孝义市PM10、PM2.5、SO2和NOx贡献达50.9%、82.6%、64.9% 和64.4%，在五大园区中贡献比例最高。

3.结论

（1）汾渭平原城市产业结构偏重，煤烟型污染特征明显，2019—2021 年，孝义市环境空气质量在全省县（市、区）排名均列倒数，六项参数中以SO2、NO2、PM10污染突出。SO2、PM10、PM2.5对综指贡献较大的三项指标在采暖期及非采暖期同比均有明显下降，但NO2和O3降幅偏低或不降反升，对综指贡献率也逐年上升。

（2）受地形胁迫，汾渭平原盆地城市本地污染易于积累难以扩散。除PM2.5外，2021 年孝义市空气质量指标与周边区县（平遥、交口、中阳、汾阳、灵石、介休和文水）及全省数据均值对比明显偏高。与2019 年相比，2021 年孝义市PM2.5改善幅度较大，但35.9%，SO2、NO2、CO 改善率明显低于周边及全省其他县（市、区），PM10下降25.2%，优于全省平均，O3不降反升，同比上升7.8%。

（3）汾渭平原“两高”产业聚集，孝义市工业围城问题突出，工业排放量大，污染排放强度高；现代煤化工产业园对当地PM10、PM2.5、SO2和NOx贡献分别达50.9%、82.6%、64.9%和64.4%。

（4）受偏重的产业结构和公路运输为主的交通结构影响，汾渭平原城市煤烟型污染特征明显，加之山地地形阻隔，冬季采暖期静稳天气偏多，污染物扩散不利，除臭氧外其余污染物对比非采暖期整体偏高，且区域间污染相关性较强，治理过程中需加大焦化、钢铁等重点行业落后产能淘汰力度，严控新增过剩产能，加快交通运输结构优化升级，从根源上解决污染难题。