汾渭典型城市空氣質(zhì)量特征及污染成因分析

＊馮琨 靳春嵩 蘭杰 呂安 朱麗婭

（1.山西低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 山西 030032 2.山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和應(yīng)急保障中心（山西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院） 山西 030027 3.中科三清科技有限公司 北京 100029）

引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國面臨的環(huán)境問題也日益突出，給人民生活帶來很大影響，空氣質(zhì)量下降、水污染、氣候變暖，其中大氣污染是最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1-2]。汾渭平原是國家大氣污染重點(diǎn)防控區(qū)域，也是全國空氣污染最為嚴(yán)重的地區(qū)[3-4]。自2018 年《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來，全國大部分地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量均得到明顯改善[5-6]，但汾渭平原因自身產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，煤、焦等占比較大，其中焦化產(chǎn)能達(dá)1.07×108t，約占全國的16%[7]，區(qū)域整體工業(yè)排放量依然較大，結(jié)構(gòu)性污染問題仍普遍存在[8]。《2021 年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[9]顯示，汾渭平原11 個(gè)城市PM2.5濃度為42μg/m3，是全國平均水平的1.4 倍，空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例為70.2%，低于全國平均水平17.3 個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)PM2.5濃度排名全國后20 位的城市由2015 年的0 個(gè)增至2021 年的6 個(gè)[10]，且168 個(gè)重點(diǎn)城市排名后20 位中以山西省地市為主，大氣污染防治形勢嚴(yán)峻[11]。

孝義市地處汾渭平原腹地，呂梁山脈中段東麓，地理位置介于東經(jīng)111°21′～111°56′，北緯36°56′30″～37°18′45″之間，地勢西北高、東南低，屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向偏西風(fēng)。孝義市礦產(chǎn)資源豐富，尤以煤、鋁為最，故煤炭和鋁鐵開采及加工業(yè)成為當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)[12]，年均焦化產(chǎn)能1867 萬噸，是山西省最大的焦化產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)[13]，同時(shí)也是汾渭平原典型山地城市中大氣污染最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[14-15]。在各地污染治理取得顯著成效的背景下，孝義市空氣質(zhì)量排名卻連年下降，2020—2022 年連續(xù)三年排名山西省119 區(qū)縣第一，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展[16]。

本文以孝義市為例，通過對其2019—2021 年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)變化特征進(jìn)行梳理，并與周邊區(qū)縣（平遙、交口、中陽、汾陽、靈石、介休和文水）及全省數(shù)據(jù)均值進(jìn)行對比分析，總結(jié)污染特征，利用企業(yè)排放數(shù)據(jù)結(jié)合AERSCREEN 大氣估算模型對重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)點(diǎn)源貢獻(xiàn)進(jìn)行模擬量化研究，以期為汾渭平原山地復(fù)雜地形下環(huán)境空氣污染治理提供借鑒和參考。

1.材料與方法

(1)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于山西省環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測管理平臺(tái)，且均為審核實(shí)況數(shù)據(jù)。站點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目為《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）[17]所要求的6 項(xiàng)基本項(xiàng)目。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）》針對環(huán)境空氣污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)有效性和數(shù)據(jù)連續(xù)性的要求進(jìn)行篩選剔除。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)均滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 663—2013）中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性規(guī)定[18]。

(2)工業(yè)企業(yè)排放數(shù)據(jù)

本文企業(yè)排放數(shù)據(jù)均為孝義市工業(yè)企業(yè)在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及重點(diǎn)企業(yè)排污總量核定數(shù)據(jù)。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均根據(jù)《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 75—2017）、《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》（HJ 76—2017）、《污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 212—2017）相關(guān)要求，按以下原則對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：①剔除已標(biāo)記的非正常運(yùn)行時(shí)段的數(shù)據(jù)（包括生產(chǎn)工況中止料、停爐降溫、停運(yùn)、投料以及在線設(shè)備系統(tǒng)故障、污染治理設(shè)施故障等）；②對未作上述標(biāo)記的生產(chǎn)線，剔除排放濃度為負(fù)值的數(shù)據(jù)，以及可能由于設(shè)備故障等原因造成的連續(xù)高值，剔除后的小時(shí)數(shù)據(jù)為有效小時(shí)數(shù)據(jù)；③根據(jù)HJ 76—2017 中規(guī)定，有效日數(shù)據(jù)應(yīng)包含本日至少20 h 的有效小時(shí)數(shù)據(jù)，對在線數(shù)據(jù)逐日篩選，篩選后的生產(chǎn)線需至少包含1 個(gè)月內(nèi)25 天（其中2 月份至少23 天）的有效日數(shù)據(jù)[19]。

(3)AERSCREEN空氣質(zhì)量模型

本文采用《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》HJ 2.2—2018 中的推薦的AERSCREEN 大氣估算模型，并按照導(dǎo)則要求對孝義市氣象數(shù)據(jù)、地表參數(shù)、點(diǎn)源參數(shù)進(jìn)行處理計(jì)算，最終得到孝義市重點(diǎn)園區(qū)企業(yè)排放對當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境污染貢獻(xiàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。與SCREEN3 相比，AERSCREEN 在氣象數(shù)據(jù)處理、建筑物下洗參數(shù)處理、地形數(shù)據(jù)處理等方面做出了較大改進(jìn)[20]，如表1 所示。

表1 孝義市2 個(gè)省控站點(diǎn)及設(shè)備詳細(xì)信息

2.結(jié)果與討論

(1)孝義市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

①空氣質(zhì)量排名分析

2019—2021 年，孝義市綜指分別為8.21、7.58、6.33，連續(xù)3 年排名全省后5 位，其中2020 年和2021 年均為倒1。六項(xiàng)參數(shù)中SO2年均濃度分別為88μg/m3、69μg/m3、54μg/m3，PM10為143μg/m3、124μg/m3、107μg/m3，兩項(xiàng)污染物連續(xù)3 年全省均為倒1，NO2為48μg/m3、49μg/m3、45μg/m3，連續(xù)3年進(jìn)入全省排名后10，如表2 所示。

表2 2019—2021 年孝義市各項(xiàng)指標(biāo)在全省縣（市、區(qū)）排名統(tǒng)計(jì)表

②綜合指數(shù)貢獻(xiàn)分析

2019—2021 年，六項(xiàng)參數(shù)中對綜指貢獻(xiàn)最大的均為PM2.5和PM10，兩項(xiàng)參數(shù)貢獻(xiàn)率之和分別達(dá)到47.2%、46.0%、42.6%。SO2對于綜指的貢獻(xiàn)率呈逐年下降趨勢，連續(xù)3 年分別為17.9%、15.2%、14.2%。另外，O3和NO2貢獻(xiàn)逐年上升，其中O3連續(xù)3 年貢獻(xiàn)率分別為13.7%、15.5%、19.2%，NO2分別為14.6%、16.2%、17.8%，如圖1 所示。

圖1 2019—2021 年孝義市大氣環(huán)境六項(xiàng)參數(shù)對綜指貢獻(xiàn)占比

③重點(diǎn)時(shí)段對比分析

從采暖季與非采暖季變化情況看，2021 年與2019年相比，采暖季綜指累計(jì)改善31.5%，非采暖季累計(jì)改善12.5%，六項(xiàng)參數(shù)中SO2采暖期與非采暖期濃度分別下降44.4%、26.7%，PM10分別下降28.6%、20.2%，PM2.5分別下降38.4%、28.2%，改善顯著，如表3 所示。

表3 2019—2021 年孝義市采暖期與非采暖期空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

(2)區(qū)域性污染分析

①全年參數(shù)對比分析

2021 年孝義市及其周邊區(qū)域在全省空氣質(zhì)量排名后5 的縣（市、區(qū)）為孝義市、平遙縣、文水縣、交城縣和介休市，各縣（市、區(qū)）距離較近，且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)均以煤化工和鋼鐵為主，區(qū)域整體污染排放量大，如圖2 所示。

圖2 2021 年孝義市環(huán)境空氣質(zhì)量與周邊及全省縣（市、區(qū)）均值對比

2021 年，孝義市綜指為6.33，全省排名倒1，PM2.5、PM10、SO2和NO2濃度分別為41μg/m3、107μg/m3、54μg/m3和45μg/m3，CO 和O3百分位數(shù)濃度分別為1.6 mg/m3和194μg/m3。PM10、SO2全省排名均為倒1，NO2倒2，SO2、NO2、PM10和PM2.5分別高出全省均值36μg/m3、17μg/m3、34μg/m3和5μg/m3；SO2、NO2和PM10分別高出周邊縣（市、區(qū)）均值28μg/m3、11μg/m3、15μg/m3，僅PM2.5略低于周邊縣（市、區(qū)）2μg/m3，如表4 所示。

表4 2021 年孝義市及周邊縣（市、區(qū)）空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

②同比改善情況分析

與2019 年相比，2021 年孝義市綜指累計(jì)下降22.9%，六項(xiàng)參數(shù)中SO2、PM2.5、PM10、NO2分別下降38.6%、35.9%、25.2%、6.2%，僅O3上升7.8%。與周邊縣（市、區(qū)）改善幅度相比，除PM2.5改善幅度略好于周邊縣（市、區(qū)）平均水平外，SO2、NO2、O3、CO 分別相差18.1、18.2、4.4、7.2 個(gè)百分點(diǎn)；與全省縣（市、區(qū)）平均水平相比，SO2、NO2、O3、CO 分別相差3.3、9.0、13.6、6.0 個(gè)百分點(diǎn)，如圖3 所示。

圖3 孝義市（2019—2021 年）六項(xiàng)污染物、綜指變化情況及與周邊區(qū)縣對比

(3)污染排放分析

①企業(yè)在線排放

2021 年孝義市工業(yè)排放強(qiáng)度高居汾河谷地首位。孝義市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)已建成投產(chǎn)焦化產(chǎn)能為1549萬噸，正在建設(shè)焦化產(chǎn)能為318 萬噸，已建成氧化鋁產(chǎn)能為720 萬噸。從減排效果看，與2019 年相比，孝義市煙（粉）塵排放量削減123 t/a，二氧化硫削減538 t/a，氮氧化物增加了464 t/a。

2021 年孝義市重點(diǎn)企業(yè)二氧化硫、氮氧化物、煙（粉）塵排放量分別為908.77 t/a、2797.07 t/a 和260.35 t/a。與文水縣和平遙縣相比，二氧化硫排放量分別高出701.25 t 和765.98 t，氮氧化物分別高出725.26 t 和2271.12 t，煙粉塵分別高出136.64 t 和242.58 t。孝義市二氧化硫排放強(qiáng)度分別是文水和平遙的5.0 倍、8.7 倍，氮氧化物排放強(qiáng)度分別是介休和平遙的1.5 倍、7.0 倍，煙粉塵排放強(qiáng)度分別是介休和平遙的2.3 倍、28 倍，如表5 所示。

表5 孝義及周邊縣（市、區(qū)）2021 年在線監(jiān)控排放量統(tǒng)計(jì)表

②重點(diǎn)區(qū)域污染貢獻(xiàn)分析

A.產(chǎn)業(yè)布局

孝義經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)由一區(qū)五園組成[21]，均緊鄰市區(qū)，其中主城區(qū)東南方向5 公里左右是現(xiàn)代煤化工業(yè)園，東側(cè)3 公里左右是鋁系新材料產(chǎn)業(yè)園，西北方向2.5 公里左右是高新科技產(chǎn)業(yè)園、農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)園（北區(qū)），西南方向5 公里左右是農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)園（南區(qū)）。

孝義市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位與主城區(qū)東、南、西周邊三大工業(yè)園區(qū)相距均在6 公里左右，工業(yè)有組織和無組織面源排放均對市區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響。其次，孝義開發(fā)區(qū)涉及煤焦、化工、鋁業(yè)、冶金、熱電等重污染企業(yè)物料運(yùn)輸總量在12308.46 萬噸/年，過境貨運(yùn)車輛多，每天約5 萬輛重型貨車上路行駛，機(jī)動(dòng)車尾氣以及道路揚(yáng)塵排放量均對市區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

B.重點(diǎn)園區(qū)污染貢獻(xiàn)模擬

基于重點(diǎn)企業(yè)排污總量核定數(shù)據(jù)，應(yīng)用AERSCREEN空氣質(zhì)量模型，模擬估算現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)園、鋁系新材料產(chǎn)業(yè)園、高新科技產(chǎn)業(yè)園、農(nóng)業(yè)科技園在不利氣象條件下對孝義市PM10、PM2.5、SO2和NOx年均濃度貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表6 所示。

表6 各工業(yè)園區(qū)對孝義市環(huán)境空氣質(zhì)量貢獻(xiàn)率（單位：%）

在排放貢獻(xiàn)中，各工業(yè)園區(qū)對孝義市PM10、PM2.5、SO2和NOx貢獻(xiàn)總量分別為56.5%、91.6%、75.9%和68.1%。其中，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)園對孝義市PM10、PM2.5、SO2和NOx貢獻(xiàn)達(dá)50.9%、82.6%、64.9% 和64.4%，在五大園區(qū)中貢獻(xiàn)比例最高。

3.結(jié)論

（1）汾渭平原城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，煤煙型污染特征明顯，2019—2021 年，孝義市環(huán)境空氣質(zhì)量在全省縣（市、區(qū)）排名均列倒數(shù)，六項(xiàng)參數(shù)中以SO2、NO2、PM10污染突出。SO2、PM10、PM2.5對綜指貢獻(xiàn)較大的三項(xiàng)指標(biāo)在采暖期及非采暖期同比均有明顯下降，但NO2和O3降幅偏低或不降反升，對綜指貢獻(xiàn)率也逐年上升。

（2）受地形脅迫，汾渭平原盆地城市本地污染易于積累難以擴(kuò)散。除PM2.5外，2021 年孝義市空氣質(zhì)量指標(biāo)與周邊區(qū)縣（平遙、交口、中陽、汾陽、靈石、介休和文水）及全省數(shù)據(jù)均值對比明顯偏高。與2019 年相比，2021 年孝義市PM2.5改善幅度較大，但35.9%，SO2、NO2、CO 改善率明顯低于周邊及全省其他縣（市、區(qū)），PM10下降25.2%，優(yōu)于全省平均，O3不降反升，同比上升7.8%。

（3）汾渭平原“兩高”產(chǎn)業(yè)聚集，孝義市工業(yè)圍城問題突出，工業(yè)排放量大，污染排放強(qiáng)度高；現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)園對當(dāng)?shù)豍M10、PM2.5、SO2和NOx貢獻(xiàn)分別達(dá)50.9%、82.6%、64.9%和64.4%。

（4）受偏重的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和公路運(yùn)輸為主的交通結(jié)構(gòu)影響，汾渭平原城市煤煙型污染特征明顯，加之山地地形阻隔，冬季采暖期靜穩(wěn)天氣偏多，污染物擴(kuò)散不利，除臭氧外其余污染物對比非采暖期整體偏高，且區(qū)域間污染相關(guān)性較強(qiáng)，治理過程中需加大焦化、鋼鐵等重點(diǎn)行業(yè)落后產(chǎn)能淘汰力度，嚴(yán)控新增過剩產(chǎn)能，加快交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，從根源上解決污染難題。