南昌市大氣復(fù)合型超級(jí)站網(wǎng)選址的分析研究

吳真勇，李衛(wèi)東

(南昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，330038，南昌)

0 引言

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)超級(jí)站(簡(jiǎn)稱大氣超級(jí)站)，在國(guó)際上是指利用先進(jìn)的科學(xué)監(jiān)測(cè)分析儀器，能夠全面、綜合地監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量的高度專業(yè)化、設(shè)備配置完善的空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施，與大眾熟知的區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站、城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站以及背景值監(jiān)測(cè)站等不同，大氣超級(jí)站所集成的設(shè)備大多高度自動(dòng)化，監(jiān)測(cè)空間也由單一逐漸向立體化發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)、多維度的綜合化監(jiān)測(cè)[1]。隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，區(qū)域性復(fù)合大氣污染日益突出，已成為影響中國(guó)未來(lái)發(fā)展和民生的重大環(huán)境問(wèn)題，尤其是臭氧污染、光化學(xué)煙霧污染、細(xì)顆粒物污染為主要特征的二次污染問(wèn)題凸顯[2-3]。要認(rèn)識(shí)大氣污染的時(shí)空變化規(guī)律，揭示其發(fā)生、發(fā)展和輸送機(jī)制以支撐大氣污染防治對(duì)策、預(yù)警應(yīng)急措施的制定以及相關(guān)縱深科學(xué)研究的進(jìn)行，迫切需要發(fā)展多手段集成的區(qū)域大氣超級(jí)站網(wǎng)建設(shè)與集成應(yīng)用分析技術(shù)。

為了更好地了解南昌市大氣污染產(chǎn)生機(jī)制和變化趨勢(shì)，筆者在參考了國(guó)內(nèi)外大氣綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案和建設(shè)原則的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析了南昌市本地大氣污染物分布特征、地形地勢(shì)、傳輸通道情況，提出適合南昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)體系現(xiàn)狀的大氣復(fù)合型超級(jí)站網(wǎng)建設(shè)方案。

1 建站目標(biāo)

南昌市大氣超級(jí)站網(wǎng)建設(shè)以1個(gè)中心超級(jí)站加若干個(gè)邊界傳輸站為內(nèi)容。該超級(jí)站組網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)包括：1)構(gòu)建細(xì)顆粒物(PM2.5)與臭氧(O3)污染協(xié)同防控支撐體系；2)構(gòu)建減污與降碳協(xié)同防控支撐體系；3)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展考核目標(biāo)；4)改善環(huán)境質(zhì)量，有效應(yīng)對(duì)重污染天氣；5)建立學(xué)術(shù)研究人才的交流、培養(yǎng)平臺(tái)。

2 站址選擇基本原則

參考區(qū)域空氣監(jiān)測(cè)站和城市監(jiān)測(cè)子站選址的一般性指導(dǎo)原則和基本方法[4]，超級(jí)站選址的基本原則如下：1)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所在區(qū)域大環(huán)境(地區(qū)尺度、局地尺度)自然特征、地形條件、監(jiān)測(cè)區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向和季節(jié)環(huán)流情況；2)監(jiān)測(cè)區(qū)域主要污染源分布和影響程度；3)站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)條件，包括交通、電力、網(wǎng)絡(luò)、站房用地等；4)具有代表性和典型性；5)考慮現(xiàn)有監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布局；6)建站位置確定后，周邊環(huán)境和條件必須符合國(guó)家有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。

3 點(diǎn)位選址可行性論證

3.1 中心超級(jí)站

3.1.1 功能定位 目前南昌市粗放型的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生根本改變，大氣污染呈現(xiàn)復(fù)合型、區(qū)域化的污染特征，通過(guò)建設(shè)南昌市空氣質(zhì)量中心超級(jí)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物組分及氣象要求監(jiān)測(cè)的全覆蓋，具備顆粒物、光化學(xué)、溫室氣體等多種大氣污染因子的在線監(jiān)測(cè)能力，為開(kāi)展復(fù)合污染的成分監(jiān)測(cè)、特征分析和機(jī)理研究及大氣污染治理和污染預(yù)警預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)，為環(huán)境管理和綜合決策提供長(zhǎng)期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科技支撐。

3.1.2 選址依據(jù)

1)空氣質(zhì)量現(xiàn)狀。從“十三五”期間歷年空氣質(zhì)量六參數(shù)年度均值數(shù)據(jù)分析(見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)來(lái)源于藍(lán)天之眼APP中2016―2020相關(guān)數(shù)據(jù))，南昌市6項(xiàng)污染物除臭氧外，PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2等各項(xiàng)污染物濃度均呈逐年下降趨勢(shì)，且降幅明顯。臭氧濃度總體呈逐年上升趨勢(shì)，臭氧污染凸顯并有所加重，成為首要污染物。

表1 “十三五”期間南昌市空氣質(zhì)量六參數(shù)變化情況/μg·m-3

2)大氣環(huán)境觀測(cè)能力現(xiàn)狀。南昌市現(xiàn)有8個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，分別為省站、省外辦、省林業(yè)公司、林科所、建工學(xué)校、象湖、機(jī)電學(xué)校、外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，用以對(duì)南昌市整個(gè)轄區(qū)進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)，另外武術(shù)學(xué)校站點(diǎn)作為背景對(duì)照點(diǎn)，不參與計(jì)算。這些空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)配置標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)參數(shù)僅包括空氣質(zhì)量六參數(shù)和氣象五參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的污染源解析。

圖1 南昌市國(guó)控站點(diǎn)位置分布圖

3)本地污染物分布特征。根據(jù)南昌市2020年環(huán)境空氣質(zhì)量通報(bào)，2020年南昌市8個(gè)國(guó)控站點(diǎn)PM2.5、PM10、CO、O3_8h、SO2、NO2等各項(xiàng)污染物濃度年均值數(shù)據(jù)如表3。

表3 2020年南昌市國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2020年度均值)/μg·m-3

根據(jù)以上2020年南昌市國(guó)控站點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用GIS繪制各污染物濃度分布圖，主要污染物在南昌市主城區(qū)分布規(guī)律如下。

表2 南昌市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息表

①臭氧空間分布。臭氧呈現(xiàn)中間高，西北和南部較低的規(guī)律，臭氧最高值為林科所和外國(guó)語(yǔ)學(xué)校附近，建工學(xué)校和省林業(yè)公司為臭氧次高值分布區(qū)域。其中林科所站點(diǎn)靠近西北方向的山脈，最近的直線距離僅為1 km左右，且人口分布較為稀疏。外國(guó)語(yǔ)學(xué)校站點(diǎn)距離主城區(qū)較遠(yuǎn)，不能夠代表主城區(qū)的空氣質(zhì)量狀況，因此，不建議在林科所和外國(guó)語(yǔ)學(xué)校站點(diǎn)附近選擇監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。而建工學(xué)校和省林業(yè)公司位于主城區(qū)，且人口分布密集，在建工學(xué)校和省林業(yè)公司附近選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較為合適。

②顆粒物分布。PM2.5呈現(xiàn)東南高，西北低的規(guī)律，建工學(xué)校、省林業(yè)公司、省外辦、省站、象湖和機(jī)電學(xué)校位于高值區(qū)。其中建工學(xué)校、省林業(yè)公司和省外辦分布在主城區(qū)內(nèi)，且人口分布密集，能代表主城區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量全貌。為此，在建工學(xué)校、省林業(yè)公司和省外辦站點(diǎn)附近選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較為合適。

圖2 南昌市臭氧空間分布圖

圖3 南昌市PM2.5空間分布圖

③NO2空間分布。NO2呈現(xiàn)東南高西北低的規(guī)律，省林業(yè)公司、省外辦、建工學(xué)校、象湖位于高值區(qū)。其中省林業(yè)公司、省外辦和建工學(xué)校均位于主城區(qū)，人口分布密集，在該3個(gè)站點(diǎn)附近選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較為合適。

④SO2空間分布。SO2呈現(xiàn)東南高西北低的規(guī)律，建工學(xué)校和省站SO2濃度最高。省站距離主城區(qū)較遠(yuǎn)，不能代表主城區(qū)空氣質(zhì)量全貌，為此，在建工學(xué)校站點(diǎn)附近選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較為合適。

圖4 南昌市NO2空間分布圖

圖5 南昌市SO2空間分布圖

3)人口分布情況。從南昌人口熱力圖看，南昌人口呈塊狀與點(diǎn)狀分布，人口密度最大的區(qū)域還是老城區(qū)，再?gòu)念伾顪\可以看出，東湖區(qū)和紅谷灘區(qū)這2個(gè)片區(qū)人口相對(duì)集中。建工學(xué)校位于紅谷灘區(qū)、省林業(yè)公司和省外辦位于東湖區(qū)，為此，在建工學(xué)校、省林業(yè)公司和省外辦附近選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較為合適。

圖6 南昌市人口熱力圖

3.1.3 選址建議 根據(jù)以上南昌市主要污染物空間分布、人口密度分布和與主城區(qū)位置距離等情況，中心超級(jí)站應(yīng)該重點(diǎn)在紅谷灘區(qū)靠近建工學(xué)校和東湖區(qū)靠近省林業(yè)公司和省外辦站點(diǎn)附近選址。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，初選了8處點(diǎn)位，分別是：濱江賓館、江西省友好出國(guó)境服務(wù)中心、南昌市第十中學(xué)、江西省衛(wèi)生廳人才交流服務(wù)中心、江西省中醫(yī)藥大學(xué)、南昌大學(xué)(東湖校區(qū))江西醫(yī)學(xué)院、南昌市生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心、南昌市紅谷灘教育集團(tuán)(綠茵路校區(qū))。通過(guò)總結(jié)各初選點(diǎn)位基礎(chǔ)建設(shè)情況、場(chǎng)地水平高度、場(chǎng)地出入條件、電力網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)、周圍污染源情況，其中位于建工學(xué)校附件的南昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)位基礎(chǔ)建設(shè)完好，交通良好，位于建設(shè)單位內(nèi)部，便于日常管理，整體情況良好，作為優(yōu)選點(diǎn)位。

3.2 邊界傳輸站

3.2.1 站點(diǎn)功能定位 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加速，城市大氣環(huán)境質(zhì)量受區(qū)域傳輸?shù)挠绊懺絹?lái)越大，環(huán)境監(jiān)測(cè)及監(jiān)管部門迫切需要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)污染物的高空傳輸情況，及時(shí)掌握高空污染傳輸情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染來(lái)源解析、通量估算和去向追蹤等。大氣邊界傳輸站監(jiān)測(cè)分析大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)、溫濕度的空間分布變化，輔助分析并還原近地面污染物濃度在擴(kuò)散、反應(yīng)、沉降等過(guò)程，為科學(xué)、深入分析臭氧和PM2.5的污染傳輸提供氣象、三維空間的數(shù)據(jù)支撐，為南昌市主要傳輸通道上污染物監(jiān)測(cè)與分析提供科學(xué)依據(jù)。

3.2.2 選址依據(jù)

1)地形地勢(shì)。地形對(duì)局地小氣候的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：影響局部氣溫、局部降水和風(fēng)速。南昌全境以鄱陽(yáng)湖平原為主，東南相對(duì)平坦，西北為丘陵，全境最高點(diǎn)為梅嶺主峰中的洗藥塢，海拔841.4 m，地勢(shì)相對(duì)較高，一定程度上影響城市上空污染物的擴(kuò)散?？紤]到山脈對(duì)氣流有阻擋作用，為此，影響南昌市的主要?dú)饬鳛楸辈?、南部和東部。

2)傳輸通道。HYSPLIT模式是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室(ARL)和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型[5]，是目前應(yīng)用最廣泛的研究污染物區(qū)域輸送的方法。國(guó)內(nèi)外的許多科研工作者利用HYSPLIT后向軌跡模式對(duì)城市大氣污染問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究[6-7]。杜朋[8]、錢俊龍等[9]采用HYSPLIT模式研究了100 m高度的污染輸送特征，Pongkiatkul[10]、涂小萍等[11]通過(guò)HYSPLIT模式定量估算了1 km高度外來(lái)源輸送對(duì)城市顆粒物濃度的貢獻(xiàn)率。

本方案利用HYSPLIT 模式對(duì)南昌市區(qū)域2020年的后向軌跡模式進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

①春季，軌跡聚類結(jié)果表明，來(lái)自偏西方向氣團(tuán)占比最高，為42.48%；偏東方向次之，為22.74%；偏南方向?yàn)?0.15%，偏北方向?yàn)?4.63%。

②夏季，軌跡聚類結(jié)果表明，來(lái)自東北方向氣團(tuán)占比最高，為40.17%；偏西方向次之，為37.44%；偏南方向的氣團(tuán)占比為21.25%。

③秋季，軌跡聚類結(jié)果表明，來(lái)自東北偏東方向氣團(tuán)占比最高，為49.73%；遠(yuǎn)距離東北方向的氣團(tuán)次之，為23.21%；偏東方向的氣團(tuán)和偏西方向的氣團(tuán)占比分別為13.97%和13.10%。

④冬季，氣團(tuán)主要來(lái)自于北部地區(qū)，占比最大的氣團(tuán)(60.51%)都來(lái)自于東北方向，從安徽省西南部途徑九江到達(dá)南昌市。

圖7 南昌市2020年四季后向軌跡聚類結(jié)果圖

綜合分析南昌市地形(西北地勢(shì)相對(duì)高，對(duì)氣流有阻礙作用)、不同季節(jié)主要污染物變化(秋冬季顆粒物為首要污染物，夏季臭氧為首要污染物)，結(jié)合后向軌跡聚類結(jié)果，初步確定北部、東部和南部3個(gè)傳輸通道。

3)潛在源擴(kuò)散。潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)和濃度權(quán)重軌跡(CWT)是兩種以后向軌跡模型為基礎(chǔ)的網(wǎng)格化統(tǒng)計(jì)分析方法，可以半定量地得到污染源強(qiáng)分布，被廣泛用于識(shí)別潛在源區(qū)[12]。李顏君等[13]、高陽(yáng)等[14]運(yùn)用PSCF分析法和CWT分析法，探討了研究時(shí)期內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)以及對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)。通過(guò)PSCF、CWT等分析方法，進(jìn)一步研究不同來(lái)源區(qū)域?qū)δ喜形廴疚餄舛鹊臐撛谪暙I(xiàn)。南昌市顆粒物濃度高值一般發(fā)生于冬季，利用2020年冬季數(shù)據(jù)對(duì)PM2.5進(jìn)行潛在源分析，得出結(jié)論：影響PM2.5外來(lái)方向?yàn)槲鞅狈较颉|北方向，其中東北方向是南昌冬季主要顆粒物傳輸通道。

圖8 南昌市2020年冬季PM2.5 PSCF和CWT

圖9 南昌市2020年夏季O3 PSCF和CWT

南昌市臭氧濃度高值一般發(fā)生于夏季，利用2020年夏季數(shù)據(jù)對(duì)O3進(jìn)行潛在源分析，得出結(jié)論：影響臭氧的外來(lái)方向?yàn)闁|北方向、偏南方向，其中東北方向的貢獻(xiàn)更大。

4)本地污染物排放特征。污染物排放量空間分布差異大，PM2.5、PM10、NO2、VOCs呈現(xiàn)中南部高排放。

5)不同季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向。根據(jù)污染玫瑰圖可知，秋季9—11月南昌市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)為主，受東北方向傳輸影響，顆粒物易出現(xiàn)高值。冬季12—1月，南昌市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，在北風(fēng)影響下，顆粒物易出現(xiàn)高值。

圖10 南昌市主要污染物排放空間分布圖

圖11 2020年9―11月南昌市PM10和PM2.5風(fēng)污染風(fēng)玫瑰圖

綜上，根據(jù)地形地貌、氣團(tuán)軌跡、潛在源貢獻(xiàn)以及主要污染物排放空間分析等綜合分析，確定對(duì)南昌市大氣污染有重要影響的3個(gè)傳輸通道，分別為北部的顆粒物傳輸通道，東部和南部的光化學(xué)傳輸通道。

3.2.3 選址建議

1)點(diǎn)位數(shù)量方面：考慮南昌市是首次開(kāi)展大氣立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在不同傳輸通道上分別布設(shè)1個(gè)傳輸站點(diǎn)，補(bǔ)充環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)能力空白，形成前期示范作用。

2)點(diǎn)位選址方面：根據(jù)南昌市不同季節(jié)軌跡聚類結(jié)果分析得出的大氣污染傳輸特征，結(jié)合地形結(jié)構(gòu)與常年盛行風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特征，在南昌市主要顆粒物傳輸通道——東北方向的上、下風(fēng)向處分別布設(shè)1個(gè)顆粒物傳輸站點(diǎn)；在正南方向的春夏冬臭氧傳輸通道和東南方向的春夏臭氧傳輸通道上風(fēng)向分別建立1個(gè)光化學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。此外，在常年盛行風(fēng)上風(fēng)向北通道站補(bǔ)充監(jiān)測(cè)溫室氣體，作為溫室氣體監(jiān)測(cè)的背景點(diǎn)。綜合現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，其中北通道站點(diǎn)選在南昌縣蔣巷鎮(zhèn)政府，東通道站點(diǎn)選在南昌縣塘南鎮(zhèn)幼兒園、南通道站選在南昌縣廣福一中。

圖12 2020年12月―2021年1月南昌市PM10和PM2.5風(fēng)污染風(fēng)玫瑰圖

圖13 監(jiān)測(cè)體系點(diǎn)位分布方案

4 結(jié)論

大氣超級(jí)站網(wǎng)是南昌市的首次建設(shè)，意義重大。通過(guò)對(duì)南昌市本地污染源特征和人口分布情況分析，同時(shí)運(yùn)用HYSPLIT后向軌跡模式和潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)和濃度權(quán)重軌跡(CWT)研究南昌市大氣污染物傳輸通道情況和潛在源區(qū)，并且經(jīng)過(guò)專家論證等嚴(yán)格科學(xué)的過(guò)程，確定了南昌市以1個(gè)中心超級(jí)站加?xùn)|、南、北3個(gè)邊界傳輸站的大氣超級(jí)站網(wǎng)建設(shè)方案，其中中心超級(jí)站在紅谷灘區(qū)靠近建工學(xué)校和東湖區(qū)靠近省林業(yè)公司和省外辦站點(diǎn)附近選址，優(yōu)先在南昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心選址建設(shè)，北部邊界傳輸站優(yōu)先在南昌縣蔣巷鎮(zhèn)政府選址建設(shè)，東通道站點(diǎn)優(yōu)先在南昌縣塘南鎮(zhèn)幼兒園選址建設(shè)、南通道站優(yōu)先在南昌縣廣福一中選址建設(shè)。