城市街道顆粒物污染過程觀測及管控模式探討

張玲玲， 盛 夏， 張亞一， 章許云， 吳 劍

（江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

大氣懸浮顆粒物包含可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5），作為城市空氣自動站監(jiān)測的重要因子，一直是影響城市春、秋、冬季空氣質(zhì)量的首要污染物，其表面吸附著大量的有毒物質(zhì)，對人體健康構(gòu)成潛在威脅，故被廣泛關(guān)注[1-2]。為進一步加強生態(tài)環(huán)境保護， 增進民生福祉， 建設(shè)美麗中國， 國務(wù)院于2021年底提出深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)要求，江蘇省委、省政府隨后印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的實施意見》，明確“全省PM2.5質(zhì)量濃度降至30 μg/m3左右，優(yōu)良天數(shù)比例達到82%以上”的目標(biāo)，頂格推進大氣污染防治各項工作， 通過設(shè)立污染指標(biāo)排名制、“點位長”約談制等，壓實全省市、區(qū)責(zé)任，堅持“目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向和結(jié)果導(dǎo)向相結(jié)合”原則，著力解決影響區(qū)域大氣環(huán)境及站點監(jiān)測數(shù)據(jù)的突出問題，攻堅克難，精細管理，實現(xiàn)區(qū)域空氣質(zhì)量的進一步提升。

目前， 城市街道PM10，PM2.5濃度主要以點式監(jiān)測為主，可反映局地顆粒物濃度水平及變化特征，適用于區(qū)域間的污染傳輸過程分析[3-5]，但對于城市街道本地污染精準(zhǔn)管控效用有限。相對而言，氣溶膠激光雷達作為一種先進的立體觀測技術(shù)，可直觀、全面地展示顆粒物時空演變過程，彌補點式監(jiān)測不足[6-9]。

通過采用氣溶膠激光雷達技術(shù)以及垂直、 水平2 種觀測方式，綜合點式監(jiān)測結(jié)果，對南京市溧水區(qū)顆粒物污染過程進行觀測和分析， 基于實踐探討城市街道顆粒物污染管控模式， 為城市大氣污染防治提供經(jīng)驗。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)均為國控站數(shù)據(jù)，來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站（http://www.cnemc.cn/），選取2022年1月～3月份南京市及周邊城市（常州市、蕪湖市）國控站點的PM10，PM2.5濃度數(shù)據(jù)。 國控站氣象數(shù)據(jù)來源于南京市空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺，其中，溧水國控站3月2日10：00，11：00，12：00 缺值， 國控站無氣象數(shù)據(jù)時則參考同片區(qū)?。ㄊ校┛卣緮?shù)據(jù)。

1.2 氣溶膠激光雷達設(shè)備

氣溶膠激光雷達設(shè)備采用線偏振激光對大氣顆粒物的時空分布進行遙感探測， 從而獲取大氣消光系數(shù)、退偏振比、邊界層高度、光學(xué)厚度等參數(shù)，全面圖形化展示顆粒物時空演變過程。其中，消光系數(shù)表示氣溶膠濃度的大小（顏色越深，濃度越高），退偏比表示非球形粒子占比的輕重（顏色越深，粗顆粒物占比越多）。 氣溶膠激光雷達設(shè)備型號為艾沃思PMTracer， 垂直觀測時間為2022年3月1日～5日，水平觀測時間為3月6日～20日，時間分辨率為15 min，掃描范圍為5 km，掃描盲區(qū)為45 m。

1.3 污染物特征雷達圖

污染物特征 雷 達圖一 般以SO2，NO2，CO，PM2.5和粗顆粒（PM2.5～10）為計算指標(biāo)，通過對計算指標(biāo)進行百分比成分譜化，除以一定時期（一定區(qū)域）的平均值得到標(biāo)準(zhǔn)化特征譜， 以消除污染物濃度變化以及不同污染物間濃度值差異的影響，可直觀、便捷地展現(xiàn)大氣污染在時間序列或空間上發(fā)生的變化特征，動態(tài)指導(dǎo)環(huán)境管理部門決策[10-11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 地理及氣象環(huán)境背景

南京市溧水區(qū)為典型的低山丘陵地區(qū)， 除石臼湖沿岸外，崗丘散布，地勢東南高、西北低，由于山脈具有阻滯作用，故對風(fēng)速影響較大。 2021年南京市各區(qū)域全年風(fēng)速對比見圖1。 由圖1 可以看出，對比2021年南京市各區(qū)域全年平均風(fēng)速，溧水區(qū)平均風(fēng)速整體較小，靜風(fēng)（風(fēng)速為0 ～0.2 m/s）和軟風(fēng)（風(fēng)速為0.3 ～1.5 m/s）頻率占比居多，約70%，不利于大氣污染物的擴散。

圖1 2021年南京市各區(qū)域全年風(fēng)速對比

2.2 管控前顆粒物濃度對比

選取2022年1月～2月期間南京市國控站點PM2.5和PM10濃度均值數(shù)據(jù)，具體見圖2。 由圖2 可以看出，除高淳區(qū)外，溧水區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度明顯較其它行政區(qū)高，為54.8 μg/m3，而PM10濃度排名相對較好，位于中等水平，較雨花臺區(qū)、建鄴區(qū)、六合區(qū)和鼓樓區(qū)低。從PM2.5/PM10數(shù)值上看，溧水區(qū)PM2.5/PM10值高達0.78，區(qū)域顆粒物濃度更易受PM2.5影響。

圖2 南京市各國控站點PM2.5 和PM10 濃度對比

2.3 典型污染時段分析

2.3.1 顆粒物濃度變化

2022年3月1日～5日觀測期間， 溧水區(qū)及南京市PM2.5和PM10濃度時均值變化趨勢分別見圖3和圖4。 由圖3 和圖4 可以看出，溧水區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度均值為67.4 μg/m3， 大于南京市國控站PM2.5質(zhì)量濃度均值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 期間， 其各時刻顆粒物（PM2.5或PM10）濃度均明顯超過南京市均值，且3月2日和3日表現(xiàn)為PM2.5超標(biāo)日，3月5日表現(xiàn)為PM10超標(biāo)日。 受西北污染氣團傳輸影響，3月1日8：00 左右，溧水區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度開始迅速上升，14：00 左右達到高值為134 μg/m3，PM2.5濃度高值持續(xù)至3月2日10：00 左右，期間略有波動，整體處于較高水平。3月2日11：00 后，隨著污染氣團的消散，PM2.5質(zhì)量濃度很快降至70 μg/m3。 溧水區(qū)PM2.5濃度變化整體晚于南京主城區(qū)站點，期間PM10受PM2.5影響，濃度波動與PM2.5一致。

圖3 溧水區(qū)及南京市PM2.5 濃度時均值變化趨勢

圖4 溧水區(qū)及南京市PM10 濃度時均值變化趨勢

3月2日傍晚起，溧水區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度再次升高，于3月3日7：00 左右達到最高值為121 μg/m3，白天隨著擴散條件轉(zhuǎn)好，PM2.5質(zhì)量濃度值回落至134 μg/m3。 溧水區(qū)與上、下風(fēng)向區(qū)域PM2.5濃度對比見圖5。 由圖5 可以看出，對比溧水區(qū)與上風(fēng)向（常州金壇、常州溧陽）及下風(fēng)向（南京江寧區(qū)、安徽蕪湖）站點，PM2.5濃度變化趨勢較一致，且溧水區(qū)PM2.5濃度低于上風(fēng)向而高于下風(fēng)向區(qū)域。

圖5 溧水區(qū)與上、下風(fēng)向區(qū)域PM2.5 濃度對比

3月5日1：00 左右， 受東北污染氣團影響，南京市各國控站PM10濃度自北向南陸續(xù)升高，3：00左右溧水區(qū)PM10質(zhì)量濃度顯著上升，7：00 時高達290 μg/m3。

2.3.2 污染類型分析

污染物特征雷達圖可直觀、 快速地展現(xiàn)多種污染類型間的轉(zhuǎn)變過程， 從而為污染特征和成因分析提供直觀、實時和便利的手段，可用來判斷出偏揚塵污染型、偏燃煤污染型、偏二次顆粒物污染型、偏機動車污染型、綜合型等多個污染類型。

2022年2月28日23:00 ～3月5日23:00 南京市溧水區(qū)污染過程特征分析見圖6。 由圖6 可以看出，3月1日～5日期間， 溧水區(qū)污染類型由偏二次顆粒物污染型轉(zhuǎn)為偏沙塵污染型。其中，3月1日～2日，僅PM2.5特征值超出上限，污染特征以二次污染為主；3月3日，僅PM10特征值超出上限，污染特征以沙塵污染為主；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， 僅PM10特征值超出上限，沙塵污染對環(huán)境貢獻顯著上升。觀測期間受地理環(huán)境等因素影響，溧水區(qū)風(fēng)速整體較低，均值約為1.2 m/s，擴散條件較弱，易導(dǎo)致污染積聚。因此，在無法抵制遠距離污染傳輸?shù)那疤嵯拢鑷?yán)控本地污染源排放，減少本地污染貢獻。

圖6 污染過程特征分析

2.3.3 激光雷達垂直觀測

2022年3月1日～5日氣溶膠激光雷達垂直觀測結(jié)果見圖7。 由圖7 可以看出，氣溶膠激光雷達垂直觀測結(jié)果與溧水區(qū)顆粒物濃度變化趨勢一致。 3月1日8:00 ～2日11:00， 低空環(huán)境消光系數(shù)較高，退偏比低于0.1，污染物以細顆粒物為主。2日凌晨，隨著邊界層下降， 高度300 m 以下消光系數(shù)達2.0 km-1以上，PM2.5濃度持續(xù)高值；此外，期間也可觀測到高空的粗顆粒物逐漸下沉，12:00 后近地面PM10濃度有所上升。3月3日凌晨，氣溶膠激光雷達濃度再次觀測到粗顆粒物和細顆粒疊加的污染氣團，其中近地面 （150 m 以下） 的污染氣團以細顆粒物為主。 3月5日凌晨， 溧水區(qū)空氣環(huán)境的消光系數(shù)從0.3 km-1升至0.5 km-1，退偏比大于0.1，發(fā)生以粗顆粒物為主的污染事件，環(huán)境中PM10濃度上升。

圖7 氣溶膠激光雷達垂直觀測結(jié)果

2.3.4 激光雷達水平觀測

激光雷達水平觀測適用于一定范圍內(nèi)大氣環(huán)境的動態(tài)觀測，針對本地污染源進行應(yīng)急管控。氣溶膠激光雷達水平觀測結(jié)果（2022年3月6日～20日）見圖8。 由圖8 可以看出， 匯總2022年3月6日～20日氣溶膠激光雷達水平觀測結(jié)果，累計發(fā)現(xiàn)本地污染源59 次，主要包含：道路及建筑施工（36%）、荒地及堆場（24%）、工業(yè)企業(yè)（17%）、餐飲油煙（8%）、露天焚燒（7%）、道路揚塵（3%）和其它（5%）。 其中，工業(yè)企業(yè)、露天焚燒、道路揚塵帶來的顆粒物污染程度較其它污染源大，擴散范圍更廣。進一步結(jié)合退偏比分析，道路及建筑施工、荒地及堆場、道路揚塵對粗顆粒物貢獻明顯，而工業(yè)企業(yè)、餐飲油煙、露天焚燒更易導(dǎo)致環(huán)境中細顆粒物濃度升高。

圖8 氣溶膠激光雷達水平觀測結(jié)果

3 污染管控模式探討

通過觀測分析， 城市街道顆粒物濃度升高一般由外部傳輸、本地擴散條件（地理和氣象環(huán)境）、本地污染排放疊加造成。其中，區(qū)域型的污染傳輸多以聯(lián)防聯(lián)控為主， 而降低本地污染排放則可通過科學(xué)管控實現(xiàn)。

城市街道污染管控應(yīng)以改善本區(qū)域整體空氣環(huán)境質(zhì)量、提升污染指標(biāo)排名為目標(biāo)，建立由政府部門主導(dǎo)、第三方技術(shù)單位支持、涉污企業(yè)配合的協(xié)同作戰(zhàn)模式，并在此基礎(chǔ)上形成協(xié)調(diào)聯(lián)動機制、聯(lián)合會商機制、問題交辦督辦機制、回頭看長效機制等，實現(xiàn)區(qū)域污染問題的全面化、智慧化、精準(zhǔn)化、閉環(huán)式監(jiān)管。 城市街道污染管控模式見圖9。 由圖9 可以看出，政府需設(shè)立以污染攻堅辦為核心的領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)整體工作，各職能部門配合管理，聽取調(diào)用；在管控區(qū)域進行網(wǎng)格化劃分，健全“網(wǎng)格長”制及下屬街鎮(zhèn)“點位長”制，實現(xiàn)污染管治責(zé)任全覆蓋，保障各項任務(wù)強力推進。 各職能部門通過加大工業(yè)企業(yè)、施工工地、車輛運輸、餐飲油煙等日常檢查及夜間執(zhí)法力度，嚴(yán)控重點污染源排放；通過加裝電桿噴霧系統(tǒng)、開展深度保潔除塵、組織不間斷灑水及霧炮抑塵作業(yè)等措施，改善局地環(huán)境。政府需充分發(fā)揮第三方服務(wù)單位技術(shù)和專業(yè)優(yōu)勢， 借助第三方力量全面摸底本區(qū)域污染源，形成污染源“一本賬”，并在日常工作中動態(tài)更新相關(guān)信息；通過先進的監(jiān)測、觀測、預(yù)測及環(huán)境治理方式，實現(xiàn)空氣質(zhì)量的多維度實時跟蹤、 污染排放的高效溯源、 污染天氣的精準(zhǔn)預(yù)判、重點路段時段的凈化改善。 此外，污染攻堅辦與第三方技術(shù)單位建立高效聯(lián)動與快速響應(yīng)機制，實現(xiàn)污染源點及時管控，嚴(yán)厲打擊違法排污行為。

圖9 城市街道污染管控模式

4 結(jié)論

（1）2022年1月～3月特征雷達圖顯示，南京市溧水區(qū)PM2.5特征值超出上限，污染類型整體表現(xiàn)為偏二次型。

（2）2022年3月1日～5日，南京市溧水區(qū)顆粒物濃度均值較高，期間受3 次污染氣團傳輸影響，污染類型由偏二次顆粒物污染型轉(zhuǎn)為偏沙塵污染型。氣溶膠激光雷達垂直觀測結(jié)果與環(huán)境監(jiān)測站點數(shù)據(jù)變化一致，3月1日～2日，低空環(huán)境消光系數(shù)較高，退偏比低，以細顆粒物污染為主，夜間邊界層下降，高空粗顆粒物逐漸下沉， 近地面PM10濃度有所上升；3日觀測到粗顆粒物和細顆粒疊加的污染氣團，其中近地面以細顆粒物為主；5日，空氣環(huán)境的消光系數(shù)升高，退偏比大，污染以粗顆粒物為主。

（3）城市街道顆粒物濃度升高一般由外部傳輸、本地擴散條件（地理和氣象環(huán)境）、本地污染排放疊加造成。氣溶膠激光雷達水平觀測發(fā)現(xiàn)，溧水區(qū)國控站周邊存在多類型污染源， 包含道路及建筑施工（36%）、荒地及堆場（24%）、工業(yè)企業(yè)（17%）、餐飲油煙（8%）、露天焚燒（7%）、道路揚塵（3%）和其它（5%）。探討建立了由政府主導(dǎo)、第三方單位支持、涉污企業(yè)配合的協(xié)同作戰(zhàn)污染管控模式， 以期降低本地污染排放貢獻，提升區(qū)域環(huán)境質(zhì)量。