济宁市城市尺度颗粒物精准溯源方法研究

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　　摘 要：城市尺度大气污染精准溯源和来源解析是当期市县乡三级重污染天气应对和政府空气质量保障工作中普遍遇到的共性难题。本文通过溯源主流方法比选，探索建立构建适合济宁本地的颗粒物近实时快速溯源业务系统，可以有效指导我市网格员、执法队伍和属地政府迅速排查苗头性问题和能源产业结构问题，形成我市各级政府上下齐抓共管的工作合力，促进我市经济转型升级。
　　关键词：颗粒物;溯源;业务系统
　　1 现状和意义
　　大气污染防治既是重大民生问题，也是经济升级的重要抓手。自2016年3月济宁市被纳入京津冀“2+26”大气污染传输通道城市以来，为打赢污染防治三年攻坚战，济宁市相继配套建设了乡镇大气标准考核站、气溶胶激光雷达、大气复合污染超级站等监测网络，夯实行业部门监管责任，制定行业导则规范，落实全市网格化环境监管体系，构筑了全国领先的市县乡三级空天地一体的网格化监测、监管和考核体系。同时，引入清华大学贺克斌院士等国内顶尖行业专家团队会诊把脉、精准施策，探索空气质量短期应急和长期改善的最佳结合点。
　　2017年以后，受益于火电行业超低排放等末端治理水平的提高和管行业必须管环保的管理减排杠杆，济宁市工业企业大气污染物排放总量趋于平稳，行业环保监管水平明显提高。非采暖季全市重点工业企业CEMS监测粉尘、SO2月均排放量维持在65吨、300吨，氮氧化物月均排放量维持在1180吨～1423吨，污染物月均同期浓度变化幅度收窄，排放趋于稳定。反映在空气质量考核指标上，我市环境空气颗粒物浓度指标PM2.5浓度在2018年2月、3月达到有监测以来同期月均浓度最低64μg/m3、45μg/m3。之后，工程减排空间逐步收窄，颗粒物浓度改善幅度放缓，大气污染防治工作进入攻坚阶段。向结构减排、管理减排要效益、要指标的迫切需求在市县乡三级政府的重要性进一步凸显。而针对PM2.5等重点考核指标的城市尺度大气污染精准溯源和来源解析辅助管理减排是当期市县乡三级重污染天气应对和政府空气质量保障工作中普遍遇到的共性难题。
　　据估算，仅市级层面，空气质量监测和调控方面购买第三方服务每年投入费用就在6千万左右，地方财政投入巨大。因此，整合现有软硬件资源，建立适合我市且经济、高效的动态溯源体系和业务平台，在日常业务中定量评估和检验排放源所在行业和属地污染物贡献，可以有效指导我市网格员、执法队伍和属地政府迅速排查苗头性问题，形成市县乡三级上下齐抓共管的工作合力，促进我市经济转型升级。
　　2 溯源方法比选
　　当前城市大气颗粒物来源解析主要有3种技术方法，即源清单法、受体模型法、空气质量模型法。
　　（1）源清单法：采用的是“自下而上”的污染来源识别思路，以污染源为对象，结合排放因子和活动水平，估算出污染物排放量，从而定量识别不同污染源一次排放的贡献大小和污染物排放特征。优势在于整合部门和系统内部资源即可以获得具体排放源或某一企业的污染物排放量;成本投入较低，业务系统建设资金投入在200-300万左右。难点在于排放源强核算和本地排放源特征谱的测定，如基于实时交通数据流的移动源尾气、道路夹卷道路扬尘等排放核算，无组织VOC等源强核算，委托专业机构对本地排放源谱测定投入在600-800万左右。
　　（2）受体模型法：采用“自上而下”的污染来源识别思路，以大气环境污染样品为对象，根据排放源的特征标示物和化学组分的匹配，解析出不同排放源对污染物的贡献。受体模型法是我国目前应用最为广泛的颗粒物来源解析技术，以城市大气复合污染超级站为代表，主要采用化学质量平衡法（CMB）和正矩阵因子模型（PMF）两种方法。受体模型的优势在于不受污染源数据缺乏的限制，不依赖于气象等多种特征参数，短时间定量快速识别污染大致来源。难点在于城市扬尘等共性特征源谱的不确定性和本地源特征谱的构建。
　　另外，大气超级站单站点投资在2000-6000万不等，建设资金投入巨大，可以开展反应机理层面的研究，然而出现问题的往往是常规重点指标，在市县乡实际业务执行层面也不如局地重点指标组网更具应用优势。同时，单一大气监测超级站可能面临技术人才储备不足、产出不多、后续维护难等挑战。
　　（3）源模式法：当前，常用的第三代空气质量模型代表有美国CMAQ和CAMx、德国EURAD、瑞典MAQS、中国的NAQPMS等，主要通过标识和追踪（ISAM、PSAT等）各类源排放出的污染物在大气中的输送、扩散、转化和沉降等过程，利用质量守恒估算出不同排放源的浓度贡献，正在发展中第四代的全耦合空气质量模式仅有3个，分别是GATOR-GCMOM、GEM-AQ、GU-WRF/Chem，与第三代的主要区别为更关注空气污染过程中的稳定或静稳条件下的弱动力过程、新粒子生成机制及其增长过程中的数浓度谱分布、二次无机组分形成过程中的非均相（含多相）反应、散煤燃烧过程中二次有机气溶胶形成、高浓度区自适应网格空气质量模式、模式初值优化动态污染源反演等。优点在于定量核算污染源对站点等受体的贡献，具体到排放企业和区域，为后续减排效果评估和政策制度制定;投入成本低，相关投入在500-900万左右。难点在于排放源清单、气象及化学机制的不确定性影响结果准确性，特别是城市尺度拉格朗日或高斯溯源模型比区域尺度欧拉模型对排放源的时空信息更为敏感。
　　考虑管理、技术、成本等因素，我市大气考核站溯源工作选取源模式法为主，源清单法和受体模型法辅助更适合我市。主要是整合行业部门和网格化监管平台现有资源，以颗粒物溯源模型为载體打通气象场-污染源-监测站点对应关系，充分挖掘我市乡镇考核站8年监测数据潜力，构建适合济宁本地的颗粒物近实时快速溯源业务系统，形成市县乡三级溯源工作合力。
　　3 业务技术路径和预期成果
　　济宁本地的颗粒物近实时快速溯源业务系统主要由基于GIS卫星影像的全市高分辨率网格化排放源快速更新系统、本地化颗粒物溯源模型和溯源业务线上督导系统三个主要部分组成。 　　3.1 基于GIS卫星影像的全市高分辨率网格化排放源快速更新系统
　　城市尺度（50km到几百km）不同于区域尺度（几百km），空间范围更小、时间粒度更细，站点浓度极易受局地排放源的影响，拉格朗日模式对排放源参数更为敏感，这也是能否保证结果真实准确的关键制约因素。我市目前大气排放源清单无法满足城市尺度模型参数的需求。建议在现有网格化环境监管平台基础上，着手建立并完善基于GIS卫星影像的全市高分辨率排放源快速更新系统，支持源数据量不低于5万个，源强核算基于各种法规标准（包括MEIC、AP-42、EIIP、NEI等），以实测为主、活动水平为辅，获取全市排放源时空信息和污染物排放量，建立时空分配和物种数据库，支持与本地化的空气质量模型无缝对接。
　　3.2 搭建本地化颗粒物溯源模型
　　按照近实时监测数值计算的思路而不是预报的思路架构业务溯源模型，尽可能多的采用实测数据资源，通过wrf-chem与拉格朗日受体模型降尺度耦合的方式实现大气排放源对站点颗粒物浓度贡献定量核算，搭建全市颗粒物，实时溯源业务化平台。从以下方面着手进行改进：
　　（1）结合我市现有资源综合考虑，溯源气象场采用地面气象观测站实测与wrf高空模拟相结合的方式进行，对济宁及周边风场进行地形动力效应、地形阻塞效应参数化、差分最小化等诊断，减少降尺度计算代价的同时提高空间分辨率。有条件的情况下，可部署5部激光云高仪，定量观测边界层特别是混合层的变化情况，与实测数据相互校验互补，定量评估我市大气污染物自净能力和容量。
　　（2）臭氧不作为此次溯源的内容，溯源的重点放在一次排放特征比较明显、技术成熟、相关性强且组网基础比较好的颗粒物指标。城市尺度颗粒物模型以calpuff和SCICHEM为基础框架，反应机理方面将欧拉模型擅长的二次反应与基于拉格朗日的烟团一次线性排放模型相结合。聚焦颗粒物PM10的一次浓度贡献和高湿条件下PM2.5的二次反应，加入AERO5气溶胶反应机理和简化的CBO5或臭氧小时实况值进行本地化调优。
　　（3）因城市尺度涉及排放源数量体量巨大，保守估算我市点源、面源、线源、体源、道路源点位合计不低于5万个，需对模式核心代码进行本地化重构，优先考虑156个站点的溯源计算资源，引入高性能并行计算算法，确保满足近实时业务计算需求。
　　3.3 溯源时空大数据集成展示和业务线上督导系统
　　溯源时空大数据采用Elasticsearch分布式高效存储和检索机制作为其存储技术存储在ArcGIS DataStore时空数据库中。溯源计算结果主要涉及PM10和PM2.5两项指标，内容涵盖济宁市域范围内市县乡三级考核站本地贡献和外来传输比例，辖区具体污染源对站点贡献比例排序，分行业类型贡献比例，市域污染现状和时空分布等内容，锁定小尺度区域和具体的排放源。
　　溯源结果以ArcGIS GeoEvent Server为实时数据接入和可视化载体，通过app、E-mail或短信等形式推送至分局、乡镇属地、执法队伍、网格员等相关主体，与行业导则和巡查要点相结合，对异常高值或关心区域、具体排放源进行现场定点排查，排查内容及时给县市区监管平台、市平台反馈，线上督导落实，形成溯源业务闭环，形成市县乡三级大气污染溯源业务工作合力。
　　4 成本核算-最佳路径需要配套软硬件资源
　　目前，我市各乡镇已设置了156个大气标准考核站、城区部署了4+1激光雷达监测，1个大气超级站，在溯源组网硬件方面尚缺氨气背景组网监测（5台）、激光云高仪（5台）、一体化气象观测站（20台）和高性能计算集群等硬件设备。按照业务优先、资源整合、分布推进的原则，建议优先考虑高性能计算集群、多源实时数据整合和溯源业务平台搭建，后续配套组网硬件投入大约在500万左右建议纳入环保能力建设分阶段实施，保证业务的适度、可扩展和承接性。
　　预计溯源业务平台研发总体费用在365万左右。国内市面上相关业务平台投入费用大致在1000-2000万，可以大幅度节省我市在污染溯源应对平台建设方面的支出。
　　5 预期效果和作用
　　（1）解决市县乡三级政府空气质量保障溯源工作中普遍遇到的共性难题，有效指导我市网格员、执法队伍和属地政府迅速排查苗头性问题和能源产业结构问题，形成我市各级政府上下齐抓共管的工作合力，促進我市经济转型升级。
　　（2）依托数字环保网格化监管平台，构建适合济宁市的高效、经济的颗粒物快速溯源体系和决策支撑平台，解决冬防及指标考核中溯源难题，让城市小尺度颗粒物溯源业务平台真正业务落地，提升我市环境监管能力和数字化建设水平，在全国范围城市一级具有典型性和示范推广意义。
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