嘉興市大氣污染特征及區(qū)域傳輸影響研究

馬 強 陳天然 陳翠紅 萬 梅 熊傳芳 雷 宇 薄 宇,7#

(1.清華大學環(huán)境學院，北京 100084；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；3.清華大學地球系統(tǒng)科學系，北京 100084；4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094；5.浙江清華長三角研究院，浙江 嘉興 314006；6.嘉興市生態(tài)環(huán)境局，浙江 嘉興 314000；7.中國科學院大氣物理研究所，北京 100029)

近年來，隨著我國《大氣污染防治行動計劃》的實施，大部分城市空氣質量得到明顯改善[1-5]。2017年，京津冀、長三角、珠三角3個區(qū)域的PM2.5年平均質量濃度分別為64、44、34 μg/m3，比2013年分別下降了39.6%、34.3%、27.7%[6]。但京津冀和長三角等區(qū)域城市空氣質量與《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級標準尚有較大差距，尤其在秋冬季節(jié)，重污染天氣時有發(fā)生[7-9]。而且，在城市空氣質量總體改善的同時，O3污染問題變得日益突出[10-11]，成為繼PM2.5之后影響城市空氣質量的關鍵因素，應加強對本地O3生成的敏感性分析。此外，以PM2.5為代表的顆粒物及其前體物(NO2和SO2)可能存在的區(qū)域間傳輸問題也不能掉以輕心。

嘉興市地處長三角中心區(qū)域，是全國首批開展PM2.5監(jiān)測的74個重點城市之一，同時世界互聯(lián)網大會永久落戶嘉興市，這對其環(huán)境空氣質量提出了更高要求。受氣象條件等因素影響，污染天氣的形成過程除了本地排放外還與污染物的區(qū)域傳輸有關[12-15]。了解本地污染特征做好自身減排工作與開展區(qū)域協(xié)同減排對城市環(huán)境質量改善具有同等重要的意義[16-17]。

本研究比較分析了嘉興市2013—2017年空氣質量變化趨勢，重點研究了嘉興市2017年的大氣污染特征，同時利用WRF-CMAQ模型模擬分析了周邊地區(qū)對嘉興市大氣污染的貢獻，以期為嘉興市進行大氣污染防控和環(huán)境空氣質量改善提供科學支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2013—2017年嘉興市環(huán)境空氣質量數(shù)據(jù)來源于環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站，各監(jiān)測站空間位置信息見表1，其中嘉興學院、南湖區(qū)殘聯(lián)和清河小學為國控站點，其他均為省控站點。監(jiān)測指標包括PM2.5、PM10、O3、NO2、CO和SO2。環(huán)境空氣質量按GB 3095—2012二級標準進行評價，按照《環(huán)境空氣質量評價技術規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)進行計算，PM2.5、PM10、SO2、NO2算年平均，CO算24 h平均值的第95百分位數(shù)，O3算日最大8 h滑動平均值的第90 百分位數(shù)。

表1 嘉興市環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站空間位置

2017年嘉興市污染物排放量按照《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》的方法計算得到；2017年周邊城市(蘇州市、湖州市、上海市、杭州市、紹興市和寧波市)污染物排放量來自2017年中國多尺度排放清單模型(MEIC)的排放清單數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)域傳輸研究方法

利用WRF-CMAQ模型設計了1個基準情景和1個排放置零情景，定量評估周邊地區(qū)對嘉興市大氣PM2.5、PM10、NO2和SO2濃度的傳輸貢獻。基準情景用嘉興市污染物排放量現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，排放置零情景將嘉興市污染物排放量均置零。排放置零情景下得到的模擬結果即為周邊地區(qū)對嘉興市的傳輸貢獻。評價時間為2017年，同時分析了各個季度，以1、4、7、10月分別作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月份。

對嘉興市3個國控監(jiān)測站的監(jiān)測結果與模擬結果進行比較顯示，模型模擬值與監(jiān)測值吻合良好，時間變化趨勢基本一致，模型模擬結果可信。

1.3 敏感性分析方法

O3生成主要受本地NOx或揮發(fā)性有機物(VOCs)控制，本研究對O3進行敏感性分析，設置了3種減排情景，即人為源NOx單獨減排50%(情景1)、人為源VOCs單獨減排50%(情景2)和兩者都減排50%(情景3)，以衡量O3對前體物排放的敏感性[18]。研究時段選擇O3問題突出的2017年5—9月。

2 結果與討論

2.1 嘉興市空氣質量時間變化特征

2013—2017年嘉興市6項監(jiān)測指標質量濃度如表2所示。其中，2013—2017年歷年PM2.5分別為68、57、53、44、42 μg/m3，呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，但是截至2017年仍未達標，超標20.0%；歷年PM10分別為94、81、76、69、67 μg/m3，已于2016年達標；歷年O3分別為175、174、182、175、182 μg/m3，連續(xù)5年超標，并且呈現(xiàn)波動狀態(tài)；歷年NO2分別為47、44、43、37、37 μg/m3；歷年SO2分別為30、26、21、14、11 μg/m3；歷年CO分別為2.1、1.6、1.3、1.3、1.3 mg/m3。截至2017年，NO2、SO2和CO均已達標。

表22013—2017年嘉興市6項監(jiān)測指標質量濃度1)

注：1)PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2的單位為μg/m3，CO的單位為mg/m3。

2013—2017年除無效數(shù)據(jù)外嘉興市空氣質量污染分級狀況如圖1所示。歷年優(yōu)良達標天數(shù)分別為214、254、235、269、263 d，達標率分別為58.6%、69.6%、64.4%、73.5%、72.1%。重度污染及以上天數(shù)呈逐年下降趨勢。

圖1 2013—2017年嘉興市空氣質量污染分級分布Fig.1 Air quality pollution classification distribution in Jiaxing during 2013-2017

2.2 嘉興市空氣質量空間差異特征

圖2為2017年嘉興市6項監(jiān)測指標經克里金插值處理后得到的空間差異分布圖。

嘉興市PM2.5的高值區(qū)集中在以經開區(qū)為中心的主城區(qū)，向外逐漸降低。這是因為主城區(qū)人口密度大，路網密集，且分布著一定數(shù)量的電力、水泥、平板玻璃等行業(yè)企業(yè)，一次顆粒物排放量較高。

嘉興市PM10的空間分布與PM2.5不同，呈現(xiàn)出西部高、東部低的特征。除人口密度、工業(yè)企業(yè)分布等因素影響外，嘉興市東部的平湖市、港區(qū)、海鹽縣等因為臨海，所以來自海面的清潔空氣及海風對粗顆粒物有較好的稀釋和沉降作用。

嘉興市NO2呈現(xiàn)西北部高、東南部低的空間分布特征，其高值區(qū)集中在秀洲區(qū)、經開區(qū)和桐鄉(xiāng)市。高值區(qū)工業(yè)較為發(fā)達，路網稠密，是工業(yè)源和移動源NOx排放較為集中的區(qū)域，未來需對該區(qū)域進行產業(yè)結構和交通運輸結構調整。

嘉興市SO2的高值區(qū)集中在海寧市東部、秀洲區(qū)南部和海鹽縣西部部分區(qū)域。工業(yè)鍋爐及電廠的排放可能是該區(qū)域SO2濃度較高的主要原因。

嘉興市CO的高值區(qū)主要在秀洲區(qū)、經開區(qū)和海寧市。工業(yè)企業(yè)、交通運輸?shù)扰欧艑O有重要貢獻，上述區(qū)域人口密集，工業(yè)企業(yè)、交通運輸?shù)纫蚕鄬小?/p>

圖2 2017年嘉興市6項監(jiān)測指標的空間分布Fig.2 Spatial distribution of 6 monitoring indexes in Jiaxing in 2017

除海鹽縣外，其他地區(qū)O3濃度總體均偏高，特別是北部地區(qū)。嘉興市涉VOCs企業(yè)較多，夏季受高溫影響時容易在本地迅速生成O3。

2.3 周邊地區(qū)對嘉興市的傳輸影響

2017年基準情景和排放置零情景的PM2.5、PM10、NO2和SO2模擬結果見圖3。兩種不同情景下的PM2.5、PM10、NO2和SO2模擬濃度比對可定量分析周邊地區(qū)對嘉興市空氣質量的傳輸影響。從排放置零情景的分布中可以看到，當嘉興市零排放時，嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2濃度明顯下降，因此周邊地區(qū)對嘉興市的傳輸影響不可小覷，定量分析結果見表3至表6。

2017年，周邊地區(qū)對嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2的傳輸貢獻分別為36.2%、31.9%、25.6%、26.7%。由于2017年PM2.5仍然超標，因此用同樣的方法進一步分析周邊不同城市對嘉興市PM2.5的傳輸貢獻大小，結果發(fā)現(xiàn)，蘇州市、湖州市、上海市、杭州市、紹興市、寧波市對嘉興市PM2.5的傳輸貢獻分別為11.2%、7.9%、7.7%、5.9%、1.8%、1.5%。

圖3 2017年基準情景與置零情景對比Fig.3 Comparison of baseline and zero scenarios in 2017

表32017年周邊地區(qū)對嘉興市PM2.5的傳輸貢獻

表42017年周邊地區(qū)對嘉興市PM10的傳輸貢獻

表52017年周邊地區(qū)對嘉興市NO2的傳輸貢獻

從不同季節(jié)來看，周邊地區(qū)對嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2的傳輸貢獻分別為23.1%～41.5%、25.5%～36.2%、16.7%～30.2%、12.5%～35.7%，季節(jié)差異較大，可能與不同季節(jié)的溫度、盛行風向等有關。由此可見，根據(jù)區(qū)域傳輸?shù)募竟?jié)性變化，制定針對性的聯(lián)防聯(lián)控措施非常必要。

表62017年周邊地區(qū)對嘉興市SO2的傳輸貢獻

2.4 O3生成的敏感性分析

由表7可見，當人為源NOx單獨減排50%時，嘉興市5—9月O3質量濃度上升0.1%，其中6、8、9月O3濃度上升，5、7月下降；當人為源VOCs單獨減排50%時，嘉興市5—9月O3質量濃度下降5.4%，且每個月的O3濃度均呈現(xiàn)下降趨勢，9月下降比例達到15.8%；當兩者都減排50%時，嘉興市5—9月O3質量濃度下降5.1%，其中5、7、8、9月O3濃度下降，6月上升。由此可知，嘉興市O3生成處于VOCs控制區(qū)，即O3對VOCs減排敏感，而對NOx減排不敏感。因此，要控制嘉興市的O3，應重點控制VOCs排放，輔以控制NOx排放。

表7 不同情景下O3質量濃度變化比例

3 結 論

(1) 總體而言，2013—2017年嘉興市PM2.5逐年下降，重度污染及以上天數(shù)逐年減少，環(huán)境空氣質量呈逐年好轉趨勢。截至2017年，PM10、NO2、SO2和CO均已達標，但PM2.5和O3仍未達標。6項監(jiān)測指標空間分布不同，主要與人口密度、交通和產業(yè)分布及氣象因素有關。

(2) 2017年，周邊地區(qū)對嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2的傳輸貢獻分別為36.2%、31.9%、25.6%、26.7%，季節(jié)差異較大，建議根據(jù)區(qū)域傳輸?shù)募竟?jié)性變化，制定針對性的聯(lián)防聯(lián)控措施。

(3) 嘉興市O3生成處于VOCs控制區(qū)，應重點控制VOCs排放，輔以控制NOx排放。