濟寧市城市尺度顆粒物精準溯源方法研究

王磊

摘 要：城市尺度大氣污染精準溯源和來源解析是當期市縣鄉三級重污染天氣應對和政府空氣質量保障工作中普遍遇到的共性難題。本文通過溯源主流方法比選，探索建立構建適合濟寧本地的顆粒物近實時快速溯源業務系統，可以有效指導我市網格員、執法隊伍和屬地政府迅速排查苗頭性問題和能源產業結構問題，形成我市各級政府上下齊抓共管的工作合力，促進我市經濟轉型升級。

關鍵詞：顆粒物;溯源;業務系統

1 現狀和意義

大氣污染防治既是重大民生問題，也是經濟升級的重要抓手。自2016年3月濟寧市被納入京津冀“2+26”大氣污染傳輸通道城市以來，為打贏污染防治三年攻堅戰，濟寧市相繼配套建設了鄉鎮大氣標準考核站、氣溶膠激光雷達、大氣復合污染超級站等監測網絡，夯實行業部門監管責任，制定行業導則規范，落實全市網格化環境監管體系，構筑了全國領先的市縣鄉三級空天地一體的網格化監測、監管和考核體系。同時，引入清華大學賀克斌院士等國內頂尖行業專家團隊會診把脈、精準施策，探索空氣質量短期應急和長期改善的最佳結合點。

2017年以后，受益于火電行業超低排放等末端治理水平的提高和管行業必須管環保的管理減排杠桿，濟寧市工業企業大氣污染物排放總量趨于平穩，行業環保監管水平明顯提高。非采暖季全市重點工業企業CEMS監測粉塵、SO2月均排放量維持在65噸、300噸，氮氧化物月均排放量維持在1180噸～1423噸，污染物月均同期濃度變化幅度收窄，排放趨于穩定。反映在空氣質量考核指標上，我市環境空氣顆粒物濃度指標PM2.5濃度在2018年2月、3月達到有監測以來同期月均濃度最低64μg/m3、45μg/m3。之后，工程減排空間逐步收窄，顆粒物濃度改善幅度放緩，大氣污染防治工作進入攻堅階段。向結構減排、管理減排要效益、要指標的迫切需求在市縣鄉三級政府的重要性進一步凸顯。而針對PM2.5等重點考核指標的城市尺度大氣污染精準溯源和來源解析輔助管理減排是當期市縣鄉三級重污染天氣應對和政府空氣質量保障工作中普遍遇到的共性難題。

據估算，僅市級層面，空氣質量監測和調控方面購買第三方服務每年投入費用就在6千萬左右，地方財政投入巨大。因此，整合現有軟硬件資源，建立適合我市且經濟、高效的動態溯源體系和業務平臺，在日常業務中定量評估和檢驗排放源所在行業和屬地污染物貢獻，可以有效指導我市網格員、執法隊伍和屬地政府迅速排查苗頭性問題，形成市縣鄉三級上下齊抓共管的工作合力，促進我市經濟轉型升級。

2 溯源方法比選

當前城市大氣顆粒物來源解析主要有3種技術方法，即源清單法、受體模型法、空氣質量模型法。

（1）源清單法：采用的是“自下而上”的污染來源識別思路，以污染源為對象，結合排放因子和活動水平，估算出污染物排放量，從而定量識別不同污染源一次排放的貢獻大小和污染物排放特征。優勢在于整合部門和系統內部資源即可以獲得具體排放源或某一企業的污染物排放量;成本投入較低，業務系統建設資金投入在200-300萬左右。難點在于排放源強核算和本地排放源特征譜的測定，如基于實時交通數據流的移動源尾氣、道路夾卷道路揚塵等排放核算，無組織VOC等源強核算，委托專業機構對本地排放源譜測定投入在600-800萬左右。

（2）受體模型法：采用“自上而下”的污染來源識別思路，以大氣環境污染樣品為對象，根據排放源的特征標示物和化學組分的匹配，解析出不同排放源對污染物的貢獻。受體模型法是我國目前應用最為廣泛的顆粒物來源解析技術，以城市大氣復合污染超級站為代表，主要采用化學質量平衡法（CMB）和正矩陣因子模型（PMF）兩種方法。受體模型的優勢在于不受污染源數據缺乏的限制，不依賴于氣象等多種特征參數，短時間定量快速識別污染大致來源。難點在于城市揚塵等共性特征源譜的不確定性和本地源特征譜的構建。

另外，大氣超級站單站點投資在2000-6000萬不等，建設資金投入巨大，可以開展反應機理層面的研究，然而出現問題的往往是常規重點指標，在市縣鄉實際業務執行層面也不如局地重點指標組網更具應用優勢。同時，單一大氣監測超級站可能面臨技術人才儲備不足、產出不多、后續維護難等挑戰。

（3）源模式法：當前，常用的第三代空氣質量模型代表有美國CMAQ和CAMx、德國EURAD、瑞典MAQS、中國的NAQPMS等，主要通過標識和追蹤（ISAM、PSAT等）各類源排放出的污染物在大氣中的輸送、擴散、轉化和沉降等過程，利用質量守恒估算出不同排放源的濃度貢獻，正在發展中第四代的全耦合空氣質量模式僅有3個，分別是GATOR-GCMOM、GEM-AQ、GU-WRF/Chem，與第三代的主要區別為更關注空氣污染過程中的穩定或靜穩條件下的弱動力過程、新粒子生成機制及其增長過程中的數濃度譜分布、二次無機組分形成過程中的非均相（含多相）反應、散煤燃燒過程中二次有機氣溶膠形成、高濃度區自適應網格空氣質量模式、模式初值優化動態污染源反演等。優點在于定量核算污染源對站點等受體的貢獻，具體到排放企業和區域，為后續減排效果評估和政策制度制定;投入成本低，相關投入在500-900萬左右。難點在于排放源清單、氣象及化學機制的不確定性影響結果準確性，特別是城市尺度拉格朗日或高斯溯源模型比區域尺度歐拉模型對排放源的時空信息更為敏感。

考慮管理、技術、成本等因素，我市大氣考核站溯源工作選取源模式法為主，源清單法和受體模型法輔助更適合我市。主要是整合行業部門和網格化監管平臺現有資源，以顆粒物溯源模型為載體打通氣象場-污染源-監測站點對應關系，充分挖掘我市鄉鎮考核站8年監測數據潛力，構建適合濟寧本地的顆粒物近實時快速溯源業務系統，形成市縣鄉三級溯源工作合力。

3 業務技術路徑和預期成果

濟寧本地的顆粒物近實時快速溯源業務系統主要由基于GIS衛星影像的全市高分辨率網格化排放源快速更新系統、本地化顆粒物溯源模型和溯源業務線上督導系統三個主要部分組成。

3.1 基于GIS衛星影像的全市高分辨率網格化排放源快速更新系統

城市尺度（50km到幾百km）不同于區域尺度（幾百km），空間范圍更小、時間粒度更細，站點濃度極易受局地排放源的影響，拉格朗日模式對排放源參數更為敏感，這也是能否保證結果真實準確的關鍵制約因素。我市目前大氣排放源清單無法滿足城市尺度模型參數的需求。建議在現有網格化環境監管平臺基礎上，著手建立并完善基于GIS衛星影像的全市高分辨率排放源快速更新系統，支持源數據量不低于5萬個，源強核算基于各種法規標準（包括MEIC、AP-42、EIIP、NEI等），以實測為主、活動水平為輔，獲取全市排放源時空信息和污染物排放量，建立時空分配和物種數據庫，支持與本地化的空氣質量模型無縫對接。

3.2 搭建本地化顆粒物溯源模型

按照近實時監測數值計算的思路而不是預報的思路架構業務溯源模型，盡可能多的采用實測數據資源，通過wrf-chem與拉格朗日受體模型降尺度耦合的方式實現大氣排放源對站點顆粒物濃度貢獻定量核算，搭建全市顆粒物，實時溯源業務化平臺。從以下方面著手進行改進：

（1）結合我市現有資源綜合考慮，溯源氣象場采用地面氣象觀測站實測與wrf高空模擬相結合的方式進行，對濟寧及周邊風場進行地形動力效應、地形阻塞效應參數化、差分最小化等診斷，減少降尺度計算代價的同時提高空間分辨率。有條件的情況下，可部署5部激光云高儀，定量觀測邊界層特別是混合層的變化情況，與實測數據相互校驗互補，定量評估我市大氣污染物自凈能力和容量。

（2）臭氧不作為此次溯源的內容，溯源的重點放在一次排放特征比較明顯、技術成熟、相關性強且組網基礎比較好的顆粒物指標。城市尺度顆粒物模型以calpuff和SCICHEM為基礎框架，反應機理方面將歐拉模型擅長的二次反應與基于拉格朗日的煙團一次線性排放模型相結合。聚焦顆粒物PM10的一次濃度貢獻和高濕條件下PM2.5的二次反應，加入AERO5氣溶膠反應機理和簡化的CBO5或臭氧小時實況值進行本地化調優。

（3）因城市尺度涉及排放源數量體量巨大，保守估算我市點源、面源、線源、體源、道路源點位合計不低于5萬個，需對模式核心代碼進行本地化重構，優先考慮156個站點的溯源計算資源，引入高性能并行計算算法，確保滿足近實時業務計算需求。

3.3 溯源時空大數據集成展示和業務線上督導系統

溯源時空大數據采用Elasticsearch分布式高效存儲和檢索機制作為其存儲技術存儲在ArcGIS DataStore時空數據庫中。溯源計算結果主要涉及PM10和PM2.5兩項指標，內容涵蓋濟寧市域范圍內市縣鄉三級考核站本地貢獻和外來傳輸比例，轄區具體污染源對站點貢獻比例排序，分行業類型貢獻比例，市域污染現狀和時空分布等內容，鎖定小尺度區域和具體的排放源。

溯源結果以ArcGIS GeoEvent Server為實時數據接入和可視化載體，通過app、E-mail或短信等形式推送至分局、鄉鎮屬地、執法隊伍、網格員等相關主體，與行業導則和巡查要點相結合，對異常高值或關心區域、具體排放源進行現場定點排查，排查內容及時給縣市區監管平臺、市平臺反饋，線上督導落實，形成溯源業務閉環，形成市縣鄉三級大氣污染溯源業務工作合力。

4 成本核算-最佳路徑需要配套軟硬件資源

目前，我市各鄉鎮已設置了156個大氣標準考核站、城區部署了4+1激光雷達監測，1個大氣超級站，在溯源組網硬件方面尚缺氨氣背景組網監測（5臺）、激光云高儀（5臺）、一體化氣象觀測站（20臺）和高性能計算集群等硬件設備。按照業務優先、資源整合、分布推進的原則，建議優先考慮高性能計算集群、多源實時數據整合和溯源業務平臺搭建，后續配套組網硬件投入大約在500萬左右建議納入環保能力建設分階段實施，保證業務的適度、可擴展和承接性。

預計溯源業務平臺研發總體費用在365萬左右。國內市面上相關業務平臺投入費用大致在1000-2000萬，可以大幅度節省我市在污染溯源應對平臺建設方面的支出。

5 預期效果和作用

（1）解決市縣鄉三級政府空氣質量保障溯源工作中普遍遇到的共性難題，有效指導我市網格員、執法隊伍和屬地政府迅速排查苗頭性問題和能源產業結構問題，形成我市各級政府上下齊抓共管的工作合力，促進我市經濟轉型升級。

（2）依托數字環保網格化監管平臺，構建適合濟寧市的高效、經濟的顆粒物快速溯源體系和決策支撐平臺，解決冬防及指標考核中溯源難題，讓城市小尺度顆粒物溯源業務平臺真正業務落地，提升我市環境監管能力和數字化建設水平，在全國范圍城市一級具有典型性和示范推廣意義。