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

（江蘇環保產業技術研究院股份公司，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測的重要因子，一直是影響城市春、秋、冬季空氣質量的首要污染物，其表面吸附著大量的有毒物質，對人體健康構成潛在威脅，故被廣泛關注[1-2]。為進一步加強生態環境保護， 增進民生福祉， 建設美麗中國， 國務院于2021年底提出深入打好污染防治攻堅戰要求，江蘇省委、省政府隨后印發《關于深入打好污染防治攻堅戰的實施意見》，明確“全省PM2.5質量濃度降至30 μg/m3左右，優良天數比例達到82%以上”的目標，頂格推進大氣污染防治各項工作， 通過設立污染指標排名制、“點位長”約談制等，壓實全省市、區責任，堅持“目標導向、問題導向和結果導向相結合”原則，著力解決影響區域大氣環境及站點監測數據的突出問題，攻堅克難，精細管理，實現區域空氣質量的進一步提升。

目前， 城市街道PM10，PM2.5濃度主要以點式監測為主，可反映局地顆粒物濃度水平及變化特征，適用于區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，可直觀、全面地展示顆粒物時空演變過程，彌補點式監測不足[6-9]。

通過采用氣溶膠激光雷達技術以及垂直、 水平2 種觀測方式，綜合點式監測結果，對南京市溧水區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驗。

1 研究方法

1.1 數據來源

研究采用的環境空氣質量數據均為國控站數據，來源于中國環境監測總站（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濃度數據。 國控站氣象數據來源于南京市空氣質量監測網絡綜合管理平臺，其中，溧水國控站3月2日10：00，11：00，12：00 缺值， 國控站無氣象數據時則參考同片區省（市）控站數據。

1.2 氣溶膠激光雷達設備

氣溶膠激光雷達設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、退偏振比、邊界層高度、光學厚度等參數，全面圖形化展示顆粒物時空演變過程。其中，消光系數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，通過對計算指標進行百分比成分譜化，除以一定時期（一定區域）的平均值得到標準化特征譜， 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、便捷地展現大氣污染在時間序列或空間上發生的變化特征，動態指導環境管理部門決策[10-11]。

2 結果與討論

2.1 地理及氣象環境背景

南京市溧水區為典型的低山丘陵地區， 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，故對風速影響較大。 2021年南京市各區域全年風速對比見圖1。 由圖1 可以看出，對比2021年南京市各區域全年平均風速，溧水區平均風速整體較小，靜風（風速為0 ～0.2 m/s）和軟風（風速為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年南京市各區域全年風速對比

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濃度均值數據，具體見圖2。 由圖2 可以看出，除高淳區外，溧水區PM2.5質量濃度明顯較其它行政區高，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、建鄴區、六合區和鼓樓區低。從PM2.5/PM10數值上看，溧水區PM2.5/PM10值高達0.78，區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PM2.5質量濃度均值為67.4 μg/m3， 大于南京市國控站PM2.5質量濃度均值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日表現為PM2.5超標日，3月5日表現為PM10超標日。 受西北污染氣團傳輸影響，3月1日8：00 左右，溧水區PM2.5質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質量濃度很快降至70 μg/m3。 溧水區PM2.5濃度變化整體晚于南京主城區站點，期間PM10受PM2.5影響，濃度波動與PM2.5一致。

圖3 溧水區及南京市PM2.5 濃度時均值變化趨勢

圖4 溧水區及南京市PM10 濃度時均值變化趨勢

3月2日傍晚起，溧水區PM2.5質量濃度再次升高，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好，PM2.5質量濃度值回落至134 μg/m3。 溧水區與上、下風向區域PM2.5濃度對比見圖5。 由圖5 可以看出，對比溧水區與上風向（常州金壇、常州溧陽）及下風向（南京江寧區、安徽蕪湖）站點，PM2.5濃度變化趨勢較一致，且溧水區PM2.5濃度低于上風向而高于下風向區域。

圖5 溧水區與上、下風向區域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濃度自北向南陸續升高，3：00左右溧水區PM10質量濃度顯著上升，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、 快速地展現多種污染類型間的轉變過程， 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， 溧水區污染類型由偏二次顆粒物污染型轉為偏沙塵污染型。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，沙塵污染對環境貢獻顯著上升。觀測期間受地理環境等因素影響，溧水區風速整體較低，均值約為1.2 m/s，擴散條件較弱，易導致污染積聚。因此，在無法抵制遠距離污染傳輸的前提下，需嚴控本地污染源排放，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果見圖7。 由圖7 可以看出，氣溶膠激光雷達垂直觀測結果與溧水區顆粒物濃度變化趨勢一致。 3月1日8:00 ～2日11:00， 低空環境消光系數較高，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 以下消光系數達2.0 km-1以上，PM2.5濃度持續高值；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， 溧水區空氣環境的消光系數從0.3 km-1升至0.5 km-1，退偏比大于0.1，發生以粗顆粒物為主的污染事件，環境中PM10濃度上升。

圖7 氣溶膠激光雷達垂直觀測結果

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大氣環境的動態觀測，針對本地污染源進行應急管控。氣溶膠激光雷達水平觀測結果（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果，累計發現本地污染源59 次，主要包含：道路及建筑施工（36%）、荒地及堆場（24%）、工業企業（17%）、餐飲油煙（8%）、露天焚燒（7%）、道路揚塵（3%）和其它（5%）。 其中，工業企業、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，而工業企業、餐飲油煙、露天焚燒更易導致環境中細顆粒物濃度升高。

圖8 氣溶膠激光雷達水平觀測結果

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（地理和氣象環境）、本地污染排放疊加造成。其中，區域型的污染傳輸多以聯防聯控為主， 而降低本地污染排放則可通過科學管控實現。

城市街道污染管控應以改善本區域整體空氣環境質量、提升污染指標排名為目標，建立由政府部門主導、第三方技術單位支持、涉污企業配合的協同作戰模式，并在此基礎上形成協調聯動機制、聯合會商機制、問題交辦督辦機制、回頭看長效機制等，實現區域污染問題的全面化、智慧化、精準化、閉環式監管。 城市街道污染管控模式見圖9。 由圖9 可以看出，政府需設立以污染攻堅辦為核心的領導小組，統一指揮、協調整體工作，各職能部門配合管理，聽取調用；在管控區域進行網格化劃分，健全“網格長”制及下屬街鎮“點位長”制，實現污染管治責任全覆蓋，保障各項任務強力推進。 各職能部門通過加大工業企業、施工工地、車輛運輸、餐飲油煙等日常檢查及夜間執法力度，嚴控重點污染源排放；通過加裝電桿噴霧系統、開展深度保潔除塵、組織不間斷灑水及霧炮抑塵作業等措施，改善局地環境。政府需充分發揮第三方服務單位技術和專業優勢， 借助第三方力量全面摸底本區域污染源，形成污染源“一本賬”，并在日常工作中動態更新相關信息；通過先進的監測、觀測、預測及環境治理方式，實現空氣質量的多維度實時跟蹤、 污染排放的高效溯源、 污染天氣的精準預判、重點路段時段的凈化改善。 此外，污染攻堅辦與第三方技術單位建立高效聯動與快速響應機制，實現污染源點及時管控，嚴厲打擊違法排污行為。

圖9 城市街道污染管控模式

4 結論

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

（2）2022年3月1日～5日，南京市溧水區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為偏沙塵污染型。氣溶膠激光雷達垂直觀測結果與環境監測站點數據變化一致，3月1日～2日，低空環境消光系數較高，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，空氣環境的消光系數升高，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（地理和氣象環境）、本地污染排放疊加造成。氣溶膠激光雷達水平觀測發現，溧水區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%）、工業企業（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、第三方單位支持、涉污企業配合的協同作戰污染管控模式， 以期降低本地污染排放貢獻，提升區域環境質量。