汾渭典型城市空氣質量特征及污染成因分析

＊馮琨 靳春嵩 蘭杰 呂安 朱麗婭

（1.山西低碳環保產業集團有限公司 山西 030032 2.山西省生態環境監測和應急保障中心（山西省生態環境科學研究院） 山西 030027 3.中科三清科技有限公司 北京 100029）

引言

近年來，隨著城鎮化和工業化進程的加快，我國面臨的環境問題也日益突出，給人民生活帶來很大影響，空氣質量下降、水污染、氣候變暖，其中大氣污染是最嚴重的環境問題之一[1-2]。汾渭平原是國家大氣污染重點防控區域，也是全國空氣污染最為嚴重的地區[3-4]。自2018 年《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》實施以來，全國大部分地區環境空氣質量均得到明顯改善[5-6]，但汾渭平原因自身產業結構偏重，煤、焦等占比較大，其中焦化產能達1.07×108t，約占全國的16%[7]，區域整體工業排放量依然較大，結構性污染問題仍普遍存在[8]。《2021 年中國生態環境狀況公報》[9]顯示，汾渭平原11 個城市PM2.5濃度為42μg/m3，是全國平均水平的1.4 倍，空氣質量優良天數比例為70.2%，低于全國平均水平17.3 個百分點，區域內PM2.5濃度排名全國后20 位的城市由2015 年的0 個增至2021 年的6 個[10]，且168 個重點城市排名后20 位中以山西省地市為主，大氣污染防治形勢嚴峻[11]。

孝義市地處汾渭平原腹地，呂梁山脈中段東麓，地理位置介于東經111°21′～111°56′，北緯36°56′30″～37°18′45″之間，地勢西北高、東南低，屬溫帶季風氣候區，主導風向偏西風。孝義市礦產資源豐富，尤以煤、鋁為最，故煤炭和鋁鐵開采及加工業成為當地支柱產業[12]，年均焦化產能1867 萬噸，是山西省最大的焦化產業集聚區[13]，同時也是汾渭平原典型山地城市中大氣污染最為嚴重的地區之一[14-15]。在各地污染治理取得顯著成效的背景下，孝義市空氣質量排名卻連年下降，2020—2022 年連續三年排名山西省119 區縣第一，嚴重制約著當地經濟、社會發展[16]。

本文以孝義市為例，通過對其2019—2021 年空氣質量數據變化特征進行梳理，并與周邊區縣（平遙、交口、中陽、汾陽、靈石、介休和文水）及全省數據均值進行對比分析，總結污染特征，利用企業排放數據結合AERSCREEN 大氣估算模型對重點產業園區點源貢獻進行模擬量化研究，以期為汾渭平原山地復雜地形下環境空氣污染治理提供借鑒和參考。

1.材料與方法

(1)環境空氣質量監測數據

本文環境空氣質量監測數據均來源于山西省環境空氣質量監測管理平臺，且均為審核實況數據。站點監測項目為《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）[17]所要求的6 項基本項目。根據《環境空氣質量標準（GB 3095—2012）》針對環境空氣污染物質量濃度數據有效性和數據連續性的要求進行篩選剔除。經統計，各監測項目數據均滿足《環境空氣質量評價技術規范（試行）》（HJ 663—2013）中數據統計有效性規定[18]。

(2)工業企業排放數據

本文企業排放數據均為孝義市工業企業在線監控數據及重點企業排污總量核定數據。所有監測數據均根據《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續監測技術規范》（HJ 75—2017）、《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續監測系統技術要求及檢測方法》（HJ 76—2017）、《污染物在線監控（監測）系統數據傳輸標準》（HJ 212—2017）相關要求，按以下原則對在線監測數據進行處理：①剔除已標記的非正常運行時段的數據（包括生產工況中止料、停爐降溫、停運、投料以及在線設備系統故障、污染治理設施故障等）；②對未作上述標記的生產線，剔除排放濃度為負值的數據，以及可能由于設備故障等原因造成的連續高值，剔除后的小時數據為有效小時數據；③根據HJ 76—2017 中規定，有效日數據應包含本日至少20 h 的有效小時數據，對在線數據逐日篩選，篩選后的生產線需至少包含1 個月內25 天（其中2 月份至少23 天）的有效日數據[19]。

(3)AERSCREEN空氣質量模型

本文采用《環境影響評價技術導則大氣環境》HJ 2.2—2018 中的推薦的AERSCREEN 大氣估算模型，并按照導則要求對孝義市氣象數據、地表參數、點源參數進行處理計算，最終得到孝義市重點園區企業排放對當地大氣環境污染貢獻強度數據。與SCREEN3 相比，AERSCREEN 在氣象數據處理、建筑物下洗參數處理、地形數據處理等方面做出了較大改進[20]，如表1 所示。

表1 孝義市2 個省控站點及設備詳細信息

2.結果與討論

(1)孝義市空氣質量現狀

①空氣質量排名分析

2019—2021 年，孝義市綜指分別為8.21、7.58、6.33，連續3 年排名全省后5 位，其中2020 年和2021 年均為倒1。六項參數中SO2年均濃度分別為88μg/m3、69μg/m3、54μg/m3，PM10為143μg/m3、124μg/m3、107μg/m3，兩項污染物連續3 年全省均為倒1，NO2為48μg/m3、49μg/m3、45μg/m3，連續3年進入全省排名后10，如表2 所示。

表2 2019—2021 年孝義市各項指標在全省縣（市、區）排名統計表

②綜合指數貢獻分析

2019—2021 年，六項參數中對綜指貢獻最大的均為PM2.5和PM10，兩項參數貢獻率之和分別達到47.2%、46.0%、42.6%。SO2對于綜指的貢獻率呈逐年下降趨勢，連續3 年分別為17.9%、15.2%、14.2%。另外，O3和NO2貢獻逐年上升，其中O3連續3 年貢獻率分別為13.7%、15.5%、19.2%，NO2分別為14.6%、16.2%、17.8%，如圖1 所示。

圖1 2019—2021 年孝義市大氣環境六項參數對綜指貢獻占比

③重點時段對比分析

從采暖季與非采暖季變化情況看，2021 年與2019年相比，采暖季綜指累計改善31.5%，非采暖季累計改善12.5%，六項參數中SO2采暖期與非采暖期濃度分別下降44.4%、26.7%，PM10分別下降28.6%、20.2%，PM2.5分別下降38.4%、28.2%，改善顯著，如表3 所示。

表3 2019—2021 年孝義市采暖期與非采暖期空氣質量統計表

(2)區域性污染分析

①全年參數對比分析

2021 年孝義市及其周邊區域在全省空氣質量排名后5 的縣（市、區）為孝義市、平遙縣、文水縣、交城縣和介休市，各縣（市、區）距離較近，且產業結構均以煤化工和鋼鐵為主，區域整體污染排放量大，如圖2 所示。

圖2 2021 年孝義市環境空氣質量與周邊及全省縣（市、區）均值對比

2021 年，孝義市綜指為6.33，全省排名倒1，PM2.5、PM10、SO2和NO2濃度分別為41μg/m3、107μg/m3、54μg/m3和45μg/m3，CO 和O3百分位數濃度分別為1.6 mg/m3和194μg/m3。PM10、SO2全省排名均為倒1，NO2倒2，SO2、NO2、PM10和PM2.5分別高出全省均值36μg/m3、17μg/m3、34μg/m3和5μg/m3；SO2、NO2和PM10分別高出周邊縣（市、區）均值28μg/m3、11μg/m3、15μg/m3，僅PM2.5略低于周邊縣（市、區）2μg/m3，如表4 所示。

表4 2021 年孝義市及周邊縣（市、區）空氣質量統計結果

②同比改善情況分析

與2019 年相比，2021 年孝義市綜指累計下降22.9%，六項參數中SO2、PM2.5、PM10、NO2分別下降38.6%、35.9%、25.2%、6.2%，僅O3上升7.8%。與周邊縣（市、區）改善幅度相比，除PM2.5改善幅度略好于周邊縣（市、區）平均水平外，SO2、NO2、O3、CO 分別相差18.1、18.2、4.4、7.2 個百分點；與全省縣（市、區）平均水平相比，SO2、NO2、O3、CO 分別相差3.3、9.0、13.6、6.0 個百分點，如圖3 所示。

圖3 孝義市（2019—2021 年）六項污染物、綜指變化情況及與周邊區縣對比

(3)污染排放分析

①企業在線排放

2021 年孝義市工業排放強度高居汾河谷地首位。孝義市經濟開發區內已建成投產焦化產能為1549萬噸，正在建設焦化產能為318 萬噸，已建成氧化鋁產能為720 萬噸。從減排效果看，與2019 年相比，孝義市煙（粉）塵排放量削減123 t/a，二氧化硫削減538 t/a，氮氧化物增加了464 t/a。

2021 年孝義市重點企業二氧化硫、氮氧化物、煙（粉）塵排放量分別為908.77 t/a、2797.07 t/a 和260.35 t/a。與文水縣和平遙縣相比，二氧化硫排放量分別高出701.25 t 和765.98 t，氮氧化物分別高出725.26 t 和2271.12 t，煙粉塵分別高出136.64 t 和242.58 t。孝義市二氧化硫排放強度分別是文水和平遙的5.0 倍、8.7 倍，氮氧化物排放強度分別是介休和平遙的1.5 倍、7.0 倍，煙粉塵排放強度分別是介休和平遙的2.3 倍、28 倍，如表5 所示。

表5 孝義及周邊縣（市、區）2021 年在線監控排放量統計表

②重點區域污染貢獻分析

A.產業布局

孝義經濟開發區由一區五園組成[21]，均緊鄰市區，其中主城區東南方向5 公里左右是現代煤化工業園，東側3 公里左右是鋁系新材料產業園，西北方向2.5 公里左右是高新科技產業園、農業科技產業園（北區），西南方向5 公里左右是農業科技產業園（南區）。

孝義市環境空氣質量自動監測點位與主城區東、南、西周邊三大工業園區相距均在6 公里左右，工業有組織和無組織面源排放均對市區空氣質量產生影響。其次，孝義開發區涉及煤焦、化工、鋁業、冶金、熱電等重污染企業物料運輸總量在12308.46 萬噸/年，過境貨運車輛多，每天約5 萬輛重型貨車上路行駛，機動車尾氣以及道路揚塵排放量均對市區空氣質量產生較大影響。

B.重點園區污染貢獻模擬

基于重點企業排污總量核定數據，應用AERSCREEN空氣質量模型，模擬估算現代煤化工產業園、鋁系新材料產業園、高新科技產業園、農業科技園在不利氣象條件下對孝義市PM10、PM2.5、SO2和NOx年均濃度貢獻率，結果如表6 所示。

表6 各工業園區對孝義市環境空氣質量貢獻率（單位：%）

在排放貢獻中，各工業園區對孝義市PM10、PM2.5、SO2和NOx貢獻總量分別為56.5%、91.6%、75.9%和68.1%。其中，現代煤化工產業園對孝義市PM10、PM2.5、SO2和NOx貢獻達50.9%、82.6%、64.9% 和64.4%，在五大園區中貢獻比例最高。

3.結論

（1）汾渭平原城市產業結構偏重，煤煙型污染特征明顯，2019—2021 年，孝義市環境空氣質量在全省縣（市、區）排名均列倒數，六項參數中以SO2、NO2、PM10污染突出。SO2、PM10、PM2.5對綜指貢獻較大的三項指標在采暖期及非采暖期同比均有明顯下降，但NO2和O3降幅偏低或不降反升，對綜指貢獻率也逐年上升。

（2）受地形脅迫，汾渭平原盆地城市本地污染易于積累難以擴散。除PM2.5外，2021 年孝義市空氣質量指標與周邊區縣（平遙、交口、中陽、汾陽、靈石、介休和文水）及全省數據均值對比明顯偏高。與2019 年相比，2021 年孝義市PM2.5改善幅度較大，但35.9%，SO2、NO2、CO 改善率明顯低于周邊及全省其他縣（市、區），PM10下降25.2%，優于全省平均，O3不降反升，同比上升7.8%。

（3）汾渭平原“兩高”產業聚集，孝義市工業圍城問題突出，工業排放量大，污染排放強度高；現代煤化工產業園對當地PM10、PM2.5、SO2和NOx貢獻分別達50.9%、82.6%、64.9%和64.4%。

（4）受偏重的產業結構和公路運輸為主的交通結構影響，汾渭平原城市煤煙型污染特征明顯，加之山地地形阻隔，冬季采暖期靜穩天氣偏多，污染物擴散不利，除臭氧外其余污染物對比非采暖期整體偏高，且區域間污染相關性較強，治理過程中需加大焦化、鋼鐵等重點行業落后產能淘汰力度，嚴控新增過剩產能，加快交通運輸結構優化升級，從根源上解決污染難題。