王磊

摘 要：城市尺度大氣污染精準(zhǔn)溯源和來(lái)源解析是當(dāng)期市縣鄉(xiāng)三級(jí)重污染天氣應(yīng)對(duì)和政府空氣質(zhì)量保障工作中普遍遇到的共性難題。本文通過(guò)溯源主流方法比選，探索建立構(gòu)建適合濟(jì)寧本地的顆粒物近實(shí)時(shí)快速溯源業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以有效指導(dǎo)我市網(wǎng)格員、執(zhí)法隊(duì)伍和屬地政府迅速排查苗頭性問(wèn)題和能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，形成我市各級(jí)政府上下齊抓共管的工作合力，促進(jìn)我市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

關(guān)鍵詞：顆粒物;溯源;業(yè)務(wù)系統(tǒng)

1 現(xiàn)狀和意義

大氣污染防治既是重大民生問(wèn)題，也是經(jīng)濟(jì)升級(jí)的重要抓手。自2016年3月濟(jì)寧市被納入京津冀“2+26”大氣污染傳輸通道城市以來(lái)，為打贏污染防治三年攻堅(jiān)戰(zhàn)，濟(jì)寧市相繼配套建設(shè)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)大氣標(biāo)準(zhǔn)考核站、氣溶膠激光雷達(dá)、大氣復(fù)合污染超級(jí)站等監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，夯實(shí)行業(yè)部門(mén)監(jiān)管責(zé)任，制定行業(yè)導(dǎo)則規(guī)范，落實(shí)全市網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管體系，構(gòu)筑了全國(guó)領(lǐng)先的市縣鄉(xiāng)三級(jí)空天地一體的網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)、監(jiān)管和考核體系。同時(shí)，引入清華大學(xué)賀克斌院士等國(guó)內(nèi)頂尖行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)會(huì)診把脈、精準(zhǔn)施策，探索空氣質(zhì)量短期應(yīng)急和長(zhǎng)期改善的最佳結(jié)合點(diǎn)。

2017年以后，受益于火電行業(yè)超低排放等末端治理水平的提高和管行業(yè)必須管環(huán)保的管理減排杠桿，濟(jì)寧市工業(yè)企業(yè)大氣污染物排放總量趨于平穩(wěn)，行業(yè)環(huán)保監(jiān)管水平明顯提高。非采暖季全市重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)CEMS監(jiān)測(cè)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(wěn)定。反映在空氣質(zhì)量考核指標(biāo)上，我市環(huán)境空氣顆粒物濃度指標(biāo)PM2.5濃度在2018年2月、3月達(dá)到有監(jiān)測(cè)以來(lái)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(jìn)入攻堅(jiān)階段。向結(jié)構(gòu)減排、管理減排要效益、要指標(biāo)的迫切需求在市縣鄉(xiāng)三級(jí)政府的重要性進(jìn)一步凸顯。而針對(duì)PM2.5等重點(diǎn)考核指標(biāo)的城市尺度大氣污染精準(zhǔn)溯源和來(lái)源解析輔助管理減排是當(dāng)期市縣鄉(xiāng)三級(jí)重污染天氣應(yīng)對(duì)和政府空氣質(zhì)量保障工作中普遍遇到的共性難題。

據(jù)估算，僅市級(jí)層面，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和調(diào)控方面購(gòu)買(mǎi)第三方服務(wù)每年投入費(fèi)用就在6千萬(wàn)左右，地方財(cái)政投入巨大。因此，整合現(xiàn)有軟硬件資源，建立適合我市且經(jīng)濟(jì)、高效的動(dòng)態(tài)溯源體系和業(yè)務(wù)平臺(tái)，在日常業(yè)務(wù)中定量評(píng)估和檢驗(yàn)排放源所在行業(yè)和屬地污染物貢獻(xiàn)，可以有效指導(dǎo)我市網(wǎng)格員、執(zhí)法隊(duì)伍和屬地政府迅速排查苗頭性問(wèn)題，形成市縣鄉(xiāng)三級(jí)上下齊抓共管的工作合力，促進(jìn)我市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 溯源方法比選

當(dāng)前城市大氣顆粒物來(lái)源解析主要有3種技術(shù)方法，即源清單法、受體模型法、空氣質(zhì)量模型法。

（1）源清單法：采用的是“自下而上”的污染來(lái)源識(shí)別思路，以污染源為對(duì)象，結(jié)合排放因子和活動(dòng)水平，估算出污染物排放量，從而定量識(shí)別不同污染源一次排放的貢獻(xiàn)大小和污染物排放特征。優(yōu)勢(shì)在于整合部門(mén)和系統(tǒng)內(nèi)部資源即可以獲得具體排放源或某一企業(yè)的污染物排放量;成本投入較低，業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)資金投入在200-300萬(wàn)左右。難點(diǎn)在于排放源強(qiáng)核算和本地排放源特征譜的測(cè)定，如基于實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)流的移動(dòng)源尾氣、道路夾卷道路揚(yáng)塵等排放核算，無(wú)組織VOC等源強(qiáng)核算，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)本地排放源譜測(cè)定投入在600-800萬(wàn)左右。

（2）受體模型法：采用“自上而下”的污染來(lái)源識(shí)別思路，以大氣環(huán)境污染樣品為對(duì)象，根據(jù)排放源的特征標(biāo)示物和化學(xué)組分的匹配，解析出不同排放源對(duì)污染物的貢獻(xiàn)。受體模型法是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛的顆粒物來(lái)源解析技術(shù)，以城市大氣復(fù)合污染超級(jí)站為代表，主要采用化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）和正矩陣因子模型（PMF）兩種方法。受體模型的優(yōu)勢(shì)在于不受污染源數(shù)據(jù)缺乏的限制，不依賴于氣象等多種特征參數(shù)，短時(shí)間定量快速識(shí)別污染大致來(lái)源。難點(diǎn)在于城市揚(yáng)塵等共性特征源譜的不確定性和本地源特征譜的構(gòu)建。

另外，大氣超級(jí)站單站點(diǎn)投資在2000-6000萬(wàn)不等，建設(shè)資金投入巨大，可以開(kāi)展反應(yīng)機(jī)理層面的研究，然而出現(xiàn)問(wèn)題的往往是常規(guī)重點(diǎn)指標(biāo)，在市縣鄉(xiāng)實(shí)際業(yè)務(wù)執(zhí)行層面也不如局地重點(diǎn)指標(biāo)組網(wǎng)更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，單一大氣監(jiān)測(cè)超級(jí)站可能面臨技術(shù)人才儲(chǔ)備不足、產(chǎn)出不多、后續(xù)維護(hù)難等挑戰(zhàn)。

（3）源模式法：當(dāng)前，常用的第三代空氣質(zhì)量模型代表有美國(guó)CMAQ和CAMx、德國(guó)EURAD、瑞典MAQS、中國(guó)的NAQPMS等，主要通過(guò)標(biāo)識(shí)和追蹤（ISAM、PSAT等）各類源排放出的污染物在大氣中的輸送、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化和沉降等過(guò)程，利用質(zhì)量守恒估算出不同排放源的濃度貢獻(xiàn)，正在發(fā)展中第四代的全耦合空氣質(zhì)量模式僅有3個(gè)，分別是GATOR-GCMOM、GEM-AQ、GU-WRF/Chem，與第三代的主要區(qū)別為更關(guān)注空氣污染過(guò)程中的穩(wěn)定或靜穩(wěn)條件下的弱動(dòng)力過(guò)程、新粒子生成機(jī)制及其增長(zhǎng)過(guò)程中的數(shù)濃度譜分布、二次無(wú)機(jī)組分形成過(guò)程中的非均相（含多相）反應(yīng)、散煤燃燒過(guò)程中二次有機(jī)氣溶膠形成、高濃度區(qū)自適應(yīng)網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式、模式初值優(yōu)化動(dòng)態(tài)污染源反演等。優(yōu)點(diǎn)在于定量核算污染源對(duì)站點(diǎn)等受體的貢獻(xiàn)，具體到排放企業(yè)和區(qū)域，為后續(xù)減排效果評(píng)估和政策制度制定;投入成本低，相關(guān)投入在500-900萬(wàn)左右。難點(diǎn)在于排放源清單、氣象及化學(xué)機(jī)制的不確定性影響結(jié)果準(zhǔn)確性，特別是城市尺度拉格朗日或高斯溯源模型比區(qū)域尺度歐拉模型對(duì)排放源的時(shí)空信息更為敏感。

考慮管理、技術(shù)、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(yè)部門(mén)和網(wǎng)格化監(jiān)管平臺(tái)現(xiàn)有資源，以顆粒物溯源模型為載體打通氣象場(chǎng)-污染源-監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，充分挖掘我市鄉(xiāng)鎮(zhèn)考核站8年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)潛力，構(gòu)建適合濟(jì)寧本地的顆粒物近實(shí)時(shí)快速溯源業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成市縣鄉(xiāng)三級(jí)溯源工作合力。

3 業(yè)務(wù)技術(shù)路徑和預(yù)期成果

濟(jì)寧本地的顆粒物近實(shí)時(shí)快速溯源業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要由基于GIS衛(wèi)星影像的全市高分辨率網(wǎng)格化排放源快速更新系統(tǒng)、本地化顆粒物溯源模型和溯源業(yè)務(wù)線上督導(dǎo)系統(tǒng)三個(gè)主要部分組成。

3.1 基于GIS衛(wèi)星影像的全市高分辨率網(wǎng)格化排放源快速更新系統(tǒng)

城市尺度（50km到幾百km）不同于區(qū)域尺度（幾百km），空間范圍更小、時(shí)間粒度更細(xì)，站點(diǎn)濃度極易受局地排放源的影響，拉格朗日模式對(duì)排放源參數(shù)更為敏感，這也是能否保證結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵制約因素。我市目前大氣排放源清單無(wú)法滿足城市尺度模型參數(shù)的需求。建議在現(xiàn)有網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管平臺(tái)基礎(chǔ)上，著手建立并完善基于GIS衛(wèi)星影像的全市高分辨率排放源快速更新系統(tǒng)，支持源數(shù)據(jù)量不低于5萬(wàn)個(gè)，源強(qiáng)核算基于各種法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（包括MEIC、AP-42、EIIP、NEI等），以實(shí)測(cè)為主、活動(dòng)水平為輔，獲取全市排放源時(shí)空信息和污染物排放量，建立時(shí)空分配和物種數(shù)據(jù)庫(kù)，支持與本地化的空氣質(zhì)量模型無(wú)縫對(duì)接。

3.2 搭建本地化顆粒物溯源模型

按照近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值計(jì)算的思路而不是預(yù)報(bào)的思路架構(gòu)業(yè)務(wù)溯源模型，盡可能多的采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資源，通過(guò)wrf-chem與拉格朗日受體模型降尺度耦合的方式實(shí)現(xiàn)大氣排放源對(duì)站點(diǎn)顆粒物濃度貢獻(xiàn)定量核算，搭建全市顆粒物，實(shí)時(shí)溯源業(yè)務(wù)化平臺(tái)。從以下方面著手進(jìn)行改進(jìn)：

（1）結(jié)合我市現(xiàn)有資源綜合考慮，溯源氣象場(chǎng)采用地面氣象觀測(cè)站實(shí)測(cè)與wrf高空模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行，對(duì)濟(jì)寧及周邊風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行地形動(dòng)力效應(yīng)、地形阻塞效應(yīng)參數(shù)化、差分最小化等診斷，減少降尺度計(jì)算代價(jià)的同時(shí)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(cè)邊界層特別是混合層的變化情況，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)互補(bǔ)，定量評(píng)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(nèi)容，溯源的重點(diǎn)放在一次排放特征比較明顯、技術(shù)成熟、相關(guān)性強(qiáng)且組網(wǎng)基礎(chǔ)比較好的顆粒物指標(biāo)。城市尺度顆粒物模型以calpuff和SCICHEM為基礎(chǔ)框架，反應(yīng)機(jī)理方面將歐拉模型擅長(zhǎng)的二次反應(yīng)與基于拉格朗日的煙團(tuán)一次線性排放模型相結(jié)合。聚焦顆粒物PM10的一次濃度貢獻(xiàn)和高濕條件下PM2.5的二次反應(yīng)，加入AERO5氣溶膠反應(yīng)機(jī)理和簡(jiǎn)化的CBO5或臭氧小時(shí)實(shí)況值進(jìn)行本地化調(diào)優(yōu)。

（3）因城市尺度涉及排放源數(shù)量體量巨大，保守估算我市點(diǎn)源、面源、線源、體源、道路源點(diǎn)位合計(jì)不低于5萬(wàn)個(gè)，需對(duì)模式核心代碼進(jìn)行本地化重構(gòu)，優(yōu)先考慮156個(gè)站點(diǎn)的溯源計(jì)算資源，引入高性能并行計(jì)算算法，確保滿足近實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)計(jì)算需求。

3.3 溯源時(shí)空大數(shù)據(jù)集成展示和業(yè)務(wù)線上督導(dǎo)系統(tǒng)

溯源時(shí)空大數(shù)據(jù)采用Elasticsearch分布式高效存儲(chǔ)和檢索機(jī)制作為其存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)在ArcGIS DataStore時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中。溯源計(jì)算結(jié)果主要涉及PM10和PM2.5兩項(xiàng)指標(biāo)，內(nèi)容涵蓋濟(jì)寧市域范圍內(nèi)市縣鄉(xiāng)三級(jí)考核站本地貢獻(xiàn)和外來(lái)傳輸比例，轄區(qū)具體污染源對(duì)站點(diǎn)貢獻(xiàn)比例排序，分行業(yè)類型貢獻(xiàn)比例，市域污染現(xiàn)狀和時(shí)空分布等內(nèi)容，鎖定小尺度區(qū)域和具體的排放源。

溯源結(jié)果以ArcGIS GeoEvent Server為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入和可視化載體，通過(guò)app、E-mail或短信等形式推送至分局、鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬地、執(zhí)法隊(duì)伍、網(wǎng)格員等相關(guān)主體，與行業(yè)導(dǎo)則和巡查要點(diǎn)相結(jié)合，對(duì)異常高值或關(guān)心區(qū)域、具體排放源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)排查，排查內(nèi)容及時(shí)給縣市區(qū)監(jiān)管平臺(tái)、市平臺(tái)反饋，線上督導(dǎo)落實(shí)，形成溯源業(yè)務(wù)閉環(huán)，形成市縣鄉(xiāng)三級(jí)大氣污染溯源業(yè)務(wù)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(xiāng)鎮(zhèn)已設(shè)置了156個(gè)大氣標(biāo)準(zhǔn)考核站、城區(qū)部署了4+1激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)，1個(gè)大氣超級(jí)站，在溯源組網(wǎng)硬件方面尚缺氨氣背景組網(wǎng)監(jiān)測(cè)（5臺(tái)）、激光云高儀（5臺(tái)）、一體化氣象觀測(cè)站（20臺(tái)）和高性能計(jì)算集群等硬件設(shè)備。按照業(yè)務(wù)優(yōu)先、資源整合、分布推進(jìn)的原則，建議優(yōu)先考慮高性能計(jì)算集群、多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整合和溯源業(yè)務(wù)平臺(tái)搭建，后續(xù)配套組網(wǎng)硬件投入大約在500萬(wàn)左右建議納入環(huán)保能力建設(shè)分階段實(shí)施，保證業(yè)務(wù)的適度、可擴(kuò)展和承接性。

預(yù)計(jì)溯源業(yè)務(wù)平臺(tái)研發(fā)總體費(fèi)用在365萬(wàn)左右。國(guó)內(nèi)市面上相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)投入費(fèi)用大致在1000-2000萬(wàn)，可以大幅度節(jié)省我市在污染溯源應(yīng)對(duì)平臺(tái)建設(shè)方面的支出。

5 預(yù)期效果和作用

（1）解決市縣鄉(xiāng)三級(jí)政府空氣質(zhì)量保障溯源工作中普遍遇到的共性難題，有效指導(dǎo)我市網(wǎng)格員、執(zhí)法隊(duì)伍和屬地政府迅速排查苗頭性問(wèn)題和能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，形成我市各級(jí)政府上下齊抓共管的工作合力，促進(jìn)我市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（2）依托數(shù)字環(huán)保網(wǎng)格化監(jiān)管平臺(tái)，構(gòu)建適合濟(jì)寧市的高效、經(jīng)濟(jì)的顆粒物快速溯源體系和決策支撐平臺(tái)，解決冬防及指標(biāo)考核中溯源難題，讓城市小尺度顆粒物溯源業(yè)務(wù)平臺(tái)真正業(yè)務(wù)落地，提升我市環(huán)境監(jiān)管能力和數(shù)字化建設(shè)水平，在全國(guó)范圍城市一級(jí)具有典型性和示范推廣意義。