大气自然净化能力监测平台在环保治理中的建设与应用

泰安市生态环境局 张成，陈帅，齐兆斐，刘烨，杨倩倩

一、选题意义

生态文明建设是党的十八大确定的国家层面发展战略目标，大气污染防治工作是生态文明建设的重要组成部分。2018年，国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，将我国的大气污染防治工作推向了新的阶段。当前，泰安市大气污染逐渐从强源时代转入弱源时代。科学精准治污，成为下一阶段泰安市大气污染治理工作的重点。

影响空气质量的因素主要有两个，一是污染排放,二是气象条件。目前，对污染排放和污染过程的研究较为成熟，主要集中在污染物成分分析和来源分析、污染时空特征、污染治理模式及治理效果等方面。但是相对于污染排放，气象变化更加难测，因此分析气象变化对空气质量的影响尤为必要。目前对气象条件与空气质量关系的考察主要集中在两个方面，一是分析中高尺度、大范围气象变化对空气质量的影响，但是近地面局地气象条件差异较大。二是独立考察各气象要素对空气质量的影响，但需要进一步考察气象要素的综合影响。运用大气自然净化能力指数对大气污染进行分析，既是对气象条件影响空气质量研究的补充，也能为大气污染防治工作提供更精细、更有针对性的指导意见。

2019年，泰安市空气质量状况出现明显反弹，空气质量和改善率处于全省较差位置。本项目从大气自然净化能力实时监测角度进行了分析和研究，寻找气象、地形、排放多角度的大气环境治理优化方案。

二、大气自然净化能力平台构建

大气自然净化能力平台的构建，是运用大气科学、经济学、管理学、地理学、计算机科学，通过监测局地气象变化，结合本地历史气象、地理信息、气候特征等数据，计算大气自然净化能力指数，为大气污染精准治理提供支撑。

（一）基本原理

排向大气的污染物一般会经历扩散（稀释）、搬运、沉降等过程，最终从大气环境中移除，这个过程被称为大气自然净化过程。不同气象条件下，大气移除污染物的效率不同，大气对污染物的移除效率被定义为大气自然净化能力。

大气自然净化能力排序的依据是精细统计，通过对近地面气象数据、空气质量数据和污染物排放数据的计量分析，比较不同气象条件下大气净化污染物能力的强弱，得出排序方程，作为大气自然净化能力指数的元函数。在实际使用中，对排序结果进行归一化处理，将其转化为 0-100之间的实数，数值越高净化能力越强，数值越低净化能力越弱。

大气自然净化能力既包括对大气环境中已有污染物的净化，也包括对新增（实时排放）污染物的净化。只有当大气自然净化能力足以净化新增污染物时，才有余力净化大气中已有的污染物，这种情况下，空气质量会慢慢改善。反之，当大气自然净化能力不足以净化新增污染物时，大气中的污染物就会继续增加，空气质量会慢慢变差。当大气自然净化能力恰好能净化新增污染物时，空气质量就会保持不变，这种情况被称为大气自然净化能力的排放平衡点。

（二）项目建设

本项目大气自然净化能力监测设备由南京信息工程大学提供，安装在中国铁塔股份有限公司泰安市分公司现有铁塔上，共设3个点位，分别是泰安市人口学校、监测站、电力学校3个国控空气质量自动监测点位周边100米范围内。每个点位每年投入约30万元。本项目的核心是对这三个空气质量监测国控点的大气自然净化能力进行实时监测。实时数据包括风速、风向、温度、湿度、大气压强、雨量等气象要素，基础数据包括地形地貌、经纬度、海拔、季节等。为了对标国控点数据，大气自然净化能力数据一小时报送一次，报送数据为该小时内每分钟数据的平均值。

三、泰安市大气自然净化能力现状分析

通过对人口学校、监测站和电力学校三个环境空气质量监测点位大气自然净化能力指数逐小时数据进行实时监测，可以对点位周围气象条件实现精准掌握。

（一）大气自然净化能力整体情况分析

2020年5月-12月（电力学校为6月-12月），人口学校、监测站和电力学校环境空气质量监测点位大气自然净化能力指数整体情况如表1所示。总体而言，三个点位大气自然净化能力并不高。人口学校点位的整体净化能力最高，平均值为33.36，最有利于污染物的净化，其次是电力学校点位，大气自然净化能力指数平均值为32.84，而监测站点位大气自然净化能力最低，大气自然净化能力指数平均值为31.48。3个点位中，人口学校点位大气自然净化能力指数标准差最高，其次是电力学校，监测站标准差最低，标准差的高低排序和平均值一致，说明在排放强度相同的情况下，即使3个点位大气自然净化能力指数相同，人口学校的空气质量最好，监测站的空气质量最差。

表1 2020年5月-12月三点位大气自然净化能力指数整体情况

（二）大气自然净化能力与污染浓度变化关系

考察大气自然净化能力于污染物浓度的变化，对厘清大气污染形成原因以及科学应对大气污染具有重要意义。当前，泰安市主要污染物为PM2.5，因此主要以PM2.5为例，考察大气自然净化能力指数和污染物浓度之间的变化关系。

表2给出了三点位PM2.5浓度整体情况。可以看出，人口学校点位PM2.5平均浓度最低，为41.05μg/m3，这与该点位大气自然净化能力指数较高有关。电力学校点位PM2.5平均浓度最高，为48.45μg/m3，但该点位大气自然净化能力整体水平高于监测站，由此可以判断，电力学校点位周围污染物排放强度高于监测站点位。

表2 三点位PM2.5浓度整体情况（单位：μg/m3）

当大气自然净化能力指数在20-30区间，PM2.5整体呈现上升趋势，这意味着当大气自然净化能力指数处于低位时，气象条件对污染物的清除能力很弱，在这种情况下，污染物排放很容易超过大气自然净化能力，造成颗粒物浓度不断升高。若大气自然净化能力指数长期处于低位，污染物在每一时刻都在积累，只要积累时间足够长，必然形成重污染天气，而重污染天气一旦形成，即使关闭所有污染源，由于大气自然净化能力指数很低，空气质量也不会立即好转，必须等到气象条件发生变化，大气自然净化能力指数上升到足够高时，才能解除重污染天气。当大气自然净化能力指数高于30时，PM2.5浓度变化均为负值，说明当大气自然净化能力指数处于高位时，气象条件对污染物的清除能力较强，不但能清除新排放的污染物，还能清除空气中原有的污染物，反映在空气质量上就体现为颗粒物浓度下降。随着大气自然净化能力指数的升高，PM2.5浓度下降越来越快。

四、基于大气自然净化能力的大气污染治理政策建议

根据对泰安市三个环境空气质量监测点位的空气质量数据和大气自然净化能力指数数据的分析，提出基层大气污染治理工作的改进建议。

（一）加强微观气象条件的监测和分析

当大气自然净化能力处于低位时，空气质量如果快速恶化，说明站点周围尤其是500米范围内有比较明显的污染源活动，重点关注加油站、机动车、直排餐饮、工地、道路扬尘、植物以及站点附近建筑物顶部的状况。总之，这种情况下，要重点排查比较明显的污染源。空气质量如果慢速恶化，说明站点周围（应放宽至 2-3公里）有较远距离的强源或者较近距离的面源，这种情况下应重点关注距离稍远处的强源作业，如大型工程的活动、大型工地的活动及整个面源的特殊情况，例如，区域内是否有相对均匀分布的小餐饮、小型印刷厂、多点小型的有机溶剂使用等。无论是哪种情况，都应该根据排查的情况，力所能及地解决排查到的污染源。

（二）提高措施的精准度和经济性

通过大气自然净化能力实时监测数据，可以帮助查找点位周围的弱排放源，并根据排放平衡点方法判断措施的有效性。在此基础上，可以进一步提高基层工作措施的精准度和经济性。在同类源的情况下，应该遵循从易到难的原则，先解决容易治理的污染源，再解决难治理的污染源。在具体的措施选择上也应该如此，先采用成本较低的措施，再采用成本较高的措施。2020年5月以来，每周形成报告，提出泰城主城区大气污染治理工作的改进建议。到2020年年底，蓝天保卫战约束性目标全面完成。大气环境质量明显改善，2020年全市二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物、细颗粒物平均浓度分别为14μg/m3、29μg/m3、82μg/m3、46μg/m3，分别比2015年改善65.9%、25.6%、35.9%、33.3%，空气质量优良天数比率为64.2%，空气质量综合指数为4.95。