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顶尖科研团队驻点提供治污指导,大气攻关强力支撑蓝天保卫战

日期: 2019-04-03
来源: 澎湃新闻
作者:

“我们背后有两千多名全国一流的大气、气象等科学家,雾霾的原因基本搞清楚了。”在今年的全国两会上,谈及大气污染防治工作近年来取得的成就,全国政协委员、生态环境部大气司司长刘炳江说。

2017年两会期间,国家领导人发出“悬赏令”,表示“如果有科研团队能够把雾霾形成机理和危害性真正研究透,提出更有效的应对良策,谁攻克,重奖谁。”为此,2017年9月,大气重污染成因与治理攻关项目(以下简称攻关项目)正式启动,按照“1+X”模式,以中国环境科学研究院为主要依托单位,联合直属单位、相关高校和科研院所等290多家单位,以国内顶尖研究团队为主体,设立了四个专题共28个课题,组建了28个跟踪研究工作组深入“2+26”城市一线,进行驻点研究和技术指导。

科研团队不辱使命,一年多时间,攻关项目通过努力,深化了对重污染成因的科学认知、建立了更加精细化的城市排放清单,构建了重污染天气联合应对和长期空气质量改善决策支持技术体系,提出了“一市一策”工作机制,解决了各地“有想法、没办法”的问题,为打赢蓝天保卫战提供了坚实的科技支撑。

1深化大气重污染成因的科学认识

研究表明:京津冀及周边地区秋冬季重污染过程中PM2.5的组分特征也发生了显著变化。随着“2+26”城市SO2浓度的大幅下降,同时NOx浓度下降趋势不显著,硝酸根离子在PM2.5中的占比已经超过硫酸根离子,成为最重要的二次无机组分。

2017年以前,京津冀及周边地区秋冬季PM2.5爆发式增长机制的全局性、整体性的科学共识没有形成,使社会上甚至科学界对大气重污染的成因有着各种解读,给公众和管理部门造成困扰。

攻关项目实施以来,通过相互客观印证的大气污染及边界层气象同步观测和数值模拟研究,从宏观、中观和微观层面系统梳理了秋冬季大气重污染的成因,初步阐明了重污染过程中的物理、化学机制及其综合作用,基本实现了空间上城市尺度、时间上过程尺度的重污染过程精细化定量化描述,形成了大气重污染成因的基本科学共识。

在宏观层面上,认识到京津冀及周边地区的“背风坡”地理地形和污染物高排放强度是造成秋冬季大气重污染频发的主要原因。研究表明,京津冀及周边地区“2+26”城市占全国国土面积不到3%,但排放了全国10%以上的二氧化硫(SO2)和挥发性有机物(VOCs)、15%以上氮氧化物(NOx)和一次颗粒物,区域内的污染物排放强度高出全国平均水平3~5倍,是造成区域上大气重污染频发的内在原因。

从中观层面上看,秋冬季PM2.5的爆发式增长归因于本地积累、区域传输和二次转化的综合作用。污染物排放强度大的地区,一旦气象条件趋于不利,则首先形成本地积累型污染,即大气污染的“热点地区”。携带高浓度污染物的气团沿气压梯度向下风向传输,则会导致下风向城市出现区域传输型污染。此外,SO2、NOx等气态污染物在适宜条件(如高湿)下反应生成硫酸盐、硝酸盐等二次组分,则造成二次转化型污染,同时二次组分吸湿增长,导致污染加剧。

在微观层面上,攻关项目初步阐明了秋冬季PM2.5爆发式增长的物理和化学机制,对部分关键途径实现了定量表征。

——在物理机制上,分析归纳得出近地面风速小于2 m/s、相对湿度高于60%、近地逆温、边界层高度低于500米等不利气象条件的出现,是形成本地积累型污染的气象成因;针对太行山前污染输送带(西南通道)的初步定量分析显示,京津冀及周边地区各城市受区域传输影响,全年平均贡献在20%~30%左右;而在重污染期间,区域传输影响总体提升15%~20%左右,北京最高可达60%~70%。

——在化学机制上,深入探究了PM2.5中硝酸盐、硫酸盐、铵盐和二次有机物等主要二次组分的生成机理。硝酸盐的日间生成主要通过气相中NOx被自由基氧化,夜间生成则通过五氧化二氮(N2O5)和气态硝酸(HNO3)与颗粒物中液态水的多相化学反应,即气相氧化过程是NOx向硝酸盐转化的核心驱动力。硫酸盐的生成主要通过SO2的气粒间多相化学反应,包括气相氧化、界面过程和液相反应等,硫酸盐的生成速率和颗粒物的相态、含水量、酸碱度和组分特征相关,而液相反应贡献较大。铵盐的生成主要通过氨与大气中含硫、含氮等酸性成分的化学反应,随着区域内SO2的浓度不断下降,大气中富氨程度升高,更易于硝酸盐等其它二次无机组分的生成。在PM2.5的有机组分(OM)中,由VOCs氧化生成的二次有机颗粒物约占30%~50%,其生成速率在高湿条件下显著加快。

此外,不利气象条件和重污染之间还存在“双向反馈”机制。不利气象条件导致污染积累、传输和二次转化,而重污染会导致近地面逆温增强、边界层内湍流强度减弱和湿度增加,使气象条件变得更为不利,加剧PM2.5污染程度;因此从另一个角度来说,污染减排也有助于减缓气象条件的不利程度。

2建立了更加精细化的城市排放清单

攻关项目实施以来,针对上述问题开展重点研究,首次采用统一的方法标准编制了“2+26”城市排放清单,大幅提升清单的时空分辨率,更好地支撑精细化的污染源管控,并提出了京津冀及周边地区非电行业重点排放源及重点污染物的强化管控措施。

随着污染减排的持续深入,京津冀及周边地区大气污染源的结构正在发生深刻变化。污染物底数不清、特征不明以及治理和监管技术不足等是彼时工作面临的难题。

首先是建立了2016年、2017年“2+26”城市精细化的大气污染源排放清单。攻关项目采用统一的清单编制方法、排放因子及活动水平数据收集手段,加大对规模以下企业以及散煤燃烧、餐饮油烟和工地扬尘等面源的调查摸排力度,是迄今为止在京津冀及周边地区调查污染源类最全、参加人员最多、调查企业数量最大、收集数据量最大的一次。

在此基础上,攻关项目编制了“2+26”城市2016年、2017年精细化排放清单。排放清单中包含工业点源总计7.6万个,其他工业源2.7万个,餐饮企业10.6万家。清单结果显示,2017年“2+26”城市SO2、NOx、PM2.5、可吸入颗粒物(PM10)、挥发性有机物(VOCs)、NH3和一氧化碳(CO)等污染物排放量同比分别下降31%、16%、18%、16%、12%、6%和14%。其中,SO2排放降幅最大,NH3排放降幅最小。

从污染物排放的空间分布来看,区域内污染物排放量最大的城市依次为唐山、天津、石家庄、邯郸、淄博,排放强度最大的城市依次为唐山、淄博、濮阳、安阳、滨州。钢铁及焦化行业主要分布在唐山和津冀鲁豫交界地区,是这个区域各项污染物排放强度高的主要原因;玻璃行业集中在邢台、淄博等地,是这个区域NOx、一次PM2.5排放高的主要原因;石化化工主要集中在淄博、天津、沧州、石家庄等地,是这个区域VOCs排放强度高的主要原因。

从重点行业排放主要污染物来看,区域NOx排放来源中移动源约占50%,此外电力、钢铁、锅炉、焦化占比较高;一次PM2.5排放中除扬尘外,主要来自民用燃烧、钢铁、生物质燃烧和其他工业源;VOCs排放主要来自石化化工、道路移动源、焦化、溶剂使用和其它工业源;NH3排放主要来自农业源(占比85%),其中畜禽养殖占57%,氮肥使用占20%。从时间分布上看,秋冬季氨排放量低,夏季排放量大。

从城市污染源结构特征来看,探索性地将“2+26”城市按污染源结构特点划分为6种类型。其中,天津、石家庄、唐山、邯郸、沧州、济南、淄博、安阳等城市为综合工业污染类;北京、郑州等城市为偏机动车及溶剂类;邢台、太原、长治、阳泉、晋城、聊城、滨州等城市为偏煤焦铁类;廊坊、衡水、济宁、德州、新乡等城市为偏溶剂使用类;保定、鹤壁、焦作等城市为偏建材污染类;菏泽、濮阳、开封等城市为偏农业及石化化工类。

此外,攻关项目通过努力还初步厘清区域内能源、产业、交通三大结构特征,提出了深化治理的重点区域和重点行业。

研究表明,区域内能源消费结构较为单一,煤炭消费比重大,煤焦生产、石油冶炼等能源加工企业集中。京津冀晋鲁豫六省市2016年单位国土面积煤炭消费量高达2000吨/平方公里,一次能源消费中山东、河北、河南、山西的煤炭占比都超过3/4。从能源消费结构来看,六省市主要可分为煤炭依赖型和煤油气综合型,其中天津、山东属于煤油气综合型,北京属于油气综合型,山西、河南、河北则属于煤炭依赖型。

在产业结构方面,区域内钢铁产能巨大、冶金企业扎堆,钢铁、焦化、冶金、水泥等高污染、高能耗产业在唐山和晋冀鲁豫交界地区高度集中,晋冀鲁豫交界地区小冶金企业扎堆且装备、治理、管理水平落后,且焦炭——钢铁、炭素——电解铝产能的配比不合理,是下一步产业结构调整的重点区域。

在交通结构方面,区域内大宗物料运输量大,煤炭、钢铁、金属矿石等运输占到京津冀货物运输量的42%以上,且来自山西、内蒙等地的煤炭等大宗生产原料运输以柴油货车为主,区域内柴油车NOx和颗粒物排放分别占汽车排放总量的65%和99%,是下一步交通结构调整的重点。

在重点污染物方面,研究表明,苯、甲苯、二甲苯、乙烯、甲醛等是京津冀区域VOCs污染治理的关键控制物种,汽油轿车、橡胶品制造、炼焦、沥青铺路、化学原料制造、涂装等是关键控制源类。京津冀区域大气NH3排放主要来自农业生产,农业源占比达85%以上,其中畜禽养殖占比57%,氮肥施用占比20%,是NH3减排的重点管控对象。

攻关项目还提出了重点行业最佳可行技术和综合整治方案,评估了各种措施的减排潜力。并提出VOCs及氨排放深化治理技术。

3构建重污染天气应对体系,提出改善路径

综合考虑PM2.5年均浓度影响要素,在“2+26”城市PM2.5年均浓度达标约束下,初步核算了SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs及NH3年度环境容量。

2017年以前,京津冀及周边地区在秋冬季重污染天气应对工作中面临预测预报时效性不足、应急减排清单不实、应急效果不显著等问题,在区域空气质量持续改善方面缺少对“2+26”城市的中长期持续改善路径研究。攻关项目的实施使污染预报准确度和时长取得技术进步,并建成了会商分析系统、预案修订更加细致,重污染天气应对能力显著提升。

首先是预报更加精细,形成了现有7天高精度多模式数值预报为主,以10天欧洲中心及韩国大气环流预报分析为辅的综合预报体系,将预报时长由7天延伸为10天,并增加后续1周~2周的趋势分析,大大提高了预报的时效性,有力支撑污染提前预判。

为使应急措施更加精准,攻关项目建立了重污染天气应急措施修订技术体系,从摸清污染源基本情况、确定应急减排底数、夯实应急管控措施、减排效果评估等方面进行全链条梳理,实地调研重点行业“一行一策”和典型企业“一厂一策”应急预案,建立应急管控措施清单和减排量核算方法,系统评估应急预案实施效果及存在问题。

“2+26”城市修订后的应急预案管控企业数从不到1万家增加到近5万家,主要污染物减排比例大幅提升;应急管控措施有效性显著提高。

基于更加精准的预报体系,针对京津冀及周边地区秋冬季每次大气重污染过程,攻关联合中心及时组织相关成员单位开展专家会商,对污染过程的发生发展、来源成因、管控对策、应对效果等问题进行深入分析,形成基本科学共识,及时发布专家解读,为重污染天气管理决策和舆情应对等工作提供有力的科技支撑。

此外,攻关项目还提出了长期空气质量改善的实现路径和减排需求。

要实现此目标,在末端排放控制持续加严的同时,产业、能源、交通结构将发生根本性变化。在末端控制方面,到2035年,火电、钢铁、水泥、工业锅炉、主要行业工业窑炉基本实现超低排放,VOCs排放控制水平达到欧美水平。在产业结构调整方面,钢铁、水泥、平板玻璃等产品产量在目前基础上要减少30%以上;在能源结构调整方面,煤炭消费量占区域能源消费总量比重需降至40%以下;在交通运输结构调整方面,纯电动车占比要提高到35%以上。

4摸清污染特征和来源,提出“一市一策”方案

“2+26”城市在2017年实施了秋冬季大气污染综合治理攻坚行动,成效显著。从“2+26”城市2016年、2017年排放清单比较来看,2017年PM2.5、PM10、SO2、NOx、NH3、VOCs等污染物排放量同比下降6%~31%。

科学攻关的成果最终要落实在支撑地方环境管理方面,摸清了污染成因,细化了排放清单,制定了重污染应对体系,基于此,攻关项目基本摸清了“2+26”城市污染特征和主要来源,提出了“一市一策”综合解决方案。

结合“2+26”城市的污染特征,攻关项目每个城市布设3个~5个采样点,共设采样点109个,在2017年~2018年秋冬季进行连续采样,共采集约2.6万个样品,基于源谱库、源清单、空气质量模型和受体模型组成的精细化源解析技术体系,完成了对“2+26”城市2017年~2018年秋冬季颗粒物的来源解析研究。

在此基础上,攻关项目全面推进“一市一策”跟踪研究工作,支撑地方科学决策与精准施策。40个城市跟踪研究工作组的科研人员深入一线,重点针对重污染天气应对和空气质量持续改善两方面,为地方提供“一市一策”跟踪研究指导工作。工作组帮助京津冀及周边地区、汾渭平原24个城市建设和完善大气污染防治综合指挥平台,形成有效应对重污染天气、大气污染精细化管控的能力。带动地方人才队伍建设,依托颗粒物来源解析、清单编制与“一市一策”跟踪研究,带动地方人才队伍建设,实现人才持续保障。

各城市跟踪研究工作组基于当地能源与产业结构特点、交通与重点行业分布现状,结合城市空气质量与污染源管理实践,形成了28份技术支撑报告,报送生态环境部和各地政府,有效支撑“2+26”城市打赢蓝天保卫战三年作战计划的编制。此外,各工作组对所在城市大气污染防治工作开展跟踪评估,持续支撑各地三年作战计划的实施。

在攻关项目实施期间,攻关联合中心构建立体观测、实验室模拟和数值模拟相结合的综合研究系统,识别京津冀及周边地区秋冬季大气重污染来源和主要成因,实现空间上城市尺度、时间上污染过程尺度的精细化描述,建成综合科学决策支持系统,形成科学结论,回应社会关切,支撑京津冀及周边地区大气污染防治的科学决策和精准施策,为其他区域提供科学指导与行动指南,打好蓝天保卫战,保护公众健康。

据了解,攻关项目近期组织了由攻关联合中心主任、副主任、总体专家组成员及课题负责人等组成的专家团队16批(次)、225人(次)赴“2+26”城市及汾渭平原11城市开展现场技术指导,推广攻关各课题取得的成果,交流跟踪研究工作经验,帮助地方解决大气污染防治的技术难点。


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