基于油耗調(diào)查的2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械排放研究

金陶勝,陳 東,付雪梅,李雅琦,易忠芹,陸凱波

(南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300071)

基于油耗調(diào)查的2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械排放研究

金陶勝*,陳 東,付雪梅,李雅琦,易忠芹,陸凱波

(南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300071)

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查,采用基于燃油消耗量的方法估算出天津市2010年農(nóng)業(yè)機(jī)械氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)的總排放量.2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械總保有量為57.5萬(wàn)臺(tái),其中種植業(yè)機(jī)械最大約占52.5%;總動(dòng)力為588萬(wàn)kW,運(yùn)輸機(jī)械占比最大為47.3%.估算出2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械總油耗(主要為柴油)為6.7萬(wàn)t,其中運(yùn)輸機(jī)械耗油量為4.5萬(wàn)t.再根據(jù)燃油消耗量估算了天津2010年農(nóng)業(yè)機(jī)械污染物排放量,NOx和PM年排放量分別為3470t和303t.

農(nóng)業(yè)機(jī)械；油耗；排放；氮氧化物；顆粒物

農(nóng)業(yè)機(jī)械特別是農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.但另一方面,農(nóng)業(yè)機(jī)械排放也會(huì)造成環(huán)境污染,從大氣污染源的分類角度來(lái)看,農(nóng)業(yè)機(jī)械是非道路移動(dòng)源的一種,非道路移動(dòng)源還包括農(nóng)用運(yùn)輸車、工程機(jī)械、工業(yè)機(jī)械、船舶、火車、飛機(jī)等[1-2].

與機(jī)動(dòng)車等道路移動(dòng)源相比,非道路移動(dòng)源機(jī)械以柴油和重油為主要燃料,具有技術(shù)水平低、使用年限長(zhǎng)、耗油量高、維護(hù)率低和污染物單機(jī)排放量較大等特點(diǎn)[3].美國(guó)和歐洲的相關(guān)研究表明[4-5],非道路移動(dòng)機(jī)械排放也是重要的大氣污染排放源,對(duì)空氣中NOχ和PM的貢獻(xiàn)率較大[6].Samaras等[7]的研究表明1990年全歐洲非道路移動(dòng)源的NOχ和PM排放量分別達(dá)到2000kt和220kt.Kean等[3]采用基于燃油消耗量的方法估算得出1996年美國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械(不包括火車、船舶)NOχ和 PM10的排放量分別為1.2×109kg、1.2×108kg.該研究中依據(jù)不同種類農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)污染物排放因子的綜合考慮的方法對(duì)本研究有借鑒意義.Dincer等[8]對(duì)2005年土耳其鐵路車輛污染物的排放進(jìn)行估算,得出 NOχ為6.799×106kg,PM 為2.56×105kg.我國(guó)對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械的污染排放情況也有一定的研究,李東玲等[9]研究了我國(guó)工程機(jī)械的排放;徐雨晴等[10]利用基于燃油消耗量的排放因子法對(duì)我國(guó)33年來(lái)鐵路機(jī)車的大氣污染物排放量進(jìn)行了估算;張禮俊等[11]研究了珠江三角洲地區(qū)的非道路移動(dòng)源排放清單,該研究只是把農(nóng)業(yè)機(jī)械作為非道路移動(dòng)源的一種進(jìn)行排放估算,缺少對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械種類的細(xì)致劃分;樊守彬等[12]對(duì)北京市農(nóng)用機(jī)械排放的研究表明,2007年農(nóng)用機(jī)械HC、CO、NOχ和PM10排放量為1643.6、4615.4、4296.2、701.6t,該研究驗(yàn)證了根據(jù)燃油消耗量計(jì)算污染排放量的科學(xué)性,對(duì)本研究有一定的指導(dǎo)意義,但該研究只根據(jù)功率范圍來(lái)確定污染物排放因子,沒(méi)有對(duì)不同種類農(nóng)業(yè)機(jī)械的污染物排放因子進(jìn)行綜合考慮.

大氣污染物排放源清單是空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析、污染物排放趨勢(shì)分析、模型研究和相關(guān)控制策略制定的重要基礎(chǔ)[13].鑒于PM 對(duì)人體健康[14]和環(huán)境[15]都會(huì)造成不良影響,NOχ導(dǎo)致區(qū)域臭氧和 PM2.5污染加重,使得大范圍出現(xiàn)灰霾現(xiàn)象[16],本文根據(jù)收集到的2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械活動(dòng)情況,采用適當(dāng)?shù)墓浪惴椒ê团欧乓蜃訑?shù)據(jù),建立了2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗情況和NOχ、PM的排放清單,以補(bǔ)充和完善該地區(qū)排放源統(tǒng)計(jì)分析工作,并為決策者制定合理的大氣污染控制政策提供依據(jù).

1 2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量及動(dòng)力情況

天津市所使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械按照其使用類型主要分為種植業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、拖拉機(jī)及配套機(jī)械(包括大中型拖拉機(jī)和小型拖拉機(jī))、漁業(yè)機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品初加工機(jī)械、畜牧養(yǎng)殖業(yè)機(jī)械、農(nóng)田基本建設(shè)機(jī)械、林果業(yè)機(jī)械八大類,各類農(nóng)業(yè)機(jī)械的保有量與動(dòng)力情況見(jiàn)表1.由表1可知,天津市種植業(yè)機(jī)械保有量最大,約占總農(nóng)業(yè)機(jī)械的52.6%;其次為運(yùn)輸機(jī)械約占24.1%.雖然種植業(yè)機(jī)械保有量最大,但運(yùn)輸機(jī)械的單臺(tái)機(jī)平均功率為20kW高于種植業(yè)機(jī)械的6.3kW,綜合來(lái)說(shuō),運(yùn)輸機(jī)械的總動(dòng)力(47.3%)還是要高于種植業(yè)機(jī)械總動(dòng)力(32.6%).對(duì)于各類農(nóng)業(yè)機(jī)械的單臺(tái)機(jī)平均功率而言,大中型拖拉機(jī)最大,為41.5kW.從各類農(nóng)業(yè)機(jī)械的單臺(tái)機(jī)平均功率可以看出,功率在0～8kW 范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械有種植業(yè)機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品初加工機(jī)械和漁業(yè)機(jī)械;8～15kW 內(nèi)主要為小型拖拉機(jī)與畜牧養(yǎng)殖業(yè)機(jī)械;15～20kW之間主要為運(yùn)輸機(jī)械和農(nóng)田基本建設(shè)機(jī)械;在20～50kW范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械主要為大中型拖拉機(jī)和林果業(yè)機(jī)械.

表1 2010年天津市各類農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量與動(dòng)力情況[17]Table1 Population and per-vehicle rated power of different categories of agricultural machinery in Tianjin,2010[17]

2 天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗狀況

2.1 天津市調(diào)查的農(nóng)業(yè)機(jī)械耗油情況

2.2 天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械總油耗量

天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械燃油消耗量的估算方法為:式中:Di為天津市所對(duì)應(yīng)類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械總油耗量,L; Pio為天津市所對(duì)應(yīng)類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力,kW;Dis表示所調(diào)查的各種類農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗量,L;Pis為所調(diào)查的各種類農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力,kW;i為農(nóng)業(yè)機(jī)械的類型;根據(jù)式(1)可推測(cè)出天津市各類型農(nóng)業(yè)機(jī)械總耗油量,結(jié)果見(jiàn)表3.其中由于調(diào)查數(shù)據(jù)局限性的原因,在天津所調(diào)查的拖拉機(jī)均為大中型拖拉機(jī),由于河南省與天津市地理、氣候等條件相似,在河南也對(duì)小型拖拉機(jī)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,調(diào)查的內(nèi)容包括機(jī)械品牌、功率、油耗量等,調(diào)查的小型拖拉機(jī)樣本為52臺(tái),故取河南省小型拖拉機(jī)的數(shù)據(jù)用于本研究中.本研究只調(diào)查了4種農(nóng)業(yè)機(jī)械:三輪車、拖拉機(jī)、收割機(jī)、播種機(jī),由于調(diào)查種類較少,在計(jì)算總油耗時(shí)利用農(nóng)機(jī)功率相近的油耗數(shù)據(jù)替換方法對(duì)未調(diào)查農(nóng)業(yè)機(jī)械的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

表2 天津市調(diào)查的農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗情況Table2 Results of survey questionnaire on fuel consumption of agricultural machinery in Tianjin

表3 2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械耗油量Table3 Calculated fuel consumption of agricultural machinery in Tianjin,2010

由表3可知,2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械總油耗量為7.9×103萬(wàn)L約6.7萬(wàn)t(柴油密度為0.85kg/L).其中,運(yùn)輸機(jī)械耗油量最多,占天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械總油耗量的67.2%,這與樊守彬等[12]研究的北京農(nóng)用機(jī)械排放清單中農(nóng)業(yè)運(yùn)輸占所有用途中油耗量為最大一致.可能與其保有量很大和高油耗量具有密切關(guān)系.其次為小型拖拉機(jī)和種植業(yè)機(jī)械,分別占13.4%和12%.

3 天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械尾氣排放的情況

3.1 天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)械總污染排放量

基于各種類型農(nóng)業(yè)機(jī)械的年總油耗量,利用李東玲等[9]研究中的排放因子,采取基于燃油消耗的方法推測(cè)出各類型農(nóng)業(yè)機(jī)械的污染排放量,這種方法也曾應(yīng)用于輪船和火車的排放計(jì)算[3]、道路移動(dòng)源CO和VOCs的排放計(jì)算[18]以及重型柴油車 NOχ和炭黑排放的計(jì)算[19].但同一種類農(nóng)業(yè)機(jī)械的功率各不相同,故同一種類農(nóng)業(yè)機(jī)械的污染物排放因子相對(duì)于不同的機(jī)械也不同.為此,根據(jù)所調(diào)查的同一種類農(nóng)業(yè)機(jī)械功率在文獻(xiàn)[9]中功率范圍的分布比例情況推出一個(gè)完全適合同一種類農(nóng)業(yè)機(jī)械的污染物排放因子,如表4所示.

在作品中，時(shí)雄因家庭等原因，抑制了芳子的愛(ài)，犧牲了芳子。而且，芳子的戀人田中也選擇了自己的光明前途，舍棄了芳子。但是芳子犧牲了自己。男性為了實(shí)現(xiàn)自己而犧牲愛(ài)。女性正好相反，為了愛(ài)犧牲自己的人很多。這是心理學(xué)上所證明的問(wèn)題。

表4 各種類農(nóng)業(yè)機(jī)械修正排放因子Table4 Estimated Emission factors of agricultural machinery

得出各農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗量 D,可以利用式(2)得出2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械年污染物排放量:

式中:E為污染物年排放量,t;ρ為燃油密度(0.85), kg/L;EF為修正排放因子,g/kg;i、j分別為農(nóng)機(jī)和污染物類型,計(jì)算出的污染物量如圖1所示.

由圖1可以看出,2010年天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械PM總排放量為303t,NOχ總排放量為3470t,其中運(yùn)輸機(jī)械所占比重均為最大.NOχ排放總量與樊守彬等[12]研究的2007年北京農(nóng)用機(jī)械4.2×103t較一致,PM的排放量與其7×102t差別較大,可能是由所采用的排放因子不同而導(dǎo)致的,北京農(nóng)業(yè)機(jī)械所采用的 PM排放因子為8.23g/kg,本文采用的 PM 排放因子是基于農(nóng)業(yè)機(jī)械種類的不同而不同,本文中的拖拉機(jī)排放因子與付明亮等[20]研究的大中型拖拉機(jī) PM 排放因子為5.08g/kg較一致.其次,與北京農(nóng)用機(jī)械2007年NOχ,PM排放量的不同可能是因?yàn)閮墒修r(nóng)機(jī)保有量,總功率以及研究時(shí)間的不同而導(dǎo)致的.最后,與2006年天津市道路機(jī)動(dòng)車NOχ、PM排放量相比(分別為5.99萬(wàn)t、2336t)[21],農(nóng)業(yè)機(jī)械已成為不容忽視的污染物排放源.

圖1 2010年天津市各類農(nóng)業(yè)機(jī)械污染物排放量Fig.1 Annual NOχand PM emissions of agricultural machinery in Tianjin,2010

3.2 不確定性分析

本研究中,天津市各種類農(nóng)業(yè)機(jī)械的保有量和總動(dòng)力數(shù)據(jù)是參考2010年中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒得到的,調(diào)查的4種類農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力及油耗數(shù)據(jù)來(lái)源于走訪和文獻(xiàn)調(diào)研.不確定性存在于以下方面:盡管對(duì)調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和篩選,但由于調(diào)查農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)量和種類有限,可能因數(shù)據(jù)的代表性不足引起不確定性;對(duì)于拖拉機(jī)的調(diào)查主要集中于大中型,將河南省小型拖拉機(jī)的數(shù)據(jù)來(lái)彌補(bǔ)天津市小型拖拉機(jī)數(shù)據(jù)的缺乏,這可能由于兩地地理、氣候的不同導(dǎo)致其農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)的不同,從而導(dǎo)致拖拉機(jī)油耗、排放的不確定性;種植業(yè)機(jī)械包含至少25種類型機(jī)械,由于受條件限制只調(diào)研了收割機(jī)和播種機(jī),這可能因代表性不足產(chǎn)生不確定性;利用農(nóng)機(jī)功率相近而對(duì)油耗數(shù)據(jù)替換的方法所帶來(lái)的不確定性;在計(jì)算方法上,本研究采用基于燃油消耗的方法,排放因子參考了李東玲等[9]對(duì)工程機(jī)械排放清單研究中的排放因子并采用近似的方法對(duì)其進(jìn)行修飾得到修正后的排放因子,故在排放因子的選取上存在較大的不確定性.

4 結(jié)論

4.1 天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械全年總油耗約為6.7萬(wàn)t,NOχ排放量約為3470t、PM全年總排放量約為303t,提高農(nóng)業(yè)機(jī)械污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減少污染源排放有重要意義.

4.2 運(yùn)輸機(jī)械年油耗量為4.5萬(wàn) t,與此同時(shí),運(yùn)輸機(jī)械同樣也是主要的污染物排放貢獻(xiàn)源(NOχ與PM的貢獻(xiàn)率均接近68%);小型拖拉機(jī)和種植業(yè)機(jī)械由于擁有龐大的保有量,其能源消耗和污染物的排放也不可忽視(油耗量分別約占總量的13%和12%);而其他農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗量以及NOχ、PM排放量之和均不到總量的10%.

4.3 受數(shù)據(jù)可得性限制,本研究中農(nóng)業(yè)機(jī)械的油耗、排放因子存在一定的不確定性,下一步研究中,相關(guān)的活動(dòng)水平及排放因子測(cè)試研究亟待進(jìn)行.

[1] 傅立新,程玲琳,粘桂蓮.移動(dòng)污染源大氣環(huán)境影響研究報(bào)告[R]. 北京:清華大學(xué)環(huán)境工程系,2005:57-93.

[2] 張楚瑩,王書(shū)肖,邢 佳,等.中國(guó)能源相關(guān)的氮氧化物排放現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(12):2470-2479.

[3] Kean A J, Sawyer R F, Harley R A. A fuel-based assessment of off-road Diesel Engine emissions [J]. Journal of the Air and Waste Manage Association,2000,50:1929-1939.

[4] Chi T R. Uncertainty analysis of the NONROAD emissions model for the state of Georgia [D]. US: Department of Civil & Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology,2004.

[5] Amann M. Recent and future development of emission of nitrogen oxides in Europe [J]. Atmospheric Environment,1990,24A(11):2759-2766.

[6] 郝吉明,傅立新,賀克斌,等.城市機(jī)動(dòng)車排放污染控制 [M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2000.

[7] Zissis S, Karl-Heinz Z. Off-road vehicles: a comparison of emissions with those from road transport [J]. Science of the Total Environment,1995,169(1):249-255.

[8] Faruk D, Tolga E. Estimating national exhaust emissions from railway vehicles in Turkey [J]. Science of the Total Environment,2007,374(1):127-134.

[9] 李東玲,吳 燁,周 昱,等.我國(guó)典型工程機(jī)械燃油消耗量及排放清單研究 [J]. 環(huán)境科學(xué),2012,33(2):518-524.

[10] 徐雨晴,何吉成,王長(zhǎng)科.33年來(lái)中國(guó)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的大氣污染物排放 [J]. 環(huán)境科學(xué),2011,32(5):1217-1223.

[11] 張禮俊,鄭君瑜,尹沙沙,等.珠江三角洲非道路移動(dòng)源排放清單開(kāi)發(fā) [J]. 環(huán)境科學(xué),2010,31(4):886-891.

[12] 樊守彬,聶 磊,闞睿斌,等.基于燃油消耗的北京農(nóng)用機(jī)械排放清單建立 [J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,(1):145-148.

[13] Frey H C, Bharvirkar R, Zheng J. Quantitative analysis of variability and uncertainty in emissions estimation [M]. Research Triangle Park, NC: North Carolina State University for the U. S. Environmental Protection Agency,1999.

[14] Braun F C. Respiratory health and long-term exposure to air pollution in Swiss school children [J]. American Journal of Respiratory Critical Care Medicine,1997,155:1042–1049.

[15] Chapman L. Transport and climate change: a review. [J] Journal of Transport Geography,2007,15:354–367.

[16] 柴發(fā)合,段菁春,胡京南,等.氮氧化物怎么減？[N]. 中國(guó)環(huán)境報(bào),2012-03-07.

[17] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.2010中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料 [M]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2011:160-166.

[18] Singer B C, Harley R A. A fuel-based inventory of motor vehicle exhaust emissions in the Los Angeles area during summer1997 [J]. Atmospheric Environment,2000,34(11):1783-1795.

[19] Dreher D B, Harley R A. A fuel-based inventory for heavy-duty diesel truck emissions [J]. Journal of the Air and Waste Management Association,1998,48(4):352-358.

[20] 付明亮,丁 焰,尹 航,等.實(shí)際作業(yè)工況下農(nóng)用拖拉機(jī)的排放特性 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,(6):42-48.

[21] 劉 歡,賀克斌,王岐東.天津市機(jī)動(dòng)車排放清單及影響要素研究 [J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào),2008,48(3):370-373.

Estimation of agricultural machinery emissions in Tianjin in2010 based on fuel consumption.

JIN Tao-sheng*, CHEN Dong, FU Xue-mei, LI Ya-qi, YI Zhong-qin, LU Kai-bo
(State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin300071, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2148～2152

In this paper, particulate matter (PM) and nitrogen oxide (NOχ) emissions of agricultural machinery in Tianjin were estimated based on fleet make-up and fuel consumption from a survey questionnaire. In2010, total count of agricultural machinery in Tianjin was approximately575000,52.5% being planting machinery. The total power of all agricultural machinery was approximately5.88 million kilowatts, while transport machinery had the greatest share of47.3%. Total fuel consumption of agricultural machinery in Tianjin was estimated as67000 t; over-half of it was by transport machinery (45000t). The annual PM and NOχemission estimates from agricultural machinery in Tianjin were303and3470tons, respectively.

t：agricultural machinery；fuel consumption；emission；NOχ；PM

X511

：A

：1000-6923(2014)08-2148-05

金陶勝(1973-),男,安徽安慶人,副研究員,博士,主要從事大氣污染控制、環(huán)境模型分析及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究.發(fā)表論文20余篇.

2013-11-11

國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣復(fù)合污染來(lái)源與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SCAPC201309);美國(guó)能源基金會(huì)(G-1110-15063)

* 責(zé)任作者, 副教授, jints@nankai.edu.cn