北京平原區(qū)平房冬季燃煤量及污染物排放估算

趙文慧,姜 磊,張立坤,李令軍,張大偉*,李 倩(1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心,北京 100048；

2.大氣顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048)

北京平原區(qū)平房冬季燃煤量及污染物排放估算

趙文慧1,2,姜 磊1,2,張立坤1,2,李令軍1,2,張大偉1,2*,李 倩1,2(1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心,北京 100048；

2.大氣顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048)

利用2015年8月1.5m級(jí)高分辨率遙感影像,對(duì)北京市平原區(qū)居住平房類(lèi)型、面積和分布進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),獲取居住平房斑塊,并利用平房采暖面積調(diào)查、燃煤量現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查等技術(shù)手段,估算了北京市平原區(qū)主要區(qū)居住平房冬季燃煤總量,同時(shí)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研的無(wú)煙煤排放因子,測(cè)算北京平原區(qū)主要區(qū)平房燃煤PM、SO2、CO、NOx、黑碳(BC)和有機(jī)碳(OC)的排放量,為北京市原煤散燒管控及大氣污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).結(jié)果表明:北京市平原通州區(qū)平房燃煤量最大,達(dá)到97.4萬(wàn)t,其次是順義和大興區(qū),均超過(guò)60萬(wàn)t,昌平區(qū)和房山區(qū)則接近50萬(wàn)t.從空間分布來(lái)看,燃煤散燒量由西北向東南呈現(xiàn)增加趨勢(shì),燃煤量主要集中在城市發(fā)展新區(qū),壓減燃煤的工作重點(diǎn)仍集中在六環(huán)內(nèi)外的區(qū),但城市拓展區(qū)中朝陽(yáng)和海淀山后區(qū)域均是散煤控制的重點(diǎn)區(qū)域,應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)的重視.2015年北京市平原區(qū)居住平房燃煤消耗中,各區(qū)居住平房燃煤所產(chǎn)生的大氣污染物排污量差別明顯,其中通州區(qū)的SO2和NOx排放量最高,分別為3534.4,2514.0t.

北京市；居住平房；燃煤量；污染物排放量

當(dāng)前我國(guó) PM2.5污染形勢(shì)嚴(yán)峻,民用散煤燃燒是主要貢獻(xiàn)源之一,2014年北京市PM2.5來(lái)源貢獻(xiàn)中,機(jī)動(dòng)車(chē)、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚(yáng)塵為主要來(lái)源,貢獻(xiàn)率分別占 31.1%、22.4%、18.1%和14.3%[1],燃煤污染居第2位,尤其是冬季散煤的燃燒很值得重視[2].同時(shí),民用煤炭由于燃燒和脫硫除塵技術(shù)的限制,大氣污染排放嚴(yán)重,對(duì)人體健康危害大[3-7],因此獲取民用煤炭的源排放信息,對(duì)于開(kāi)展面源污染監(jiān)控與治理具有重要意義.

如何有效地治理民用燃煤導(dǎo)致的污染一直是一個(gè)困擾各級(jí)政府的難題,特別是在京津冀地區(qū),而摸清民用散煤燃燒分布與用量將是首要解決的重要問(wèn)題.民用燃煤散燒,由于底數(shù)不清、對(duì)象不明、來(lái)源不清晰等客觀因素影響,一直是壓減燃煤工作的難題.

隨著政府、公眾對(duì)燃煤關(guān)注度的提升,越來(lái)越多的學(xué)者圍繞散煤及其污染排放展開(kāi)了研究

[8-13].支國(guó)瑞等[14]對(duì)北方霧霾頻發(fā)與燃煤集中在冬季高度重合的現(xiàn)象進(jìn)入深入分析,指出京津冀農(nóng)村地區(qū)采暖煤耗占生活煤耗總量的 90%左右[15].龐軍等[16]指出城市利用天然氣替代燃煤集中供暖對(duì)CO2、顆粒物(PM)、SO2和NOx都有較明顯的減排效果.

民用燃煤因其使用的分散性及廚具差異,燃煤量統(tǒng)計(jì)是一大難題,而國(guó)內(nèi)外有關(guān)民用燃煤量估算的研究較少,大多以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),導(dǎo)致污染物排放量的估算精度大打折扣.因此,準(zhǔn)確估算民用燃煤量就顯得尤為重要.傳統(tǒng)方法上,一般是基于人口密度、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù),并通過(guò)典型源調(diào)查,來(lái)估算污染排放量,信息變更周期長(zhǎng),精度受到多方面因素的影響.加之散煤的供應(yīng)渠道較多,可能是造成統(tǒng)計(jì)誤差的主要原因[17].遙感技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)能快速準(zhǔn)確地獲取燃煤散燒的分布信息,了解其空間分布,得到精細(xì)化的燃煤散燒活動(dòng)水平;結(jié)合排放因子的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn),可以快速、大范圍獲取全市乃至區(qū)域燃煤散燒污染排放量及其空間分布情況[18].

本研究利用遙感與GIS技術(shù),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到各區(qū)縣燃煤總量,并對(duì)其空間分布特征進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步估算污染物排放量,以期為污染減排和科學(xué)規(guī)劃能源供應(yīng)與消費(fèi)體系提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)資料收集與處理

1.1 散煤調(diào)查方法

針對(duì)北京市平原區(qū)居住平房分布廣泛、數(shù)量較大的特點(diǎn),本次調(diào)查采用分層隨機(jī)抽樣的方法,結(jié)合北京市2015～2020年禁燃區(qū)規(guī)劃實(shí)施方案,將各區(qū)域疊置分析,使用分層隨機(jī)抽樣的方式確定各區(qū)縣調(diào)查村莊數(shù)量.最終選取了 12個(gè)區(qū) 60個(gè)村莊作為調(diào)查樣本,并在各村莊中隨機(jī)均勻布設(shè)一定數(shù)量的入戶(hù)調(diào)查點(diǎn),最終獲取320戶(hù)家庭作為調(diào)查樣本數(shù)據(jù),其中4戶(hù)居民為非燃煤取暖,實(shí)際有效樣本數(shù)為316戶(hù).由于城市核心區(qū)(西城區(qū)和東城區(qū))2013年已經(jīng)全面實(shí)施了煤改電等減排措施,故不納入此次研究范圍內(nèi).

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 The study area

1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

1.2.1 北京市平原區(qū)居住平房信息提取 利用SPOT6 2015年8月1.5m級(jí)高分辨率遙感影像,參考2013年和2014年冬季Quick-Bird、GF1等影像,對(duì)2015年秋季北京市平原區(qū)平房面積和分布進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),獲取居住平房空間分布斑塊,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行外業(yè)驗(yàn)證、匯總與統(tǒng)計(jì).

平原區(qū)平房監(jiān)測(cè)滿(mǎn)足1:10000比例尺下視覺(jué)無(wú)偏差,圖斑屬性及邊界精度均達(dá)90%以上.

1.2.2 居住平房修正面積信息提取 由于從1.5m級(jí)高分辨率遙感影像上提取的居住平房也包含了部分平房中院落的面積,使得面積出現(xiàn)高估現(xiàn)象,因此針對(duì)抽樣的平房區(qū)進(jìn)行房屋的二次精細(xì)提取,并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查核實(shí).

在RS、GIS、GPS技術(shù)的支持下,以谷歌0.5m分辨率影像為底圖,對(duì)選取的60個(gè)樣本村莊進(jìn)行識(shí)別和解譯,以獲取樣本村莊平房的實(shí)際建筑基底面積.以實(shí)地調(diào)查的 60個(gè)村莊為對(duì)象,精細(xì)提取村里每一戶(hù)平房建筑面積,共計(jì)提取了 19694個(gè)平房斑塊.

1.3 北京市平原區(qū)居住平房燃煤總量的估算方法

居住平房燃煤總量采用由點(diǎn)到面的方式進(jìn)行估算.以遙感監(jiān)測(cè)的居住平房空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在獲取多個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,估算居住平房燃煤量.具體計(jì)算如式(1)所示:

式中:A為居住平房燃煤量,t;S為各區(qū)居住平房高分辨率遙感影像解譯成果的平房面積,km2,i代表各區(qū)的序列號(hào), i=1,2,3…; CC為每個(gè)區(qū)縣的綜合燃煤系數(shù), kg/m2.

式中:J為該區(qū)采暖面積折算系數(shù); h為該區(qū)縣(或縣市)平房層高系數(shù); dr為單位采暖面積燃煤量系數(shù), kg/m2.

式中:S2為實(shí)地入戶(hù)調(diào)查得到的采暖面積,m2; S1為甚高分辨率衛(wèi)星影像遙感解譯的該戶(hù)居民的建筑基底面積,m2;n代表該區(qū)入戶(hù)調(diào)查的序列號(hào), …3,2,1=n ;j代表該區(qū)入戶(hù)調(diào)查的總數(shù);

式中:hn為入戶(hù)調(diào)查獲取的房屋層數(shù);

式中:T為該家庭的采暖季(非采暖季)燃煤總量, kg;D為燃煤天數(shù).

1.4 污染物排放量估算方法

1.4.1 污染物排放因子的確定 國(guó)內(nèi)民用燃煤的形式很多,但主要包括散煤和型煤燃燒[19].國(guó)內(nèi)已有多名學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究[20-23].受試驗(yàn)條件所限,筆者所用排放因子主要引用了 Zhi等[20]和Chen等[21]的研究成果以及《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[24]中給出的數(shù)值.

由于北京型煤和散煤均為無(wú)煙煤,選擇文獻(xiàn)[20-21]無(wú)煙煤排放因子的幾何平均值,其中燃燒型煤產(chǎn)生的 PM、BC、OC的排放因子分別為1.270,0.004,0.039g/kg,燃燒散煤產(chǎn)生的PM、BC、OC的排放因子分別為1.207、0.005、0.044g/kg.

由于我國(guó)各地煤炭中的硫分變化較大,并且SO2的排放因子主要與煤中硫分及煤的種類(lèi)有關(guān)[25],不能簡(jiǎn)單地用單一數(shù)據(jù)來(lái)表述,同時(shí)由于污染物NOx生成機(jī)理復(fù)雜[26],故該研究依據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[24]中給出的數(shù)值,其中燃燒型煤產(chǎn)生的 SO2和NOx的排放因子分別為2.72,1.7kg/t,燃燒散煤產(chǎn)生的SO2和NOx的排放因子分別為4.0,2.8kg/t.

冬季農(nóng)戶(hù)的取暖火爐因燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生大量一氧化碳有毒氣體,該研究參考了 Li等[27]計(jì)算得到的燃燒型煤和散煤產(chǎn)生 CO的排放因子分別是96,95kg/t.

1.4.2 污染物排放量的計(jì)算 將燃煤量乘以相應(yīng)污染物的排放因子就可得到各種污染物的排放量.

式中:EVi為i類(lèi)燃煤污染物的排放量,t;Ci為i類(lèi)污染物對(duì)應(yīng)的燃煤量,kg;EFi為i類(lèi)污染物的排放因子,g/kg.

2 結(jié)果與分析

2.1 北京市平原區(qū)居住平房空間分布特征

圖2 北京市平原區(qū)各區(qū)居住平房面積Fig.2 Area statistic of counties in bungalow dewelling areas in Beijing plain

遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示(圖 2):平房面積最大的區(qū)在通州,為41.3km2,其次是大興、順義和房山,居住平房面積均在 30km2以上,石景山區(qū)的平房面積最小,為 1.9km2.居住平房面積排名前五的區(qū)縣均屬于城市發(fā)展新區(qū),城市拓展區(qū)中,朝陽(yáng)區(qū)居住平房較其他區(qū)(海淀、豐臺(tái)、石景山)面積大.

從空間來(lái)看(圖3),北京市平原區(qū)居住平房主要分布在城市東南、西南和東北部,在城市拓展區(qū)中,五環(huán)路外的城鄉(xiāng)過(guò)渡帶平房分布密度高于城區(qū),二環(huán)～五環(huán)間的平房分布密度相對(duì)較小.按功能區(qū)來(lái)分,城市發(fā)展新區(qū)的平房面積最大,為181.6km2,占北京市平原區(qū)居住平房總面積的68.1%,同時(shí)分布也最為集中,應(yīng)作為平房面源污染監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域;其次是生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),其居住平房面積占北京市平原區(qū)居住平房總面積比例為19.0%,主要集中分布在城關(guān)鎮(zhèn)及周邊地區(qū).

圖3 北京市平原區(qū)居住平房空間分布Fig.3 Spatial distribution of bungalow dwelling areas

2.2 北京市平原區(qū)居住平房燃煤量

2.2.1 各區(qū)燃煤系數(shù)測(cè)算 根據(jù)本文 1.2中確定的系數(shù)計(jì)算公式,對(duì)各區(qū)的綜合燃煤系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4所示.

從圖4中可以看到,朝陽(yáng)區(qū)的綜合燃煤系數(shù)最高為 0.135kg/(m2·d),房山區(qū)最低為 0.065kg/ (m2·d),其余各區(qū)依次降低,但趨勢(shì)較緩,差別不大.根據(jù)燃煤入戶(hù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,型煤與散煤用量比例為1:4.

圖4 各區(qū)綜合燃煤系數(shù)Fig.4 Integrated coal coefficient at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing

2.2.2 各區(qū)燃煤量測(cè)算 統(tǒng)計(jì)顯示,通州區(qū)平房燃煤量最大,其次是順義和大興區(qū),均超過(guò)60萬(wàn)t,昌平區(qū)和房山區(qū)則接近于50萬(wàn)t,石景山由于區(qū)面積小,居住平房的面積也最小,故而燃煤量最低,僅有3.6萬(wàn)t.

根據(jù)燃煤量將平原區(qū)(不包含東、西城)分為3類(lèi):高于70萬(wàn)t的為散煤大區(qū),包含通州、順義和大興,該三個(gè)區(qū)的燃煤量總和占全市平原區(qū)平房燃煤量的 49.1%,接近總?cè)济毫康?50%;30～70萬(wàn)t的為散煤中區(qū),包括昌平、房山、平谷、密云和朝陽(yáng)區(qū),這 5個(gè)區(qū)的燃煤量總和為209.7萬(wàn) t;燃煤量低于30萬(wàn)t的區(qū)為散煤小區(qū),有海淀、懷柔、豐臺(tái)和石景山區(qū),除懷柔區(qū)外,另外3個(gè)區(qū)均屬于城市拓展區(qū).燃煤散燒量由西北向東南呈現(xiàn)增加趨勢(shì),燃煤量主要集中在城市發(fā)展新區(qū).

圖5 2015年北京市平原區(qū)各區(qū)燃煤量統(tǒng)計(jì)Fig.5 Coal consumption at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing in 2015

根據(jù)北京市統(tǒng)計(jì)年鑒[28],2014年北京市生活消費(fèi)用煤為293.5萬(wàn)t,與該研究估算的結(jié)果量級(jí)相當(dāng),因此,通過(guò)遙感提取平房面積進(jìn)而估算燃煤量的方法是確實(shí)可行的.該研究利用遙感獲得燃煤量略高于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).究其原因,主要有:①北京市統(tǒng)計(jì)年鑒中生活消費(fèi)用煤的數(shù)據(jù)來(lái)源于樣本調(diào)查統(tǒng)計(jì),該方法不能完全代表全部平房燃煤用戶(hù),存在統(tǒng)計(jì)誤差;②由于平房燃煤來(lái)源廣泛,沒(méi)有固定的售賣(mài)點(diǎn),燃煤量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)存在人為估算誤差;③受利益驅(qū)使部分煤炭通過(guò)非官方渠道進(jìn)入北京市場(chǎng),因此官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)往往低于實(shí)際結(jié)果;④統(tǒng)計(jì)年鑒中未考慮流動(dòng)人口,而隨著北京市流動(dòng)人口的增多,導(dǎo)致官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)低于遙感估算結(jié)果.今后研究中,可通過(guò)進(jìn)一步提高遙感提取精度,以及加密入戶(hù)調(diào)查數(shù)量等措施,提高燃煤量的估算精度.

根據(jù)2.2.1節(jié),散煤與型煤的比例計(jì)算得到各區(qū)散煤與型煤量,如圖6所示.

圖6 2015年北京市平原區(qū)散煤與型煤統(tǒng)計(jì)Fig.6 Coal consumption at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing in 2015

此次燃煤入戶(hù)調(diào)查的重點(diǎn)區(qū)域在五環(huán)～六環(huán)區(qū)間,且北京市城鄉(xiāng)接合部大部分區(qū)域亦位于該環(huán)間,圖7可以看到,五環(huán)～六環(huán)間各區(qū)燃煤量中,朝陽(yáng)區(qū)的燃煤量最大,為11.3萬(wàn)t,占本區(qū)燃煤量的 37.2%,其次是海淀和昌平區(qū),海淀區(qū)的燃煤量占本區(qū)燃煤量的 51.1%,超過(guò) 50%的燃煤量均分布在海淀區(qū)的五環(huán)～六環(huán)內(nèi),是重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域;占比最大的是石景山區(qū),五環(huán)～六環(huán)間燃煤量占全區(qū)燃煤量的72%,占比較大的區(qū)(石景山、海淀、朝陽(yáng)、豐臺(tái))均屬于城市拓展區(qū),且該區(qū)緊緊圍繞著城市核心區(qū).五環(huán)～六環(huán)區(qū)間的燃煤量占六環(huán)內(nèi)燃煤總量的比例為57.1%.

圖7 五環(huán)～六環(huán)區(qū)燃煤量Fig.7 the coal consumption in fifth - sixth ring district accounted for counties

2.2.3 燃煤量空間分布特征 (1)全市燃煤量空間分布特征:從空間來(lái)看(圖 8),燃煤量的分布呈現(xiàn)環(huán)狀分布,內(nèi)環(huán)的朝陽(yáng)、海淀、豐臺(tái)和石景山的燃煤量處于中間水平,外環(huán)的密云、懷柔、平谷的燃煤量相對(duì)也較低,而位于兩環(huán)中間區(qū)域的昌平、順義、通州、大興和房山的燃煤量較高.

該區(qū)域圍繞北京市城區(qū),大量的生活燃煤不但對(duì)局地污染貢獻(xiàn)明顯,對(duì)城區(qū)也構(gòu)成了潛在威脅.這些區(qū)域應(yīng)采取強(qiáng)有力的散煤燃燒綜合措施加以治理.

圖8 北京市平原區(qū)居住平房燃煤量空間分布Fig.8 the spatial distribution of coal consumption at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing

(2)五環(huán)～六環(huán)間燃煤量空間分布特征:從空間分布(圖9)來(lái)看,五環(huán)～六環(huán)居住平房燃煤量主要分布在朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)、昌平區(qū)和通州區(qū),燃煤量占五環(huán)～六環(huán)燃煤總量的 68.2%,在空間上呈西北-東南一線(xiàn)走向,其次是豐臺(tái)區(qū)和大興區(qū),位于城區(qū)南部,高密度的居住平房帶來(lái)較大的燃煤量.

圖9 五環(huán)～六環(huán)各區(qū)居住平房燃煤量分布Fig.9 the distribution of coal consumption at counties in fifth - sixth ring district in the plain area of Beijing

2.3 居住平房燃煤大氣污染物排放量

2.3.1 污染物排放量 基于平房遙感解譯結(jié)果和調(diào)研的排放因子,根據(jù)式(6)估算了2015年北京市平原區(qū)居住平房燃煤消耗產(chǎn)生的 PM、SO2、NOx、BC、OC、CO.各區(qū)居住平房燃煤所產(chǎn)生的大氣污染物排污量差別明顯(圖10),其中通州區(qū)的 SO2和 NOx排放量最高,分別為3534.4, 2514.0t,而石景山的排放量低,均少于150t;城市發(fā)展新區(qū)中的順義、大興、昌平、房山等區(qū)的PM排放量均在前列,而石景山的排放量低于50t.

比較圖11可知,型煤燃燒的BC排放量低于散煤.BC、OC排放量排在前幾位的區(qū)分別是通州區(qū)、順義區(qū)和大興區(qū).

2.3.2 污染物排放空間分布特征 為更好地分析居住平房燃煤散燒不同污染物排放量的空間分布特征,根據(jù)減排工作的關(guān)注焦點(diǎn),只討論P(yáng)M、SO2.利用普通克里格空間插值法,在地理信息系統(tǒng)軟件ARCGIS10.0的支持下,分別插值生成了2015年北京市平原區(qū)居住平房燃煤PM、SO2排放量的空間分布,結(jié)果如圖12所示.針對(duì)環(huán)形區(qū)域(通州、順義、大興等區(qū)),應(yīng)加快推行清潔燃料以及降低生活燃煤用量,清潔能源替代,逐步用電能、天然氣和太陽(yáng)能等清潔能源替代農(nóng)村散煤燃燒[29].

圖10 居住平房燃煤SO2、NOx、 PM、CO排放量Fig.10 SO2, NOx, PM and CO emissions at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing

北京市部分區(qū)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn) 2015年12月PM2.5與SO2的月均值(圖13)顯示,高于當(dāng)月月均值的站點(diǎn)分別是良鄉(xiāng)(房山)、亦莊(經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū))、通州、黃村(大興區(qū))以及永樂(lè)店(通州區(qū)),均位于北京市南部及東南部區(qū)域,與居住平房燃煤PM、SO2排放量空間分布高值區(qū)有部分重疊,從區(qū)域分布看,居住平房燃煤散燒污染排放物主要來(lái)源于人口相對(duì)集中、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)水平較高的城市發(fā)展新區(qū).其中,位于北京西南、東南地區(qū)的通州、大興等區(qū)排放水平最高,在不利氣象條件下,對(duì)市區(qū)的空氣污染貢獻(xiàn)較大[29-31].SO2污染水平反映了北京燃煤污染排放的主要特征,北京南部地區(qū)的高污染排放水平顯然與燃煤的高排放水平有直接關(guān)系.

圖11 平房散煤和型煤燃燒BC、OC排放量Fig.11 BC and OC emissions from combustions of chunk-coal stove and honeycomb briquette stove

圖12 平原區(qū)居住平房燃煤PM、SO2排放量空間分布Fig.12 the spatial distribution of PM, SO2in the plain area of Beijing

圖13 空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2015年12月PM2.5、SO2月均值Fig.13 the monthly average of PM2.5, SO2in air quality automatic monitoring station in Dec, 2015

3 結(jié)論

3.1 平原區(qū)仍有較高密度的居住平房,五環(huán)外的密度高于城區(qū),城市發(fā)展新區(qū)的平房面積占北京市平原區(qū)平房總面積的 56.9%.通州區(qū)燃煤量最大.燃煤散燒量空間上由西北向東南呈現(xiàn)增加趨勢(shì),主要集中在城市發(fā)展新區(qū),壓減燃煤工作重點(diǎn)仍集中在六環(huán)外的區(qū).

3.2 居住平房燃煤消耗產(chǎn)生的PM、SO2、NOx、BC、OC、CO大氣污染物排放量差別較明顯,其中通州區(qū)的污染物排放量最高.

3.3 遙感手段估算平房燃煤量,受平房斑塊提取精度的影響,同時(shí)受入戶(hù)被調(diào)查人員認(rèn)知差別,導(dǎo)致燃煤調(diào)查系數(shù)的精度,隨著系數(shù)中誤差的累積,均會(huì)影響到最后的燃煤量估算精度.

3.4 2013年北京市實(shí)施“農(nóng)村地區(qū)減煤換煤,清潔空氣”政策后,改用優(yōu)質(zhì)煤會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有燃煤排放因子高估,加大燃煤大氣污染物的排放量,要加強(qiáng)排放因子的更新.同時(shí),由于本文遙感影像的平房提取時(shí)間與2015年去煤化政策實(shí)施效果的時(shí)間差距,導(dǎo)致部分已完成清潔能源改造的農(nóng)村平房計(jì)入燃煤排放量的計(jì)算中,也會(huì)高估燃煤大氣污染物排放量.

3.5 該燃煤量估算方法切實(shí)可行,但后期需進(jìn)一步擴(kuò)大調(diào)研范圍,將山后其他區(qū)納入研究區(qū)范圍,摸準(zhǔn)各區(qū)各村落燃煤系數(shù);研究建立動(dòng)態(tài)更新機(jī)制,納入排放源清單;下一步將與環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)作關(guān)聯(lián)性分析.

[1] 北京市環(huán)境保護(hù)局.北京市 PM2.5來(lái)源解析正式發(fā)布[EB/OL]. http://www.bjepb.gov.cn/bjepb/323474/331443/331937/333896/3 96191/index.html, 2014-04-16.

[2] 張 嫣.京津冀開(kāi)打散煤殲滅戰(zhàn),兩年能否完成艱巨的任務(wù)？[EB/OL]. http://weekly.caixin.com/2016-03-04/100915858.html.2015-03-07

[3] 王菲菲,王先良,劉芳盈,等.燃煤 PM2.5不同組分對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的氧化損傷效應(yīng) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(3):780-785.

[4] LU Z, STREETS D C, ZHANG Q, et al. Sulfur dioxide emissions in China and sulfur trends in East Asia since 2000 [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,(10):6311-6331.

[5] YANG F M, TAN J H, ZHAO Q, et al. Characteristics of PM2.5speciation in representative megacities and across China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2011,11:5207-5219.

[6] Hallquist M,Wenger J C,Baltensperger U, et al. The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009,9(14):5155-5236.

[7] Smith K R, Ezzati M. How environmental health risk change with development: the epidemiology and environmental risk transitions revisited [J]. Annual Review of Environment and resources, 2005,30:329-333.

[8] Chen Y J, Zhi G R, Feng Y L, et al. Measurements of emission factors for carbonaceous particles from residential raw-coal combustion in China [J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(20):1861-1867.

[9] 陳穎軍,姜曉華,支國(guó)瑞,等.我國(guó)民用燃煤的黑碳排放及控制減排 [J]. 中國(guó)科學(xué)D輯:地球科學(xué), 2009,39(11):1554-1559.

[10] Shen G F,Tao S,Chen Y C, et al. Emission characteristics for polycyclic aromatic hydrocarbons from solid fuels burned in domestic stoves in rural China [J]. Environmental Science & Technology, 2013,47(24):14485-14494.

[11] Zhang W, Wei W, Hu D, et al. Emission of speculated mercury from residential biomass fuel combustion in China [J].Energy & Fuels, 2013,27:6792-6800.

[12] 蔡 竟,支國(guó)瑞,陳穎軍,等.中國(guó)秸稈焚燒及民用燃煤棕色碳排放的初步研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014,27(5):455-461.

[13] 薛亦峰,閆 靜,魏小強(qiáng).燃煤控制對(duì)北京市空氣質(zhì)量的改善分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014,27(3):253-258.

[14] 支國(guó)瑞,楊俊超,張 濤,等.我國(guó)北方農(nóng)村生活燃煤情況調(diào)查、排放估算及政策啟示 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2015,28(8):1179-1185.

[15] 章永潔,蔣建云,葉建東,等.京津冀農(nóng)村生活能源消費(fèi)分析及燃煤減量與替代對(duì)策建議 [J]. 中國(guó)能源, 2014,36(7):39-43.

[16] 龐 軍,吳 健,馬 中,等.我國(guó)城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(1):55-61.

[17] 柴發(fā)合,薛志剛,支國(guó)瑞,等.農(nóng)村居民散煤燃燒污染綜合治理對(duì)策 [J]. 環(huán)境保護(hù), 2016,6(2):15-19.

[18] 趙文慧,徐 謙,李令軍,等.北京平原區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部燃煤散燒及污染物排放量估算 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2015,28(6):869-876.

[19] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局工業(yè)交通統(tǒng)計(jì)司,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源局.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒:2000-2002 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2004:60-61.

[20] Zhi G R, Chen Y J, Feng Y L, et al. Emission characteristics of carbonaceous particles from various residential coal-stoves in China [J]. Environmental Science & Technology, 2008,42(9): 3310-3315.

[21] Chen Y J, Sheng G Y, Bi X H, et al. Emission factors for carbonaceous particles and polycyclic aromatic hydrocarbons from residential coal combustion in China [J]. Environmental Science & Technology, 2005,39:1861-1867.

[22] 劉 源,張?jiān)獎(jiǎng)?魏永杰,等.民用燃煤含碳顆粒物的排放因子測(cè)量 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007,27(9):1409-1416.

[23] Shen G F, Yang Y F, Wang W, et al. Emission factors of particulate matter and elemental carbon from crop residues andcoals burned in typical household stoves in China [J]. Environmental Science & Technology, 2010,44(18):7157-7162.

[24] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)污染源普查領(lǐng)導(dǎo)小組.第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)[EB/OL].2008:2-23. http://www. topsage.com.

[25] 陳傳敏,趙長(zhǎng)遂,趙 毅.O2/CO2氣氛下燃煤過(guò)程中 SO2排放特性實(shí)驗(yàn) [J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006,36(4):546-550.

[26] DE-LA-TORRE U, PEREDA-AYO B, MOLINER M, et al. Cu-zeolite catalysts for NOxremoval by selective catalytic reduction with NH3and coupled to NO storage/reduction monolith in diesel engine exhaust aftertreatment systems [J]. Applied Catalysis B: Environmental. 2016,187:419-427.

[27] LI Q, LI X, JIANG J, et al. Semi-coke briquettes: towards reducing emissions of primary PM2.5, particulate carbon, and carbon monoxide from household coal combustion in China [J]. Scientific Reports, 2016,6:19306.

[28] 北京市統(tǒng)計(jì)局,國(guó)家統(tǒng)計(jì)局北京調(diào)查總隊(duì).北京統(tǒng)計(jì)年鑒: [M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2015,104.

[29] 國(guó)務(wù)院.大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃[EB/OL]. http://www.gov.cn/ zwgk/2013-09/12/content_2486773.htm. 2013-09-12.

[30] 樊 夢(mèng),朱 蓉,朱克云,等.2015年11月京津冀持續(xù)重污染過(guò)程模擬研究 [J]. 高原山地氣象研究, 2016,36(1):7-14.

[31] 李令軍,王占山,張大偉,等.2013～2014年北京大氣重污染特征研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016,36(1):27-35.

[32] 蘇福慶,高慶先,張志剛,等.北京邊界層外來(lái)污染物輸送通道[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2004,17(1):26-29.

Estimation of coal consumption and related contamination emission in the plain area around Beijing during winter season.

ZHAO Wen-hui1,2, JIANG Lei1,2, ZHANG Li-kun1,2, LI Ling-jun1,2, ZHANG Da-wei1,2*, Li Qian1,2(Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China；2.Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing 100048, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：859～867

The spatial pattern of bungalow areas in the plain area of Beijing was interpreted with 1.5m high resolution remote sensing images in Aug, 2015. Then, the bungalow build-up areas were refined by a combination of field sampling and the imagery interpretations. A statistical model was developed to estimate the coal consumption in bungalow areas based on statistical records of build-up areas. The coal burning emissions of particulate matter (PM), sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), carbon monoxide (CO), black carbon (BC), and organic carbon (OC) were estimated by the emission factors that were collected from the relative researches. The results showed that: the consumed coal weight was especially in districts of Tongzhou, where the coal consumption was 0.974million tons in Tongzhou and the coal consumption more than 0.60million tons in Shunyi and Daxing. The coal consumption in Changping and Fangshan was close to 0.50million tons. The special distribution of coal consumption showed an increasing trend from the northwest to the southeast of Beijing. The new urban development district in Beijing had the highest bungalow density; Special attention should be given to Chaoyang and Haidian mountain areas. The emissions of PM、SO2、NOx、BC、OC、CO in the plain areas of Beijing were obvious difference. The highest emissions of SO2and NOxwere in Tongzhou district, reached 3534.4 tons and 2514.0 tons, respectively.

Beijing；bungalow；coal burning；pollutant emission

X51

A

1000-6923(2017)03-0859-09

趙文慧(1982-),女,內(nèi)蒙古阿拉善盟人,高級(jí)工程師,博士,主要從事環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)研究.發(fā)表論文10余篇.

2016-07-11

基于新一代衛(wèi)星遙感、地面監(jiān)測(cè)與分析模式的區(qū)域空氣質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用(Z161100001116013)

* 責(zé)任作者, 教授級(jí)高工, zhangdawei@bjmemc.com.cn