杭州市大氣污染物排放清單及特征

葉賢滿，徐 昶，2，洪盛茂，焦 荔，沈建東，張 天，何 曦

大氣污染物排放清單是基于一定空間范圍和時間尺度對影響空氣質(zhì)量的污染物排放量的估算。排放清單是研究大氣污染特征、機制和成因，開展環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值模擬和預報預警的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［1］，也是制定城市及區(qū)域大氣污染控制措施、開展污染防治工作的重要依據(jù)。

早在20世紀90年代，中國就已開展大氣污染物排放清單的研究。田賀忠等［2］估算分析了1995—1998年間中國氮氧化物排放清單及分布特征;趙斌等［3］系統(tǒng)建立了2003年天津市大氣污染源排放清單;曹國良等［4］對2007年中國主要顆粒物及污染氣體的排放清單進行了估算。隨著近年來中國城市化的快速發(fā)展和機動車保有量的快速增加，城市及區(qū)域大氣污染日趨嚴重［5］，針對大氣污染物排放清單的研究也不斷增多和深入［6-11］。相比而言，杭州市大氣污染物排放清單的研究較少，董艷強等［12］和黃成等［13］分別對2004、2007年長三角地區(qū)人為源氨等污染物排放清單進行估算，但其基于長三角中尺度范圍開展，存在污染物和排放源類別不全、空間分辨率較低等問題，無法全面細致地反映杭州市大氣污染物排放特征，難以滿足高分辨率的空氣質(zhì)量模型模擬開展。因此，以2010年為基準年，通過整合多套排污數(shù)據(jù)庫及統(tǒng)計資料，研究文獻報道及模型計算的污染物排放因子，獲取杭州市區(qū)大氣主要污染物的排放總量及污染分擔率，建立了2010年杭州市大氣污染物排放清單，并通過1 km ×1 km網(wǎng)格化落地分析了污染物排放的行業(yè)及區(qū)域分布特征。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域

圖1為研究區(qū)域示意圖，覆蓋杭州市主城區(qū)(上城區(qū)、下城區(qū)、西湖區(qū)、江干區(qū)、拱墅區(qū)、濱江區(qū))、蕭山區(qū)和余杭區(qū)。污染物排放量的平面空間分布精度為1 km×1 km。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2 排放清單的估算方法

1.2.1 污染源的分類

將杭州市大氣污染源分為一級排放源和二級排放源2 個級別，涵蓋工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源、交通源、自然源等類型。一級排放源指點源、線源和面源3 大類。二級排放源特指一級排放源中的具體組成類別，其中，點源二級排放源分為鍋爐、爐窯、生產(chǎn)工藝/儲罐等;線源二級排放源主要為機動車和道路揚塵。面源二級排放源分為燃料燃燒排放源、VOCs 排放源和NH3排放源。

1.2.2 污染物的識別及遴選

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)［14］中常規(guī)污染物的監(jiān)測及考核需求，并參考美國環(huán)保署NEI2002 排放清單，結(jié)合杭州產(chǎn)業(yè)特征及大氣污染現(xiàn)狀，篩選出適合現(xiàn)階段杭州城市發(fā)展狀況的大氣污染源排放主要一次污染物，即將PM10、PM2.5、SO2、NOx、CO、VOCs 和NH3等因子列為主要的污染源清單目標污染物。

1.2.3 數(shù)據(jù)來源及排放量計算

1.2.3.1 點源排放

點源主要為工業(yè)點源，其中SO2和NOx的排放量直接采用2007、2010年全國污染源普查數(shù)據(jù)及更新數(shù)據(jù)庫，以企業(yè)為單位記錄全年各大氣污染物的排放量，并適當參考企業(yè)環(huán)境影響評價報告和排污申報數(shù)據(jù)。取粉塵與煙塵排放量之和作為TSP 排放量，并根據(jù)張強等［15］研究結(jié)果計算獲得PM10與PM2.5的排放量。由于污染普查數(shù)據(jù)庫中沒有CO、VOCs 和NH3的直接數(shù)據(jù)，因此其排放量采用排放系數(shù)法進行估算，基本公式為

式中:E 為排放量，t;A 為排放源活動水平(如各類燃料消耗量);EF 為各類污染源、污染物的排放因子;η 為尾氣治理設(shè)施的污染物去除效率;i、j、k 分別代表不同污染物、污染源及區(qū)域。以參考文獻的研究結(jié)果［3，12，16-17］確定各類污染源、污染物的排放因子，并結(jié)合相應(yīng)的活動水平和末端治理工藝，計算污染物的排放量。

1.2.3.2 線源

線源主要為道路交通源(含機動車尾氣源和道路揚塵源)。由杭州市機動車排氣污染管理處獲得2010年市區(qū)機動車保有量及車型情況，通過車輛年檢(I/M)結(jié)果獲得車齡、里程數(shù)等信息，利用簡易工況法測定NOx、CO、HCs 排放系數(shù)。對于PM10、PM2.5、SO2、VOCs、NH3無法直接獲取的排放因子則通過修正的IVE 模型計算獲得［18］，或參考文獻［3］報道的排放系數(shù)。此外通過實測獲得市區(qū)130 條主要道路車流量及車隊信息比例，用于排放量落地處理。

道路揚塵源主要以杭州市鋪設(shè)道路為研究對象，利用交通地圖、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及地圖分析道路分布，參考黃嫣旻等［19］和孫娟［20］研究結(jié)果，進行鋪設(shè)道路各粒徑范圍的揚塵量估算。

1.2.3.3 面源排放

面源排放量主要采用排放系數(shù)法估算，主要包括燃料燃燒面源、VOCs 面源、NH3面源，具體各面源的構(gòu)成和排放系數(shù)出處如表1所示。

1.2.4 空間定位及落地處理

根據(jù)污染物及污染源的特點，采用不同的空間定位及落地方法，通過地理信息系統(tǒng)對各污染物的排放信息按照1 km ×1 km 分辨率進行空間屬性分配(表1)。各類點源、污水處理廠、印刷油墨、油品存儲點、垃圾處理中心、工業(yè)分散燃燒等排放源按照“分總”的分配模式通過其排污口或企業(yè)幾何中心的經(jīng)緯信息定位到對應(yīng)網(wǎng)格。線源以網(wǎng)格內(nèi)道路長度與車流量乘積之和為權(quán)重，按照“總分”模式分配到對應(yīng)網(wǎng)格。不能進行精確經(jīng)緯度定位的面源則以特定類型土地面積、人口數(shù)量、畜禽數(shù)量或植被排放面積為權(quán)重，以“總分”模式分配對應(yīng)網(wǎng)格中污染物排放量。

表1 排放源類別及空間定位方法

2 結(jié)果與討論

2.1 杭州市2010年大氣污染物排放清單

基于估算方法，得到杭州市區(qū)大氣污染物排放清單，如表2所示。

表2 2010年杭州市區(qū)大氣污染物排放清單 t

由表2可以看出，2010年，杭州市區(qū)PM10、PM2.5、SO2、NOx、CO、VOCs、NH3的排放總量分別為7.96 ×104、4.02 ×104、7.23 ×104、8.98 ×104、73.90 ×104、39.56 ×104、3.32 ×104t。

2.2 排放源分擔率及特征

表2也體現(xiàn)出主要污染物一級排放源的分擔率狀況。具體來看，點源是SO2、NOx和CO 的第一大貢獻源，分擔率分別達到73.6%、48.3%和68.9%。線源是PM10和PM2.5的第一來源，分擔率分別達到59.0%和47.1%。面源是VOCs 和NH3的首要來源，分擔率分別為66.2% 和91.7%。

進一步對二級排放源分擔率狀況進行分析，如圖2所示。

圖2 杭州市區(qū)主要大氣污染物排放分擔率構(gòu)成

由圖2可見，道路揚塵是PM10的首要來源，分擔率達到了44.6%，其次是機動車、工業(yè)爐窯和電廠鍋爐，分擔率分別為14.4%、11.2% 和9.5%，表明PM10主要來源于道路交通源和工業(yè)點源排放。PM2.5的首要來源為機動車排放，分擔率達到了27.1%，其次是道路揚塵、工業(yè)爐窯和電廠鍋爐，分擔率分別為20.0%、13.3% 和13.1%;與PM10不同，PM2.5的貢獻來源中，機動車排放超越道路揚塵成為首要來源，主要因為道路揚塵源排放的顆粒物以粗粒徑為主，對PM10的貢獻與PM2.5相比較大。NOx的首要來源是機動車排放，分擔率達到40.3%，其次是電廠鍋爐、工業(yè)爐窯和工業(yè)鍋爐，分擔率分別為25.7%、10.3%和9.9%，表明NOx排放受到移動源和固定源的雙重影響，在考慮機動車排放對NOx的影響的同時，工業(yè)點源的貢獻也不容忽視。CO 的首要來源是工業(yè)爐窯，分擔率達到了41.5%，其次是機動車、生產(chǎn)工藝和工業(yè)鍋爐，分擔率分別為21.4%、14.6%和9.0%;蕭山區(qū)和余杭區(qū)建有多個水泥廠和磚瓦廠，活動水平數(shù)據(jù)和排放因子相對較高，可能是工業(yè)爐窯貢獻率較大的原因;此外機動車排放也是CO 的重要來源，這與CO 通常被作為機動車尾氣示蹤劑的事實相符。VOCs 的首要來源為機動車排放，分擔率達到了31.1%，其次是植被BVOC 和涂料，分擔率分別為27.1% 和25.7%;近年來杭州市機動車保有量急速增長［26］，污染物排放量也迅速增加，可能是其對VOCs 的貢獻較大的主要原因;而杭州市區(qū)山地林地較多，擁有西湖、西溪濕地、湘湖等諸多景點，植被綠地覆蓋率較高，其排放的BVOC 也成為總VOCs的重要來源之一;此外，涂料、油墨等原材料極易揮發(fā)逸散的揮發(fā)性有機物，也成為重要的VOCs 排放貢獻行業(yè)。NH3的首要來源是畜禽養(yǎng)殖，分擔率達到了76.5%，其次是氮肥施用和生產(chǎn)工藝，分擔率分別為13.0%和6.1%;蕭山區(qū)和余杭區(qū)農(nóng)用地面積較廣，畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖和散養(yǎng)數(shù)量較大［27］，較高的活動水平數(shù)據(jù)可能是畜禽養(yǎng)殖排放貢獻率較高的主要原因。SO2的首要來源是電廠鍋爐，分擔率達到了37.0%，其次是工業(yè)爐窯、鍋爐和分散燃燒，分擔率分別為18.0%、16.2%和15.6%，表明其主要來源于工業(yè)點源或固定源排放的貢獻，其他行業(yè)的貢獻較小。

值得注意的是，機動車和道路揚塵已經(jīng)成為杭州市區(qū)多個污染物的重要來源，其對PM10、PM2.5、NOx、CO 和VOCs 的貢獻分別達到了59.0%、47.1%、40.3%、21.4% 和31.1%，已成為影響杭州市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的最重要的排放來源，必須引起重視。

2.3 空間分布特征

對各污染物進行1 km×1 km 網(wǎng)格化落地，分析其空間分布特征，如圖3所示。

圖3 2010年杭州市區(qū)大氣污染物1 km×1 km 網(wǎng)格化排放清單空間分布

由圖3可見，PM2.5排放主要集中在主城區(qū)及蕭山區(qū)中心等道路密集、機動車流量較高的區(qū)域，空間分布呈明顯的路網(wǎng)特征，結(jié)合上文可知其分布主要受機動車和道路揚塵排放的影響。NOx排放集中在主城區(qū)和蕭山區(qū)中心，呈一定路網(wǎng)特征，同時在蕭山、下沙和余杭的工業(yè)區(qū)也有一定分布;NOx主要來源于機動車、電廠和工業(yè)鍋爐、爐窯排放，因此空間分布受到移動源和固定源的雙重影響。VOCs 主要來源于機動車、植被BVOC 和涂料油墨使用等排放，因此主要集中在主城區(qū)和蕭山區(qū)中心的路網(wǎng)和人口密集地帶;此外在西湖區(qū)、余杭區(qū)西部、蕭山區(qū)南部等山地林地較多、植被覆蓋較廣的區(qū)域也有明顯分布，主要受植被BVOC 排放的影響。NH3排放的空間分布特征與上述污染物顯著不同，蕭山最多，余杭次之，主城區(qū)排放量則很少，這主要是由于NH3基本源于畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用排放，兩者主要分布在蕭山區(qū)和余杭區(qū)郊縣，其中蕭山區(qū)養(yǎng)殖業(yè)最為發(fā)達［27］，主城區(qū)已基本沒有大型養(yǎng)殖場和農(nóng)田用地。

研究發(fā)現(xiàn)，主城區(qū)范圍內(nèi)，機動車和道路揚塵排放對PM10、PM2.5、NOx、CO、VOCs 和NH3的貢獻則分別達到了74.5%、61.5%、56.0%、29.3%、47.4%和28.2%，較市區(qū)范圍內(nèi)明顯上升，其中機動車不僅是主城區(qū)PM2.5、NOx、VOCs的第一大來源，同時也是PM10、CO、NH3的第二大來源，已成為影響杭州市區(qū)及主城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量最主要的排放來源，必須引起重視。

2.4 排放清單的不確定性

排放清單的編制通常存在一定的不確定性［28］，清單估算和建立過程涉及數(shù)據(jù)和方法較多，不確定性主要來源于3 個方面:①活動水平數(shù)據(jù)選取。各類點源、工業(yè)分散燃燒、垃圾和污水處理等活動數(shù)據(jù)來自污染源普查、重點源監(jiān)測和環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不確定性較低;機動車、油庫和加油站信息來源于相關(guān)部門提供的第一手資料，民用燃料、涂料、油墨、畜禽養(yǎng)殖、氮肥施用、秸稈焚燒、人口數(shù)量、道路面積等活動數(shù)據(jù)來自統(tǒng)計年鑒、環(huán)境統(tǒng)計和地圖等相關(guān)數(shù)據(jù)，也基本可靠;但住宿餐飲和其他服務(wù)業(yè)等活動數(shù)據(jù)來源于環(huán)境統(tǒng)計和相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，由于統(tǒng)計調(diào)查開展的不全面，活動數(shù)據(jù)可能有所缺失，存在一定的不確定性。②排放因子選取和計算。各類點源(如鍋爐、爐窯)及工業(yè)分散燃燒等燃燒設(shè)施排放的SO2、NOx等常規(guī)污染物排放因子在國內(nèi)已有較好的研究基礎(chǔ)，可靠性相對較高;PM10和PM2.5排放因子來源于國內(nèi)學者模型模擬及部分實測結(jié)果，存在一定的不確定性;而部分CO、VOCs 和NH3的污染源排放因子研究在國內(nèi)仍相對較少，往往直接采用美國和歐洲的研究成果，與本地的實際情況存在較大差別，不確定性可能較大。③空間定位與落地處理。各類點源的空間定位和排放落地基于鍋爐、爐窯或企業(yè)經(jīng)緯度坐標，不確定性較低;機動車、道路揚塵、成品油儲運、垃圾處理、污水處理、畜禽養(yǎng)殖、氮肥使用、植被排放等污染源的空間定位和排放落地是基于行政地圖、交通地圖、耕地現(xiàn)狀圖、衛(wèi)星遙感等信息，也較為可靠;而民用燃料、涂料、住宿餐飲、其他服務(wù)和人體排放等污染源的排放落地基于人口數(shù)量和密度，最小分辨率只精確到每個街道(鄉(xiāng)鎮(zhèn))，因此存在一定的不確定性。除此之外，清單未涵蓋火車機車、船舶、飛機及工程機械等非道路移動源，建筑工地、堆場等揚塵排放源，以及部分未知的其他來源，可能導致現(xiàn)有的排放清單存在低估。后續(xù)的工作中還需加強大氣污染源排放基礎(chǔ)及活動水平研究，開展重點污染源排放因子實測工作，以及空間定位和排放落地的精細化處理，進一步完善和細化杭州市大氣污染物排放清單。

3 結(jié)論

1)2010年杭州市區(qū)PM10、PM2.5、SO2、NOx、CO、VOCs 和NH3的排放總量分別為7.96 ×104、4.02 ×104、7.23 ×104、8.98 ×104、73.90 ×104、39.56 ×104、3.32 ×104t。

2)從排放分擔率來看，機動車尾氣排放是杭州市大氣污染物最重要的排放源之一，對PM10、PM2.5、NOx、CO 和VOCs 的貢獻分別達到14.4%、27.1%、40.3%、21.4%和31.1%。

3)道路揚塵、電廠鍋爐、工業(yè)爐窯、植被、畜禽養(yǎng)殖對不同污染物分別有著重要貢獻，道路揚塵 對PM10和PM2.5的貢獻分別為44.6% 和20.0%、電廠鍋爐對SO2和NOx的貢獻分別為37.0% 和25.7%、工業(yè)爐窯對CO 的貢獻為41.5%、植被排放對VOCs 的貢獻為27.1%、畜禽養(yǎng)殖對NH3的貢獻為76.5%。

4)空間分布顯示，蕭山區(qū)和余杭區(qū)對SO2、NH3和植被BVOC 的貢獻顯著高于主城區(qū)，而主城區(qū)范圍內(nèi)機動車對PM2.5、NOx和VOCs 的貢獻分別達到36.3%、56.0%和47.4%，較市區(qū)范圍內(nèi)顯著增加，表明機動車尾氣排放已成為杭州主城區(qū)大氣污染最重要的來源之一。

5)排放清單具有一定不確定性，主要受活動數(shù)據(jù)、排放因子、落地處理等因素的影響，后續(xù)將加強污染源排放基礎(chǔ)及活動水平研究，開展重點源排放因子實測工作，以及空間定位和排放落地的精細化處理，進一步完善和細化杭州市大氣污染物排放清單。

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