黑龍江省主要排放源非故意產(chǎn)生多氯聯(lián)苯的時空異質(zhì)性分布特征

崔　嵩，付　強，李天霄，馬萬里，楊劍釗

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院 國際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心，哈爾濱 150030；2. 哈爾濱理工大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，哈爾濱 150086；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 國際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心，哈爾濱 150090)

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黑龍江省主要排放源非故意產(chǎn)生多氯聯(lián)苯的時空異質(zhì)性分布特征

崔嵩1,2，付強1,*，李天霄1，馬萬里3，楊劍釗2

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院 國際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心，哈爾濱 150030；2. 哈爾濱理工大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，哈爾濱 150086；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 國際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心，哈爾濱 150090)

在確定黑龍江省非故意產(chǎn)生多氯聯(lián)苯(UP-PCBs)主要排放源為水泥行業(yè)、鋼鐵燒結(jié)、煉焦工業(yè)及熱電站(煤)的基礎(chǔ)上，利用1949—2014年黑龍江省4類主要排放源UP-PCBs的排放量為111 538 g，約占全國總排放量的0.86%。UP-PCBs的總排放量與GDP值呈顯著相關(guān)(R=0.980，P=0.000)。水泥行業(yè)、鋼鐵燒結(jié)及焦炭生產(chǎn)UP-PCBs排放均呈現(xiàn)由緩慢增加到快速增長，達(dá)到峰值后隨之降低的波動趨勢。2001—2014年UP-PCBs排放呈現(xiàn)較大的空間波動性，排放量增長率最低的城市為鶴崗(呈現(xiàn)負(fù)增長)、伊春、牡丹江和七臺河；哈爾濱、齊齊哈爾、牡丹江、大慶和綏化UP-PCBs排放對總排放量的貢獻(xiàn)率超過5%。

主要排放源；UP-PCBs；時空異質(zhì)性；黑龍江省

多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)是一類具有超凡穩(wěn)定性及耐熱性等特點被廣泛應(yīng)用于變壓器、電容器、印刷行業(yè)及液壓設(shè)備中的有機化學(xué)品[1-2]，因其具有高殘留性、高富集性、高毒性及環(huán)境持久性等特點[3-5]，易于通過食物鏈的傳遞效應(yīng)而對人體健康及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成潛在威脅[6]，因此被列為《斯德哥爾摩公約》優(yōu)先控制的12類有機污染物(persistent organic pollutants，POPs)之一[7]。我國在1965—1974年共生產(chǎn)PCBs 10 000 t[8]，主要用于變壓器和電容器油，以及油漆添加劑中。通常情況下，進入環(huán)境的PCBs主要分為3種類型，即故意生產(chǎn)使用的PCBs(intentionally produced PCBs，IP-PCBs)、非故意產(chǎn)生的PCBs(unintentionally produced PCBs，UP-PCBs)及電子垃圾拆解產(chǎn)生的PCBs(EW-PCBs)[9]，其中UP-PCBs主要是由于工業(yè)生產(chǎn)過程中燃料的不完全燃燒而無意產(chǎn)生的，已被列入《斯德哥爾摩公約》附件C中所要求采取措施進行減排控制的典型POPs。楊淑偉等參考日本環(huán)境省基于實測數(shù)據(jù)編制的排放因子，評估和編制了我國主要排放源2008年P(guān)CBs的排放量及排放清單，其中水泥行業(yè)約占UP-PCBs總排放量的90%以上[10]。Cui等利用日本環(huán)境省編制的排放因子，構(gòu)建了全球第一份國家尺度UP-PCBs排放清單，共評估我國1950—2010年UP-PCBs排放量為146 t，其中水泥和鋼鐵工業(yè)約占98.1%，同時成功解釋了我國農(nóng)村地區(qū)大氣中PCBs的主要來源[11]。隨后，Liu等根據(jù)實測數(shù)據(jù)編制了我國鋼鐵行業(yè)、垃圾焚燒及水泥行業(yè)工業(yè)熱處理過程中PCBs的排放因子[13]。Cui等基于我國排放因子，重新評估了UP-PCBs的總排放量為8.56 t，并編制了網(wǎng)格化排放清單[9]。鑒于目前的研究，主要集中在國家尺度網(wǎng)格化清單及我國分省區(qū)排放清單的評估和編制方面，缺少城市(地區(qū))UP-PCBs排放行為時空分布特征方面的研究，因此本研究針對黑龍江省主要排放源的情況，評估并編制UP-PCBs排放清單，同時對其時空異質(zhì)性分布特征進行分析，以其了解黑龍江省UP-PCBs的排放行為及分布狀況。

1　研究方法

1.1主要排放源的確定及數(shù)據(jù)來源

基于黑龍江省的工業(yè)結(jié)構(gòu)組成及數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究確定非故意產(chǎn)生PCBs的主要排放源為水泥行業(yè)、鋼鐵燒結(jié)、煉焦行業(yè)及熱電站(煤)等，其中水泥行業(yè)是以水泥的年產(chǎn)量為計算依據(jù)，鋼鐵燒結(jié)以粗鋼產(chǎn)量(t)為計算依據(jù)，水泥生產(chǎn)和鋼鐵燒結(jié)過程PCBs的排放因子來源于Liu等的研究結(jié)果，分別為231 000 ng/t和26 000 ng/t。煉焦行業(yè)是以焦炭的年產(chǎn)量為計算依據(jù)，其排放因子(23 100 ng/t)來源于Cui等的研究結(jié)果。熱電站(煤)是以年發(fā)電量(MW·h)為計算依據(jù)，其排放因子(1 703 ng/(MW·h))來源于Toda的研究結(jié)果。所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(年產(chǎn)量及發(fā)電量)均來自于黑龍江省統(tǒng)計年鑒，具體見圖1。

1.2變異系數(shù)

黑龍江省非故意產(chǎn)生PCBs排放量變異性的強弱，可用變異系數(shù)(coefficient of variation,Cv)進行表征，其計算公式為[14-15]：

(1)

式中σ和μ分別為各城市(地區(qū))2001—2014年P(guān)CBs排放量的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值。通常情況下，Cv≤0.1為弱變異，0.1

2　結(jié)果與討論

2.1UP-PCBs排放的總體特征

2.1.1UP-PCBs的總排放量

圖1　黑龍江省主要排放源年產(chǎn)量及發(fā)電量數(shù)據(jù)Fig.1　Annual output and power generation of main emission sources in Heilongjiang Province

圖2　黑龍江省UP-PCBs總排放量與GDP的變化趨勢Fig.2　Variation trend of total UP-PCBs emissions and GDP in Heilongjiang Province

根據(jù)1949—2014年黑龍江省水泥、粗鋼年產(chǎn)量及發(fā)電量數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)的可獲得性，焦炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源為1975—2014年(圖1)。利用相應(yīng)排放因子計算得到1949—2014年，黑龍江省主要排放源UP-PCBs的總排放量為111 538 g，約占全國UP-PCBs排放總量的0.86%，其中水泥生產(chǎn)、鋼鐵燒結(jié)、煉焦行業(yè)及熱電站(煤)的排放量分別為106 730.01 g、2 022.23 g、2 782.88 g和2.85 g，占黑龍江省主要排放源UP-PCBs排放總量的比例分別為95.69%、1.81%、2.50%和0.002 6%。由此可見，水泥行業(yè)UP-PCBs的排放將會顯著影響UP-PCBs總體排放行為的變化。

2.1.2UP-PCBs排放與經(jīng)濟增長的伴生過程

非故意產(chǎn)生PCBs的排放主要發(fā)生在工業(yè)熱處理過程中，而黑龍江省4類主要排放源所在行業(yè)正是國民經(jīng)濟發(fā)展及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面所不可或缺的，本研究將1952—2014年黑龍江省GDP值與相應(yīng)年份UP-PCBs的總排放量做相關(guān)分析，結(jié)果表現(xiàn)為顯著相關(guān)(R=0.980，P=0.000)(圖2)。由圖2可見，UP-PCBs的排放與GDP的增長呈伴生關(guān)系，1952—1997年UP-PCBs的排放呈現(xiàn)較平穩(wěn)的增長，1998—2011年為快速增長期且在2011年UP-PCBs的排放量達(dá)到峰值，隨后開始下降。然而，黑龍江省GDP值卻一直呈現(xiàn)增長的趨勢，由此可見，隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級，黑龍江省GDP增長已由高消耗高污染的粗放式經(jīng)濟發(fā)展方式，逐漸向以技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級為導(dǎo)向，同時注重污染物減排及環(huán)境質(zhì)量改善的健康經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。

圖3　1949—2014年黑龍江省主要排放源UP-PCBs排放量Fig.3　UP-PCBs emissions of main emission sources from 1949 to 2014 in Heilongjiang Province

2.2UP-PCBs排放的時空異質(zhì)性分布特征2.2.1UP-PCBs排放的時間趨勢

1949—2014年黑龍江省主要排放源UP-PCBs的排放量見圖3。由圖3可見，除熱電站(煤)生產(chǎn)過程中UP-PCBs的排放量相對較低外，水泥行業(yè)、鋼鐵燒結(jié)及焦炭生產(chǎn)UP-PCBs排放均呈現(xiàn)由緩慢增加到快速增長，達(dá)到峰值(I1)后隨之降低的波動趨勢，其中鋼鐵燒結(jié)和焦炭生產(chǎn)分別在20世紀(jì)90年代中期和2000年初期出現(xiàn)拐點(I2)，之后呈現(xiàn)快速增長的趨勢。由于UP-PCBs的排放受產(chǎn)量的影響，故黑龍江省4種主要排放源UP-PCBs排放的峰值時間點有所差異。Hogarh等研究表明，2004—2008年我國大氣中PCBs濃度增加了一個數(shù)量級，這與本研究在此期間UP-PCBs的快速增長相一致[16]。Cui等構(gòu)建了我國UP-PCBs的網(wǎng)格化排放清單，并成功地解釋了2004—2008年我國農(nóng)村大氣中PCBs增加的原因，主要是由于工業(yè)熱處理過程中PCBs的無意產(chǎn)生導(dǎo)致的[11]。然而，2011年之后UP-PCBs排放量的迅速降低，則可能是我國制定有關(guān)PCBs污染控制的相關(guān)政策及法規(guī)起到了積極的促進作用，尤其是我國正式履約后相關(guān)環(huán)境介質(zhì)中PCBs的含量呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。

圖4　黑龍江省各城市(地區(qū))UP-PCBs排放的時空變化趨勢 Fig. 4　Spatial-temporal variation of UP-PCBs emissions in different cities and regions in Heilongjiang Province

2.2.2UP-PCBs排放的空間分布特征

黑龍江省各城市(地區(qū))UP-PCBs排放的時空變化趨勢見圖4，2001—2014年UP-PCBs排放呈現(xiàn)較大的空間波動性，2001年排放量前5位分別為哈爾濱(704.2 g)、牡丹江(450.10 g)、齊齊哈爾(182.79 g)、伊春(182.11 g)和佳木斯(140.36 g)，而2014年則變化為哈爾濱(2 433.22 g)、齊齊哈爾(1 565.30 g)、綏化(867.37 g)、大慶(771.35 g)和佳木斯(725.44 g)，2001—2014年排放量增長率最低的城市為鶴崗(呈現(xiàn)負(fù)增長)、伊春、牡丹江和七臺河。為進一步分析2001—2014年黑龍江省各城市(地區(qū))UP-PCBs的時空變化特征，計算的變異系數(shù)見圖5。由圖5可見，除大興安嶺地區(qū)處于強變異外，其它城市均處于中等變異，實際上UP-PCBs的排放量主要受水泥產(chǎn)量變化的影響，而該行業(yè)與國民經(jīng)濟發(fā)展及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密不可分，從另一方面來說，UP-PCBs排放的空間變異程度也能夠反映出該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r、城鎮(zhèn)化及工業(yè)化進程及對污染物減排控制措施與政策實施的有效性。2001—2014年黑龍江省各城市(地區(qū))UP-PCBs排放對總排放量的貢獻(xiàn)率見圖6。由圖6可見，貢獻(xiàn)率超過5%的城市，依次為哈爾濱(30.78%)、齊齊哈爾(14.87%)、牡丹江(9.07%)、大慶(8.85%)和綏化(7.63%)。

圖5　2001—2014年黑龍江省各城市(地區(qū))UP-PCBs排放的變異系數(shù)Fig.5　Coefficient of variation of UP-PCBs emissions from 2001 to 2014 in different cities and regions in Heilongjiang Province

圖6　2001—2014年黑龍江省各城市(地區(qū))UP-PCBs排放的貢獻(xiàn)率Fig. 6　Contribution rate of UP-PCBs emissions from 2001 to 2014 in different cities and regions in Heilongjiang Province

3　結(jié)　論

1)1949—2014年黑龍江省水泥生產(chǎn)、鋼鐵燒結(jié)、煉焦行業(yè)及熱電站(煤)4類主要排放源UP-PCBs的總排放量為111 538 g，約占全國UP-PCBs排放總量的0.86%。

2)UP-PCBs的總排放量與黑龍江省GDP值呈顯著相關(guān)(R=0.980，P=0.000)。UP-PCBs的排放與GDP的增長呈伴生關(guān)系，1952—1997年UP-PCBs的排放呈現(xiàn)較平穩(wěn)的增長，1998—2011年為快速增長期且在2011年UP-PCBs的排放量達(dá)到峰值，隨后開始下降。生態(tài)文明建設(shè)的深入推進和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級可能對污染物減排及生態(tài)環(huán)境保護起到積極的促進作用。

3)水泥行業(yè)、鋼鐵燒結(jié)及焦炭生產(chǎn)UP-PCBs排放均呈現(xiàn)由緩慢增加到快速增長，達(dá)到峰值后隨之降低的波動趨勢，其中鋼鐵燒結(jié)和焦炭生產(chǎn)分別在20世紀(jì)90年代中期和2000年初期出現(xiàn)拐點，之后呈現(xiàn)快速增長的趨勢。

4)2001—2014年UP-PCBs排放呈現(xiàn)較大的空間波動性，排放量增長率最低的城市為鶴崗(呈現(xiàn)負(fù)增長)、伊春、牡丹江和七臺河。2001—2014年哈爾濱、齊齊哈爾、牡丹江、大慶和綏化UP-PCBs排放對總排放量的貢獻(xiàn)率超過5%。

致謝：本文得到國家自然科學(xué)基金項目(41401550)資助。

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Spatial-temporal heterogeneity of unintentionally produced PCBs of major emission sources in Heilongjiang Province

CUI Song1,2, FU Qiang1,*, LI Tian-Xiao1, MA Wan-Li3, YANG Jian-Zhao2

(1.InternationalJointResearchCenterforPersistentToxicSubstances(IJRC-PTS),SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030; 2.CollegeofEconomics,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150086; 3.IJRC-PTS,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090)

This study investigates the emission sources of unintentionally produced polychlorinated biphenyls (UP-PCBs), to confirm the main emission sources including cement industries, sinter plants in the iron and steel industries, thermal power stations and cooking industries. According to emission factors of different emission sources, the emission inventory was assessed and compiled. The result showed that the four emissions of UP-PCBs are 111 538 g in Heilongjiang Province, approximately 0.86% in the total emissions from 1949 to 2014 in China. There is a significant correlation between gross domestic products (GDP) and emission amount (R=0.980，P=0.000). The UP-PCBs emissions from cement industries, sinter plants in the iron and steel industries and cooking industries presented large variation trends from slow to rapid growth, and subsequently decreased after reaching peak value. The UP-PCBs emissions presented large variation trends from 2001 to 2014.Emissions of the lowest growth rate are Hegang (negative growth), Yichun, Mudanjiang and Qitaihe. The emissions from Harbin, Qiqihaer, Mudanjiang, Daqing and Suihua have contributed more than 5% of the total emissions.

main emission sources; unintentionally produced PCBs; spatial-temporal heterogeneity;Heilongjiang Province

10.13524/j.2095-008x.2016.03.039

2016-05-29

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541123)

崔嵩(1981-)，男，黑龍江寶清人，副教授，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)水土資源環(huán)境效應(yīng)及持久性有毒物質(zhì)數(shù)值模擬，E-mail：cuisong-bq@neau.edu.cn；*通訊作者：付強(1973-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)分析，E-mail：fuqiang0629@126.com。

X323

A

2095-008X(2016)03-0041-06