秸稈焚燒對哈爾濱市灰霾天氣的影響

邢延峰，王鵬杰，曹 勝，姜景陽，張 蕊，孫越天，郭 欣，孟慶慶

黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

秸稈焚燒對哈爾濱市灰霾天氣的影響

邢延峰，王鵬杰，曹 勝，姜景陽，張 蕊，孫越天，郭 欣，孟慶慶

黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

2015 年11月1—4日，哈爾濱市及周邊地區(qū)發(fā)生了連續(xù)的灰霾天氣，顆粒物濃度急劇升高。污染發(fā)生時，監(jiān)測儀器均布設(shè)在哈爾濱市區(qū)上風(fēng)向30 km處(哈爾濱市雙城區(qū))并開展了連續(xù)96 h的監(jiān)測分析。綜合利用氣象觀測資料，3D可視激光雷達監(jiān)測資料及地面空氣污染監(jiān)測資料分析了灰霾天氣發(fā)生的氣象條件和污染邊界層特征，根據(jù)哈爾濱市雙城區(qū)大氣污染物排放源譜庫對主要成分進行來源解析，結(jié)合顆粒物質(zhì)量濃度和氣象條件研究了秸稈焚燒對灰霾天氣的影響。結(jié)果表明，灰霾天氣持續(xù)期間，夜間生物質(zhì)燃燒源成為該地區(qū)顆粒物的第二大源；秸稈焚燒產(chǎn)生的大氣污染物，由于地面長時間靜風(fēng)，污染邊界層降低等原因，致使本地污染物累積、不易擴散，加劇了本次污染。

灰霾；秸稈焚燒；來源解析；氣象條件

Abstract:There had been continuous ash haze weather on November 1-4 of 2015 in Harbin and surrounding areas, and the particle concentration was dramatically increased. The pollution monitoring instruments were set 30 km upwind of urban Harbin and carried out continuous monitoring analysis for 96 hours when the pollution happened. Combined with meteorological observation data, 3D visual laser radar monitoring data and ground air pollution monitoring data, the meteorological conditions and pollution boundary layer characteristics of ash haze weather were analyzed, and then its source apportionment was carried out according to the local atmospheric pollutant emission spectrum database. Finally the effects of straw burning on ash haze weather were analyzed with particle mass concentration and meteorological conditions. The results showed that during the ash haze weather period, biomass combustion at night became the second largest source of particulate matter in the local region. Due to longtime static wind on the ground and reduced pollution boundary layer, the local pollutants from straw burning were accumulated and not easy to spread, this haze weather was aggravated.

Keywords:ash haze;straw burning;source apportionment;meteorological conditions

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)的推進，農(nóng)村生活水平的普遍提高，秸稈作為一種低燃值的能源已不再作為農(nóng)村的生活燃料，失去它傳統(tǒng)的利用價值，從“寶”變“廢”[1-2]。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年的農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)生量約6×108t，而國內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)，秸稈綜合利用率仍處于較低水平[3]，在夏、秋糧食收獲期間，秸稈焚燒頻發(fā)，大量有害物質(zhì)進入大氣[4-5]。目前，生物質(zhì)燃燒已經(jīng)成為全世界重要的大氣微痕量成分的排放來源，其排放及二次形成的污染氣體和氣溶膠顆粒物導(dǎo)致大氣中總懸浮顆粒數(shù)增多，對局部地區(qū)空氣質(zhì)量、大氣中發(fā)生的化學(xué)過程乃至氣候變化產(chǎn)生重要影響[6-9]。

秸稈焚燒會造成環(huán)境空氣質(zhì)量短時間嚴(yán)重惡化, 致使城市及周邊出現(xiàn)大范圍“霾”天氣[10-11]，所謂霾現(xiàn)象，從感官上說，它是大氣中氣溶膠系統(tǒng)對可見光的消弱效應(yīng)而造成的一種視程障礙[12-14]，具體表現(xiàn)為水平的能見度降低，天空灰蒙蒙一片，通常說是“看得見的污染”[15]。近年來，我國大部分地區(qū)均遭遇過連續(xù)數(shù)日的灰霾天，2004—2009年，南通市在有明顯秸稈焚燒氣味期間，南通市環(huán)境空氣中PM10質(zhì)量濃度均出現(xiàn)不同程度的上升[16]；2008年10月28—29日，南京及周邊地區(qū)秸稈焚燒導(dǎo)致南京市發(fā)生一次嚴(yán)重空氣污染[3]；2011年12月27日至2012年1月1日，太原出現(xiàn)了連續(xù)灰霾天氣[17]； 2013 年6月5—6日，河南省鄭州市發(fā)生了一次由于秸稈焚燒造成的嚴(yán)重霾天氣，城區(qū)能見度最低只有50 m 左右[18]。

哈爾濱市作為東北地區(qū)重污染城市之一，連續(xù)的灰霾天氣嚴(yán)重影響了民眾的身心健康和生活質(zhì)量，引起社會廣泛關(guān)注。為了及時捕捉灰霾天氣發(fā)生時的污染特征和變化過程，本文針對2015年11月1—4日哈爾濱市雙城區(qū)一次完整的灰霾天氣，利用地面空氣污染監(jiān)測資料，氣象觀測資料和3D可視激光雷達監(jiān)測資料對秸稈焚燒如何加劇灰霾天氣的污染程度進行系統(tǒng)分析。

1 材料和方法

1.1監(jiān)測地點與時間

監(jiān)測地點位于哈爾濱市上風(fēng)向雙城區(qū)污水處理廠院內(nèi)(圖1)，距離哈爾濱市區(qū)西南約30 km，該處位于雙城區(qū)北端，周圍無高大建筑物遮擋，附近無工業(yè)污染源，周邊農(nóng)田環(huán)繞，經(jīng)過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點附近夜間存在秸稈焚燒現(xiàn)象。因此，通過該監(jiān)測點位得到的觀測數(shù)據(jù)可以清晰的判別秸稈焚燒對空氣質(zhì)量影響特征，并可以較好的反映出哈爾濱市上風(fēng)向污染水平。

監(jiān)測時間為2015年11月1—4日，晝夜連續(xù)監(jiān)測，同時記錄采樣時的天氣狀況(溫度、相對濕度、風(fēng)速等)。

1.2主要監(jiān)測儀器

在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀 SPAMS 0525；顆粒物監(jiān)測儀5014i(美國)；3D可視激光雷達EV-Lidar-CAM。

2 結(jié)果與討論

監(jiān)測期間，1日14∶00至4日08∶00風(fēng)向以西南風(fēng)為主，風(fēng)速為0.09～3.54 m/s，能見度為0.17～30.1 km，濕度為27.3～88.9%，溫度為-1.4～15.3 ℃，PM2.5質(zhì)量濃度為63～805 μg/kg。監(jiān)測期間氣象參數(shù)見表1。

結(jié)果顯示，監(jiān)測期間共出現(xiàn)3個主要污染時段，分別為11月1日17∶00至2日08∶00、11月3日17∶00至4日06∶00，這兩個時段的污染主要是夜間本地生物質(zhì)大量燃燒所致。11月2日13∶00至3日13∶00時，本時段的污染主要是由靜風(fēng)、高濕等不利氣象條件造成污染物積累所致。

表1 監(jiān)測期間氣象參數(shù)Table 1 Meteorological parameters during the monitoring

注：“—” 表示無該值。

2.111月1日17∶00至2日08∶00污染過程監(jiān)測結(jié)果分析

此時段污染過程風(fēng)向以西南風(fēng)為主，風(fēng)速基本低于1 m/s(屬于靜風(fēng)，不利于污染擴散)，濕度為39.4～83.6%(2日06∶00)，溫度為0.9～9.1 ℃，能見度為24.82(2日08∶00)～2.26 km(1日18∶00)。污染原因大致分為三方面：

1)周邊農(nóng)田生物質(zhì)燃燒，污染加劇

監(jiān)測期間，隨著夜幕降臨，周邊農(nóng)田陸續(xù)開始大面積秸稈焚燒，焚燒時間主要集中在18∶00至22∶00，導(dǎo)致顆粒物污染加重(1日17∶00至2日05∶00)。如圖2所示。PM2.5濃度由17∶00最低的142 μg/m3上升至20∶00的609 μg/m3后逐漸降低至2日05∶00的184 μg/m3。

圖2 各時段PM2.5濃度變化趨勢Fig.2 All the time of PM2.5 concentration change trend

利用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法(Art-2a)對此污染時段的3個時間點總體顆粒物進行分類(圖3)，從11月1日17時至11月1日20∶00，隨著PM2.5濃度的上升，左旋葡聚糖比例從5.9%升至8.6%，而在PM2.5濃度降到最低值時(2日05∶00)，左旋葡聚糖比例降至1.8%。左旋葡聚糖作為生物質(zhì)燃燒的示蹤物質(zhì)[19-20]，整個污染時段左旋葡聚糖比例變化與PM2.5濃度變化相一致，很好地反映出此時段污染加劇的主要原因為生物質(zhì)燃燒。

秸稈在燃燒過程中，燃燒不充分極易產(chǎn)生CO，由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，該時段內(nèi)隨著PM2.5濃度的變化CO也隨之正相關(guān)變化并呈現(xiàn)出線性規(guī)律，線性方程為y=246.88x+48.891，相關(guān)系數(shù)R2為0.83(圖4)，從側(cè)面闡明生物質(zhì)燃燒對顆粒物的貢獻。單顆粒氣溶膠飛行質(zhì)譜儀監(jiān)測結(jié)果計算得出生物質(zhì)燃燒源由污染前的10.5%增長至最高時的25.3%，使其排在僅次于燃煤源(35.9%～42.0%)的第二大污染源(表2)。

2)空氣濕度增加，灰霾天氣加劇

結(jié)合表1、圖2可知，2日05∶00—08∶00空氣濕度均為80%以上，致使本已呈下降趨勢的PM2.5濃度有所回升(由05∶00的184 μg/m3回升至06∶00的204 μg/m3)，且能見度降低明顯(由04∶00的17.45 km，最低降至06∶00的3.67 km)說明空氣中濕度增加導(dǎo)致污染加劇。

3)污染邊界層降低，污染加劇

通過激光雷達的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該時段監(jiān)測區(qū)域內(nèi)污染邊界層高度由1日下午的近800 m降低至夜間的400 m，致使本地污染急劇加重。因此，可以判斷在其他污染源貢獻基本不變的情況下，生物質(zhì)燃燒、地面靜風(fēng)和污染邊界層高度的降低是加重了此次污染的原因。此外，污染物濃度隨高度增加逐漸降低可判斷此次污染為本地污染造成。

圖4 污染期間PM2.5與CO關(guān)系圖Fig.4 Relationship between PM2.5 and CO during the period of pollution

日期和時間揚塵/%生物質(zhì)燃燒/%汽車尾氣/%燃煤/%工業(yè)工藝/%二次無機源/%其他/%PM2.5質(zhì)量濃度/(μg/m3)11月1日17∶003.710.519.040.25.312.98.514211月1日19∶003.022.112.637.35.09.910.241611月1日20∶002.725.312.836.93.98.79.760911月1日23∶003.123.711.435.94.39.611.933411月2日05∶003.918.910.937.84.711.911.818411月2日09∶003.515.316.239.54.811.19.613011月2日15∶003.617.414.136.84.612.111.449011月2日17∶002.716.818.940.74.98.97.143711月2日21∶003.522.514.238.03.68.59.765411月2日23∶002.920.413.537.24.39.911.853511月2日02∶004.719.712.736.54.010.711.679211月3日06∶003.119.215.238.73.79.210.980511月3日10∶007.516.615.436.55.611.27.280511月3日13∶007.017.116.235.85.210.97.826011月3日17∶006.513.217.838.43.912.18.128411月3日20∶005.923.015.037.13.39.46.356111月4日06∶007.413.915.540.65.18.68.964

2.211月2日13∶00至3日13∶00污染過程監(jiān)測結(jié)果分析

此時段污染過程風(fēng)向以西南風(fēng)為主，風(fēng)速基本低于1 m/s，濕度為40.1%～88.9%(3日06∶00)，溫度為-1.4～15.3 ℃，能見度為6.63(3日14∶00)～0.17 km(3日06∶00)。

此時段污染為3次污染過程中最嚴(yán)重的一次(顆粒物監(jiān)測儀監(jiān)測值超出上限)，其污染原因也較為復(fù)雜。污染原因大致分為4個方面：

1)外來低空傳輸，污染加劇

根據(jù)激光雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，顆粒物污染地面濃度與低空800 m的濃度基本無變化。結(jié)合后向軌跡分析發(fā)現(xiàn)，污染出現(xiàn)時存在低空傳輸現(xiàn)象,方向為西南向(吉林省方向)和西北向(大慶方向)，該結(jié)果與監(jiān)測的主導(dǎo)風(fēng)向一致，外來傳輸?shù)貐^(qū)在1日夜間均出現(xiàn)污染天氣，于2日下午和夜間到達本次監(jiān)測點周圍，加重了此時段污染。

2)本地生物質(zhì)燃燒，污染加劇

2日夜間，當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)大面積燃燒致使顆粒物污染加重(2日17∶00—21∶00)，由圖2可知，PM2.5濃度由17∶00最低的437 μg/m3上升至21∶00的654 μg/m3。氣態(tài)CO監(jiān)測結(jié)果在此時段與顆粒物監(jiān)測結(jié)果呈正相關(guān)且趨勢基本一致，但整個污染過程中相關(guān)性和線性規(guī)律較差，線性方程y=201.79x+143.22，相關(guān)系數(shù)R2僅為0.56(圖4)，說明此次污染原因較為復(fù)雜。單顆粒氣溶膠飛行質(zhì)譜儀監(jiān)測結(jié)果計算得出，生物質(zhì)燃燒源由污染前的15.3%增長至最高時的27.4%，使其成為僅次于燃煤源(36.5%～40.7%)的第二大污染源(表2)。

3)空氣濕度增加，灰霾天氣加劇

由表1、圖2可知，2日23∶00至3日08∶00，空氣濕度均為80%以上，致使PM2.5濃度增加至超出上限(由2日23∶00的535 μg/m3上升至805 μg/m3)，能見度極低僅為0.17～0.74 km。

4)污染邊界層降低加劇污染

激光雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，污染邊界層高度由2日下午的近400 m降低至夜間“爆表”時的200 m，致使本地污染急劇加重。

因此，可以判斷在本地其他污染源貢獻基本不變的情況下，地面靜風(fēng)、外來低空傳輸、生物質(zhì)燃燒和污染邊界層高度的降低是造成此次污染的主要原因。

2.311月3日17∶00至4日06∶00污染過程監(jiān)測結(jié)果分析

此時段污染過程風(fēng)向以南風(fēng)為主，風(fēng)速基本高于2 m/s，濕度為33.8%～55.8%，溫度為9.6～13 ℃，能見度為3.7(3日18∶00)～30.1 km(4日05∶00)。此時段污染過程原因主要有以下2個方面：

1)本地生物質(zhì)燃燒加重污染。3日夜間，本地生物質(zhì)大面積燃燒導(dǎo)致顆粒物污染加重(3日17∶00至4日06∶00)。圖2中，PM2.5濃度由17∶00最低的284 μg/m3上升至20∶00的561 μg/m3后逐漸降低至4日06∶00的64 μg/m3。氣態(tài)CO監(jiān)測結(jié)果在此時段與顆粒物監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系，線性方程y=215.6x-33.186，線性系數(shù)R2為0.94(圖5)。單顆粒氣溶膠飛行質(zhì)譜儀監(jiān)測結(jié)果計算得出生物質(zhì)燃燒源由污染前的13.2%增長至最高為23.0%，使其排在僅次于燃煤源(37.1%～40.6%)的第二大污染源。

2)污染邊界層降低加劇污染。激光雷達監(jiān)測結(jié)果表明，污染邊界層高度由3日下午的400 m降低至夜間近200 m，致使本地污染急劇加重，而后清晨污染邊界層逐漸升高至近500 m時顆粒物濃度逐漸降低，本次污染過程結(jié)束。

3 結(jié)論

針對2015 年11月1—4日哈爾濱市雙城區(qū)持續(xù)灰霾天氣， 首先根據(jù)哈爾濱市雙城區(qū)大氣污染物排放源譜庫對主要成分進行了來源解析。結(jié)果表明，夜間大面積秸稈焚燒，致使短時間內(nèi)顆粒物濃度急劇升高，在其他污染源貢獻基本不變的情況下，生物質(zhì)燃燒源占比大幅升高，成為僅次于燃煤源(36.5%～40.7%)的第二大污染源，秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物，加劇了本次污染。

其次，通過對激光雷達的消光系數(shù)和污染邊界層等監(jiān)測資料進行分析，發(fā)現(xiàn)污染邊界層高度下降致使本地污染急劇加重，同時由于地面長時間靜風(fēng)，空氣濕度增加，致使本地污染物累積、不利于擴散。此外污染物濃度隨高度增加逐漸降低，也再次證明此次污染存在著地面污染源。

再次，結(jié)合后向軌跡，分析發(fā)現(xiàn)污染出現(xiàn)時存在低空傳輸現(xiàn)象，方向為西南向和西北向，該結(jié)果與氣象監(jiān)測的主導(dǎo)風(fēng)向一致。結(jié)果表明，外來傳輸也是造成本地污染加劇的一個重要原因。

最后，針對目前哈爾濱地區(qū)灰霾天氣的污染現(xiàn)狀，后續(xù)監(jiān)測站將對各類污染源的示蹤粒子進行劃分，對秸稈焚燒造成的空氣污染進行更為細致、深入的監(jiān)測和分析，力爭通過一次顆粒物或二次離子顆粒物的數(shù)量和粒度對污染來源進行更加準(zhǔn)確的判斷和解析，為大氣污染的控制和治理提供科學(xué)依據(jù)。

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EffectsofStrawBurningonAshHazeWeatherinHarbin

XING Yanfeng, WANG Pengjie, CAO Sheng, JIANG Jingyang, ZHANG Rui, SUN Yuetian, GUO Xin, MENG Qingqing

Heilongjiang Province Environmental Monitoring Centre Station, Harbin 150056, China

X823

A

1002-6002(2017)03- 0087- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.13

2016-03-07;

2016-05-16

黑龍江省環(huán)境保護廳科技項目(201311001)

邢延峰(1979-)，男，河北靜海人，碩士，高級工程師。