北京市朝陽區(qū)城鄉(xiāng)過渡帶冬季采暖燃煤及大氣污染物排放量估算

劉茜　李泓　曹磊　肖勁巖

摘 要：利用2016年春季（3-6月）多景鑲嵌的高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，解譯得到朝陽區(qū)城鄉(xiāng)過渡帶平房區(qū)面積。結(jié)合典型區(qū)域的實地外業(yè)調(diào)查，細化、優(yōu)化平房區(qū)面積。在此基礎(chǔ)上，利用入戶調(diào)查收集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（取暖面積，建筑面積，年燃煤量等）并結(jié)合相關(guān)文獻調(diào)研的無煙煤/有煙煤的排放因子測算朝陽城鄉(xiāng)過渡帶的冬季燃煤量和大氣污染物排放量。結(jié)果表明朝陽平房區(qū)在2016年總?cè)紵⒚?3.71萬噸，其中十八里店地區(qū)和崔各莊地區(qū)燃煤量最大，分別達到了3.93萬噸和3.44萬噸。2016年朝陽區(qū)因民用燃煤排放產(chǎn)生的大氣污染物SO2為1080噸；VOCs（揮發(fā)性有機物）為513噸；NOx的總量為318噸；PM10和PM2.5排放總量基本相當(dāng)，分別為823噸和785噸。

關(guān)鍵詞：朝陽；城鄉(xiāng)過度帶；遙感數(shù)據(jù)；燃煤；大氣污染物

中圖分類號：X51 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0001-05

Abstract： Based on the high resolution remote sensing satellite data inlaid in the spring of 2016 （i.e. March through June）， the area of cottage area in the urban and rural transitional zone of Chaoyang District is obtained. Combined with the field investigation of typical area， the area of cottage area is refined and optimized. On this basis， the use of the statistical data （heating area， building area， annual coal consumption， etc.） collected through household survey， and in combination with the anthracite/bituminous coal emission factors， the amounts of coal burning and air pollutant emission in winter in the urban and rural transitional zone of Chaoyang are calculated. The results show that 337，100 tons of coal was burned in Chaoyang's cottage area in 2016， and among them Shibalidian and Cuigezhuang rank the top two， reaching 39，300 tons and 34，400 tons respectively. In 2016， the atmospheric pollutant SO2 produced by coal burning in Chaoyang District was 1080 tons， VOCs （volatile organic compounds） 513 tons， the total amount of NOx is 318 tons， and the total emissions of PM10 and PM2.5 are about the same， 823 tons and 785 tons respectively.

Keywords： Chaoyang District； urban and rural transitional zone； remote sensing data； coal combustion； atmospheric pollutants

長期以來，我國的大氣污染一直以煙煤型為主（趙文慧等，2003），尤其是在冬季，我國北方地區(qū)多數(shù)以燃煤方式來取暖，致使大氣污染加重。燃煤燃燒會產(chǎn)生大量的顆粒物（PM2.5）還會產(chǎn)生SO2，NO，烴類等有害氣體，這些氣體在大氣中會經(jīng)過二次反應(yīng)增強有害氣體的產(chǎn)生，對環(huán)境和人體健康都會有巨大危害（YANG et al.， 2011； LAN et al.， 2002）。北京的PM2.5來源主要是機動車、燃煤、工業(yè)和揚塵等。根據(jù)北京市環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，其貢獻率分別為31.1%，22.4%、18.1%和14.3%。燃煤位居第二位，對環(huán)境的污染是值得引起關(guān)注的。掌握民用燃煤使用量對于全面開展大氣面源污染監(jiān)管和監(jiān)理具有重要意義。

《北京市2013-2017年清潔空氣行動計劃》中提出，到2017年，全市燃煤總量比2012年削減1300萬噸，控制在1000萬噸以內(nèi)，煤炭占能源消費比重下降到10%以下，優(yōu)質(zhì)能源消費比重提高到90%以上。從措施的實際情況看，工業(yè)用煤、集中供暖用煤等燃煤壓減對象相對明確，且責(zé)任主體是單位，政策容易落地實施；然而由于底數(shù)不把握、對象位置不明確、燃煤來源不清晰等客觀因素，對于個人原煤散燒的管控一直是壓減燃煤工作的難題。早在20世紀90年代，我國就開展了燃煤污染物的估算研究，但都是偏向于微觀的定量分析方法。2000年以后，陳穎軍等（2009）根據(jù)民用黑炭燃煤因子推算出了全國2000年民用燃煤的黑炭排放量；蔡竟等（2014）已初步估算出民用燃煤總量和秸稈田間焚燒棕色碳的燃燒總量；薛亦峰等（2014）采用自上而下的排放因子法，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算了北京市減少燃煤所產(chǎn)生的大氣污染物排放量。上述研究數(shù)據(jù)覆蓋范圍大且不具有空間分布的特點，不利于細致的空間數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)深度挖掘等工作的開展。趙文慧等（2015）利用遙感和GIS技術(shù)進行了較為精細的燃煤量估算，其結(jié)果也有較高的精度。但對于如何進行隨機抽樣進行入戶調(diào)查來獲取燃煤量相關(guān)因子以及燃煤量計算方面并未做深入的探討。本文中將以趙文慧等燃煤調(diào)查技術(shù)和污染物排放因子的相關(guān)文獻為基礎(chǔ)，以朝陽區(qū)為研究區(qū)域，估算朝陽區(qū)2016年民用散煤量及大氣污染物量并分析其內(nèi)在規(guī)律。endprint

1 數(shù)據(jù)資料收集

1.1 研究區(qū)范圍

本論文研究的范圍為朝陽城鄉(xiāng)過渡帶的平房區(qū)，面積達到12.16平方公里，覆蓋范圍包括八里莊街道、崔各莊、東壩、東風(fēng)、垡頭街道、高碑店、管莊、呼家樓街道、黑莊戶、金盞、酒仙橋街道、平房、三間房、十八里店、孫河、王四營、小紅門等地區(qū)。北京為干旱半濕潤的地區(qū)，具有典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征，多年平均氣溫為 12℃，年降水量為640mm左右，全年以偏北風(fēng)為主，年平均風(fēng)速為2.4m·s-1，容易出現(xiàn)地面揚塵污染（于淑秋等，2002）。這種地形和氣候條件有利于山谷風(fēng)環(huán)流形成并利于大氣結(jié)構(gòu)處于靜穩(wěn)狀態(tài)，不利于大氣污染物擴散（林學(xué)椿等，2005）。再加之朝陽區(qū)地處北京地區(qū)中部，外來流動人口多，經(jīng)濟活動水平較高，冬季民用燃煤情況復(fù)雜，冬季大氣污染情況尤為嚴重。

1.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包含朝陽區(qū)區(qū)界、朝陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及村界、北京市主要道路和2015年北京市禁燃區(qū)分布等矢量數(shù)據(jù)，同時，也包括北京市與燃煤相關(guān)的政策、北京市朝陽區(qū)人口分布規(guī)律和重點城鄉(xiāng)結(jié)合部等材料。遙感數(shù)據(jù)是高分辨率遙感影像，本論文中應(yīng)用的是0.5米的高分一號影像（2016/8-2016/12）共50幅影像。選取的影像和調(diào)查村落位置一致。

2 技術(shù)流程

對于朝陽城鄉(xiāng)過渡帶的平房區(qū)燃煤量調(diào)查，本文結(jié)合了抽樣統(tǒng)計學(xué)和遙感技術(shù)。第一，根據(jù)抽樣統(tǒng)計原理確定朝陽調(diào)查村落的數(shù)量；第二，根據(jù)GIS空間數(shù)據(jù)分析和遙感解譯結(jié)果進行調(diào)查村落的選取；第三，入戶調(diào)查得到相關(guān)燃煤系數(shù)指標(biāo)；第四，根據(jù)高分遙感影像精解譯成果和入戶調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到朝陽城鄉(xiāng)過渡帶平房區(qū)的燃煤散燒總量。大氣污染物總量的計算是通過燃煤總量結(jié)合相對應(yīng)的污染物系數(shù)從而得到污染物總量。具體的技術(shù)流程如圖 2。

2.1 調(diào)查樣本村落選取

抽樣調(diào)查前需確定調(diào)查村落數(shù)量，本論文參考馮士雍等（2012）的抽樣調(diào)查理論與方法計算出朝陽需要入戶調(diào)查村數(shù)量（50村）。根據(jù)抽樣調(diào)查的四個原則（可持續(xù)性、整體與局部結(jié)合、典型性、可行性），結(jié)合GIS專業(yè)軟件進行疊加分析得到需入戶調(diào)查的具體村落。調(diào)查村落空間分布圖如圖 3所示。

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

遙感數(shù)據(jù)處理的步驟為數(shù)據(jù)預(yù)處理（幾何校正，大氣校正，數(shù)據(jù)拼接融合等），遙感解譯標(biāo)志庫建立（平房區(qū)，非平房區(qū)），勾畫平房居住區(qū)，統(tǒng)計居住區(qū)面積。

燃煤調(diào)查中利用遙感數(shù)據(jù)解譯出居住區(qū)面積。本論文中利用高分辨率（優(yōu)于2.5米）和甚高分辨率（優(yōu)于0.5米）的遙感影像解譯出朝陽區(qū)的居住區(qū)平方面積。由于甚高分辨率遙感影像獲取、解譯難度較大，本論文通過計算兩者的轉(zhuǎn)化比例，利用面積轉(zhuǎn)化系數(shù)得到較準(zhǔn)確的朝陽居住平房區(qū)面積。經(jīng)過粗解譯得到的朝陽平房區(qū)面積為18.53km2，經(jīng)過細化后的面積為12.16km2。

2.3 燃煤量統(tǒng)計

根據(jù)北京燃煤調(diào)查技術(shù)規(guī)定，平房區(qū)燃煤量采取由點代面的方式進行估算。以朝陽區(qū)高分辨率平房空間分布圖為基準(zhǔn)，在調(diào)查獲取單位面積的綜合燃煤量的基礎(chǔ)上，估算朝陽區(qū)平房區(qū)燃煤總量。計算公式如下所示。

M=A×d×t×c （1）

式中：M為朝陽區(qū)平房區(qū)燃煤總量，單位為kg；A為朝陽區(qū)高分辨率平房解譯成果的平房面積，單位為m2；d為單位面積綜合燃煤量，單位為kg；t為燃煤燃燒天數(shù)，c為面積轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.4 污染物排放量計算

根據(jù)模擬的燃煤污染物排試驗和相關(guān)文獻得到的相關(guān)污染物因子可以計算出民用散燒燃煤的污染物排放量。計算公式如下所示。

w=M1×fi+M2×fi' （2）

式中：M1為型煤燃燒量，單位kg；fi為型煤污染物排放因子，單位kg/t；M2為散煤燃燒量，單位kg；fi'為散煤污染物排放因子，單位kg/t。

3 結(jié)果分析

朝陽區(qū)居住平房建筑面積約為12.16平方公里，2016年朝陽區(qū)居住平房的年耗煤總量約為33.71萬噸，單位面積燃煤量0.31（kg/（m2*d））。2016年朝陽區(qū)因民用燃煤排放SO21080噸，VOCs（有機揮發(fā)物）為513噸，NOx的總量為318噸，PM10和PM2.5排放總量基本相當(dāng)，分別為823噸和785噸。

3.1 散燒燃煤量

朝陽區(qū)東北部的燃煤量要明顯高于西北部，其中燃煤量最大的兩個區(qū)域分別為崔各莊地區(qū)（3.44萬噸）和十八里店地區(qū)（3.93萬噸），分別位于朝陽區(qū)的東北部和西南部，燃煤空間分布特點如圖 5所示。

平房區(qū)燃煤量和環(huán)路有著密切的分布關(guān)系。四環(huán)內(nèi)的燃煤量為0.24（1%）萬噸，四環(huán)到五環(huán)間年燃煤為13.16（39%）萬噸，五環(huán)到六環(huán)間的燃煤量為20.41（60%）萬噸。燃煤量隨著環(huán)路呈向外擴散增加的趨勢。其主要原因是平房居住區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部主要分布在五環(huán)和六環(huán)之間，只有少部分位于四環(huán)和五環(huán)之間。四環(huán)到五環(huán)內(nèi)的燃煤量主要分布在十八里店地區(qū)，年燃煤總量為3.93萬噸，占四環(huán)到五環(huán)內(nèi)燃煤量的30%，其次為平房地區(qū)與王四營地區(qū)，分別約為1.90萬噸和1.71萬噸。在五環(huán)至六環(huán)之間，朝陽區(qū)年燃煤量最高的是崔各莊地和金盞地區(qū)，分別為3.44萬噸和3.36萬噸，總共約占33%。

3.2 污染物排放量

朝陽區(qū)因散煤燃燒產(chǎn)生的污染物與燃煤量存在正向相關(guān)的關(guān)系。五環(huán)外污染物排放量要遠遠大于四環(huán)到五環(huán)間。其中污污染物排放量最大的區(qū)域為朝陽的東北地區(qū)（崔各莊、金盞地區(qū)）和西南地區(qū)（十八里店地區(qū)）。大氣污染排放物主要集中在燃煤高排放地區(qū)。其特點點是外來人口相對集中、經(jīng)濟活動水平較高。

四環(huán)內(nèi)和四環(huán)到五環(huán)之間平房居住區(qū)較少，基本實現(xiàn)了無煤化，因此污染物排放量也較少。十八里店地區(qū)、崔各莊、金盞地區(qū)在各項污染物排放量都較大相比于朝陽其他地區(qū)（如表2）。endprint

4 結(jié)束語

通過燃煤調(diào)查項目可以得出遙感技術(shù)應(yīng)用到燃煤調(diào)查中是科學(xué)并且具有可操作性。此外，調(diào)查結(jié)果從年燃煤總量、大氣污染物排放量綜合分析了朝陽平房區(qū)冬季取暖燃煤規(guī)律。

（1）年燃煤量總體情況：2016年朝陽區(qū)居住平房年燃煤量約為33.71萬噸，其中以十八里店地區(qū)和崔各莊地區(qū)最多，分別為3.93萬噸和3.44萬噸。其空間分布特征與環(huán)路呈線性正相關(guān)，四環(huán)里基本實現(xiàn)無煤化，四環(huán)到六環(huán)間燃煤量呈上升趨勢。

（2）污染物排放量：SO2、VOCs、NOx、PM（PM2.5和PM10）是排放量較大的大氣污染物。其中SO2的排放總量為1080噸，VOCs為513噸，NOx為318噸，PM為1609噸。其空間分布特征與燃煤量的空間分布保持一致，與朝陽環(huán)路呈正向相關(guān)。

（3）研究方法：利用遙感、GIS技術(shù)提取平房面積，繼而根據(jù)燃煤量估算方法和污染物排放系數(shù)估算散燒燃煤量和排放污染物總量是可行的且具有較高的精度，是研究民用燃煤面源污染有效的技術(shù)手段。

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