天津市北辰區(qū)大氣污染物小尺度精細(xì)化源排放清單

張 驥，徐 媛，劉茂輝，展先輝，郭金龍，孫 猛

天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191

天津市作為環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，GDP增長處在全國前列，然而，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得能源消耗不斷增加，天津市大氣污染形勢日趨嚴(yán)重[1]。北辰區(qū)位于天津市中心城區(qū)北部，縱貫北運(yùn)河漕運(yùn)大通道和陸路京華大道，是南糧北運(yùn)、北貨南輸?shù)慕煌ㄒ溃俏廴疚飩鬏數(shù)闹匾ǖ?，防治大氣污染將成為北辰區(qū)環(huán)保工作的重中之重。大氣污染源排放清單能夠在特定時(shí)間和空間范圍內(nèi)對影響空氣質(zhì)量的污染物進(jìn)行排放量的估算，是開展環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)預(yù)警的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而為制定區(qū)域大氣污染控制措施提供支撐，使得區(qū)域空氣質(zhì)量的管理從定性走向定量[2-5]。

近年來，大氣污染源排放清單在全球范圍內(nèi)有了較多的研究。BOUWMAN等[6]在全球尺度上研究了氨的排放清單；OHARA等[7]建立了亞洲地區(qū)的人為源排放清單。在國家尺度上，田賀忠等[8]研究了中國NOx排放清單。在區(qū)域尺度上，黃成等[9]在收集長江三角洲地區(qū)各城市人為源大氣污染源資料的基礎(chǔ)上，采用以“自下而上”為主的方法建立了2007年長三角地區(qū)人為源大氣污染物排放清單；楊柳林等[10]收集整理2012年珠三角地區(qū)各種大氣人為源及天然源基礎(chǔ)活動(dòng)數(shù)據(jù)，以排放因子法“自下而上”為主計(jì)算多種污染物排放量，構(gòu)建了具備時(shí)空分布屬性的區(qū)域性網(wǎng)格化大氣源排放清單。在城市尺度上，王錦等[11]根據(jù)2013年北京市工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民生活的統(tǒng)計(jì)資料，以及中國汽車工業(yè)年鑒，建立了北京市2013年大氣污染物排放清單；何敏等[12]根據(jù)收集到的四川省電廠、工業(yè)及民用部門的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)，采用合理的估算方法和排放因子，建立四川省2010年大氣固定污染源排放清單。而在小區(qū)域尺度上，對大氣污染源排放清單研究較少，談佳妮等[13]采用“自下而上”的方式建立了上海市寶山區(qū)的精細(xì)化大氣污染物排放清單，其研究結(jié)果表明，小尺度區(qū)域建立精細(xì)化污染源排放清單可為大尺度排放清單的建立提供有益的參考。尤其對于基層的環(huán)境保護(hù)管理部門，更為關(guān)注的是本地小尺度精細(xì)化大氣污染源的排放清單。

研究依據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的“清單編制技術(shù)指南”，以北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動(dòng)站周邊3 km為研究區(qū)域，建立天津市北辰區(qū)2016年小尺度精細(xì)化大氣污染源排放清單，以便為區(qū)縣環(huán)境管理部門掌握大氣污染物的污染排放特征、解析污染成因、制定污染減排策略提供支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

天津市北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動(dòng)站位于秋怡小學(xué)教學(xué)樓上，其周邊3 km覆蓋了天穆鎮(zhèn)、小淀鎮(zhèn)、普東街、宜興埠等4個(gè)街鎮(zhèn)。具體范圍為北至北辰道，東至津圍線，南至宜白路，西至京津路，共計(jì)37.80 km2。研究基于Lambert投影，利用ArcMAP建立了100 m×100 m的網(wǎng)格，以每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)識(shí)該網(wǎng)絡(luò)的地理位置，研究區(qū)域共包含3 953個(gè)網(wǎng)格。

1.2 計(jì)算方法和排放因子獲取

結(jié)合天津市北辰區(qū)實(shí)際情況，大氣污染排放涉及到的污染源主要包括17類(工業(yè)企業(yè)、鍋爐、商鋪散煤、居民散煤、裸地、工地、工業(yè)堆場、拆遷堆場、道路揚(yáng)塵、道路機(jī)動(dòng)車、施工機(jī)械、餐館、居民餐飲、居民溶劑、加油站、干洗店、汽修店等)，涉及到的污染物主要有6種(PM10、PM2.5、SO2、CO、NOx、VOCs等)。污染源排放的各項(xiàng)污染物的量依據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的“清單編制技術(shù)指南”來計(jì)算。主要污染源排放計(jì)算公式如下：

鍋爐、散煤污染的排放量計(jì)算公式見式(1)～式(3)。

E=A×EF×(1-η)

(1)

EFSO2=2×S×(1-sr)

(2)

EFPM=Aar×(1-ar)×PM

(3)

式中：E為排放量；A為逐個(gè)排污設(shè)備燃料消耗量；EF為污染物產(chǎn)生系數(shù)；η為污染控制措施對污染物的去除效率；EFSO2為SO2的產(chǎn)生系數(shù)；S為平均燃料收到基硫分；sr為硫分進(jìn)入底灰比例，EFPM為顆粒物的產(chǎn)生系數(shù)，Aar為平均燃料收到基灰分；ar為灰分進(jìn)入底灰比例；PM為排放源產(chǎn)生某粒徑范圍顆粒物占總顆粒物比例。

對于工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品制造過程中污染物的排放量，計(jì)算公式見式(4)。

E=A×EF×(1-η)

(4)

式中：E為排放量；A為活動(dòng)水平(主要為焦炭產(chǎn)量、燒結(jié)礦產(chǎn)量、生鐵產(chǎn)量、粗鋼產(chǎn)量、有色冶金產(chǎn)品產(chǎn)量、水泥產(chǎn)量、玻璃產(chǎn)品產(chǎn)量、其他工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量)；EF為相應(yīng)的大氣污染物產(chǎn)生系數(shù)；η為污染控制措施對污染物的去除效率。

對于使用有機(jī)溶劑的生產(chǎn)過程，溶劑使用排放揮發(fā)性有機(jī)物的計(jì)算公式見式(5)。

E=Q×EF×(1-η)

(5)

式中：E為排放量；Q為活動(dòng)水平(主要為油墨消費(fèi)量、染料消費(fèi)量、涂料消費(fèi)量、膠黏劑消費(fèi)量、瀝青消費(fèi)量、其他有機(jī)物化學(xué)物的消費(fèi)量)；EF為相應(yīng)的揮發(fā)性有機(jī)物的排放系數(shù)；η為污染控制措施對揮發(fā)性有機(jī)物的去除效率。

道路機(jī)動(dòng)車污染物排放量的計(jì)算公式見式(6)。

E=P×EF×VKT

(6)

式中：P為機(jī)動(dòng)車保有量；EF為基于行駛里程排放系數(shù)；VKT為年均行駛里程。

裸地?fù)P塵的計(jì)算公式見式(7)。

WSi=ESi×AS

(7)

式中：WSi為裸地?fù)P塵中總排放量，t/a; ESi為裸地?fù)P塵的排放系數(shù)，t/(m2·a)；AS為裸地?fù)P塵的面積，m2。

道路揚(yáng)塵排放量計(jì)算公式見式(8)。

WRi=ERi×LR×NR×(1-nr/365)×10-6

(8)

式中：WRi為道路揚(yáng)塵源中顆粒物的總排放量，t/a；ERi為道路揚(yáng)塵源平均排放系數(shù)，g/(km·輛)；LR為道路長度，km；NR為一定時(shí)期內(nèi)車輛在該段道路上的平均車流量，輛/a；nr為不起塵天數(shù)，可使用一年中降水量大于0.25 mm/d的天數(shù)表示。

施工揚(yáng)塵中顆粒物排放量的總體計(jì)算公式見式(9)。

WCi=ECi×AC×T

(9)

式中：WCi為施工揚(yáng)塵源中顆粒物總排放量，t/a；ECi為整個(gè)施工工地顆粒物的平均排放系數(shù)，t/(m2·月)；AC為施工區(qū)域面積，m2；T為工地的施工活躍月份數(shù)，一般按施工天數(shù)/30計(jì)算。

堆場的揚(yáng)塵源排放量是裝卸、運(yùn)輸引起的揚(yáng)塵與堆積存放期間風(fēng)蝕揚(yáng)塵的加和，計(jì)算公式見式(10)。

WY=Eh×GY×10-3+Ew×AY×10-3

(10)

式中：WY為堆場揚(yáng)塵源中顆粒物總排放量，t/a；Eh為堆場裝卸運(yùn)輸過程的揚(yáng)塵顆粒物排放系數(shù)，kg/t；GY為物料裝卸量，t；Ew為料堆受到風(fēng)蝕作用的顆粒物排放系數(shù)，kg/m2；AY為料堆表面積，m2。

加油站產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物的計(jì)算公式見式(11)。

E=EF×(1-η)×Q

(11)

式中：E為加油站揮發(fā)性有機(jī)物排放量；EF為物料衡算法或檢索排放系數(shù)法獲取的排放系數(shù)；η為油氣回收裝置對揮發(fā)性有機(jī)物的去除效率；Q為油氣運(yùn)輸量或儲(chǔ)存量。

餐飲油煙主要排放揮發(fā)性有機(jī)物和顆粒物，其排放計(jì)算公式見式(12)和式(13)。

E=A×EF×(1-η)

(12)

A=n×V×H

(13)

式中：E為某種大氣污染的排放量；A為排放源活動(dòng)水平；EF為排放系數(shù)；η為油煙凈化器去除效率；n為固定爐頭數(shù)；V為煙氣排放速率，m3/h；H為年總經(jīng)營時(shí)間，h。

1.3 活動(dòng)水平數(shù)據(jù)獲取

活動(dòng)水平數(shù)據(jù)是通過實(shí)地走訪拉網(wǎng)式調(diào)查獲取的。其中，有346家制造業(yè)企業(yè)，28臺(tái)鍋爐，10個(gè)散煤使用居民區(qū)，93家散煤使用商鋪，27塊裸地，7個(gè)工業(yè)堆場，7個(gè)拆遷堆場，16個(gè)工地，24條道路，4片施工機(jī)械，175家餐館，82個(gè)居民小區(qū)，11個(gè)加油站，40家噴涂汽修店，10家干洗店。

2 結(jié)果與討論

2.1 北辰區(qū)空氣站3 km大氣污染源排放量

依據(jù)上述活動(dòng)水平數(shù)據(jù)獲取、排放因子獲取以及計(jì)算方法，得出2016年天津市北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動(dòng)站周邊3 km大氣污染源的排放量，如表1所示。由表1可知，調(diào)查區(qū)域污染物全年排放總量PM10為431.28 t、PM2.5為147.94 t、SO2為48.67 t、CO為1 395.39 t、NOx為469.52 t、VOCs為305.66 t。

表1 北辰區(qū)空氣站3 km污染源大氣污染物排放量

注：“—”表示研究未涉及。

2.2 北辰區(qū)空氣站3 km大氣污染源排放分擔(dān)率

圖1是天津市北辰區(qū)空氣站周邊3 km污染源主要大氣污染物排放分擔(dān)率構(gòu)成。

圖1 天津市北辰區(qū)空氣站周邊3 km污染源主要大氣污染物排放分擔(dān)率構(gòu)成

由圖1可知，PM10的主要排放源是工地(25.49%)、道路揚(yáng)塵(18.73%)、裸地(18.25%)；PM2.5的主要排放源是工地(15.16%)、鍋爐(14.14%)和散煤(13.93%，包括居民散煤和商鋪散煤，下同)；SO2的主要排放源是散煤(49.36%)和鍋爐(36.30%)；CO的主要排放源是道路機(jī)動(dòng)車(45.85%)、散煤(30.99%)和鍋爐(22.73%)；NOx的主要排放源是道路機(jī)動(dòng)車(53.89%)和鍋爐(44.04%)；VOCs的主要排放源是制造業(yè)企業(yè)(48.80%)和道路機(jī)動(dòng)車(27.60%)。

由圖1可知，散煤是SO2的第一排放源，是CO的第二排放源，是PM2.5的第三排放源。同時(shí)與全天津市相比，北辰區(qū)的SO2、CO、PM2.5遠(yuǎn)高于天津市平均水平，這說明散煤是北辰區(qū)首先要重視的污染源。研究表明，散煤帶來的環(huán)境空氣污染，比相同排放量的工業(yè)源的危害更加直接[14]，并且隨著電力、供熱、工業(yè)、機(jī)動(dòng)車、施工揚(yáng)塵等污染源污染物排放逐步得到有效控制，散煤由于其數(shù)量眾多、分布廣泛、低空排放、無治理設(shè)施等特點(diǎn)，已成為大氣污染控制的重點(diǎn)[15]。京津冀區(qū)域2015年底的幾次重污染天氣，將散煤推向了污染治理的首位[16]，而該研究從區(qū)縣小尺度的角度探討了源排放清單，也正好證明了這一點(diǎn)。

工地是PM10和PM2.5的第一排放源，是北辰區(qū)第2個(gè)需要重視的污染源。在北辰區(qū)的16個(gè)工地中，有10個(gè)建筑施工工地，4個(gè)道路施工工地，2個(gè)拆遷施工工地，總施工面積為66萬m2，占整個(gè)調(diào)查區(qū)域的1.75%。這說明，北辰區(qū)處于高強(qiáng)度的城市改造之中，而研究表明，快速的城市化和高強(qiáng)度的城市改造將會(huì)導(dǎo)致施工工地的揚(yáng)塵成為城市大氣顆粒物的重要來源[17-18]。另外，不同的施工階段，對揚(yáng)塵的污染也不同，黃玉虎等[19]對不同施工階段自身降塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分布統(tǒng)計(jì)表明，挖槽階段相比結(jié)構(gòu)和裝修的施工揚(yáng)塵污染更加嚴(yán)重，揚(yáng)塵污染強(qiáng)度比值為挖槽∶結(jié)構(gòu)∶裝修等于100∶67∶87。而在北辰區(qū)的10個(gè)建筑工地中，有6個(gè)處于挖槽階段，3個(gè)處于結(jié)構(gòu)階段，1個(gè)處于裝修階段，挖槽階段所占比例為60%，這也導(dǎo)致北辰區(qū)工地的污染更加嚴(yán)重。

道路機(jī)動(dòng)車是NOx和CO的第一排放源，是VOCs的第二排放源。道路機(jī)動(dòng)車是北辰區(qū)第3個(gè)需要重視的污染源。機(jī)動(dòng)車尾氣的成分非常復(fù)雜，其中化學(xué)物質(zhì)的種類高達(dá)一百多種，機(jī)動(dòng)車已經(jīng)成為中國大氣污染的主要來源，也是造成灰霾、光化學(xué)煙霧等污染的源頭[20-23]。該研究也從小尺度精細(xì)化清單的建立中說明了機(jī)動(dòng)車尾氣已然成為空氣污染的主力。

另外，道路揚(yáng)塵是PM10的第二排放源。道路揚(yáng)塵是一類復(fù)雜的混合源類，它既可以視為城市大氣顆粒物的排放源，又可以看作裸地?fù)P塵、建筑揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車尾氣塵以及工業(yè)揚(yáng)塵等所排放顆粒物的接受體[24]。在上海，依據(jù)對上海市大氣顆粒物污染來源的分析，道路揚(yáng)塵已成為上海市一次PM10的重要來源[25]，而該研究區(qū)域與上海地區(qū)類似，道路交通發(fā)達(dá)，也使得道路揚(yáng)塵是PM10的重要來源。

制造業(yè)企業(yè)是VOCs的第一排放源，排放VOCs最大的3個(gè)行業(yè)分別為化學(xué)制品制造業(yè)(41.00%)、橡膠制造業(yè)(39.02%)和電氣機(jī)械制造業(yè)(14.45%)。在企業(yè)VOCs的排放中，由于溶劑使用行業(yè)類別、生產(chǎn)工藝多樣，溶劑的原輔材料和企業(yè)生產(chǎn)工藝、處理設(shè)施不同，都將導(dǎo)致企業(yè)排放VOCs不同[26]，因此，針對北辰區(qū)的特點(diǎn)，應(yīng)首先針對化學(xué)制品制造業(yè)、橡膠制造業(yè)和電氣機(jī)械制造業(yè)安裝VOCs處理設(shè)施并強(qiáng)化監(jiān)督管理。

2.3 空間分布特征

圖2是北辰區(qū)空氣站3 km大氣污染物100 m×100 m網(wǎng)格排放清單空間分布圖。由圖2可知，PM10、PM2.5排放較大的區(qū)域主要分布在重要工地、工業(yè)堆場以及大型企業(yè)；SO2排放較大的區(qū)域主要分布在燃煤鍋爐企業(yè)、宜興埠平房區(qū)、商鋪散煤以及主要道路；CO排放較大的區(qū)域主要分布在燃煤燃?xì)忮仩t、主要道路以及宜興埠平房區(qū)；NOx排放較大的區(qū)域主要分布在燃煤煤氣鍋爐和主要道路；VOCs排放較高的區(qū)域主要位于涉VOCs排放企業(yè)和主要道路。因此，北辰區(qū)在治理顆粒物過程中，應(yīng)加強(qiáng)工地的管理；治理SO2、CO污染時(shí)應(yīng)加強(qiáng)宜興埠平房區(qū)散煤和商鋪散煤的治理；治理NOx應(yīng)加強(qiáng)主要道路的優(yōu)化；治理VOCs應(yīng)加強(qiáng)涉VOCs排放企業(yè)的監(jiān)督管理。

圖2 天津市北辰區(qū)空氣站3 km污染源大氣污染物空間分布

2.4 清單結(jié)果比較

依據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的大氣污染源分類，為了方便比較，把研究所涉及的污染源重新歸為8類(固定燃燒源、工藝過程源、移動(dòng)源、揚(yáng)塵源、溶劑使用源、存儲(chǔ)運(yùn)輸源、生物質(zhì)燃燒源和其他排放源等)。表2是該研究與整個(gè)天津市[27]的主要大氣污染物排放源分擔(dān)率的比較。從源的類別上來看，由于該研究主要位于城市區(qū)域，生物質(zhì)燃燒涉及較少，因此，未考慮生物質(zhì)燃燒源，而趙斌等[27]研究中，未考慮其他排放源(餐飲源)，且溶劑使用源和儲(chǔ)存運(yùn)輸源合并在了一起。從各污染物的分擔(dān)率上來看，SO2的主要排放源都是固定燃燒源，其他污染物排放源的分擔(dān)率各有不同。這主要是因?yàn)榕c整個(gè)天津市相比，研究區(qū)域工地施工多，很多生產(chǎn)企業(yè)使用的能源從煤改成了天然氣，路網(wǎng)密集，交通發(fā)達(dá)，企業(yè)密度大，導(dǎo)致顆粒物的主要來源為揚(yáng)塵源，CO和NOx的主要來源為移動(dòng)源，VOCs的主要來源為工藝過程源。

表2 主要大氣污染物排放源分擔(dān)率比較

注：“—”表示研究未涉及。

2.5 不確定性分析

研究中所使用的排放因子均是參考了環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的“清單編制技術(shù)指南”，這些因子是該指南中的推薦值，但實(shí)際上，天津市北辰區(qū)的主要污染物的排放因子與所推薦的不盡相同，因此，采用指南推薦的排放因子可能會(huì)帶來一定的不確定性。在活動(dòng)水平的獲取中，主要是采用實(shí)地調(diào)查的方式，這種數(shù)據(jù)獲取方式雖然足夠精確，但調(diào)查過程中難免會(huì)出現(xiàn)遺漏，因此活動(dòng)水平的獲取也會(huì)帶來一定的不確定性。

3 結(jié)論

1)2016年天津市北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動(dòng)站周邊3 km大氣污染源的排放總量PM10為431.28 t、PM2.5為147.94 t、SO2為48.67 t、CO為1 395.39 t、NOx為469.52 t、VOCs為305.66 t。

2)散煤是SO2的第一排放源、是CO的第二排放源、是PM2.5的第三排放源，散煤主要分布在宜興埠平房區(qū)和主要道路兩旁的商鋪散煤；工地是PM10和PM2.5的第一排放源，大工地的揚(yáng)塵污染應(yīng)引起足夠的重視；道路機(jī)動(dòng)車是NOx和CO的第一排放源、是VOCs的第二排放源，道路機(jī)動(dòng)車污染主要分布在一些主干道上。

3)北辰區(qū)改善空氣質(zhì)量，應(yīng)從控煤、控塵、控車3個(gè)方面入手?？孛菏堑谝晃坏?，宜興埠平房區(qū)應(yīng)推進(jìn)平房改造，實(shí)現(xiàn)集中供暖，同時(shí)取締商鋪煤的使用，改用天然氣、煤氣等相對清潔的能源；控塵是第二位的，對于重要的工地嚴(yán)格督促落實(shí)控塵措施到位；控車是第三位的，應(yīng)對于北辰區(qū)主要道路進(jìn)行交通優(yōu)化，減少大型車輛過往。

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