黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單及時(shí)空分布

李莉莉,王 琨*,姜珺秋,劉 帆,普軼浩,劉 威,齊 虹,于 航

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黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單及時(shí)空分布

李莉莉1,2,王 琨1,2*,姜珺秋2,劉 帆2,普軼浩2,劉 威2,齊 虹1,2,于 航2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

以黑龍江省為例,采用排放因子法計(jì)算了2016年秸稈露天焚燒污染物排放清單,分析了污染物的時(shí)空分布特征.結(jié)果表明,黑龍江省秸稈露天焚燒各污染物排放量為: CO21314.09萬(wàn)t、CO 41.92萬(wàn)t、CH43.77 萬(wàn)t、NMVOCs 8.35萬(wàn)t、NH30.65萬(wàn)t、BC 0.44萬(wàn)t、OC 3.13萬(wàn)t、SO20.50萬(wàn)t、NO3.28萬(wàn)t、PM108.81萬(wàn)t、PM2.510.14萬(wàn)t.在95%的置信區(qū)間確定了排放清單的不確定性,不確定性范圍為NO的±86%的低值到CO的±187%的高值.通過(guò)可靠性分析推斷,本文的排放清單是合理的.玉米和水稻秸稈露天焚燒對(duì)同種大氣污染物的貢獻(xiàn)高于其他作物秸稈.大氣污染物排放高值區(qū)位于黑龍江省西部和東部,污染物排放的時(shí)段在全年范圍內(nèi)具有明顯的雙峰特征.秸稈露天焚燒率的下降能有效促進(jìn)大氣污染物的減排,且農(nóng)墾地區(qū)集約化和規(guī)模化的管理模式能有效控制秸稈露天焚燒.

秸稈露天焚燒；排放清單；時(shí)空分布；黑龍江省

秸稈露天焚燒會(huì)產(chǎn)生大量CO、CO2、NO、SO2、NH3和可吸入顆粒物等大氣污染物[1-2].作為糧食主產(chǎn)區(qū),東北三省劃定了秸稈禁燒區(qū).以黑龍江省[3]為例,在采取一系列經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼、民事處罰等措施的同時(shí),還積極推進(jìn)秸稈資源化的利用.但環(huán)境保護(hù)部的秸稈焚燒監(jiān)測(cè)報(bào)告[4]表明東北地區(qū)的火點(diǎn)數(shù)量仍居高不下,黑龍江省尤為突出.

我國(guó)的秸稈露天焚燒排放清單的編制基于自下而上和自上而下2類方法,考慮到自下而上清單編制的高成本和實(shí)施難度,目前主要以自上而下的方法為主.國(guó)內(nèi)針對(duì)秸稈露天焚燒的清單研究大多從省級(jí)尺度計(jì)算了各省排放總量[5-7][8-10],未基于地級(jí)市的秸稈焚燒排放清單,且污染物時(shí)空分布的分辨率較低.

本文以黑龍江省為例,計(jì)算2016年秸稈露天焚燒污染物排放清單,分析污染物的時(shí)空分布和露天焚燒的原因,以期為后期空氣質(zhì)量模擬提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選取2016年作為基準(zhǔn)年,將黑龍江省12個(gè)地級(jí)市(七臺(tái)河、伊春、佳木斯、雙鴨山、哈爾濱、大慶、牡丹江、綏化、雞西、鶴崗、黑河、齊齊哈爾)、1個(gè)地區(qū)(大興安嶺)及黑龍江農(nóng)墾總局作為研究區(qū)域.

農(nóng)作物包括糧食作物、棉花、油料作物、麻類和糖料作物.由《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2017)[11]可知,2016年黑龍江省糧食產(chǎn)量已經(jīng)占到農(nóng)作物產(chǎn)量的99.26%,其中農(nóng)墾總局的糧食產(chǎn)量已經(jīng)占到農(nóng)作物產(chǎn)量的92.28%,其它作物所占比例極少,且對(duì)計(jì)算參數(shù)研究較少,不確定性較大,因此進(jìn)一步將研究對(duì)象鎖定為糧食作物,即谷類(水稻、小麥、玉米、谷子與高粱)、豆類與薯類.關(guān)注的污染物包括CO2、CO、CH4、NMVOCs、NH3、BC、OC、SO2、NO、PM10和PM2.5.

1.2 秸稈露天焚燒量的計(jì)算

《生物質(zhì)燃燒源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)[12]按照式(1)計(jì)算秸稈露天焚燒活動(dòng)水平:

式中:為農(nóng)作物產(chǎn)量,t;為草谷比;為秸稈露天焚燒比例;為燃燒效率.

糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)自于《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2017)[11],糧食作物的草谷比和秸稈的燃燒效率見(jiàn)表1文獻(xiàn)的推薦值.而秸稈露天焚燒比例與作物種類、各地經(jīng)濟(jì)水平和居民生活習(xí)慣等多種因素有關(guān),差異較大.根據(jù)《指南》建議:在有條件的情況下,最好采用抽樣調(diào)查的方法[12].因此本次研究的露天焚燒比例采用彭立群等[8]在黑龍江省570個(gè)樣本數(shù)下統(tǒng)計(jì)的不同作物露天焚燒比例,即平均值為22.6%.匯總各計(jì)算參數(shù)如表1所示.

結(jié)合黑龍江省實(shí)際情況,在2013年底農(nóng)墾實(shí)現(xiàn)了玉米秸稈100%的還田利用,之后大力推動(dòng)其他作物秸稈的還田和綜合利用[18].依據(jù)《黑龍江墾區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)提要》(2015),黑龍江墾區(qū)秸稈還田面積與保護(hù)性耕作面積之和占糧食作物播種總面積的93%以上.除玉米秸稈100%還田利用,大豆秸稈也基本上做到了100%還田.水稻秸稈粉碎還田雖然難度較大、存在問(wèn)題較多,但是整體推進(jìn)較好,燒秸稈現(xiàn)象很少發(fā)生[19].根據(jù)《黑龍江省禁止野外焚燒秸稈改善大氣質(zhì)量實(shí)施方案》[20]要求,墾區(qū)為秸稈禁燒區(qū),需24h監(jiān)管,確保全區(qū)域、全天候禁燒.且墾區(qū)進(jìn)行了秸稈肥料化、基料化、飼料化、燃料化、原料化的利用,利用率達(dá)到90%以上,因此本次計(jì)算不考慮農(nóng)墾的露天焚燒.

表1 活動(dòng)水平計(jì)算參數(shù)

1.3 大氣污染物排放量的計(jì)算

表2 秸稈露天焚燒排放系數(shù)(g/kg)

《指南》推薦用下式計(jì)算生物質(zhì)燃燒活動(dòng)中污染物的排放量:

式中:E為大氣污染物的排放量,t;為不同的城市;為不同的秸稈種類;A秸稈的露天焚燒活動(dòng)水平,t;EF是污染物的排放系數(shù),g/kg.

排放系數(shù)是計(jì)算排放清單的重要參數(shù),它不僅能表征污染物的排放強(qiáng)度,也可分析出樣本的排放特征.經(jīng)查詢和對(duì)比文獻(xiàn)中已有的排放測(cè)試成果,整理出本文采用的排放系數(shù),見(jiàn)表2.

1.4 污染物時(shí)間分布計(jì)算

秸稈露天焚燒與農(nóng)作方式和作物成熟期有關(guān),表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異,受人為因素、天氣、經(jīng)濟(jì)水平等多種因素影響.目前研究多采用作物成熟時(shí)間進(jìn)行時(shí)間分配[31-33],黑龍江省位于中國(guó)最北端,屬于寒地一年一熟的耕作制度[34].

通過(guò)調(diào)研黑龍江省農(nóng)作物成熟期,得到水稻、玉米、大豆、高粱和谷子于9月中旬至10月中旬成熟,小麥于7月初至8月底成熟,薯類于7月中旬至10月中旬成熟.一般成熟期之后7~10d收獲籽粒,再7~10d為其田間秸稈成熟期.由于11月之后黑龍江省要經(jīng)歷12月至來(lái)年2月的積雪期,作物秸稈存在收割后不會(huì)立即燃燒的情況,因此,將水稻、玉米、谷子、高粱和豆類秸稈露天焚燒排放量在10月、11月、3月和4月進(jìn)行分配,小麥在8月和9月進(jìn)行分配,薯類在8月至10月進(jìn)行分配.

1.5 污染物空間分布計(jì)算

目前一些研究采用耕地面積[35]或焚燒火點(diǎn)[36-37]作為秸稈露天焚燒的空間分配因子.然而,僅采用耕地面積只能反映出各柵格中的耕地?cái)?shù)量,而不能反映柵格中秸稈露天焚燒污染物的排放量.例如某些耕地面積大的地區(qū)實(shí)施了秸稈禁燒政策,僅用耕地面積作為空間分配因子則與實(shí)際情況存在較大差異.而簡(jiǎn)單地使用衛(wèi)星火點(diǎn)數(shù)據(jù)也是不全面的,由于衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測(cè)自身的局限,無(wú)法完全覆蓋焚燒區(qū)域.考慮后期在空氣質(zhì)量模型中的應(yīng)用,本文將耕地面積和火點(diǎn)數(shù)據(jù)兩種分配因子復(fù)合進(jìn)行網(wǎng)格化分配.耕地面積來(lái)自省國(guó)土資源部門(mén),火點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自環(huán)境保護(hù)部公布的秸稈焚燒監(jiān)測(cè)報(bào)告[4].依據(jù)公式(3)計(jì)算[33,37]:

式中:是不同的網(wǎng)格;是不同的城市;是不同的污染類型;是每個(gè)城市或柵格里污染物的排放量,t/a;FC是每個(gè)城市或網(wǎng)格中的火點(diǎn)數(shù)量;CA是每個(gè)城市或網(wǎng)格中的耕地面積.

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈露天焚燒污染物排放清單

2.1.1 露天焚燒量 由表3可見(jiàn),黑龍江省2016年糧食作物秸稈產(chǎn)量為9142.66萬(wàn)t,生物質(zhì)能源潛力巨大.其中農(nóng)墾總局、哈爾濱、綏化和齊齊哈爾的秸稈產(chǎn)量分別為全省秸稈總量的23.25%、16.18%、15.40%和13.46%,秸稈總量之和占全省的68.28%.

表3 秸稈露天焚燒量

各地市的秸稈露天焚燒量與耕地面積具有正相關(guān)性,為更好地對(duì)比各地級(jí)市的秸稈露天焚燒量,計(jì)算得到其單位面積秸稈露天焚燒量.哈爾濱、綏化和雞西計(jì)算得到的單位面積秸稈露天焚燒量較高,其中雞西市排名較為靠前是因?yàn)槠滢r(nóng)墾面積較大,而農(nóng)墾面積單獨(dú)計(jì)入農(nóng)墾系統(tǒng).

2.1.2 排放清單 由表4可知,黑龍江省共排放污染物:CO21314.09萬(wàn)t、CO 41.92 萬(wàn)t、CH43.77 萬(wàn) t、NMVOCs 8.35萬(wàn)t、NH30.65萬(wàn)t、BC 0.44萬(wàn)t、OC 3.13 萬(wàn)t、SO20.50萬(wàn)t、NO3.28 萬(wàn)t、PM108.81萬(wàn)t和PM2.510.14 萬(wàn)t.哈爾濱、綏化、齊齊哈爾和佳木斯對(duì)污染物貢獻(xiàn)較大,分別占全省總量的20.95%、19.12%、17.27%和11.26%.

由公式(1)和(2),可知秸稈產(chǎn)量和排放系數(shù)的計(jì)算權(quán)重較大,因此各類秸稈露天焚燒所產(chǎn)生的污染物量之間存在較大區(qū)別.由圖1可知,水稻和玉米秸稈對(duì)同種污染物的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于其他作物秸稈,分別為18.91%~47.50%和 41.39%~67.87%.

表4 2016年黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單(′104t)

圖1 各類秸稈露天焚燒對(duì)同種污染物的貢獻(xiàn)率

2.1.3 不確定性分析 秸稈露天焚燒清單結(jié)果的不確定性源于公式中各計(jì)算參數(shù)(草灰比、燃燒效率、露天焚燒比例和排放因子)[33,37].而本文在建立排放清單的過(guò)程中,這些參數(shù)均引用國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中的推薦值.而不同學(xué)者所提供的數(shù)值存在較大差異,主要是排放源測(cè)試結(jié)果與地區(qū)位置、測(cè)試及檢測(cè)條件等多種因素有關(guān).而選取的參數(shù)數(shù)值不同將直接影響清單的計(jì)算結(jié)果[38].

本文選用蒙特卡洛模擬量化不確定性,基于活動(dòng)水平和排放因子的概率密度分布,蒙特卡洛模擬運(yùn)行100000次,以95%置信區(qū)間計(jì)算不確定性的范圍,得到各污染物的不確定范圍見(jiàn)表5.

與其他污染物相比,NO的不確定性較小,約在-77%~86%.NH3和CO排放的不確定度較高,分別為-128%~165%和-64%~187%.主要是由于NH3和CO的排放系數(shù)多采用國(guó)外文獻(xiàn)推薦值.為進(jìn)一步降低清單的不確定性,草灰比、燃燒效率和露天焚燒比例等參數(shù)未來(lái)可進(jìn)行實(shí)地調(diào)研.

表5 不確定性分析

2.1.4 清單可靠性分析 由表6可見(jiàn),與其他學(xué)者清單進(jìn)行對(duì)比,各類污染物排放量均未存在數(shù)量級(jí)差異.考慮到基準(zhǔn)年的差異,可以推斷,本文所得到的排放清單是合理的.

2.2 秸稈露天焚燒污染物時(shí)空分布

2.2.1 時(shí)間分布特征 本文以PM2.5為例說(shuō)明污染物在2016年的月變化規(guī)律,并與各月火點(diǎn)數(shù)進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示.

表6 黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單的可靠性分析(′104t)

注: -表示無(wú)此項(xiàng).

由圖2可以看出,火點(diǎn)主要集中在2個(gè)時(shí)段:一是3月和4月,即每年開(kāi)春耕地之前;二是10月和11月,即作物收獲之后;與火點(diǎn)變化類似,主要受黑龍江省的耕作制度的影響,較符合黑龍江省的實(shí)際耕作情況.

圖2 火點(diǎn)及PM2.5排放量月際變化

PM2.5濃度與氣象條件、燃煤和秸稈露天焚燒等多種因素有關(guān).如圖3所示,全省各地級(jí)市PM2.5濃度在全年范圍內(nèi)變化趨勢(shì)一致.10月中旬至4月中旬為黑龍江省采暖期,與秸稈露天焚燒時(shí)段完全重合.考慮黑龍江省氣象條件的季節(jié)性,在冬季風(fēng)速較低且易形成逆溫層,10、11月的PM2.5濃度比12、1月濃度高,且在12月有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì),可見(jiàn)秸稈露天焚燒和采暖期的復(fù)合污染顯著強(qiáng)于僅燃煤采暖時(shí)的污染.而春季采暖期3月和4月PM2.5濃度低于2月,主要是由于春季平均風(fēng)速逐漸升高,垂直方向湍流加劇,有利于污染物擴(kuò)散.因此在冬季氣象條件不利時(shí),對(duì)秸稈露天焚燒活動(dòng)的有效管制尤為重要.

圖3 各市PM2.5濃度月際變化

2.2.2 空間分布特征 采用GIS軟件在 Lambert 投影下,在哈爾濱市(43.425°N~53.584°N, 121.174°E~ 135.162°E)區(qū)域范圍內(nèi)建立分辨率為9km×9km的網(wǎng)格.以PM2.5為例,分析了污染物在黑龍江省的空間分布特征.通過(guò)式(3)進(jìn)行空間分配,如圖4所示.

通過(guò)圖4(a)和(b)對(duì)比可以看出,黑龍江省火點(diǎn)位于耕地面積上,主要在黑龍江省西部和東部,耕地面積上發(fā)生秸稈露天焚燒比例較高.與耕地分布不同,火點(diǎn)具有更為顯著的點(diǎn)源特征.從圖4(c)來(lái)看,PM2.5排放的高值網(wǎng)格點(diǎn)位于哈爾濱西部、綏化、齊齊哈爾的南部和東北部、黑河西南部、佳木斯中部和雙鴨山市.這些地區(qū)耕地面積大,農(nóng)作物殘留量大,且焚燒火點(diǎn)較為集中.在省中部和北部,包括大興安嶺、伊春、黑河中部、牡丹江市、哈爾濱的南部,這些地區(qū)林地面積大、土地使用面積大和耕地面積較小,因此污染物排放量較少.

同時(shí)由圖4(a)、(b)和圖3對(duì)比可以看出耕地和火點(diǎn)均較少的伊春、黑河和大興安嶺地區(qū)其PM2.5濃度值較低;雞西市和佳木斯東部耕地面積雖分布較大,但是火點(diǎn)數(shù)目較少,其PM2.5濃度也在省均值濃度以下,其中一個(gè)重要的原因是佳木斯和雞西市有較多墾區(qū)農(nóng)場(chǎng)分布,隸屬農(nóng)墾總局,均為規(guī)?；N植基地,服從農(nóng)墾總局的統(tǒng)一監(jiān)管,嚴(yán)格落實(shí)墾區(qū)全區(qū)域禁燒政策,其秸稈綜合利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于省內(nèi)其他地區(qū)[40],如玉米秸稈實(shí)現(xiàn)了100%的綜合利用,包括還田(75%)、免耕原壟卡種(20%)和秸稈打包綜合利用(5%)3種方式[18].而哈爾濱、綏化、齊齊哈爾和大慶市的PM2.5濃度均高于省均值,這些地區(qū)耕地面積較大和火點(diǎn)較多.可見(jiàn)對(duì)秸稈露天焚燒活動(dòng)的有效管制對(duì)改善當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量至關(guān)重要.

2.3 政策建議

根據(jù)黑龍江省在控制秸稈露天焚燒上的實(shí)際情況,分析了露天焚燒的原因并給出了相應(yīng)的建議.

一是秸稈資源化效率低.根據(jù)本文估算公式如果秸稈露天焚燒率降低5%,黑龍江省秸稈露天焚燒排放的PM2.5能減少34%,約3.5萬(wàn)t.可見(jiàn)降低秸稈露天焚燒率對(duì)污染物減排有很大推動(dòng)作用,因此應(yīng)加快構(gòu)建秸稈資源化技術(shù)體系,推進(jìn)秸稈資源的“五化”利用[41].

二是對(duì)秸稈分散處理模式不利于減少秸稈焚燒的發(fā)生.黑龍江省農(nóng)墾系統(tǒng)對(duì)秸稈進(jìn)行統(tǒng)收統(tǒng)管的集中管理的優(yōu)勢(shì)已顯露,因此為解決秸稈焚燒的問(wèn)題,東北糧食主產(chǎn)區(qū)可以借鑒墾區(qū)的管理經(jīng)驗(yàn),以其作為農(nóng)業(yè)樣板,推動(dòng)其他地區(qū)農(nóng)業(yè)向集約化和規(guī)?；l(fā)展[42-43].

農(nóng)業(yè)部公布了《東北地區(qū)秸稈處理行動(dòng)方案》(2017)[44],明確提出到2020年,努力使東北地區(qū)秸稈綜合利用率達(dá)80%及以上.具有巨大秸稈資源利用潛力的東北糧食主產(chǎn)區(qū)應(yīng)積極推進(jìn)秸稈從露天焚燒到資源化利用的方式轉(zhuǎn)變.

3 結(jié)論

3.1 采用排放因子法計(jì)算得到了黑龍江省2016年秸稈產(chǎn)量和秸稈露天焚燒量,進(jìn)而得到秸稈露天焚燒污染物排放清單.水稻和玉米秸稈對(duì)同種污染物的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于其他作物秸稈,分別為18.91%~ 47.50%和41.39%~67.87%.通過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)的清單結(jié)果對(duì)比,本文所得到的清單是合理的.

3.2 黑龍江省秸稈露天焚燒時(shí)段具有明顯的雙峰特征:一是3月和4月;二是10月和11月.與火點(diǎn)變化類似,較符合黑龍江省的實(shí)際耕作情況.污染物排放的高值網(wǎng)格點(diǎn)位于火點(diǎn)和耕地分布均密集的黑龍江省西部和東部.反之,低值區(qū)位于耕地和火點(diǎn)均較少的省中部和北部.

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Emission inventory and the temporal and spatial distribution of pollutant for open field straw burning in Heilongjiang province.

LI Li-li1,2, WANG Kun1,2*, JIANG Jun-qiu2, LIU Fan2, PU Yi-hao2, LIU Wei2, QI Hong1,2, YU Hang2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2018,38(9)：3280~3287

An emission inventory of open field straw burning was established on the method of emission factors over the Heilongjiang Province for the year of 2016 in this paper. The temporal and spatial distribution characteristics of emission pollutants were also comprehensive analyzed in this study. Our results showed that the total emissions of CO2, CO, CH4, NMVOCs, NH3, BC, OC, SO2, NO, PM10and PM2.5were 1.314×107, 4.192×105, 3.77×104, 8.35×104, 6.5×103, 4.4×103, 3.13×104, 5.0×103, 3.28×104, 8.81×104and 1.014×105t, respectively. Further uncertainty analysis for 95% confidence intervals revealed that the uncertainties ranged from a low value of ±86% for NOto a high value of ±187% for CO. The reliability analysis also demonstrated that the compiled emission inventory is reasonable. The spatial distribution of higher values for emission pollutants was located in the western and eastern regions of Heilongjiang Province. Temporally, two obviously emission peaks for emitted pollutants from straw burning were presented throughout the year. The decline of open field straw burning would effectively promote the reduction of regional total emission of atmospheric pollutants, and the mode of intensive farming and large-scale management over the reclamation area in Heilongjiang Province can effectively control the regional open field straw burning.

open field straw burning；emission inventory；temporal and spatial distribution；Heilongjiang province

X51

A

1000-6923(2018)09-3280-08

李莉莉(1995-),女,河南周口人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)榇髿馕廴疚锱欧徘鍐?

2018-01-31

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室探索課題(2016TS08)

* 責(zé)任作者, 教授, Wang02kun@126.com