四川省非道路移動源大氣污染物排放清單研究

范武波,陳軍輝,李 媛,姜 濤,孫 蜀,王 剛,廖洪濤,蔣 濤,吳 鍇,錢 駿,葉 宏

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四川省非道路移動源大氣污染物排放清單研究

范武波1,2,陳軍輝1*,李 媛1,姜 濤1,孫 蜀1,王 剛1,廖洪濤3,蔣 濤3,吳 鍇3,錢 駿1,葉 宏1

(1.四川省環(huán)境保護科學研究院,四川 成都 610041；2.四川大學,四川 成都 610041；3.成都信息工程大學,四川 成都 610225)

根據(jù)調(diào)查收集到的2015年四川省工程機械、農(nóng)業(yè)機械、鐵路機車、船舶和民航飛機的保有量、活動水平等數(shù)據(jù),采用“排放因子法”計算了非道路移動源大氣污染物排放量,分析了2015四川省非道路移動源的尾氣污染排放特征,并建立了3km×3km的網(wǎng)格化排放清單.結(jié)果表明,2015年四川省非道路移動源排放的PM10為1.38×104t,PM2.5為1.25×104t,NO為1.83×105t,THC為2.98×104t,CO為1.21×105t.工程機械對污染物的貢獻率相對較高,占比達到70%;其次為農(nóng)業(yè)機械,對NOx和PM的貢獻占比分別達到15%.工程機械和農(nóng)業(yè)機械的排放主要集中在夏季和秋季,而飛機、鐵路機車和船舶的時間變化較不明顯;而從空間分布來看,高排放源主要分布于成都平原地區(qū)和川南地區(qū).

非道路移動源；排放清單；時空分布；四川

非道路移動源主要包括工程機械、農(nóng)業(yè)機械、小型通用機械、柴油發(fā)電機組、船舶、鐵路機車和飛機等,具有流動性大、技術(shù)水平低、污染物排放量高等特點,尾氣中主要包含PM、NO等污染物,給環(huán)境空氣和人體健康帶來了較大的影響[1-3].近年來,國家環(huán)保部先后出臺了《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》(GB20891-2014)[4]、《非道路柴油機械煙度排放標準(征求意見稿)》[5]等標準,對非道路移動機械的尾氣排放提出了更為嚴格的要求,這在一定程度上推動了我國非道路移動源尾氣污染的防治工作.

為了全面掌握非道路移動源尾氣排放特征,相關(guān)學者在非道路移動源排放清單建立[6-14]、排放因子測試[15-19]等方面已經(jīng)開展了大量研究.早期的非道路移動源排放清單主要是基于燃油消耗量的排放因子法,如天津[9]、北京[10]的農(nóng)業(yè)機械排放清單以及珠江三角洲[12]、京津冀[13]的非道路移動源排放清單等都是采用此方法.近年來的研究逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛跈C械功率的排放因子法,如長江三角洲[14]非道路移動源排放清單等.通過研究表明,非道路移動源排放的污染物已經(jīng)逐漸成為部分地區(qū)大氣污染的重要來源之一,其中沿海地區(qū)的船舶排放則是較為突出的貢獻源.但總體而言,我國在非道路移動源排放清單方面的研究起步相對較晚,基礎尚較薄弱,大部分排放清單的建立都是基于燃油消耗得到的估算結(jié)果,未考慮機械類型、排放標準等因素對尾氣排放的影響,因此所建立的清單不確定性相對較大.

四川省地處我國西南部,地形復雜,氣候多變,常年風速較小,不利于污染物的擴散.隨著城市建設的不斷擴張,全省非道路移動源的使用比例逐漸提升[20],污染物排放量快速增長,給四川省的大氣污染防治工作帶來了較大挑戰(zhàn),但卻鮮有與之相關(guān)的研究.為了解決四川省非道路移動源活動水平數(shù)據(jù)不足、排放清單底數(shù)不清的問題,本研究以2015年為基準年,采用現(xiàn)場調(diào)查、文獻查閱等方式對全省非道路移動源展開了調(diào)查,針對每一類污染源采用適當?shù)姆椒ń⒘讼鄳髿馕廴疚锱欧徘鍐?以期為四川省的大氣污染防治工作提供數(shù)據(jù)支撐.

1 研究對象與計算方法

1.1 研究對象及分類

本研究主要針對以柴油為燃料的工程機械、農(nóng)業(yè)機械、鐵路機車、船舶、飛機等污染源開展調(diào)查,并根據(jù)具體的機械類型、排放標準、額定功率做了進一步分類,如表1所示.其中,工程機械主要考慮使用量較大的挖掘機等6類機械,農(nóng)業(yè)機械主要考慮拖拉機、聯(lián)合收割機、農(nóng)用運輸車和排灌機械.排放清單的污染物種類為PM10、PM2.5、NO、THC和CO.

表1 非道路移動源分類

1.2 排放清單計算方法

基于目前所掌握的基礎參數(shù),參考《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(以下簡稱《指南》)[21]中推薦的清單編制方法,對每類非道路移動機械的污染物排放量進行計算.

1.2.1 工程機械 工程機械排放清單采用基于保有量的方式進行計算,如公式(1)所示.

式中:為工程機械PM10、PM2.5、NO、THC、CO的排放量,t;、和分別為工程機械的類別、排放階段和功率段;為保有量,臺;為平均額定功率, kw/臺;LF為負載因子,指在實際運行時的凈功率與額定功率的比值;hr為年均使用時長,h;EF為排放因子,g/(kW·h).

1.2.2 農(nóng)業(yè)機械 農(nóng)業(yè)機械排放清單采用基于油耗量的方式進行計算,分為農(nóng)業(yè)運輸車和其他農(nóng)業(yè)機械兩部分.對于農(nóng)用運輸車,計算方法如公式(2)所示.

式中:為農(nóng)用運輸車PM10、PM2.5、NO、THC、CO的排放量,t;和分別為農(nóng)用運輸車的類別和排放階段;為保有量,輛;EF為排放因子,g/km;為年均行駛里程,km.

對于其他農(nóng)業(yè)機械,計算方法如公式(3)所示.

式中:為其他農(nóng)業(yè)機械PM10、PM2.5、NO、THC、CO的排放量,t;和分別為其他農(nóng)業(yè)機械的類別和排放階段;為油耗量,kg;EF為排放因子,g/kg燃料.

1.2.3 鐵路內(nèi)燃機車、船舶 農(nóng)業(yè)機械、鐵路內(nèi)燃機車和船舶的排放清單采用基于燃油消耗的方式進行計算,如公式(4)所示.

式中:為農(nóng)業(yè)機械、鐵路機車、船舶PM10、PM2.5、NO、THC、CO的排放量,t;為燃油消耗量,kg;EF為排放因子,g/kg燃料.

1.2.4 民航飛機 民航飛機的排放清單采用基于飛機起飛著陸循環(huán)次數(shù)(LTO)進行計算,方法如公式(5)所示.LTO循環(huán)為國際民航組織規(guī)定的飛機從高空降落至機場又重新起飛至高空的一個封閉工作過程,一般包含進近、滑行、起飛和爬升4個階段.

式中:為民航飛機PM10、PM2.5、NO、THC、CO的排放量,t;LTO為民航飛機起飛著陸循環(huán)次數(shù),次;EF為排放因子,kg/LTO.

1.3 基礎參數(shù)的收集

表2 四川省工程機械保有量調(diào)查結(jié)果

1.3.1 工程機械、農(nóng)用運輸車保有量 工程機械保有量采用現(xiàn)場調(diào)查、資料查閱的方式獲取,基本思路為:調(diào)查四川省典型建筑工地在建設全過程中,單位施工面積上工程機械的使用情況,包括類型、排放標準、功率、使用時長等參數(shù),結(jié)合四川省國土資源廳提供的21個市州建筑用地面積統(tǒng)計結(jié)果,計算得到不同類型、不同功率、不同排放標準工程機械的保有量分布情況.農(nóng)用運輸車的保有量來自于《四川省統(tǒng)計年鑒2016》(以下簡稱《年鑒》)[20]以及現(xiàn)場調(diào)查.結(jié)果如表2和表3所示.

表3 四川省農(nóng)用運輸車保有量調(diào)查結(jié)果

1.3.2 活動水平 工程機械的平均額定功率、負載因子和年均使用時長,以及農(nóng)用運輸車的年均行駛里程采用現(xiàn)場調(diào)查方式獲取.農(nóng)業(yè)機械的油耗量來自于《年鑒》[16].對于鐵路內(nèi)燃機車和船舶,首先通過查閱《年鑒》[20],獲取了2015年四川省鐵路內(nèi)燃機車的客運量和貨運量分別為2.72′106萬人×km和6.86′106萬t·km,船舶的客運量和貨運量分別為3′104萬人×km和1.83′106萬t·km;參考其他學者研究成果,假設乘客平均體重按照65kg計,鐵路運輸每萬t·km的油耗為25.9kg/(萬t·km),船舶的油耗為60kg/(萬t·km)[22],獲取了2015年四川省鐵路內(nèi)燃機車和船舶的油耗量.另外,通過調(diào)查《2015年全國生產(chǎn)統(tǒng)計公報》[23],獲取了四川省13座通航機場2015年民航飛機的起降次數(shù)合計為553394次.結(jié)果如表4所示.

表4 四川省非道路移動源活動水平調(diào)查結(jié)果

續(xù)表4

工程機械負載因子0.710.630.680.74 年均使用時長(h)724681750573 壓路機平均額定功率(kW)2359104163 負載因子0.590.620.740.76 年均使用時長(h)440582540617 其他農(nóng)業(yè)機械油耗量(t)機械類型排放標準＜37kw37~75kw75~130kw≥130kw 大中型拖拉機國Ⅰ前984.22952.66467.63655.6 國Ⅰ802.92408.75276.22982.2 國Ⅱ699.32097.94595.42597.4 國Ⅲ及以上103.6310.8680.8384.8 小型拖拉機國Ⅰ前40256.013616.03552.01776.0 國Ⅰ36482.012339.53219.01609.5 國Ⅱ46546.015743.54107.02053.5 國Ⅲ及以上2516.0851.0222.0111.0 排灌機械國Ⅰ前29913.65107.21094.4364.8 國Ⅰ16826.42872.8615.6205.2 國Ⅱ13710.42340.8501.6167.2 國Ⅲ及以上1869.6319.268.422.8 其他機械(聯(lián)合收割機、脫粒機、農(nóng)產(chǎn)品加工機械等)國Ⅰ前29592.619195.214396.416795.8 國Ⅰ12887.18359.26269.47314.3 國Ⅱ4295.72786.42089.82438.1 國Ⅲ及以上954.6619.2464.4541.8 農(nóng)用運輸車年均行駛里程(km)三輪19870 四輪22530 鐵路機車柴油消耗量(t)182253.1 船舶油耗量(t)柴油75564.2 燃料油34352.8 民航飛機起降次數(shù)(次)557350

1.3.3 排放因子 本研究中的排放因子采用《指南》中推薦的排放因子.其中,工程機械采用基于功率的排放因子,農(nóng)業(yè)機械、鐵路內(nèi)燃機車和船舶采用燃油消耗量的排放因子,飛機采用基于起降次數(shù)的排放因子.結(jié)果如表5所示.

1.3.4 時間分配 時間分配主要是基于月排放量進行分配.其中,工程機械的時間分配系數(shù)主要是基于建筑工地施工時間分布情況;農(nóng)業(yè)機械主要是基于農(nóng)忙生產(chǎn)作業(yè)情況;船舶主要是基于海事部門提供的船舶航行時間分布情況;鐵路機車是基于交通部門提供的運輸數(shù)據(jù);民航飛機則是參考各民航機場飛機起落情況.

表5 四川省非道路移動源大氣污染物排放因子

續(xù)表5

工程機械[g/(kw·h)]130kW

1.3.5 空間分配 空間分配采用ArcGIS將非道路移動源的排放量進行3km′3km分配.其中,工程機械的空間分配系數(shù)主要是基于建筑工地的地理位置分配;農(nóng)業(yè)機械主要是基于農(nóng)田分布現(xiàn)狀分配;船舶采用航道的分布進行分配;鐵路機車是基于鐵路路網(wǎng)及運輸量進行分配;民航飛機則是根據(jù)機場的地理位置及起飛降落量進行分配.

2 結(jié)果與討論

2.1 排放清單建立結(jié)果

根據(jù)收集到的四川省各類非道路移動機械的活動水平數(shù)據(jù),建立了2015年四川省非道路移動源排放清單,結(jié)果如表6所示.從表中明顯可以看出,工程機械是最大的污染排放源,其次為農(nóng)業(yè)機械,船舶、鐵路機車和民航飛機的排放量都相對較小.另外,四川省非道路移動源PM2.5排放量約占PM10的90.34%,表明非道路移動機械排放的顆粒物粒徑相對較小;NO的排放量遠高于其他污染物.

表6 四川省非道路移動源排放清單(t)

2.2 排放特征分析

圖1展示了四川省各類非道路移動源不同污染物的排放分擔率.由圖可知,工程機械對PM10、PM2.5、NO、THC和CO的分擔率分別為77.4%、76.3%、73.0%、76.9%和78.0%,主要來自于挖掘機和裝載機的排放,對非道路移動源的貢獻達到20%~37%之間.魯君等[14]對東部地區(qū)的研究結(jié)果也表明,挖掘機械是東部地區(qū)城市非道路移動源的最主要貢獻者,排污占比達到30%以上,與本文結(jié)果較為接近.造成工程機械排污貢獻率大的主要原因是其使用頻率較高,單機排放量大.自2008年“5.12”汶川地震后,四川省建筑業(yè)迅速發(fā)展,工程機械大量使用,從現(xiàn)場調(diào)查可知,挖掘機和裝載機的使用量最大,且大部分在用工程機械仍為國Ⅱ、國Ⅰ甚至國Ⅰ前排放標準,單機排放量很大;另一方面,工程機械是通過加油車將燃油運送至現(xiàn)場添加,由于監(jiān)管缺失,燃油品質(zhì)并未得到保障.因此,多方面原因?qū)е鹿こ虣C械整體排放量相對較大.

農(nóng)業(yè)機械對PM10、PM2.5、NO、THC和CO的分擔率相對較小,分別為14.0%、14.7%、13.0%、14.3%和15.0%.四川全省面積約為48.6萬km2,平原占5.3%,丘陵占12.9%,山地占77%,高原占4.7%,水域占18.5%.受地形影響,全省農(nóng)業(yè)機械普及率相對較低.據(jù)四川省農(nóng)業(yè)廳統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,小麥、水稻等主要糧食作物耕種收綜合機械化率可以達到74%以上,其余地區(qū)約在60%左右;此外,農(nóng)業(yè)機械的使用主要集中在農(nóng)忙季節(jié),其余時段的使用較少.因此,農(nóng)業(yè)機械的尾氣排放量總體低于工程機械.

船舶、鐵路內(nèi)燃機車和民航飛機的排放分擔率較小,約在2%~6%之間.有學者對天津市[24]、南京市等[25]區(qū)域的研究結(jié)果表明,船舶對非道路移動源的污染物的貢獻率可達到40.3%~98.3%.與沿海、沿江地區(qū)不同,四川省的港口較少,內(nèi)河船舶保有量低,因此船舶的排污貢獻率也遠遠低于沿海、沿江地區(qū).另外,四川省鐵路機車的保有量相對較小,而四川省除了雙流國際機場規(guī)模較大以外,其余機場規(guī)模很小,所以這3種污染源的總排放量相對較小.

圖1 四川省非道路移動源排放分擔率

圖2 四川省不同排放標準非道路移動源的排污分擔率

圖2展示了不同排放標準時期的排污分擔率.從圖中可以看出,國Ⅰ前非道路移動機械對PM10、PM2.5、NO、THC和CO的貢獻率分別達到39.3%、40.9%、41.6%、33.0%和31.5%,遠高于其他排放階段,這可能是由于國Ⅰ前非道路移動機械本身機排污量大,且船舶、鐵路機車及民航飛機全部執(zhí)行國Ⅰ前排放標準,從而導致國Ⅰ前階段的非道路移動機械排放量占比較大.國Ⅰ和國Ⅱ標準機械的排污分擔率較為接近,約為23%~33%之間,國Ⅲ及以上標準的機械對污染的貢獻率最小,約為4%~7%之間.隨著排放標準的加嚴,非道路移動機械所用的燃油品質(zhì)、尾氣后處理裝置等逐步得到改善,排放因子逐漸降低,從而整體上表現(xiàn)出國Ⅰ前>國Ⅰ>國Ⅱ>國Ⅲ及以上的排放趨勢.

2.3 時間分布特征

圖3展示了四川省各類非道路移動機械排放的月變化趨勢.可以看出,工程機械的排放量主要集中在5~12月,約占8%~13%之間,1~4月排放量相對較小,約為2%~6%之間,其中9月份排放量最大,而2月份最小,這可能是由于冬季溫度較低,工地建筑活動減少,而到了春、夏、秋三季時,工地的建筑活動增加,工程機械使用量上升,從而導致排放量呈現(xiàn)出冬低夏高的趨勢.農(nóng)業(yè)機械的排放量主要集中在4~5月和8~10月,其他月份排放占比較小,這是由于4~5月份是播種水稻、春小麥和收割冬小麥的時段,而8~10月是水稻和玉米的收割時段,農(nóng)業(yè)機械使用量相對較大,從而導致排放量上升.鐵路機車、船舶和民航飛機的活動水平相對較為固定,因此其排放的月變化趨勢相差不大,但7~9月的排放量相對較突出,這可能是由于暑假期間學生及家長出行活動增加所導致的排放量增加.總體而言,四川省非道路移動源的排放主要集中在5~10月,其余月份排放量相對較小.

圖3 各類非道路移動源排放的月變化趨勢

2.4 空間分布特征

圖4展示了四川省非道路移動源PM10的空間分布情況.從圖4(a)中可以看出,非道路移動源尾氣排放的PM10在成都市較為集中,排放量也較大;其次為川南地區(qū)的宜賓、瀘州、自貢、內(nèi)江以及川東北地區(qū)的達州、廣安、南充和廣元等地,其排放量也相對較大;川西高原的排放量主要集中在攀枝花和西昌地區(qū),而阿壩州、甘孜州和涼山州的排放相對較小.從圖4(b)~(f)中可以看出,工程機械尾氣主要分布在成都市區(qū)以及其他城市的建城區(qū),其中德陽、廣安和巴中的排放量超過2.2t/(a·km2);農(nóng)業(yè)機械尾氣PM10主要集中在成都平原城市群和川南城市群,其中成都二三圈層以及德陽、自貢、南充、廣安等地排放量較大;船舶排放的PM10主要分布在廣元、南充、廣安、樂山、內(nèi)江、宜賓和瀘州等地;鐵路機車排放的PM10主要分布在成都、眉山、宜賓、南充、巴中和涼山、攀枝花等地;民航飛機排放的PM10主要分布在成都、綿陽、南充等地區(qū).

圖4 四川省非道路移動源PM10排放的空間分布

(a)代表全省PM10分布,(b)~(f)分別代表工程機械、農(nóng)業(yè)機械、船舶、鐵路機車和民航飛機PM10的排放分布

2.5 不確定性分析

非道路移動源排放清單在我國的研究起步較晚,本地化數(shù)據(jù)積累較少,不確定性主要來自于非道路移動源的保有量、活動水平及排放因子3部分.

在本研究中,工程機械的保有量及活動水平是采用現(xiàn)場統(tǒng)計反算獲取的.實際上,使用工程機械的建筑工地非常多,在現(xiàn)場調(diào)查過程中獲取工程機械使用量的數(shù)據(jù)較有限,在一定程度上其代表性相對不高,其使用時長、功率、排放標準等活動水平數(shù)據(jù)存在較大的局限性,這是不確定性的主要來源.而對于農(nóng)業(yè)機械、船舶、鐵路機車和民航飛機的活動水平、燃油消耗等數(shù)據(jù)是通過統(tǒng)計年鑒及相應的年報獲取的,相對而言能夠代表本地的實際水平,其不確定性相對較小.另外,本研究中所有機械的排放因子是參考《指南》中的推薦值,未開展本地化的測試工作,而機械類型、使用時長、燃油品質(zhì)、工作工況、排放標準、生產(chǎn)廠家等都能導致排放因子發(fā)生較大的變化,僅采用《指南》推薦值是遠不能代表四川本地的實際情況,因此排放因子導致清單不確定性的重要來源,建議在下一步工作中加強調(diào)查及實測工作.

3 結(jié)論

3.1 2015年四川省工程機械和農(nóng)用運輸車的保有量分別約為2.7′105臺和1.3′105輛;其他農(nóng)業(yè)機械、鐵路機車和船舶的燃油消耗分別為4.2′105t、1.8′105t和1.1′105t;民航飛機的起降量約為5.6′105次.

3.2 2015年四川省非道路移動源PM10、NO、THC和CO的排放量分別為1.38′104t、1.83′105t、2.98′104t和1.21′105t,工程機械的貢獻率達到70%以上,農(nóng)業(yè)機械、船舶、鐵路機車和民航飛機的排污貢獻較小.

3.3 從時間分布上看,四川省非道路移動源的排污主要集中在5~10月份,其余月份排放量相對較小;從空間分布上看,四川省非道路移動源尾氣排放主要集中在成都市,其次為川南地區(qū)的宜賓、瀘州、自貢、內(nèi)江以及川東北地區(qū)的達州、廣安、南充和廣元等地,而阿壩州、甘孜州和涼山州地區(qū)排放較小.

3.4 非道路移動源排放清單的不確定主要來自于機械保有量及排放因子.

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Study on the non-road mobile source emission inventory for sichuan province.

FAN Wu-bo1,2, CHEN Jun-hui1*, LI Yuan1, JIANG Tao1, SUN Shu1, WANG Gang1, LIAO Hong-tao3, JIANG Tao3, WU Kai3, QIAN Jun1, YE Hong1

(1.Sichuan Research Institute of Environmental Protection, Chengdu 610041, China；2.Sichuan University, Chengdu 610041, China；3.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)., 2018,38(12)：4460~4468

The emission amount and characters of air pollutants from non-road mobile sources were analyzed with emission factor method, based on the collected vehicle population and activity levels of construction machinery, agricultural machinery, locomotives, ships, and civil aircrafts in Sichuan Province in 2015. Subsequently, a 3km′3km grid emission inventory was established. The results showed that the emissions of PM10, PM2.5, NO, THC and CO were about 1.38′104t, 1.25×104t, 1.83′105t, 2.98′104t and 1.21′105t respectively. The construction machinery was the largest source, which contributes more than 70%. The second contributor was the agricultural machinery, about 15%. The emissions of the two primary sources mainly concentrated in summer and autumn, comparing to the uniform distribution of locomotives, marine and civil aircraft. Spatially, the high emission sources are mainly distributed in the Chengdu plain and the southern region of Sichuan.

non-road mobile；construction machinery；emission inventory；Sichuan

X501

A

1000-6923(2018)12-4460-09

范武波(1988-),四川廣元人,工程師,碩士,主要從事大氣污染控制研究.發(fā)表論文6篇.

2018-05-04

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0212106);國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409012)

* 責任作者, 研究員, 9503062@qq.com