邯鄲市大氣污染源排放清單建立及總量校驗

李亞林, 郭秀銳, 程水源, 姚 森, 段文嬌

北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院, 區(qū)域大氣復合污染防治北京市重點實驗室, 北京 100124

大氣污染源排放清單是某一區(qū)域在特定時間內各類污染源排放到大氣中典型污染物的數(shù)據列表，排放清單的建立對分析區(qū)域大氣污染排放特征、空氣質量預測及大氣污染防治計劃的制定都具有重要的作用[1-3]. 近年來，國內學者對清單建立做了大量的研究，目前大氣污染源清單大致分為亞洲排放清單[4-5]、國家排放清單[6-7]、區(qū)域排放清單[3,8-10]、城市排放清單[11-13]及分行業(yè)分物種排放清單[14-18]. 在清單建立過程中，不可避免的存在各類誤差，導致排放清單的不確定性，不確定性較大的清單會造成對污染源排放的誤判[19]，因此對清單進行不確定性分析及校驗顯得極為重要. 目前清單校驗常用方法多是定性半定量的研究，大致分為基于衛(wèi)星遙感觀測的排放源清單校驗[20-21]、反演模型清單校驗[22]、排放清單的橫向及趨勢校驗[23]等，缺少定量清單校驗方法的研究.

邯鄲市作為主要的重工業(yè)城市，空氣質量狀況較為嚴峻，為摸清該地區(qū)的大氣污染物排放狀況，改善空氣質量，建立準確完善的高分辨率大氣污染源排放清單顯得尤為重要. 該研究基于拉網式調查，獲取該地區(qū)2016年詳細的活動水平數(shù)據，采用物料衡算和排放因子法，輔以在線監(jiān)測數(shù)據，建立了2016年邯鄲市高分辨率大氣污染源排放清單. 在此基礎上，建立可反映污染物排放量與大氣環(huán)境質量響應關系的WRF-CMAQ數(shù)值模型，結合邯鄲市立體觀測數(shù)據，反向估算典型污染物的排放總量，驗證現(xiàn)有排放清單的準確性.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與對象

該研究以邯鄲市為對象，將污染源分為工業(yè)源、居民源、道路移動源、非道路移動源、無組織揚塵源、VOCs源、NH3源和生物質燃燒源8大類，共20余小類. 以2016年為基準年，對污染物排放量進行核算，建立了邯鄲市高分辨率大氣污染源排放清單，并基于立體觀測數(shù)據對典型污染物進行總量驗證.

1.2 清單建立方法

1.2.1排放量估算方法

該研究對于小型工業(yè)源和其他污染源的SO2排放量采用物料衡算法核算，其他污染物排放量根據排放因子法進行核算. 詳細核算方法參考《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》[24]和文獻[11,23]. 民航飛機排放量參考文獻[16,25]進行核算. 將大型工業(yè)企業(yè)的排放口，按照是否安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)分為主要排放口和一般排放口，主要排放口根據在線監(jiān)測數(shù)據進行核算，該工業(yè)企業(yè)污染物的排放量(Ei)計算公式：

Ei=Ej+Ek+El

(1)

式中：Ei為企業(yè)排放總量，t；Ej為主要排放口排放量，t；Ek為一般排放口排放量，t；El為無組織排放量，t.

1.2.2活動水平與排放因子

根據邯鄲市污染源普查、排污申報、環(huán)境統(tǒng)計等國家級數(shù)據[26-28]，對污染源進行大致的梳理，篩選出能耗較高的規(guī)模以上企業(yè)將污染源精確到經緯度. 然后與邯鄲市相關部門協(xié)調合作，基于拉網式調查，對上述企業(yè)的活動水平數(shù)據進行補充，并獲取規(guī)模以下工業(yè)企業(yè)、民用散煤燃燒、農牧氨等污染源詳細的活動水平數(shù)據. 2016年邯鄲市主要活動水平數(shù)據見表1.

排放因子的選取對于大氣污染源排放清單的準確性有較大影響，該研究排放因子主要參考文獻[9,11,14,16,23,25,29-30]、大氣污染物排放清單相關編制指南[31-35]和《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》[24]，建立了適合邯鄲市各類污染源排放特征的排放因子庫. 固定源主要涉及化石燃料燃燒，根據邯鄲市相關部門提供的數(shù)據，結合文獻[14,23,29,31]和《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》[24]中的排放因子對各類污染物進行估算(見表2). 居民源中顆粒物排放因子主要參考大氣顆粒物排放清單相關編制指南[30-31]，其他污染物參考文獻[11,24](見表3). 工藝過程源主要涉及冶金、建材和化工，主要參考文獻[14,23,31]和《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》[24]中的排放因子進行估算(見表4). 道路移動源和非道路移動源(除飛機外)排放因子主要參考相關編制指南[33-34]和《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》[24](見表5、6)，其中飛機排放因子主要是參考文獻[16,25]，將飛機污染物排放過程分為4個階段對污染物排放量進行估算(見表6). NH3源和人為源VOCs的排放因子主要參考文獻[9,15,30]和《大氣揮發(fā)性有機物源排放清單編制技術指南(試行)》[35]，其中NH3源排放因子主要包括化肥施用、大型牲畜、家禽等，人為源VOCs排放因子以涂料、印刷和加油站為主.

表1 2016年邯鄲市主要活動水平數(shù)據

1.3 大氣污染物總量校驗方法

表2 固定源排放因子[14,23-24,29,31]

注： 煤、煤碳、焦炭各污染物排放因子的單位為kgt，天然氣、液化石油氣、煤氣各污染物排放因子的單位為gm3，其中因含硫率不同，所以煤、煤碳以及部分天然氣和液化石油氣SO2排放因子由含硫率決定.

表3 居民源排放因子[11,24,31-32]

注： 燃煤、燃油、秸稈、薪柴各污染物排放因子的單位為kgt；液化石油氣、天然氣各污染物排放因子的單位為gm3.

表4 工業(yè)過程源排放因子[14,23-24,31]

表5 道路移動源排放因子[11,24,33]

1.3.1數(shù)值模型的建立及設置

該研究利用WRF-CMAQ數(shù)值模型，選取2016年1月、4月、7月、10月分別代表邯鄲市冬季、春季、夏季、秋季進行空氣質量模擬，通過PM2.5監(jiān)測值與模擬值的對比分析，驗證數(shù)值模型的準確性. WRF-CMAQ數(shù)值模型可以對多種尺度、多種大氣污染物過程進行模擬，廣泛應用于空氣質量模擬預報及評估決策等研究[15,36-39]. 其中，氣象模型選用WRF 3.5.1版本，初始背景邊界條件選用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)提供的FNL數(shù)據，空間分辨率為1°，長短波輻射方案分別選取RRTM和Dudhia，陸面過程方案采用NOAH. 空氣質量模型選用CMAQ 5.0.2版本，采用Lambert投影，氣象化學和氣溶膠化學機制分別選用CB05和Aero6. 由圖1可見，采用兩層嵌套，其中Do1和Do2分別是網格分辨率為9 km×9 km、3 km×3 km的外層和內層嵌套. 邯鄲市區(qū)域的排放信息采用該研究建立的大氣污染源排放清單，周邊區(qū)域排放信息采用清華大學發(fā)布的2016年MEIC清單(multi-resolution emission inventory for China, 中國多分辨率排放清單)進行補充.

表6 非道路移動源排放因子[16,23,25,34]

圖1 邯鄲市兩層嵌套模擬區(qū)域Fig.1 Two-level nested-grid modeling domain in Handan City

1.3.2大氣污染物總量校驗研究

該研究根據WRF-CMAQ數(shù)值模型的設置，將模擬區(qū)域進行三維立體網格劃分，并收集邯鄲市所有監(jiān)測站點PM2.5、SO2和NO2空氣質量數(shù)據，將監(jiān)測質量濃度與模擬質量濃度的比值作為校驗系數(shù)，對各區(qū)縣地面模擬質量濃度進行校正；收集礦院站點的激光雷達觀測數(shù)據，得到不同垂直高度的污染物質量濃度分布，將不同高度與0～45 m處污染物質量濃度的比值作為校驗系數(shù)，對垂直方向模擬質量濃度進行校正. 由于激光雷達自身儀器性能、反演算法等因素的影響，導致接收場視線和激光束不能完全重疊，近距離范圍內激光雷達的觀測結果具有較大的不確定性[40]，因此近距離污染物質量濃度采用地面監(jiān)測數(shù)據進行補充.

利用立體觀測數(shù)據校正后的污染物質量濃度結果，基于質量平衡原理，考慮污染物流入、流出、化學轉化、干沉降、濕沉降等效應，應用編程語言反向推算出區(qū)域內所有網格污染物排放總量[19]，與初始大氣污染源排放清單進行對比，對典型污染物的排放總量進行校驗. 計算公式：

式中：Qz為污染物排放總量，μg；Q為單箱體中污染物基礎排放量，μg；Qo為箱體中污染物對外輸出量，μg；Qi為箱體中污染物輸入量，μg；Qf為模型模擬的污染物前體物轉化量，μg；Qd為污染物干沉降量，μg；Qw為污染物濕沉降量，μg；X、Y、H為X、Y和垂直方向所有網格數(shù).

2 結果與討論

2.1 邯鄲市2016年大氣污染源排放清單及分析

表7為邯鄲市2016年大氣污染源排放清單. 由表7可見，SO2、NOx、TSP、PM10、PM2.5、CO、VOCs、NH3排放量分別為 78 533、183 126、497 466、258 940、124 637、3 735 355、200 309、187 299 t. 表8為2016年邯鄲市不同排放源排放貢獻率. 由表8可見，SO2的主要排放源為工業(yè)源和居民源，分別占總排放量的74.5%、16.2%. 工業(yè)源中SO2的排放主要來自冶金行業(yè)，占所有源排放量的51.9%. NOx主要排放源為工業(yè)源，但隨著邯鄲市機動車數(shù)量的增加，道路移動源也貢獻了大量的NOx，二者分別占總排放量的54.5%、27.5%. 邯鄲市顆粒物排放涉及的污染源較多，主要包括無組織揚塵源、居民源、工業(yè)源和生物質燃燒源，其中無組織揚塵源排放的TSP、PM10、PM2.5分別占總排放量的58.5%、43.6%、30.3%. CO的主要排放源為工業(yè)源，占總排放量的76.7%；同時，因農用爐灶燃燒效率較低，生物質燃燒源對CO的貢獻也不容忽視. VOCs的排放主要來自工業(yè)源、植物VOCs和生物質燃燒源，分別占VOCs排放總量的28.1%、22.5%和17.6%. NH3的主要排放源為農畜氨及人體和其他氨，二者排放的NH3占總排放量的96.9%.

表7 2016年邯鄲市大氣污染源排放清單

工業(yè)源是邯鄲市主要排放源(見表8)，因此應首先加強工業(yè)源的控制力度，特別是對鋼鐵行業(yè)的監(jiān)管，針對重點工業(yè)在采暖季實施更為嚴格的錯峰生產措施，堅決取締散亂污企業(yè)；并加快能源結構調整，特別是加快散煤替代進度，調整運輸結構，強化柴油車監(jiān)管和淘汰力度，加大無組織塵的管控，擴大主導風向上道路清潔范圍.

2.2 WRF-CMAQ數(shù)值模型驗證

表8 2016年邯鄲市不同排放源排放貢獻率

圖2 模擬結果與監(jiān)測結果對比Fig.2 Comparison between simulated results with monitored data

該研究采用模擬值與監(jiān)測值的NMB(標準化平均偏差)和R(相關系數(shù))驗證WRF-CMAQ數(shù)值模型的準確性. 通常認為NMB在30%以內為可接受范圍，且R值越大模擬值與監(jiān)測值的趨勢越接近[11]. 由圖2可見，4個代表月份ρ(PM2.5)日均值的模擬效果較好，1月、4月、7月、10月的NMB均在30%以內，R值分別為0.76、0.73、0.72、0.71，模擬值與監(jiān)測值具有較好的正相關性，說明該研究建立的WRF-CMAQ數(shù)值模型具有較高的可靠性，模擬結果可反映出邯鄲市實際大氣污染過程.

2.3 排放清單總量校驗結果及誤差分析

2.3.1總量校驗結果

該研究數(shù)值模擬結果具有較好的相關性，但是地面監(jiān)測值與模擬值仍存在一定差異. 從空間差異性來看，武安市、復興區(qū)、峰峰礦區(qū)和叢臺區(qū)工業(yè)企業(yè)較多，污染物排放量不確定性較大，監(jiān)測值與模擬值的比值介于0.51～2.4之間. 從季節(jié)差異性來看，夏季污染物模擬誤差較小，監(jiān)測值與模擬值比值范圍為0.4～1.4；春、秋兩季風速較大，風沙天氣頻發(fā)，導致春、秋兩季個別天數(shù)監(jiān)測值與模擬值的比值差別較大，其范圍為0.3～2.4. 該研究按CMAQ模型設置將高度分為0～45、46～105、106～173、174～260、261～382、383～538、539～929 m進行數(shù)據統(tǒng)計，得到邯鄲市不同垂直高度的ρ(PM2.5)，其中，106～173、174～260 m處監(jiān)測值與模擬值的比值相對較大，在1.5左右，46～105、261～382、383～538 m處監(jiān)測值與模擬值的比值范圍為1.2～1.3. 通過上述比值，對地面和垂直方向網格ρ(PM2.5)進行校正，得到相對準確的污染物質量濃度數(shù)據.

利用編程語言逐小時提取WRF-CMAQ數(shù)值模型中各類參數(shù)，結合觀測數(shù)據校正后的質量濃度結果，反算得到邯鄲市PM2.5、SO2和NO2年排放量分別為 152 739、79 405、206 549 t. 由圖3可見，校驗后的3種污染物排放量均高于初始大氣污染源排放清單，其中反算得到的PM2.5排放總量較大，主要原因是垂直方向激光雷達觀測的ρ(PM2.5)較模擬值偏高，導致校驗系數(shù)偏大[19,40].

圖3 校驗前后邯鄲市典型污染物年排放量Fig.3 Emissions of typical pollutants after the verification in the Handan City

2.3.2清單校驗前后誤差分析

邯鄲市PM2.5、SO2、NOx校驗前、后的誤差分別為-22.5%、-1.1%、-12.8%(誤差等于校驗前、后排放量之差與校驗前排放量的比值乘以100%)，均在可接受范圍內，說明該研究建立的大氣污染源排放清單具有較高的準確性. 校驗前、后的誤差主要來自于兩個方面：①清單建立過程中，沒有大范圍的對污染源進行采樣測試，主要參考其他文獻排放因子，可能與實際情況不同，且活動水平收集可能存在人為和數(shù)據統(tǒng)計等誤差，導致大氣污染源排放清單存在一定的不確定性. ②該研究建立的總量模型主要是基于地面和垂直方向觀測數(shù)據進行反算，由于區(qū)縣級監(jiān)測站點監(jiān)管力度較小，激光雷達觀測數(shù)據受天氣和空氣質量的影響較大，濃度校正可能存在一定的誤差. 另外，在排放量反算的過程中，并沒有完全考慮地形、污染傳輸?shù)纫蛩?，可能對排放量反算結果造成影響.

3 結論

a) 2016年邯鄲市SO2、NOx、TSP、PM10、PM2.5、CO、VOCs、NH3的排放量分別為 78 533、183 126、497 466、258 940、124 637、3735 355、200 309、187 299 t.

b) 邯鄲市主要污染源為工業(yè)源，其排放的SO2、NOx、PM2.5、CO、VOCs分別占總排放量的74.5%、54.5%、30.6%、76.7%和28.1%. 無組織揚塵源是顆粒物的主要排放源，其排放的TSP、PM10、PM2.5分別占總排放量的58.5%、43.6%、30.3%. NH3的主要排放源為農畜氨及人體和其他氨，二者排放的NH3占總排放量的96.9%.

c) 1月、4月、7月、10月的NMB均在30%以內，相關系數(shù)均在0.7以上，說明ρ(PM2.5)日均值的模擬值與監(jiān)測值相關性較好. 通過總量模型估算得到邯鄲市PM2.5、SO2和NO2年排放量分別為 152 739、79 405、206 549 t，均高于初始大氣污染源排放清單排放量. 校驗前后誤差均在可接受范圍內，說明大氣污染源排放清單具有較高的準確性.