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)濟圈的重要組成部分,近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速,GDP增長處在全國前列,然而,經(jīng)濟的發(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,縱貫北運河漕運大通道和陸路京華大道,是南糧北運、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間和空間范圍內(nèi)對影響空氣質(zhì)量的污染物進行排放量的估算,是開展環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值模擬和預(yù)報預(yù)警的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ),進而為制定區(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)活動數(shù)據(jù),以排放因子法“自下而上”為主計算多種污染物排放量,構(gòu)建了具備時空分布屬性的區(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)境保護管理部門,更為關(guān)注的是本地小尺度精細化大氣污染源的排放清單。
研究依據(jù)環(huán)境保護部發(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。
天津市北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動站位于秋怡小學(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,以每個網(wǎng)格的中心點經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)識該網(wǎng)絡(luò)的地理位置,研究區(qū)域共包含3 953個網(wǎng)格。
結(jié)合天津市北辰區(qū)實際情況,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、道路揚塵、道路機動車、施工機械、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)。污染源排放的各項污染物的量依據(jù)環(huán)境保護部發(fā)布的“清單編制技術(shù)指南”來計算。主要污染源排放計算公式如下:
鍋爐、散煤污染的排放量計算公式見式(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,計算公式見式(4)。
E=A×EF×(1-η)
(4)
式中:E為排放量;A為活動水平(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。
對于使用有機溶劑的生產(chǎn)過程,溶劑使用排放揮發(fā)性有機物的計算公式見式(5)。
E=Q×EF×(1-η)
(5)
式中:E為排放量;Q為活動水平(主要為油墨消費量、染料消費量、涂料消費量、膠黏劑消費量、瀝青消費量、其他有機物化學(xué)物的消費量);EF為相應(yīng)的揮發(fā)性有機物的排放系數(shù);η為污染控制措施對揮發(fā)性有機物的去除效率。
道路機動車污染物排放量的計算公式見式(6)。
E=P×EF×VKT
(6)
式中:P為機動車保有量;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。
道路揚塵排放量計算公式見式(8)。
WRi=ERi×LR×NR×(1-nr/365)×10-6
(8)
式中:WRi為道路揚塵源中顆粒物的總排放量,t/a;ERi為道路揚塵源平均排放系數(shù),g/(km·輛);LR為道路長度,km;NR為一定時期內(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。
施工揚塵中顆粒物排放量的總體計算公式見式(9)。
WCi=ECi×AC×T
(9)
式中:WCi為施工揚塵源中顆粒物總排放量,t/a;ECi為整個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計算。
堆場的揚塵源排放量是裝卸、運輸引起的揚塵與堆積存放期間風(fēng)蝕揚塵的加和,計算公式見式(10)。
WY=Eh×GY×10-3+Ew×AY×10-3
(10)
式中:WY為堆場揚塵源中顆粒物總排放量,t/a;Eh為堆場裝卸運輸過程的揚塵顆粒物排放系數(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)性有機物的計算公式見式(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)性有機物的去除效率;Q為油氣運輸量或儲存量。
餐飲油煙主要排放揮發(fā)性有機物和顆粒物,其排放計算公式見式(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)營時間,h。
活動水平數(shù)據(jù)是通過實地走訪拉網(wǎng)式調(diào)查獲取的。其中,有346家制造業(yè)企業(yè),28臺鍋爐,10個散煤使用居民區(qū),93家散煤使用商鋪,27塊裸地,7個工業(yè)堆場,7個拆遷堆場,16個工地,24條道路,4片施工機械,175家餐館,82個居民小區(qū),11個加油站,40家噴涂汽修店,10家干洗店。
依據(jù)上述活動水平數(shù)據(jù)獲取、排放因子獲取以及計算方法,得出2016年天津市北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動站周邊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。
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動車(45.85%)、散煤(30.99%)和鍋爐(22.73%);NOx的主要排放源是道路機動車(53.89%)和鍋爐(44.04%);VOCs的主要排放源是制造業(yè)企業(yè)(48.80%)和道路機動車(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。同時與全天津市相比,北辰區(qū)的SO2、CO、PM2.5遠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)、機動車、施工揚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,已成為大氣污染控制的重點[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。
工地是PM10和PM2.5的第一排放源,是北辰區(qū)第2個需要重視的污染源。在北辰區(qū)的16個工地中,有10個建筑施工工地,4個道路施工工地,2個拆遷施工工地,總施工面積為66萬m2,占整個調(diào)查區(qū)域的1.75%。這說明,北辰區(qū)處于高強度的城市改造之中,而研究表明,快速的城市化和高強度的城市改造將會導(dǎo)致施工工地的揚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)進行頻率分布統(tǒng)計表明,挖槽階段相比結(jié)構(gòu)和裝修的施工揚塵污染更加嚴(yán)重,揚塵污染強度比值為挖槽∶結(jié)構(gòu)∶裝修等于100∶67∶87。而在北辰區(qū)的10個建筑工地中,有6個處于挖槽階段,3個處于結(jié)構(gòu)階段,1個處于裝修階段,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。
道路機動車是NOx和CO的第一排放源,是VOCs的第二排放源。道路機動車是北辰區(qū)第3個需要重視的污染源。機動車尾氣的成分非常復(fù)雜,其中化學(xué)物質(zhì)的種類高達一百多種,機動車已經(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化清單的建立中說明了機動車尾氣已然成為空氣污染的主力。
另外,道路揚塵是PM10的第二排放源。道路揚塵是一類復(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、建筑揚塵、機動車尾氣塵以及工業(yè)揚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,也使得道路揚塵是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,應(yīng)首先針對化學(xué)制品制造業(yè)、橡膠制造業(yè)和電氣機械制造業(yè)安裝VOCs處理設(shè)施并強化監(jiān)督管理。
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氣鍋爐、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)加強工地的管理;治理SO2、CO污染時應(yīng)加強宜興埠平房區(qū)散煤和商鋪散煤的治理;治理NOx應(yīng)加強主要道路的優(yōu)化;治理VOCs應(yīng)加強涉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
依據(jù)環(huán)境保護部發(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、移動源、揚塵源、溶劑使用源、存儲運輸源、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),且溶劑使用源和儲存運輸源合并在了一起。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。這主要是因為與整個天津市相比,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,企業(yè)密度大,導(dǎo)致顆粒物的主要來源為揚塵源,CO和NOx的主要來源為移動源,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。
研究中所使用的排放因子均是參考了環(huán)境保護部發(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帶來一定的不確定性。在活動水平的獲取中,主要是采用實地調(diào)查的方式,這種數(shù)據(jù)獲取方式雖然足夠精確,但調(diào)查過程中難免會出現(xiàn)遺漏,因此活動水平的獲取也會帶來一定的不確定性。
1)2016年天津市北辰區(qū)國控環(huán)境空氣自動站周邊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,大工地的揚塵污染應(yīng)引起足夠的重視;道路機動車是NOx和CO的第一排放源、是VOCs的第二排放源,道路機動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個方面入手??孛菏堑谝晃坏?,宜興埠平房區(qū)應(yīng)推進平房改造,實現(xiàn)集中供暖,同時取締商鋪煤的使用,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)主要道路進行交通優(yōu)化,減少大型車輛過往。
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