黑龙江省主要排放源非故意产生多氯联苯的时空异质性分布特征

2016-10-15李天霄马万里杨剑钊

黑龙江大学工程学报 2016年3期

崔　嵩，付　强，李天霄，马万里，杨剑钊

(1. 东北农业大学水利与土木工程学院国际持久性有毒物质联合研究中心，哈尔滨 150030；2. 哈尔滨理工大学经济学院，哈尔滨 150086；3. 哈尔滨工业大学国际持久性有毒物质联合研究中心，哈尔滨 150090)

崔嵩1,2，付强1,*，李天霄1，马万里3，杨剑钊2

在确定黑龙江省非故意产生多氯联苯(UP-PCBs)主要排放源为水泥行业、钢铁烧结、炼焦工业及热电站(煤)的基础上，利用1949—2014年黑龙江省4类主要排放源UP-PCBs的排放量为111 538 g，约占全国总排放量的0.86%。UP-PCBs的总排放量与GDP值呈显著相关(R=0.980，P=0.000)。水泥行业、钢铁烧结及焦炭生产UP-PCBs排放均呈现由缓慢增加到快速增长，达到峰值后随之降低的波动趋势。2001—2014年UP-PCBs排放呈现较大的空间波动性，排放量增长率最低的城市为鹤岗(呈现负增长)、伊春、牡丹江和七台河；哈尔滨、齐齐哈尔、牡丹江、大庆和绥化UP-PCBs排放对总排放量的贡献率超过5%。

主要排放源；UP-PCBs；时空异质性；黑龙江省

多氯联苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)是一类具有超凡稳定性及耐热性等特点被广泛应用于变压器、电容器、印刷行业及液压设备中的有机化学品[1-2]，因其具有高残留性、高富集性、高毒性及环境持久性等特点[3-5]，易于通过食物链的传递效应而对人体健康及生态环境系统造成潜在威胁[6]，因此被列为《斯德哥尔摩公约》优先控制的12类有机污染物(persistent organic pollutants，POPs)之一[7]。我国在1965—1974年共生产PCBs 10 000 t[8]，主要用于变压器和电容器油，以及油漆添加剂中。通常情况下，进入环境的PCBs主要分为3种类型，即故意生产使用的PCBs(intentionally produced PCBs，IP-PCBs)、非故意产生的PCBs(unintentionally produced PCBs，UP-PCBs)及电子垃圾拆解产生的PCBs(EW-PCBs)[9]，其中UP-PCBs主要是由于工业生产过程中燃料的不完全燃烧而无意产生的，已被列入《斯德哥尔摩公约》附件C中所要求采取措施进行减排控制的典型POPs。杨淑伟等参考日本环境省基于实测数据编制的排放因子，评估和编制了我国主要排放源2008年PCBs的排放量及排放清单，其中水泥行业约占UP-PCBs总排放量的90%以上[10]。Cui等利用日本环境省编制的排放因子，构建了全球第一份国家尺度UP-PCBs排放清单，共评估我国1950—2010年UP-PCBs排放量为146 t，其中水泥和钢铁工业约占98.1%，同时成功解释了我国农村地区大气中PCBs的主要来源[11]。随后，Liu等根据实测数据编制了我国钢铁行业、垃圾焚烧及水泥行业工业热处理过程中PCBs的排放因子[13]。Cui等基于我国排放因子，重新评估了UP-PCBs的总排放量为8.56 t，并编制了网格化排放清单[9]。鉴于目前的研究，主要集中在国家尺度网格化清单及我国分省区排放清单的评估和编制方面，缺少城市(地区)UP-PCBs排放行为时空分布特征方面的研究，因此本研究针对黑龙江省主要排放源的情况，评估并编制UP-PCBs排放清单，同时对其时空异质性分布特征进行分析，以其了解黑龙江省UP-PCBs的排放行为及分布状况。

1　研究方法

1.1主要排放源的确定及数据来源

基于黑龙江省的工业结构组成及数据的可获得性，本研究确定非故意产生PCBs的主要排放源为水泥行业、钢铁烧结、炼焦行业及热电站(煤)等，其中水泥行业是以水泥的年产量为计算依据，钢铁烧结以粗钢产量(t)为计算依据，水泥生产和钢铁烧结过程PCBs的排放因子来源于Liu等的研究结果，分别为231 000 ng/t和26 000 ng/t。炼焦行业是以焦炭的年产量为计算依据，其排放因子(23 100 ng/t)来源于Cui等的研究结果。热电站(煤)是以年发电量(MW·h)为计算依据，其排放因子(1 703 ng/(MW·h))来源于Toda的研究结果。所有基础数据(年产量及发电量)均来自于黑龙江省统计年鉴，具体见图1。

1.2变异系数

黑龙江省非故意产生PCBs排放量变异性的强弱，可用变异系数(coefficient of variation,Cv)进行表征，其计算公式为[14-15]：

(1)

式中σ和μ分别为各城市(地区)2001—2014年PCBs排放量的标准差和平均值。通常情况下，Cv≤0.1为弱变异，0.1

2　结果与讨论

2.1UP-PCBs排放的总体特征

2.1.1UP-PCBs的总排放量

图1　黑龙江省主要排放源年产量及发电量数据Fig.1　Annual output and power generation of main emission sources in Heilongjiang Province

图2　黑龙江省UP-PCBs总排放量与GDP的变化趋势Fig.2　Variation trend of total UP-PCBs emissions and GDP in Heilongjiang Province

根据1949—2014年黑龙江省水泥、粗钢年产量及发电量数据，基于数据的可获得性，焦炭产量数据来源为1975—2014年(图1)。利用相应排放因子计算得到1949—2014年，黑龙江省主要排放源UP-PCBs的总排放量为111 538 g，约占全国UP-PCBs排放总量的0.86%，其中水泥生产、钢铁烧结、炼焦行业及热电站(煤)的排放量分别为106 730.01 g、2 022.23 g、2 782.88 g和2.85 g，占黑龙江省主要排放源UP-PCBs排放总量的比例分别为95.69%、1.81%、2.50%和0.002 6%。由此可见，水泥行业UP-PCBs的排放将会显著影响UP-PCBs总体排放行为的变化。

2.1.2UP-PCBs排放与经济增长的伴生过程

非故意产生PCBs的排放主要发生在工业热处理过程中，而黑龙江省4类主要排放源所在行业正是国民经济发展及基础设施建设方面所不可或缺的，本研究将1952—2014年黑龙江省GDP值与相应年份UP-PCBs的总排放量做相关分析，结果表现为显著相关(R=0.980，P=0.000)(图2)。由图2可见，UP-PCBs的排放与GDP的增长呈伴生关系，1952—1997年UP-PCBs的排放呈现较平稳的增长，1998—2011年为快速增长期且在2011年UP-PCBs的排放量达到峰值，随后开始下降。然而，黑龙江省GDP值却一直呈现增长的趋势，由此可见，随着生态文明建设的深入推进和产业结构的调整升级，黑龙江省GDP增长已由高消耗高污染的粗放式经济发展方式，逐渐向以技术创新和产业升级为导向，同时注重污染物减排及环境质量改善的健康经济发展方式转变。

图3　1949—2014年黑龙江省主要排放源UP-PCBs排放量Fig.3　UP-PCBs emissions of main emission sources from 1949 to 2014 in Heilongjiang Province

2.2UP-PCBs排放的时空异质性分布特征2.2.1UP-PCBs排放的时间趋势

1949—2014年黑龙江省主要排放源UP-PCBs的排放量见图3。由图3可见，除热电站(煤)生产过程中UP-PCBs的排放量相对较低外，水泥行业、钢铁烧结及焦炭生产UP-PCBs排放均呈现由缓慢增加到快速增长，达到峰值(I1)后随之降低的波动趋势，其中钢铁烧结和焦炭生产分别在20世纪90年代中期和2000年初期出现拐点(I2)，之后呈现快速增长的趋势。由于UP-PCBs的排放受产量的影响，故黑龙江省4种主要排放源UP-PCBs排放的峰值时间点有所差异。Hogarh等研究表明，2004—2008年我国大气中PCBs浓度增加了一个数量级，这与本研究在此期间UP-PCBs的快速增长相一致[16]。Cui等构建了我国UP-PCBs的网格化排放清单，并成功地解释了2004—2008年我国农村大气中PCBs增加的原因，主要是由于工业热处理过程中PCBs的无意产生导致的[11]。然而，2011年之后UP-PCBs排放量的迅速降低，则可能是我国制定有关PCBs污染控制的相关政策及法规起到了积极的促进作用，尤其是我国正式履约后相关环境介质中PCBs的含量呈现明显降低的趋势。

图4　黑龙江省各城市(地区)UP-PCBs排放的时空变化趋势 Fig. 4　Spatial-temporal variation of UP-PCBs emissions in different cities and regions in Heilongjiang Province

2.2.2UP-PCBs排放的空间分布特征

黑龙江省各城市(地区)UP-PCBs排放的时空变化趋势见图4，2001—2014年UP-PCBs排放呈现较大的空间波动性，2001年排放量前5位分别为哈尔滨(704.2 g)、牡丹江(450.10 g)、齐齐哈尔(182.79 g)、伊春(182.11 g)和佳木斯(140.36 g)，而2014年则变化为哈尔滨(2 433.22 g)、齐齐哈尔(1 565.30 g)、绥化(867.37 g)、大庆(771.35 g)和佳木斯(725.44 g)，2001—2014年排放量增长率最低的城市为鹤岗(呈现负增长)、伊春、牡丹江和七台河。为进一步分析2001—2014年黑龙江省各城市(地区)UP-PCBs的时空变化特征，计算的变异系数见图5。由图5可见，除大兴安岭地区处于强变异外，其它城市均处于中等变异，实际上UP-PCBs的排放量主要受水泥产量变化的影响，而该行业与国民经济发展及基础设施建设密不可分，从另一方面来说，UP-PCBs排放的空间变异程度也能够反映出该地区经济发展状况、城镇化及工业化进程及对污染物减排控制措施与政策实施的有效性。2001—2014年黑龙江省各城市(地区)UP-PCBs排放对总排放量的贡献率见图6。由图6可见，贡献率超过5%的城市，依次为哈尔滨(30.78%)、齐齐哈尔(14.87%)、牡丹江(9.07%)、大庆(8.85%)和绥化(7.63%)。

图5　2001—2014年黑龙江省各城市(地区)UP-PCBs排放的变异系数Fig.5　Coefficient of variation of UP-PCBs emissions from 2001 to 2014 in different cities and regions in Heilongjiang Province

图6　2001—2014年黑龙江省各城市(地区)UP-PCBs排放的贡献率Fig. 6　Contribution rate of UP-PCBs emissions from 2001 to 2014 in different cities and regions in Heilongjiang Province

3　结　论

1)1949—2014年黑龙江省水泥生产、钢铁烧结、炼焦行业及热电站(煤)4类主要排放源UP-PCBs的总排放量为111 538 g，约占全国UP-PCBs排放总量的0.86%。

2)UP-PCBs的总排放量与黑龙江省GDP值呈显著相关(R=0.980，P=0.000)。UP-PCBs的排放与GDP的增长呈伴生关系，1952—1997年UP-PCBs的排放呈现较平稳的增长，1998—2011年为快速增长期且在2011年UP-PCBs的排放量达到峰值，随后开始下降。生态文明建设的深入推进和产业结构的调整升级可能对污染物减排及生态环境保护起到积极的促进作用。

3)水泥行业、钢铁烧结及焦炭生产UP-PCBs排放均呈现由缓慢增加到快速增长，达到峰值后随之降低的波动趋势，其中钢铁烧结和焦炭生产分别在20世纪90年代中期和2000年初期出现拐点，之后呈现快速增长的趋势。

4)2001—2014年UP-PCBs排放呈现较大的空间波动性，排放量增长率最低的城市为鹤岗(呈现负增长)、伊春、牡丹江和七台河。2001—2014年哈尔滨、齐齐哈尔、牡丹江、大庆和绥化UP-PCBs排放对总排放量的贡献率超过5%。

致谢：本文得到国家自然科学基金项目(41401550)资助。

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Spatial-temporal heterogeneity of unintentionally produced PCBs of major emission sources in Heilongjiang Province

CUI Song1,2, FU Qiang1,*, LI Tian-Xiao1, MA Wan-Li3, YANG Jian-Zhao2

(1.InternationalJointResearchCenterforPersistentToxicSubstances(IJRC-PTS),SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030; 2.CollegeofEconomics,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150086; 3.IJRC-PTS,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090)

This study investigates the emission sources of unintentionally produced polychlorinated biphenyls (UP-PCBs), to confirm the main emission sources including cement industries, sinter plants in the iron and steel industries, thermal power stations and cooking industries. According to emission factors of different emission sources, the emission inventory was assessed and compiled. The result showed that the four emissions of UP-PCBs are 111 538 g in Heilongjiang Province, approximately 0.86% in the total emissions from 1949 to 2014 in China. There is a significant correlation between gross domestic products (GDP) and emission amount (R=0.980，P=0.000). The UP-PCBs emissions from cement industries, sinter plants in the iron and steel industries and cooking industries presented large variation trends from slow to rapid growth, and subsequently decreased after reaching peak value. The UP-PCBs emissions presented large variation trends from 2001 to 2014.Emissions of the lowest growth rate are Hegang (negative growth), Yichun, Mudanjiang and Qitaihe. The emissions from Harbin, Qiqihaer, Mudanjiang, Daqing and Suihua have contributed more than 5% of the total emissions.

main emission sources; unintentionally produced PCBs; spatial-temporal heterogeneity;Heilongjiang Province

10.13524/j.2095-008x.2016.03.039

2016-05-29

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541123)

崔嵩(1981-)，男，黑龙江宝清人，副教授，博士，研究方向：农业水土资源环境效应及持久性有毒物质数值模拟，E-mail：cuisong-bq@neau.edu.cn；*通讯作者：付强(1973-)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，博士研究生导师，研究方向：农业水土资源系统分析，E-mail：fuqiang0629@126.com。

X323

2095-008X(2016)03-0041-06