北京市朝阳区城乡过渡带冬季采暖燃煤及大气污染物排放量估算

刘茜　李泓　曹磊　肖劲岩

摘 要：利用2016年春季（3-6月）多景镶嵌的高分辨率遥感卫星数据，解译得到朝阳区城鄉过渡带平房区面积。结合典型区域的实地外业调查，细化、优化平房区面积。在此基础上，利用入户调查收集的统计数据（取暖面积，建筑面积，年燃煤量等）并结合相关文献调研的无烟煤/有烟煤的排放因子测算朝阳城乡过渡带的冬季燃煤量和大气污染物排放量。结果表明朝阳平房区在2016年总燃烧散煤33.71万吨，其中十八里店地区和崔各庄地区燃煤量最大，分别达到了3.93万吨和3.44万吨。2016年朝阳区因民用燃煤排放产生的大气污染物SO2为1080吨；VOCs（挥发性有机物）为513吨；NOx的总量为318吨；PM10和PM2.5排放总量基本相当，分别为823吨和785吨。

关键词：朝阳；城乡过度带；遥感数据；燃煤；大气污染物

中图分类号：X51 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0001-05

Abstract： Based on the high resolution remote sensing satellite data inlaid in the spring of 2016 （i.e. March through June）， the area of cottage area in the urban and rural transitional zone of Chaoyang District is obtained. Combined with the field investigation of typical area， the area of cottage area is refined and optimized. On this basis， the use of the statistical data （heating area， building area， annual coal consumption， etc.） collected through household survey， and in combination with the anthracite/bituminous coal emission factors， the amounts of coal burning and air pollutant emission in winter in the urban and rural transitional zone of Chaoyang are calculated. The results show that 337，100 tons of coal was burned in Chaoyang's cottage area in 2016， and among them Shibalidian and Cuigezhuang rank the top two， reaching 39，300 tons and 34，400 tons respectively. In 2016， the atmospheric pollutant SO2 produced by coal burning in Chaoyang District was 1080 tons， VOCs （volatile organic compounds） 513 tons， the total amount of NOx is 318 tons， and the total emissions of PM10 and PM2.5 are about the same， 823 tons and 785 tons respectively.

Keywords： Chaoyang District； urban and rural transitional zone； remote sensing data； coal combustion； atmospheric pollutants

长期以来，我国的大气污染一直以烟煤型为主（赵文慧等，2003），尤其是在冬季，我国北方地区多数以燃煤方式来取暖，致使大气污染加重。燃煤燃烧会产生大量的颗粒物（PM2.5）还会产生SO2，NO，烃类等有害气体，这些气体在大气中会经过二次反应增强有害气体的产生，对环境和人体健康都会有巨大危害（YANG et al.， 2011； LAN et al.， 2002）。北京的PM2.5来源主要是机动车、燃煤、工业和扬尘等。根据北京市环境监测中心发布的数据，其贡献率分别为31.1%，22.4%、18.1%和14.3%。燃煤位居第二位，对环境的污染是值得引起关注的。掌握民用燃煤使用量对于全面开展大气面源污染监管和监理具有重要意义。

《北京市2013-2017年清洁空气行动计划》中提出，到2017年，全市燃煤总量比2012年削减1300万吨，控制在1000万吨以内，煤炭占能源消费比重下降到10%以下，优质能源消费比重提高到90%以上。从措施的实际情况看，工业用煤、集中供暖用煤等燃煤压减对象相对明确，且责任主体是单位，政策容易落地实施；然而由于底数不把握、对象位置不明确、燃煤来源不清晰等客观因素，对于个人原煤散烧的管控一直是压减燃煤工作的难题。早在20世纪90年代，我国就开展了燃煤污染物的估算研究，但都是偏向于微观的定量分析方法。2000年以后，陈颖军等（2009）根据民用黑炭燃煤因子推算出了全国2000年民用燃煤的黑炭排放量；蔡竟等（2014）已初步估算出民用燃煤总量和秸秆田间焚烧棕色碳的燃烧总量；薛亦峰等（2014）采用自上而下的排放因子法，利用统计数据估算了北京市减少燃煤所产生的大气污染物排放量。上述研究数据覆盖范围大且不具有空间分布的特点，不利于细致的空间数据分析，数据深度挖掘等工作的开展。赵文慧等（2015）利用遥感和GIS技术进行了较为精细的燃煤量估算，其结果也有较高的精度。但对于如何进行随机抽样进行入户调查来获取燃煤量相关因子以及燃煤量计算方面并未做深入的探讨。本文中将以赵文慧等燃煤调查技术和污染物排放因子的相关文献为基础，以朝阳区为研究区域，估算朝阳区2016年民用散煤量及大气污染物量并分析其内在规律。endprint

1 数据资料收集

1.1 研究区范围

本论文研究的范围为朝阳城乡过渡带的平房区，面积达到12.16平方公里，覆盖范围包括八里庄街道、崔各庄、东坝、东风、垡头街道、高碑店、管庄、呼家楼街道、黑庄户、金盏、酒仙桥街道、平房、三间房、十八里店、孙河、王四营、小红门等地区。北京为干旱半湿润的地区，具有典型的温带大陆性季风气候特征，多年平均气温为 12℃，年降水量为640mm左右，全年以偏北风为主，年平均风速为2.4m·s-1，容易出现地面扬尘污染（于淑秋等，2002）。这种地形和气候条件有利于山谷风环流形成并利于大气结构处于静稳状态，不利于大气污染物扩散（林学椿等，2005）。再加之朝阳区地处北京地区中部，外来流动人口多，经济活动水平较高，冬季民用燃煤情况复杂，冬季大气污染情况尤为严重。

1.2 数据收集

数据收集包括基础数据和遥感影像数据。基础数据包含朝阳区区界、朝阳区乡镇及村界、北京市主要道路和2015年北京市禁燃区分布等矢量数据，同时，也包括北京市与燃煤相关的政策、北京市朝阳区人口分布规律和重点城乡结合部等材料。遥感数据是高分辨率遥感影像，本论文中应用的是0.5米的高分一号影像（2016/8-2016/12）共50幅影像。选取的影像和调查村落位置一致。

2 技术流程

对于朝阳城乡过渡带的平房区燃煤量调查，本文结合了抽样统计学和遥感技术。第一，根据抽样统计原理确定朝阳调查村落的数量；第二，根据GIS空间数据分析和遥感解译结果进行调查村落的选取；第三，入户调查得到相关燃煤系数指标；第四，根据高分遥感影像精解译成果和入户调查数据进行统计分析得到朝阳城乡过渡带平房区的燃煤散烧总量。大气污染物总量的计算是通过燃煤总量结合相对应的污染物系数从而得到污染物总量。具体的技术流程如图 2。

2.1 调查样本村落选取

抽样调查前需确定调查村落数量，本论文参考冯士雍等（2012）的抽样调查理论与方法计算出朝阳需要入户调查村数量（50村）。根据抽样调查的四个原则（可持续性、整体与局部结合、典型性、可行性），结合GIS专业软件进行叠加分析得到需入户调查的具体村落。调查村落空間分布图如图 3所示。

2.2 遥感数据处理

遥感数据处理的步骤为数据预处理（几何校正，大气校正，数据拼接融合等），遥感解译标志库建立（平房区，非平房区），勾画平房居住区，统计居住区面积。

燃煤调查中利用遥感数据解译出居住区面积。本论文中利用高分辨率（优于2.5米）和甚高分辨率（优于0.5米）的遥感影像解译出朝阳区的居住区平方面积。由于甚高分辨率遥感影像获取、解译难度较大，本论文通过计算两者的转化比例，利用面积转化系数得到较准确的朝阳居住平房区面积。经过粗解译得到的朝阳平房区面积为18.53km2，经过细化后的面积为12.16km2。

2.3 燃煤量统计

根据北京燃煤调查技术规定，平房区燃煤量采取由点代面的方式进行估算。以朝阳区高分辨率平房空间分布图为基准，在调查获取单位面积的综合燃煤量的基础上，估算朝阳区平房区燃煤总量。计算公式如下所示。

M=A×d×t×c （1）

式中：M为朝阳区平房区燃煤总量，单位为kg；A为朝阳区高分辨率平房解译成果的平房面积，单位为m2；d为单位面积综合燃煤量，单位为kg；t为燃煤燃烧天数，c为面积转化系数。

2.4 污染物排放量计算

根据模拟的燃煤污染物排试验和相关文献得到的相关污染物因子可以计算出民用散烧燃煤的污染物排放量。计算公式如下所示。

w=M1×fi+M2×fi' （2）

式中：M1为型煤燃烧量，单位kg；fi为型煤污染物排放因子，单位kg/t；M2为散煤燃烧量，单位kg；fi'为散煤污染物排放因子，单位kg/t。

3 结果分析

朝阳区居住平房建筑面积约为12.16平方公里，2016年朝阳区居住平房的年耗煤总量约为33.71万吨，单位面积燃煤量0.31（kg/（m2*d））。2016年朝阳区因民用燃煤排放SO21080吨，VOCs（有机挥发物）为513吨，NOx的总量为318吨，PM10和PM2.5排放总量基本相当，分别为823吨和785吨。

3.1 散烧燃煤量

朝阳区东北部的燃煤量要明显高于西北部，其中燃煤量最大的两个区域分别为崔各庄地区（3.44万吨）和十八里店地区（3.93万吨），分别位于朝阳区的东北部和西南部，燃煤空间分布特点如图 5所示。

平房区燃煤量和环路有着密切的分布关系。四环内的燃煤量为0.24（1%）万吨，四环到五环间年燃煤为13.16（39%）万吨，五环到六环间的燃煤量为20.41（60%）万吨。燃煤量随着环路呈向外扩散增加的趋势。其主要原因是平房居住区、城乡结合部主要分布在五环和六环之间，只有少部分位于四环和五环之间。四环到五环内的燃煤量主要分布在十八里店地区，年燃煤总量为3.93万吨，占四环到五环内燃煤量的30%，其次为平房地区与王四营地区，分别约为1.90万吨和1.71万吨。在五环至六环之间，朝阳区年燃煤量最高的是崔各庄地和金盏地区，分别为3.44万吨和3.36万吨，总共约占33%。

3.2 污染物排放量

朝阳区因散煤燃烧产生的污染物与燃煤量存在正向相关的关系。五环外污染物排放量要远远大于四环到五环间。其中污污染物排放量最大的区域为朝阳的东北地区（崔各庄、金盏地区）和西南地区（十八里店地区）。大气污染排放物主要集中在燃煤高排放地区。其特点点是外来人口相对集中、经济活动水平较高。

四环内和四环到五环之间平房居住区较少，基本实现了无煤化，因此污染物排放量也较少。十八里店地区、崔各庄、金盏地区在各项污染物排放量都较大相比于朝阳其他地区（如表2）。endprint

4 结束语

通过燃煤调查项目可以得出遥感技术应用到燃煤调查中是科学并且具有可操作性。此外，调查结果从年燃煤总量、大气污染物排放量综合分析了朝阳平房区冬季取暖燃煤规律。

（1）年燃煤量总体情况：2016年朝阳区居住平房年燃煤量约为33.71万吨，其中以十八里店地区和崔各庄地区最多，分别为3.93万吨和3.44万吨。其空间分布特征与环路呈线性正相关，四环里基本实现无煤化，四环到六环间燃煤量呈上升趋势。

（2）污染物排放量：SO2、VOCs、NOx、PM（PM2.5和PM10）是排放量较大的大气污染物。其中SO2的排放总量為1080吨，VOCs为513吨，NOx为318吨，PM为1609吨。其空间分布特征与燃煤量的空间分布保持一致，与朝阳环路呈正向相关。

（3）研究方法：利用遥感、GIS技术提取平房面积，继而根据燃煤量估算方法和污染物排放系数估算散烧燃煤量和排放污染物总量是可行的且具有较高的精度，是研究民用燃煤面源污染有效的技术手段。

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