黑龙江省秸秆露天焚烧污染物排放清单及时空分布

李莉莉,王 琨*,姜珺秋,刘 帆,普轶浩,刘 威,齐 虹,于 航



黑龙江省秸秆露天焚烧污染物排放清单及时空分布

李莉莉1,2,王 琨1,2*,姜珺秋2,刘 帆2,普轶浩2,刘 威2,齐 虹1,2,于 航2

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学环境学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

以黑龙江省为例,采用排放因子法计算了2016年秸秆露天焚烧污染物排放清单,分析了污染物的时空分布特征.结果表明,黑龙江省秸秆露天焚烧各污染物排放量为: CO21314.09万t、CO 41.92万t、CH43.77 万t、NMVOCs 8.35万t、NH30.65万t、BC 0.44万t、OC 3.13万t、SO20.50万t、NO3.28万t、PM108.81万t、PM2.510.14万t.在95%的置信区间确定了排放清单的不确定性,不确定性范围为NO的±86%的低值到CO的±187%的高值.通过可靠性分析推断,本文的排放清单是合理的.玉米和水稻秸秆露天焚烧对同种大气污染物的贡献高于其他作物秸秆.大气污染物排放高值区位于黑龙江省西部和东部,污染物排放的时段在全年范围内具有明显的双峰特征.秸秆露天焚烧率的下降能有效促进大气污染物的减排,且农垦地区集约化和规模化的管理模式能有效控制秸秆露天焚烧.

秸秆露天焚烧；排放清单；时空分布；黑龙江省

秸秆露天焚烧会产生大量CO、CO2、NO、SO2、NH3和可吸入颗粒物等大气污染物[1-2].作为粮食主产区,东北三省划定了秸秆禁烧区.以黑龙江省[3]为例,在采取一系列经济补贴、民事处罚等措施的同时,还积极推进秸秆资源化的利用.但环境保护部的秸秆焚烧监测报告[4]表明东北地区的火点数量仍居高不下,黑龙江省尤为突出.

我国的秸秆露天焚烧排放清单的编制基于自下而上和自上而下2类方法,考虑到自下而上清单编制的高成本和实施难度,目前主要以自上而下的方法为主.国内针对秸秆露天焚烧的清单研究大多从省级尺度计算了各省排放总量[5-7][8-10],未基于地级市的秸秆焚烧排放清单,且污染物时空分布的分辨率较低.

本文以黑龙江省为例,计算2016年秸秆露天焚烧污染物排放清单,分析污染物的时空分布和露天焚烧的原因,以期为后期空气质量模拟提供更为准确的数据.

1 数据与方法

1.1 研究区域

本研究选取2016年作为基准年,将黑龙江省12个地级市(七台河、伊春、佳木斯、双鸭山、哈尔滨、大庆、牡丹江、绥化、鸡西、鹤岗、黑河、齐齐哈尔)、1个地区(大兴安岭)及黑龙江农垦总局作为研究区域.

农作物包括粮食作物、棉花、油料作物、麻类和糖料作物.由《黑龙江省统计年鉴》(2017)[11]可知,2016年黑龙江省粮食产量已经占到农作物产量的99.26%,其中农垦总局的粮食产量已经占到农作物产量的92.28%,其它作物所占比例极少,且对计算参数研究较少,不确定性较大,因此进一步将研究对象锁定为粮食作物,即谷类(水稻、小麦、玉米、谷子与高粱)、豆类与薯类.关注的污染物包括CO2、CO、CH4、NMVOCs、NH3、BC、OC、SO2、NO、PM10和PM2.5.

1.2 秸秆露天焚烧量的计算

《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》(以下简称《指南》)[12]按照式(1)计算秸秆露天焚烧活动水平:

式中:为农作物产量,t;为草谷比;为秸秆露天焚烧比例;为燃烧效率.

粮食产量数据来自于《黑龙江省统计年鉴》(2017)[11],粮食作物的草谷比和秸秆的燃烧效率见表1文献的推荐值.而秸秆露天焚烧比例与作物种类、各地经济水平和居民生活习惯等多种因素有关,差异较大.根据《指南》建议:在有条件的情况下,最好采用抽样调查的方法[12].因此本次研究的露天焚烧比例采用彭立群等[8]在黑龙江省570个样本数下统计的不同作物露天焚烧比例,即平均值为22.6%.汇总各计算参数如表1所示.

结合黑龙江省实际情况,在2013年底农垦实现了玉米秸秆100%的还田利用,之后大力推动其他作物秸秆的还田和综合利用[18].依据《黑龙江垦区经济社会统计提要》(2015),黑龙江垦区秸秆还田面积与保护性耕作面积之和占粮食作物播种总面积的93%以上.除玉米秸秆100%还田利用,大豆秸秆也基本上做到了100%还田.水稻秸秆粉碎还田虽然难度较大、存在问题较多,但是整体推进较好,烧秸秆现象很少发生[19].根据《黑龙江省禁止野外焚烧秸秆改善大气质量实施方案》[20]要求,垦区为秸秆禁烧区,需24h监管,确保全区域、全天候禁烧.且垦区进行了秸秆肥料化、基料化、饲料化、燃料化、原料化的利用,利用率达到90%以上,因此本次计算不考虑农垦的露天焚烧.

表1 活动水平计算参数

1.3 大气污染物排放量的计算

表2 秸秆露天焚烧排放系数(g/kg)

《指南》推荐用下式计算生物质燃烧活动中污染物的排放量:

式中:E为大气污染物的排放量,t;为不同的城市;为不同的秸秆种类;A秸秆的露天焚烧活动水平,t;EF是污染物的排放系数,g/kg.

排放系数是计算排放清单的重要参数,它不仅能表征污染物的排放强度,也可分析出样本的排放特征.经查询和对比文献中已有的排放测试成果,整理出本文采用的排放系数,见表2.

1.4 污染物时间分布计算

秸秆露天焚烧与农作方式和作物成熟期有关,表现出明显的季节性差异,受人为因素、天气、经济水平等多种因素影响.目前研究多采用作物成熟时间进行时间分配[31-33],黑龙江省位于中国最北端,属于寒地一年一熟的耕作制度[34].

通过调研黑龙江省农作物成熟期,得到水稻、玉米、大豆、高粱和谷子于9月中旬至10月中旬成熟,小麦于7月初至8月底成熟,薯类于7月中旬至10月中旬成熟.一般成熟期之后7~10d收获籽粒,再7~10d为其田间秸秆成熟期.由于11月之后黑龙江省要经历12月至来年2月的积雪期,作物秸秆存在收割后不会立即燃烧的情况,因此,将水稻、玉米、谷子、高粱和豆类秸秆露天焚烧排放量在10月、11月、3月和4月进行分配,小麦在8月和9月进行分配,薯类在8月至10月进行分配.

1.5 污染物空间分布计算

目前一些研究采用耕地面积[35]或焚烧火点[36-37]作为秸秆露天焚烧的空间分配因子.然而,仅采用耕地面积只能反映出各栅格中的耕地数量,而不能反映栅格中秸秆露天焚烧污染物的排放量.例如某些耕地面积大的地区实施了秸秆禁烧政策,仅用耕地面积作为空间分配因子则与实际情况存在较大差异.而简单地使用卫星火点数据也是不全面的,由于卫星火点监测自身的局限,无法完全覆盖焚烧区域.考虑后期在空气质量模型中的应用,本文将耕地面积和火点数据两种分配因子复合进行网格化分配.耕地面积来自省国土资源部门,火点数据来自环境保护部公布的秸秆焚烧监测报告[4].依据公式(3)计算[33,37]:

式中:是不同的网格;是不同的城市;是不同的污染类型;是每个城市或栅格里污染物的排放量,t/a;FC是每个城市或网格中的火点数量;CA是每个城市或网格中的耕地面积.

2 结果与讨论

2.1 秸秆露天焚烧污染物排放清单

2.1.1 露天焚烧量 由表3可见,黑龙江省2016年粮食作物秸秆产量为9142.66万t,生物质能源潜力巨大.其中农垦总局、哈尔滨、绥化和齐齐哈尔的秸秆产量分别为全省秸秆总量的23.25%、16.18%、15.40%和13.46%,秸秆总量之和占全省的68.28%.

表3 秸秆露天焚烧量

各地市的秸秆露天焚烧量与耕地面积具有正相关性,为更好地对比各地级市的秸秆露天焚烧量,计算得到其单位面积秸秆露天焚烧量.哈尔滨、绥化和鸡西计算得到的单位面积秸秆露天焚烧量较高,其中鸡西市排名较为靠前是因为其农垦面积较大,而农垦面积单独计入农垦系统.

2.1.2 排放清单 由表4可知,黑龙江省共排放污染物:CO21314.09万t、CO 41.92 万t、CH43.77 万 t、NMVOCs 8.35万t、NH30.65万t、BC 0.44万t、OC 3.13 万t、SO20.50万t、NO3.28 万t、PM108.81万t和PM2.510.14 万t.哈尔滨、绥化、齐齐哈尔和佳木斯对污染物贡献较大,分别占全省总量的20.95%、19.12%、17.27%和11.26%.

由公式(1)和(2),可知秸秆产量和排放系数的计算权重较大,因此各类秸秆露天焚烧所产生的污染物量之间存在较大区别.由图1可知,水稻和玉米秸秆对同种污染物的贡献率远大于其他作物秸秆,分别为18.91%~47.50%和 41.39%~67.87%.

表4 2016年黑龙江省秸秆露天焚烧污染物排放清单(´104t)

图1 各类秸秆露天焚烧对同种污染物的贡献率

2.1.3 不确定性分析 秸秆露天焚烧清单结果的不确定性源于公式中各计算参数(草灰比、燃烧效率、露天焚烧比例和排放因子)[33,37].而本文在建立排放清单的过程中,这些参数均引用国内外文献中的推荐值.而不同学者所提供的数值存在较大差异,主要是排放源测试结果与地区位置、测试及检测条件等多种因素有关.而选取的参数数值不同将直接影响清单的计算结果[38].

本文选用蒙特卡洛模拟量化不确定性,基于活动水平和排放因子的概率密度分布,蒙特卡洛模拟运行100000次,以95%置信区间计算不确定性的范围,得到各污染物的不确定范围见表5.

与其他污染物相比,NO的不确定性较小,约在-77%~86%.NH3和CO排放的不确定度较高,分别为-128%~165%和-64%~187%.主要是由于NH3和CO的排放系数多采用国外文献推荐值.为进一步降低清单的不确定性,草灰比、燃烧效率和露天焚烧比例等参数未来可进行实地调研.

表5 不确定性分析

2.1.4 清单可靠性分析 由表6可见,与其他学者清单进行对比,各类污染物排放量均未存在数量级差异.考虑到基准年的差异,可以推断,本文所得到的排放清单是合理的.

2.2 秸秆露天焚烧污染物时空分布

2.2.1 时间分布特征 本文以PM2.5为例说明污染物在2016年的月变化规律,并与各月火点数进行对比,如图2所示.

表6 黑龙江省秸秆露天焚烧污染物排放清单的可靠性分析(´104t)

注: -表示无此项.

由图2可以看出,火点主要集中在2个时段:一是3月和4月,即每年开春耕地之前;二是10月和11月,即作物收获之后;与火点变化类似,主要受黑龙江省的耕作制度的影响,较符合黑龙江省的实际耕作情况.

图2 火点及PM2.5排放量月际变化

PM2.5浓度与气象条件、燃煤和秸秆露天焚烧等多种因素有关.如图3所示,全省各地级市PM2.5浓度在全年范围内变化趋势一致.10月中旬至4月中旬为黑龙江省采暖期,与秸秆露天焚烧时段完全重合.考虑黑龙江省气象条件的季节性,在冬季风速较低且易形成逆温层,10、11月的PM2.5浓度比12、1月浓度高,且在12月有一个明显的下降趋势,可见秸秆露天焚烧和采暖期的复合污染显著强于仅燃煤采暖时的污染.而春季采暖期3月和4月PM2.5浓度低于2月,主要是由于春季平均风速逐渐升高,垂直方向湍流加剧,有利于污染物扩散.因此在冬季气象条件不利时,对秸秆露天焚烧活动的有效管制尤为重要.

图3 各市PM2.5浓度月际变化

2.2.2 空间分布特征 采用GIS软件在 Lambert 投影下,在哈尔滨市(43.425°N~53.584°N, 121.174°E~ 135.162°E)区域范围内建立分辨率为9km×9km的网格.以PM2.5为例,分析了污染物在黑龙江省的空间分布特征.通过式(3)进行空间分配,如图4所示.

通过图4(a)和(b)对比可以看出,黑龙江省火点位于耕地面积上,主要在黑龙江省西部和东部,耕地面积上发生秸秆露天焚烧比例较高.与耕地分布不同,火点具有更为显著的点源特征.从图4(c)来看,PM2.5排放的高值网格点位于哈尔滨西部、绥化、齐齐哈尔的南部和东北部、黑河西南部、佳木斯中部和双鸭山市.这些地区耕地面积大,农作物残留量大,且焚烧火点较为集中.在省中部和北部,包括大兴安岭、伊春、黑河中部、牡丹江市、哈尔滨的南部,这些地区林地面积大、土地使用面积大和耕地面积较小,因此污染物排放量较少.

同时由图4(a)、(b)和图3对比可以看出耕地和火点均较少的伊春、黑河和大兴安岭地区其PM2.5浓度值较低;鸡西市和佳木斯东部耕地面积虽分布较大,但是火点数目较少,其PM2.5浓度也在省均值浓度以下,其中一个重要的原因是佳木斯和鸡西市有较多垦区农场分布,隶属农垦总局,均为规模化种植基地,服从农垦总局的统一监管,严格落实垦区全区域禁烧政策,其秸秆综合利用率远远高于省内其他地区[40],如玉米秸秆实现了100%的综合利用,包括还田(75%)、免耕原垄卡种(20%)和秸秆打包综合利用(5%)3种方式[18].而哈尔滨、绥化、齐齐哈尔和大庆市的PM2.5浓度均高于省均值,这些地区耕地面积较大和火点较多.可见对秸秆露天焚烧活动的有效管制对改善当地空气质量至关重要.

2.3 政策建议

根据黑龙江省在控制秸秆露天焚烧上的实际情况,分析了露天焚烧的原因并给出了相应的建议.

一是秸秆资源化效率低.根据本文估算公式如果秸秆露天焚烧率降低5%,黑龙江省秸秆露天焚烧排放的PM2.5能减少34%,约3.5万t.可见降低秸秆露天焚烧率对污染物减排有很大推动作用,因此应加快构建秸秆资源化技术体系,推进秸秆资源的“五化”利用[41].

二是对秸秆分散处理模式不利于减少秸秆焚烧的发生.黑龙江省农垦系统对秸秆进行统收统管的集中管理的优势已显露,因此为解决秸秆焚烧的问题,东北粮食主产区可以借鉴垦区的管理经验,以其作为农业样板,推动其他地区农业向集约化和规模化发展[42-43].

农业部公布了《东北地区秸秆处理行动方案》(2017)[44],明确提出到2020年,努力使东北地区秸秆综合利用率达80%及以上.具有巨大秸秆资源利用潜力的东北粮食主产区应积极推进秸秆从露天焚烧到资源化利用的方式转变.

3 结论

3.1 采用排放因子法计算得到了黑龙江省2016年秸秆产量和秸秆露天焚烧量,进而得到秸秆露天焚烧污染物排放清单.水稻和玉米秸秆对同种污染物的贡献率远大于其他作物秸秆,分别为18.91%~ 47.50%和41.39%~67.87%.通过与相关文献的清单结果对比,本文所得到的清单是合理的.

3.2 黑龙江省秸秆露天焚烧时段具有明显的双峰特征:一是3月和4月;二是10月和11月.与火点变化类似,较符合黑龙江省的实际耕作情况.污染物排放的高值网格点位于火点和耕地分布均密集的黑龙江省西部和东部.反之,低值区位于耕地和火点均较少的省中部和北部.

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Emission inventory and the temporal and spatial distribution of pollutant for open field straw burning in Heilongjiang province.

LI Li-li1,2, WANG Kun1,2*, JIANG Jun-qiu2, LIU Fan2, PU Yi-hao2, LIU Wei2, QI Hong1,2, YU Hang2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2018,38(9)：3280~3287

An emission inventory of open field straw burning was established on the method of emission factors over the Heilongjiang Province for the year of 2016 in this paper. The temporal and spatial distribution characteristics of emission pollutants were also comprehensive analyzed in this study. Our results showed that the total emissions of CO2, CO, CH4, NMVOCs, NH3, BC, OC, SO2, NO, PM10and PM2.5were 1.314×107, 4.192×105, 3.77×104, 8.35×104, 6.5×103, 4.4×103, 3.13×104, 5.0×103, 3.28×104, 8.81×104and 1.014×105t, respectively. Further uncertainty analysis for 95% confidence intervals revealed that the uncertainties ranged from a low value of ±86% for NOto a high value of ±187% for CO. The reliability analysis also demonstrated that the compiled emission inventory is reasonable. The spatial distribution of higher values for emission pollutants was located in the western and eastern regions of Heilongjiang Province. Temporally, two obviously emission peaks for emitted pollutants from straw burning were presented throughout the year. The decline of open field straw burning would effectively promote the reduction of regional total emission of atmospheric pollutants, and the mode of intensive farming and large-scale management over the reclamation area in Heilongjiang Province can effectively control the regional open field straw burning.

open field straw burning；emission inventory；temporal and spatial distribution；Heilongjiang province

X51

A

1000-6923(2018)09-3280-08

李莉莉(1995-),女,河南周口人,哈尔滨工业大学硕士研究生,主要研究方向为大气污染物排放清单.

2018-01-31

国家重点实验室探索课题(2016TS08)

* 责任作者, 教授, Wang02kun@126.com