王 晴 王寶慶 蔡寧寧 唐真真 趙子賢 劉博薇 胡新鑫 牛宏宏

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071)

在工業(yè)、交通和城市化的蓬勃發(fā)展過程中，化石燃料燃燒生成的污染物使城市大氣質(zhì)量嚴(yán)重污染[1]。曾凡剛等[2]研究表明，城市的癌癥患病率特別是肺癌患病率高于農(nóng)村，大氣污染嚴(yán)重的城市則更高，主要是化石燃料燃燒釋放的污染物所致。

化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物很大一部分來自化石燃料固定燃燒點(diǎn)源。伍鵬程[3]研究顯示，化石燃料固定燃燒點(diǎn)源是臨沂市NOx的主要來源之一。陳軍等[4]研究顯示，化石燃料固定燃燒點(diǎn)源是長(zhǎng)沙市最大的SO2排放人為貢獻(xiàn)源。舒麗等[5]研究顯示，南充市的化石燃料固定燃燒點(diǎn)源PM2.5排放量為914 t，PM10排放量為24 167 t。

烏昌石區(qū)域是國家作為城市群重點(diǎn)建設(shè)的10個(gè)區(qū)域之一[6]，屬于新疆維吾爾自治區(qū)，處于絲綢之路北通道的核心地帶，具有重要的發(fā)展優(yōu)勢(shì)及戰(zhàn)略地位[7]，在占全區(qū)3.8%的土地面積上聚集了全區(qū)40%以上的城鎮(zhèn)人口，創(chuàng)造了約占全區(qū)40%的地區(qū)生產(chǎn)總值[8]。北京市[9]、深圳市[10]和上海市[11]等發(fā)達(dá)地區(qū)已相繼建立各類排放清單，而烏昌石區(qū)域的大氣污染源排放清單研究還十分欠缺。

因此，本研究對(duì)烏昌石區(qū)域2015年的化石燃料固定燃燒點(diǎn)源的NOx、SO2、PM2.5和PM10建立排放清單，并對(duì)排放量進(jìn)行時(shí)空分布分析，為烏昌石區(qū)域大氣污染控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

本研究中烏昌石區(qū)域是指烏魯木齊市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市、呼圖壁縣和瑪納斯縣，沙灣縣由于數(shù)據(jù)缺失，暫不考慮。

烏昌石區(qū)域的865家化石燃料固定燃燒點(diǎn)源企業(yè)名單來自新疆環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，分成電力生產(chǎn)與供應(yīng)、熱力生產(chǎn)與供應(yīng)、采礦與制造3大行業(yè)。

1.2 排放因子的確定

NOx、PM2.5、PM10的排放因子分別來源于文獻(xiàn)[12]、《大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)一次源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》，其具體數(shù)據(jù)見表1。但SO2排放因子沒有統(tǒng)一的文獻(xiàn)或指南可以參考，因此本研究采用《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊(cè)》的物料衡算法計(jì)算得到，燃料收到基平均含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.7%，硫分進(jìn)入底灰的質(zhì)量比例取0.15。

1.3 排放量估算方法

每家企業(yè)根據(jù)對(duì)應(yīng)行業(yè)按照不同化石燃料不同鍋爐類型逐個(gè)計(jì)算每個(gè)鍋爐的污染物排放量，企業(yè)里所有鍋爐的排放量之和為企業(yè)的排放量，每個(gè)鍋爐的污染物排放量計(jì)算公式如下：

E=A×EF×10-3×(1-η)

(1)

式中：E為每個(gè)鍋爐的污染物排放量，t；A為每個(gè)鍋爐的實(shí)際燃料消耗量(即活動(dòng)水平)，數(shù)據(jù)由每家企業(yè)提供；EF為排放因子；η為污染控制措施對(duì)污染物的去除效率，%，數(shù)據(jù)取值參考《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊(cè)》。A和EF單位根據(jù)實(shí)際情況而定。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物排放清單

通過計(jì)算得到，2015年烏昌石區(qū)域化石燃料固定燃燒點(diǎn)源的NOx、SO2、PM2.5和PM10的年排放量分別為2.10×105、1.52×105、4.28×104、8.35×104t。

不同行業(yè)的污染物排放貢獻(xiàn)率如圖1所示。由圖1可見，不同行業(yè)中電力生產(chǎn)與供應(yīng)行業(yè)的NOx排放量最大，貢獻(xiàn)率達(dá)到70.78%；電力生產(chǎn)與供應(yīng)行業(yè)也是SO2排放量最大的行業(yè)，貢獻(xiàn)率達(dá)到66.56%；電力生產(chǎn)與供應(yīng)行業(yè)的PM2.5排放量最大，貢獻(xiàn)率為51.10%，其次采礦和制造行業(yè)的PM2.5排放量也較大，貢獻(xiàn)率為39.08%；PM10和PM2.5的行業(yè)貢獻(xiàn)率分布基本一樣，電力生產(chǎn)與供應(yīng)行業(yè)、采礦和制造行業(yè)貢獻(xiàn)率分別為49.98%、39.01%。這主要是因?yàn)殡娏ιa(chǎn)過程以燃煤為主，污染物產(chǎn)生量較大[13]。

表1 NOx、PM2.5、PM10的排放因子

圖1 不同行業(yè)的污染物排放貢獻(xiàn)率Fig.1 Industrial contribution rates of the pollutants

不同化石燃料的污染物排放貢獻(xiàn)率如圖2所示。由圖2可知，煤炭對(duì)NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放量貢獻(xiàn)率都占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別達(dá)到95.63%、99.84%、99.70%、99.84%，這是因?yàn)槊禾渴俏覈谝淮竽茉础?/p>

圖2 不同化石燃料的污染物排放貢獻(xiàn)率Fig.2 Fuel contribution rates of the pollutants

不同鍋爐類型的污染物排放貢獻(xiàn)率如圖3所示。由圖3可知，煤粉爐對(duì)NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放量貢獻(xiàn)率也都占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別為84.20%、85.09%、83.43%、84.06%，這是因?yàn)槊悍蹱t主要以煤炭為燃料；其次是流化床爐，對(duì)NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放量貢獻(xiàn)率分別為9.17%、12.61%、11.08%、11.31%，流化床爐使用的主要燃料也是煤炭。

圖3 不同鍋爐類型的污染物排放貢獻(xiàn)率Fig.3 Boiler types contribution rates of the pollutants

2.2 污染物排放時(shí)空分布特征

2.2.1 時(shí)間分布特征

2015年烏昌石區(qū)域化石燃料固定燃燒點(diǎn)源的大氣污染物月排放特征和平均每日的小時(shí)排放特征分別如圖4和圖5所示。由圖4可見，NOx、SO2、PM2.5和PM10的月排放量變化趨勢(shì)基本保持一致，采暖季污染物的排放量明顯高于非采暖季，這是由于烏昌石區(qū)域的基本能源以燃煤為主，采暖導(dǎo)致燃煤量增大，進(jìn)而導(dǎo)致污染物明顯增多，且冬季逆溫層較厚，導(dǎo)致低層大氣污染物不易擴(kuò)散[14]。由圖5可以看到，NOx、SO2、PM2.5和PM10的平均每日小時(shí)排放量也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，總體來看白天高于夜晚，符合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)生產(chǎn)和居民的生活作息規(guī)律。

圖4 污染物的月排放特征Fig.4 Monthly emission characteristics of pollutants

圖5 污染物的小時(shí)排放特征Fig.5 Hourly emission characteristics of pollutants

2.2.2 空間分布特征

由圖6可以看出，2015年烏昌石區(qū)域化石燃料固定燃燒點(diǎn)源主要集中在烏魯木齊市、五家渠市和昌吉市。一般認(rèn)為，地區(qū)生產(chǎn)總值和工業(yè)比重越大的地方大氣質(zhì)量越低[15]，新疆維吾爾自治區(qū)目前處于以工業(yè)化為主的高速發(fā)展時(shí)期[16]，其中以烏魯木齊市的地區(qū)生產(chǎn)總值和工業(yè)比重最大，對(duì)城市的生態(tài)環(huán)境造成一定的脅迫[17]，所以以烏魯木齊市為中心的區(qū)域大氣污染也最為嚴(yán)重[18]。從地形上來看，烏魯木齊市三面環(huán)山，氣流不易水平流動(dòng)，特別是冬季風(fēng)速小時(shí)，不利于污染物的擴(kuò)散。另外，逆溫效應(yīng)以及熱島效應(yīng)等因素對(duì)烏魯木齊市及周邊地區(qū)大氣污染也具有重要影響[19]。NOx和SO2的排放主要主要是由于烏魯木齊市有一些熱電廠、化工公司排放較多的NOx和SO2。PM2.5的排放主要主要是由于五家渠市工業(yè)園區(qū)近些年的迅猛發(fā)展。PM10的排放主要主要是由于昌吉市的熱電廠和熱力公司排放。

3 結(jié) 論

(1) 2015年烏昌石區(qū)域化石燃料固定燃燒點(diǎn)源的NOx、SO2、PM2.5、PM10年排放量分別為2.10×105、1.52×105、4.28×104、8.35×104t。

(2) 不同行業(yè)中，對(duì)NOx、SO2、PM2.5和PM10的貢獻(xiàn)率均是電力生產(chǎn)與供應(yīng)行業(yè)最大，分別為70.78%、66.56%、51.10%、49.98%。不同化石燃料中，對(duì)NOx、SO2、PM2.5和PM10的貢獻(xiàn)率均是煤炭最大，分別為95.63%、99.84%、99.70%、99.84%。不同鍋爐類型中，對(duì)NOx、SO2、PM2.5和PM10的貢獻(xiàn)率均是煤粉爐最大，分別為84.20%、85.09%、83.43%、84.06%。

圖6 污染物的空間排放特征Fig.6 Spatial distribution of different pollutants

(3) 固定燃燒點(diǎn)源污染物排放呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化特征，采暖季污染物的排放量高于非采暖季，一天中白天高于夜晚?？臻g分布顯示，NOx和SO2的排放主要集中在烏魯木齊市，PM2.5的排放主要集中在五家渠市，PM10的排放主要集中在昌吉市。