崔建升 雷團(tuán)團(tuán), 伯 鑫 伍鵬程 屈加豹 高 爽 田 飛 李時(shí)蓓#

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心,北京 100012；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；4.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份公司，江蘇 南京 210093；5.山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

排放清單是在一定的研究區(qū)域及時(shí)間內(nèi)，各種類別污染源排放到大氣中的污染物的集合[1]。排放清單作為空氣質(zhì)量模型輸入數(shù)據(jù)源及大氣污染控制的基礎(chǔ)，已有大量學(xué)者在不同尺度、地域、行業(yè)對(duì)排放清單作出研究[2-8]。海南省空氣較為潔凈，但2016年較2015年重污染天數(shù)增加[9]，海南省工業(yè)企業(yè)數(shù)量少，但近年來(lái)海南省在建設(shè)國(guó)際旅游島的進(jìn)程中主張開(kāi)放發(fā)展。人口的自然增長(zhǎng)、遷移流動(dòng)和未來(lái)工業(yè)的增長(zhǎng)必然會(huì)對(duì)海南省資源環(huán)境、空氣質(zhì)量帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此開(kāi)展海南省大氣污染源排放清單研究對(duì)該省強(qiáng)化環(huán)境污染防治、優(yōu)化環(huán)境空氣質(zhì)量意義重大。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)排放清單研究將研究對(duì)象集中在京津冀、長(zhǎng)三角及珠三角等地區(qū)。王淑蘭等[10]、伯鑫等[11]以排放清單為基礎(chǔ)，利用CALPUFF模型模擬了珠三角地區(qū)城市間污染物相互輸送的變化規(guī)律及2010年京津冀地區(qū)火電企業(yè)污染情況。QI等[12]、ZHENG等[13]、吳曉璐[14]分別采用自下而上的方法建立了2013年京津冀、2006年珠三角及2004年長(zhǎng)三角地區(qū)高分辨率大氣污染物排放清單，揭示了京津冀、珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)污染物排放的時(shí)空分布特征。而海南省大氣研究多停留在PM2.5、PM10等特定污染物分析上[15-17]，多污染物的區(qū)域尺度大氣污染物排放清單及環(huán)境影響研究較少，無(wú)法獲取海南省環(huán)境本底情況及污染物變化規(guī)律。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究基于2016年海南省工業(yè)環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以中國(guó)多尺度排放清單模型(MEIC)排放清單(交通源、生活源、農(nóng)業(yè)源)[18]作為背景源補(bǔ)充，建立了海南省2016年大氣污染源物排放清單，包括SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、黑碳(BC)、有機(jī)碳(OC)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、NH3，并采用CALPUFF模型模擬分析了海南省大氣污染物濃度水平，為海南省大氣污染防治提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來(lái)源

海南省總面積3.54萬(wàn)km2，海域面積約200萬(wàn)km2，2016年全省地區(qū)生產(chǎn)總值4 044.51億元，常住人口917.13萬(wàn)。本研究以海南省全省作為研究區(qū)域，以2016年作為研究基準(zhǔn)年。

工業(yè)源排放清單由工藝過(guò)程源、化石燃料固定燃燒源和工業(yè)溶劑使用源3部分組成，其中火電行業(yè)排放清單基于海南省在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(CEMS)建立，其余工業(yè)行業(yè)清單基于環(huán)境統(tǒng)計(jì)中規(guī)模以上企業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)建立(企業(yè)位置見(jiàn)圖1)。

圖1 海南省工業(yè)企業(yè)分布Fig.1 Distribution of industrial enterprises in Hainan Province

各源類估算方法如下：

(1) 工藝過(guò)程源包括醫(yī)藥制造、橡膠和塑料制品、非金屬礦物制品、食品制造、造紙等，工藝過(guò)程源排放量采用排放因子法[19]進(jìn)行估算，公式見(jiàn)式(1)。其中，排放因子根據(jù)文獻(xiàn)[20]至文獻(xiàn)[23]獲得。

E=A×EF×(1-η)/1 000

(1)

式中：E為污染物排放量,t;A為排放源所對(duì)應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量，t；EF為污染物的排放系數(shù),g/kg；η為末端控制技術(shù)對(duì)污染物的去除效率，%。

(2) 化石燃料固定燃燒源中，火電部分排放量來(lái)自本團(tuán)隊(duì)全國(guó)火電排放清單成果[24-25]，其他部分采用排放因子法估算。燃煤源SO2、PM10、PM2.5、BC、OC排放因子采用物料平衡法獲得，如式(2)至式(5)所示，非燃煤源和燃煤源的NOx、CO、VOCs、NH3排放因子參考文獻(xiàn)[20]至文獻(xiàn)[23]。

EFSO2=2×S×(1-Sr)×1 000

(2)

EFPM=Aar×(1-ar)×fPM×1 000

(3)

EFBC=EFPM2.5×fBC

(4)

EFOC=EFPM2.5×fOC

(5)

式中：EFSO2為SO2排放因子,g/kg;S為平均燃煤收到基硫分比例(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，下同),%;Sr為煤炭中硫分進(jìn)入底灰的比例,%;EFPM為顆粒物(PM2.5或PM10)排放因子,g/kg;Aar為平均燃煤收到灰分比例,%;ar為燃料中灰分進(jìn)入底灰的比例,%;fPM為排放源產(chǎn)生某粒徑范圍顆粒物占總顆粒物的比例,%;EFBC為BC排放因子,g/kg;EFPM2.5為PM2.5排放因子,g/kg;EFOC為OC排放因子,g/kg;fBC和fOC分別是BC和OC占PM2.5比例,%。

(3) 工業(yè)溶劑使用源主要包括工業(yè)噴涂、油墨印刷以及其他溶劑使用等，采用排放因子法估算其排放量(見(jiàn)式(6))。

E=Q×EF’/1 000

(6)

式中：Q為溶劑消費(fèi)量,t;EF’為污染物排放系數(shù),g/kg。

因未獲得海南省詳細(xì)的生活源、交通源、農(nóng)業(yè)源等基礎(chǔ)資料，故采用MEIC排放清單中的生活源、交通源、農(nóng)業(yè)源作為數(shù)據(jù)補(bǔ)充，并根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量、土地利用類型等資料使用地理信息系統(tǒng)可視化軟件將MEIC清單數(shù)據(jù)分配至網(wǎng)格中[26-27]。

1.2 空氣質(zhì)量模型參數(shù)設(shè)置

海南省地理位置特殊，海洋性氣候和復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)其影響較大，CALPUFF模型具有生成和處理復(fù)雜三維風(fēng)場(chǎng)及復(fù)雜地形算法的能力[28-29]，因此采用CALPUFF模型能更好地模擬海南省污染物擴(kuò)散變化規(guī)律。CALPUFF模型應(yīng)用三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日擴(kuò)散模式(包括CALMET和CALPUFF等模塊)，能很好地處理長(zhǎng)距離(50 km以上)污染物運(yùn)輸，也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境部推薦的模型之一，在區(qū)域環(huán)境影響研究中應(yīng)用廣泛[30-32]。

本研究使用CALPUFF模型6.42版本模擬海南省大氣污染物排放對(duì)環(huán)境的影響，將工業(yè)源作為點(diǎn)源，交通源和生活源作為面源模擬；化學(xué)轉(zhuǎn)化同時(shí)考慮無(wú)機(jī)和有機(jī)氣溶膠的化學(xué)轉(zhuǎn)化，更全面地模擬二次氣溶膠的形成，并將VOCs排放分擔(dān)到甲苯、二甲苯、萜烯、長(zhǎng)鏈烷烴和多環(huán)芳烴5種物質(zhì)中，因本研究未考慮天然源排放，故未進(jìn)行萜烯輸入[33]1578；CALPUFF模塊輸出選項(xiàng)中勾選了源貢獻(xiàn)，可根據(jù)各污染源所在地區(qū)及部門(mén)分析污染物濃度貢獻(xiàn)。參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。本研究CALMET、CALPUFF等模塊的參數(shù)設(shè)置，在已有研究項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，取得了很好的模擬效果[33]1577,[34]430-431,[35]。

表1 CALPUFF模型參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物排放清單

2.1.1 總體排放量分析

2016年，海南省SO2、NOx、CO、PM2.5、PM10、BC、OC、VOCs、NH3年排放量分別為1.50×104、5.10×104、4.56×105、2.34×104、2.10×104、3.50×103、1.20×104、4.96×104、6.50×104t(見(jiàn)表2)。SO2排放主要來(lái)自于化石燃料固定燃燒源，分擔(dān)率為66.67%，海南省已完成火電行業(yè)超低排放改造，而非電行業(yè)末端治理設(shè)備升級(jí)仍未完成，致使非電行業(yè)化石燃料固定燃燒源SO2排放較高；NOx主要排放源為交通源，分擔(dān)率為51.18%；CO、PM10和PM2.5的主要排放源為生活源，分擔(dān)率分別為59.01%、81.28%和87.62%；VOCs的主要排放源為工業(yè)溶劑使用源，分擔(dān)率達(dá)75.91%；NH3最大排放源為農(nóng)業(yè)源，分擔(dān)率為93.54%。

2.1.2 工業(yè)源排放量分析

工業(yè)源SO2、VOCs排放在全省大氣總排放中占比較大，分擔(dān)率分別為89.33%和98.58%；NH3排放量不高，分擔(dān)率僅為2.15%。但由于海南省各區(qū)域工業(yè)發(fā)展定位不同，不同行業(yè)及地區(qū)污染物排放有很大的差異，因此掌握行業(yè)及地區(qū)排放特征很有必要。

各工業(yè)行業(yè)排放情況如表3所示。SO2的主要排放來(lái)源為造紙和火電行業(yè)，兩者排放的SO2占工業(yè)排放總量的70%以上；NOx主要來(lái)自造紙，火電和石油、煤炭及其他燃料加工行業(yè)的排放，3者總分擔(dān)率達(dá)81.39%；CO以非金屬礦物制品行業(yè)的排放較為顯著，分擔(dān)率為51.71%；PM10主要排放源也為非金屬礦物制品行業(yè)，分擔(dān)率達(dá)62.97%；PM2.5則以火電與非金屬礦物制品行業(yè)排放為主，分擔(dān)率分別為44.23%和40.93%；VOCs的主要排放來(lái)源為橡膠和塑料制品行業(yè)，分擔(dān)率超過(guò)40%，而海南省化工行業(yè)生產(chǎn)量急劇下降[36]，因此化學(xué)原料和化學(xué)制品制造行業(yè)VOCs排放量相對(duì)較低，分擔(dān)率僅為17.27%。

海南省各地區(qū)工業(yè)源主要大氣污染物排放分布見(jiàn)圖2和圖3。其中，儋州市和東方市整體規(guī)劃以建設(shè)工業(yè)園區(qū)、大力發(fā)展油氣開(kāi)采和加工行業(yè)為主，火電，非金屬礦物制品，石油、煤炭及其他燃料加工以及橡膠和塑料制品行業(yè)分布相對(duì)集中，SO2、NOx、CO、PM10與PM2.5排放量較大；澄邁縣和?？谑谢瘜W(xué)原料和化學(xué)制品、橡膠和塑料制品以及食品制造行業(yè)等分布相對(duì)集中，VOCs和NH3排放量較大。

表2 海南省2016年大氣污染物排放量

表3 工業(yè)源各行業(yè)污染物排放量

圖2 海南省各市(縣)氣態(tài)污染物排放情況Fig.2 Emissions of gaseous pollutants in cities (districts or counties) of Hainan Province

2.2 大氣環(huán)境影響分析

2.2.1 氣象場(chǎng)驗(yàn)證

氣象場(chǎng)的驗(yàn)證方法參考文獻(xiàn)[34]，選取地面氣象監(jiān)測(cè)站東方站(108.617°E，19.100°N)的氣象數(shù)據(jù)(氣溫、風(fēng)速)作為模擬氣象場(chǎng)驗(yàn)證資料，評(píng)估CALMET模塊模擬值與監(jiān)測(cè)值的準(zhǔn)確度。氣溫、風(fēng)速的模擬值和監(jiān)測(cè)值接近(見(jiàn)圖4)，相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.81，擬合效果相對(duì)較好，此驗(yàn)證結(jié)果與闞慧等[34]433的驗(yàn)證結(jié)果相近。

2.2.2 大氣環(huán)境影響分析

圖5展示了海南省SO2、NOx、PM10與PM2.5模擬年均濃度分布情況(由于火電行業(yè)的濃度貢獻(xiàn)較小[34]433-434，未將火電納入工業(yè)源分析)，結(jié)果顯示，全省SO2年均質(zhì)量濃度為0.56 μg/m3，濃度高值區(qū)域主要分布在儋州市的西部地區(qū)，但SO2年均質(zhì)量濃度最高的城市為?？谑?1.34 μg/m3)；全省NOx年均質(zhì)量濃度為9.58 μg/m3，濃度高值區(qū)集中在海口市及周邊地區(qū)，其中?？谑蠳Ox年均質(zhì)量濃度最高，為32.8 μg/m3；全省PM10與PM2.5年均質(zhì)量濃度分別為3.13、1.72 μg/m3，濃度高值區(qū)主要分布在?？谑?、儋州市中部、臨高縣西南部以及定安縣北部地區(qū)，PM10與PM2.5年均質(zhì)量濃度最高的地區(qū)均為定安縣(分別為6.62、3.42 μg/m3)。二次污染物中，二次有機(jī)氣溶膠(SOA)、硫酸鹽、硝酸鹽均集中分布在西部地區(qū)，濃度最高的地區(qū)分別為臨高縣、儋州市和?？谑?見(jiàn)圖6)。

圖3 海南省各市(縣)顆粒物排放情況Fig.3 Emissions of particulate matters in cities (districts or counties) of Hainan Province

圖4 氣象要素模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated values of meteorological elements with monitored values

圖5 海南省SO2、NOx、PM10與PM2.5模擬年均質(zhì)量濃度分布Fig.5 The distribution of annual average simulation concentrations of SO2,NOx,PM10 and PM2.5 in Hainan Province

PM2.5濃度貢獻(xiàn)中，一次排放的PM2.5及二次轉(zhuǎn)化的SOA、硫酸鹽、硝酸鹽貢獻(xiàn)率分別為79.27%、0.59%、2.48%、17.66%。海南省工業(yè)化程度較低，能源消耗量遠(yuǎn)低于其他省份，因此二次無(wú)機(jī)鹽濃度較其他沿海城市低。從一次排放和二次轉(zhuǎn)化的污染物在PM2.5濃度中貢獻(xiàn)率可看出，一次排放的PM2.5是海南省PM2.5的主要貢獻(xiàn)源，其次二次無(wú)機(jī)氣溶膠(硫酸鹽、硝酸鹽)貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于SOA，因此需加大對(duì)硫酸鹽、硝酸鹽等污染前體物的控制。受中部高四周低地形及區(qū)域傳輸?shù)挠绊?，海南省污染物地區(qū)濃度貢獻(xiàn)與地區(qū)排放量分布不一致。

各地區(qū)主要污染物的污染濃度貢獻(xiàn)情況如表4和表5所示。SO2濃度以交通源和工業(yè)源貢獻(xiàn)為主，且交通源>工業(yè)源，在海口市、儋州市和東方市等地區(qū)兩者貢獻(xiàn)率總和均在95%以上。NOx濃度在各地區(qū)均以交通源貢獻(xiàn)最為突出，其次為生活源、工業(yè)源，尤以?？谑薪煌ㄔ簇暙I(xiàn)最為明顯，貢獻(xiàn)率達(dá)97.8%。PM10與PM2.5濃度均以生活源貢獻(xiàn)最為突出，其次為交通源、工業(yè)源，其中昌江縣生活源對(duì)當(dāng)?shù)豍M10濃度貢獻(xiàn)率最高，為82.1%；臨高縣生活源對(duì)當(dāng)?shù)豍M2.5濃度貢獻(xiàn)率最高，達(dá)71.9%?？梢?jiàn)，海南省作為旅游城市，機(jī)動(dòng)車流動(dòng)量大，造成交通源對(duì)全省污染物濃度貢獻(xiàn)突出，值得關(guān)注的是工業(yè)源雖然對(duì)顆粒物濃度貢獻(xiàn)率較低，但對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)超過(guò)PM10，因此工業(yè)行業(yè)仍需加強(qiáng)PM2.5治理。

2.2.3 不確定性分析

本研究存在的不確定性主要如下：(1)清單中工業(yè)源活動(dòng)水平數(shù)據(jù)中可能有一定數(shù)量的企業(yè)未納入統(tǒng)計(jì)；(2)研究?jī)H限考慮海南省人為源及本地污染物排放狀況，未考慮天然源、外地傳輸?shù)葘?duì)污染物濃度的影響，因此可能會(huì)造成模擬濃度貢獻(xiàn)的差異[37]；(3)模型模擬本身存在一定的誤差。

圖6 海南省二次污染物模擬年均質(zhì)量濃度分布Fig.6 The distribution of annual average simulation concentrations of secondary pollutants in Hainan Province

表4 海南省各市(縣)SO2與NOx模擬貢獻(xiàn)率

表5 海南省各市(縣)顆粒物模擬貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論與建議

(1) 2016年海南省大氣污染物排放清單中SO2、NOx、CO、PM2.5、PM10、BC、OC、VOCs、NH3年排放量分別為1.50×104、5.10×104、4.56×105、2.34×104、2.10×104、3.50×103、1.20×104、4.96×104、6.50×104t。工業(yè)源SO2、VOCs分擔(dān)率較高，分別為89.33%和98.58%。儋州市和東方市SO2、NOx、CO、PM10與PM2.5排放量較大；澄邁縣和海口市VOCs和NH3排放量較大。

(2) 排放量與排放濃度分布不一致。定安縣在各項(xiàng)污染物排放量均較小，但受中部高四周低地形、海陸風(fēng)等氣象條件及區(qū)域傳輸?shù)鹊挠绊懀w粒物濃度全省最高，因此各地需加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，強(qiáng)化空氣質(zhì)量保障體系。

(3) 海南省SO2濃度貢獻(xiàn)為交通源>工業(yè)源>生活源，NOx濃度貢獻(xiàn)為交通源>生活源>工業(yè)源，顆粒物的濃度貢獻(xiàn)為生活源>交通源>工業(yè)源，總體來(lái)說(shuō)工業(yè)源對(duì)海南省顆粒物平均濃度貢獻(xiàn)相對(duì)較小，但在顆粒物中對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)不容小視，宜發(fā)展低污染低耗能的新型工業(yè)以降低空氣質(zhì)量惡化的風(fēng)險(xiǎn)。