天津市氨排放清单建立及时空分布特征分析

来源:用户上传      作者:徐媛 刘茂辉 展先辉

　　摘要 根据各类氨排放源活动水平数据，采用排放因子法，估算了天津市氨排放清单，结合中尺度气象模式WRF和排放清单处理模式SMOKE，在分析天津市人为源氨排放的时空分布特征的基础上建立了2017年天津市高时空分辨率氨排放清单。结果表明，2017年天津市氨排放量为57.45 kt，畜禽养殖和氮肥施用是排放贡献最大的排放源，分别占排放总量的49.3%和33.6%;在畜禽养殖源氨排放中，奶牛、蛋鸡的排放量最大，占畜禽养殖排放总量的46.9%，其次是生猪和肉牛，分别占14.3%和13.8%;武清区、宝坻区、蓟州区等天津市西部及北部区域是氨排放主要贡献区域，占天津市氨排放总量的65.5%，且该区域的氨排放具有显著的时间变化特征，表现为12：00、18：00左右是排放量较高时间段。
　　关键词 氨排放清单;空间特征;时间特征;天津市
　　Abstract Based on the activity data of ammonia emission sources，the ammonia emission of Tianjin City was estimated using the emission factors of various ammonia sources.Integrate weather research and forecasting （WRF） and sparse matrix operator kernel emission model （SMOKE），a 2017based high temporalspatial ammonia emission inventory for Tianjin City was developed based on the emission characteristics.The results showed that the total ammonia emission of Tianjin City was 57.45 kt in 2017.Livestock and application of N fertilizer were main contributors，accounting for 49.3% and 33.6% of total NH3 emission，respectively.In ammonia emissions from livestock breeding，milk cow and hen were the largest contributor with 46.9% of total livestock emission，followed by the natal pig and beef cattle with contributions of 14.3% and 13.8%.Western and Northern regions of Tianjin City included Wuqing，Baodi and Jizhou were the main contribution regions with 65.5%，and the ammonia emission in the region had a significant temporal characteristics，12：00 and 18：00 were the high ammonia emission periods.
　　Key words Ammonia emission inventory;Spatial characteristics;Temporal characteristics;Tianjin City
　　氨（NH3）是大氣中最重要的微量碱性气体，它在低层环境中和其他前驱物（SO2、NOX等）相互反应生成二次粒子硫酸盐和硝酸盐，这些物质是大气中PM2.5的重要组成部分[1-2]，魏欣等[3]研究发现二次粒子（二次硫酸盐和二次硝酸盐）是天津夏季PM2.5的主要排放源。NH3和NH4+也是大气酸沉降的重要组成部分，大气中99%的NH4+和NH3随着大气干湿沉降返回到地面，对土壤的酸化以及地表水富营养化等造成巨大威胁，而1%的NH3则在高空进一步被O3氧化成NOX，加剧酸雨、光化学烟雾及温室效应等一系列环境问题。Buijsman等[4]估计70%以上的酸性气溶胶和气态酸被氨中和，氨转化生成的铵盐进入土壤经微生物作用可氧化生成酸引起土壤酸化;彭应登等[5]研究发现，大气氨是北京春、秋、冬这3个季节产生二次粒子的主控因子。刘煜等[6]研究发现，二次颗粒物浓度低时，大气中的铵根离子浓度也低;同时利用MODEL-3/CMAQ模型模拟华北地区夏季二次气溶胶生成发现，NH3对华北地区硫酸盐和硝酸盐气溶胶的形成起着至关重要的作用，如果没有氨的存在，大气中硫酸盐气溶胶大约减少30%，硝酸盐气溶胶将基本消失。人为氨源主要包括农业源和非农业源，农业源氨排放主要来自畜禽饲养、放牧过程中粪尿的排放和农业氮肥的施用，非农业源主要包括人体排放、生物质燃烧、氮肥生产等[7-9]。
　　伴随京津冀区域发展一体化，天津城市化和工业化进程快速发展，城市大气环境不容乐观，近年来研究表明，天津首要污染物为PM10，而其中的PM2.5占有较高比例，呈现出明显的区域型大气复合污染的特征，二次气溶胶污染问题日益突出[10]。早期编制的氨排放清单对人为源的考虑尚不全面，缺少对生产工艺、生物质燃烧的估算，已不能满足目前区域空气质量研究的需要。为此，笔者根据环境统计、天津市统计年鉴、验收监测等相关数据资料，同时考虑农业源氨排放是主要贡献源，对农业系统氨排放活动水平数据通过样本抽样调查进行重点核定，采用排放因子法估算了2017年天津市氨排放量，并分析天津区域氨排放的空间分布特征，旨在为该地区的污染源来源解析和大气环境影响评估研究提供基础资料，对京津冀区域大气环境整治有重要的意义。 　　1 材料与方法
　　1.1 研究区域
　　研究区域包括天津市南开区、和平区、河东区、河西区、河北区、红桥区、宝坻区、武清区、北辰区、津南区、西青区、东丽区、滨海新区、蓟州区、静海区、宁河区，共16个区县。
　　1.2 研究方法
　　1.2.1 氨排放量估算。该研究估算的氨排放源分为农业源（畜禽养殖、氮肥施用）、非农业源（氮肥工业生产、人体排放、生物质燃烧、废弃物处理、机动车尾气排放）。农业源活动数据来源于《天津区县年鉴2011》[11]、《天津调查年鉴2012》[12]、《天津统计年鉴2017》[13];此外，该研究对天津市主要涉农区县（蓟州、静海、武清、宝坻等）的活动水平数据进行样本区域调研，验证并校核农业源资料及文献收集数据。非农业源活动数据来自相应的统计年鉴，其中人体排放基础数据来源于《天津统计年鉴2017》[13];氮肥工业生产和废弃物处理主要依据天津市环境统计、排污申报登记年度数据估算;生物质燃烧活动数据主要来源于天津市土地利用数据等文献资料。排放因子主要参考国内外研究成果，优先选用国内实测数据或本地化排放因子，若无国内数据则参考国外在同等或类似污染情况下的排放因子。
　　 氨排放量估算主要采用“down-up”与“up-down”相结合的方式进行估算。采用基于活动水平数据的排放因子法进行估算不同排放源的排放量，然后进行加和得到总的NH3排放量，计算公式如下：
　　式中，E为天津市氨排放总量（t/a）;i、j分别为地区、源类别;A为活动水平数据;EF为排放因子。将汇总得到的不同排放源氨排放量数据通过地理信息系统建立污染源数据库，结合相应排放源的空间位置和排放活动活动规律进行网格化处理，建立3 km×3 km的高时空分辨率网格化排放清单。
　　1.2.2 氨排放清单模式处理系统。在该研究中，氨排放清单处理模式系统主要包含气象预报模式（weather research and forecasting，WRF）中的气象数据处理模块、污染源排放处理模式（sparse matrix operator kernel emission model，SMOKE）中的清单数据处理模块。
　　WRF[14]采用非静力动力框架并采用地形追随的Sigma坐标系，适用于从米到成千上万公里尺度的各种天气系统的模拟，由美国NCAR（national center for atmospheric research）的中尺度以及微尺度气象部门对整个WRF（第三版）进行维护与支持;该研究中的地表和地形数据采用美国地质调查局（USGS）提供的全球数据，以美国国家环境预报中心（NCEP）提供的3 h间隔的气象预测数据为输入。
　　SMOKE[15]是美国北卡罗莱纳大学环境模拟中心开发的污染物高速运算排放处理模式系统，采用稀疏矩阵方式进行运算，将排放源处理过程都转化为一个独立矩阵，依据不同污染源的化学分配机制（chemical speciation）、时间分配机制（temporal allocation）及空间分配机制（spatial allocation）对氨排放清单进行处理，为多种空气质量模型提供源清单输入文件。该研究排放清单处理系统采用两层双向嵌套网格设置，外层→内层的网格分辨率分别为9、3 km。核心模拟区域如图1中D2所示，范围为116°38′49.2″～118°14′2.4″E、38°34′58.8″～40°13′30″N，包含40列、61行，共计2 440个网络。
　　2 结果与分析
　　2.1 天津市氨排放清单
　　根据收集的氨排放活动数据，通过排放因子法计算得到天津市源氨排放清单，如表1所示。从表1可看出，天津市2017年源氨排放总量为57.45 kt，其中农业源和非农业源的排放量分别为47.65和9.81 kt，分别占排放总量的82.94%和17.08%，表明农业源是天津市氨排放的最大贡献源。天津市毗邻北京，人们的社会生活及生产对畜禽和粮食作物等物质的需求巨大，畜禽养殖和农田氮肥输入保持在较高水平;此外，与其他排放源比，畜禽养殖和氮肥施用的排放因子较大，2种因素的存在使得农业源成为天津市氨排放的主要来源。
　　在农业源中，畜禽养殖和氮肥施用的氨排放量分别为28.35和19.30 kt;而在非农业源中，人体和氮肥工业生产的排放量较大，分别为4.41和3.50 kt，占氨排放总量的13.77%，这与人口数量的增长和粮食需求加大导致的氮肥需求量增加有关。
　　武清区、蓟州区、宝坻依次是天津市氨排放最大的地区，年排放量分别高达11.18、10.35和9.87 kt，其排放份額占天津市氨排放总量的54.66%;排放量较小的地区是市内六区（南开区、和平区、河东区、河西区、河北区和红桥区），年排放总量为1.39 kt，占天津市氨排放总量的2.42%。武清区、蓟州区和宝坻区汇集了天津市大部分养殖资源，畜牧业发达，农作物产量也相对较高，使得氮肥施用量较大，同时这3个地区的农村人口相对较多，约占天津市农村人口的46.96%，导致农村秸秆薪柴的大量使用和焚烧。无论是农业生产还是氮肥工业生产等，天津市内6区均处于最小规模，农村人口数量也是全市最少，因此市内6区的氨排放也最少。由此可见，不同地区，由于经济水平、人口数量、物质需求和农牧业结构等的不同，氨排放量也存在显著差异。
　　2.2 排放源贡献分析 从各类排放源对天津市氨排放量的贡献（图2）可以看出，畜禽养殖是该地区最大的氨排放贡献源，占氨排放总量的49.34%;其次是氮肥施用，占氨排放总量的33.59%，结果表明农业生产和生活系统是氨排放主要来源。人体和氮肥工业生产的排放量相对较大，分别占氨排放总量的7.68%和6.09%，其余排放源共占氨排放总量的3.30%。
　　2.3 氨排放时空分布特征 　　采用清單模式处理系统（WRF气象数据处理、SMOKE清单数据处理）对天津市氨排放进行时间、空间及化学机制处理，从2017年5月1日人为源氨排放时空分布结果（图4）可以看出，天津市氨排放具有显著的时间变化及空间分布特征。就空间分布而言，天津市氨排放主要集中分布在武清区、宝坻区、蓟州区等天津市西部及北部区域，年排放量高达3.765万t，该地区排放量占天津市排放总量的65.5%，其次是宁河区、静海区等天津市东北和西南区域，该地区排放量为1.320万t，占天津市排放总量的23.0%;氨排放集中分布区域主要是因为这些区域是耕地及畜禽养殖集中区域，耕地面积约21.57万hm2，占天津市耕地面积的45%左右;从猪当量角度看，畜禽养殖中奶牛和肉牛养殖量占14.84%，生猪占39.22%，蛋鸡及肉鸡占44.34%，以上数据均表明农业生产及畜禽养殖是氨排放的主要贡献源，二者因素导致西部、北部是天津市氨排放的主要排放区域。就时间变化而言，天津市西部、北部区域农牧源排放与时间具有显著关系，12：00是农牧源排放排放量较高的时间段，其次是18：00左右，这与孙庆瑞等[17]研究结果一致;天津市其他区域，如静海区和宁河区则变化不显著。这主要是因为武清区、西青区是畜禽养殖集中分布区域，而静海区、宁河区农牧源的主要贡献者是农业系统的氮肥施用，畜禽的NH3排放在12：00、18：00，从而造成武清和西青2个区域具有显著的时间变化。
　　2.4 氨排放清单比较 为更准确地反映区域的污染排放情况，通过文献收集，总结不同学者对天津市及其他区域氨排放的研究，与该研究结果进行对比，如表2所示，天津市氨排放强度为4.81 t/（km2·a），与广东省、长三角、湖北省等其他研究区域相比，天津市氨排放强度处于中等水平，且在各区域的氨排放中，畜禽养殖是最主要的贡献源，贡献率高达62%;其次氮肥施用和人体排放也是氨排放的主要贡献源。
　　此外，将该研究结果与孙庆瑞等[17]研究结果对比，二者在排放总量和排放贡献上基本一致，而该研究畜禽养殖的贡献率有所下降，氮肥施用的贡献率略有上升，这主要是因为排放因子的选取不同，以及该研究的NH3排放涵盖了生物质燃烧和废弃物处理。王文兴等[18]、孙庆瑞等[17]对天津市氨排放量估算结果差异显著，这主要是因为排放因子的选取不同，造成了排放结果的差异较大;王文兴等[18]对畜禽养殖、氮肥施用的NH3估算分别采用欧洲的畜禽年排放总因子、Whitehead等[24]研究结果;而孙庆瑞等[17]对畜禽养殖采取国外畜禽排放因子加权均值，对氮肥施用的NH3估算则主要结合了国内学者的相关实测结果。
　　3 结论
　　（1）2017年天津市氨排放量为57.45 kt，农业源贡献最大，占排放总量的82.94%，非农业源占排放总量的17.08%。
　　（2）农业源中的畜禽养殖和氮肥施用是氨排放的最主要贡献源，分别占排放总量的49.35%和33.59%。人体和氮肥工业生产的氨排放量占排放总量的13.77%，是非农业源的主要氨排放贡献源。
　　（3）在畜禽养殖氨排放中，奶牛、蛋鸡、生猪、肉牛是天津市最大的4类畜禽排放贡献源，占全市畜禽排放总量的74.94%，其中奶牛是最大的畜禽养殖贡献源，占排放总量的25.33%。
　　（4）武清区、宝坻区、蓟州区等天津市西部及北部区域是天津市氨排放量主要贡献区域，排放量为3.765万t，占天津市氨排放总量的65.5%;其次是宁河区、静海区等天津市东北和西南区域，排放量为1.320万t，占天津市排放总量的23.0%。
　　（5）天津市氨排放在12：00左右排放较高，其次是18：00左右。武清区、宝坻区、蓟州区等天津市西部及北部区域是氨排放时间变化显著区域。
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