秸秆焚烧对哈尔滨市灰霾天气的影响

邢延峰，王鹏杰，曹 胜，姜景阳，张 蕊，孙越天，郭 欣，孟庆庆

黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056

秸秆焚烧对哈尔滨市灰霾天气的影响

邢延峰，王鹏杰，曹 胜，姜景阳，张 蕊，孙越天，郭 欣，孟庆庆

黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056

2015 年11月1—4日，哈尔滨市及周边地区发生了连续的灰霾天气，颗粒物浓度急剧升高。污染发生时，监测仪器均布设在哈尔滨市区上风向30 km处(哈尔滨市双城区)并开展了连续96 h的监测分析。综合利用气象观测资料，3D可视激光雷达监测资料及地面空气污染监测资料分析了灰霾天气发生的气象条件和污染边界层特征，根据哈尔滨市双城区大气污染物排放源谱库对主要成分进行来源解析，结合颗粒物质量浓度和气象条件研究了秸秆焚烧对灰霾天气的影响。结果表明，灰霾天气持续期间，夜间生物质燃烧源成为该地区颗粒物的第二大源；秸秆焚烧产生的大气污染物，由于地面长时间静风，污染边界层降低等原因，致使本地污染物累积、不易扩散，加剧了本次污染。

灰霾；秸秆焚烧；来源解析；气象条件

Abstract:There had been continuous ash haze weather on November 1-4 of 2015 in Harbin and surrounding areas, and the particle concentration was dramatically increased. The pollution monitoring instruments were set 30 km upwind of urban Harbin and carried out continuous monitoring analysis for 96 hours when the pollution happened. Combined with meteorological observation data, 3D visual laser radar monitoring data and ground air pollution monitoring data, the meteorological conditions and pollution boundary layer characteristics of ash haze weather were analyzed, and then its source apportionment was carried out according to the local atmospheric pollutant emission spectrum database. Finally the effects of straw burning on ash haze weather were analyzed with particle mass concentration and meteorological conditions. The results showed that during the ash haze weather period, biomass combustion at night became the second largest source of particulate matter in the local region. Due to longtime static wind on the ground and reduced pollution boundary layer, the local pollutants from straw burning were accumulated and not easy to spread, this haze weather was aggravated.

Keywords:ash haze;straw burning;source apportionment;meteorological conditions

随着现代农业的发展和新农村建设的推进，农村生活水平的普遍提高，秸秆作为一种低燃值的能源已不再作为农村的生活燃料，失去它传统的利用价值，从“宝”变“废”[1-2]。我国是一个农业大国，每年的农业秸秆产生量约6×108t，而国内绝大多数地区，秸秆综合利用率仍处于较低水平[3]，在夏、秋粮食收获期间，秸秆焚烧频发，大量有害物质进入大气[4-5]。目前，生物质燃烧已经成为全世界重要的大气微痕量成分的排放来源，其排放及二次形成的污染气体和气溶胶颗粒物导致大气中总悬浮颗粒数增多，对局部地区空气质量、大气中发生的化学过程乃至气候变化产生重要影响[6-9]。

秸秆焚烧会造成环境空气质量短时间严重恶化, 致使城市及周边出现大范围“霾”天气[10-11]，所谓霾现象，从感官上说，它是大气中气溶胶系统对可见光的消弱效应而造成的一种视程障碍[12-14]，具体表现为水平的能见度降低，天空灰蒙蒙一片，通常说是“看得见的污染”[15]。近年来，我国大部分地区均遭遇过连续数日的灰霾天，2004—2009年，南通市在有明显秸秆焚烧气味期间，南通市环境空气中PM10质量浓度均出现不同程度的上升[16]；2008年10月28—29日，南京及周边地区秸秆焚烧导致南京市发生一次严重空气污染[3]；2011年12月27日至2012年1月1日，太原出现了连续灰霾天气[17]； 2013 年6月5—6日，河南省郑州市发生了一次由于秸秆焚烧造成的严重霾天气，城区能见度最低只有50 m 左右[18]。

哈尔滨市作为东北地区重污染城市之一，连续的灰霾天气严重影响了民众的身心健康和生活质量，引起社会广泛关注。为了及时捕捉灰霾天气发生时的污染特征和变化过程，本文针对2015年11月1—4日哈尔滨市双城区一次完整的灰霾天气，利用地面空气污染监测资料，气象观测资料和3D可视激光雷达监测资料对秸秆焚烧如何加剧灰霾天气的污染程度进行系统分析。

1 材料和方法

1.1监测地点与时间

监测地点位于哈尔滨市上风向双城区污水处理厂院内(图1)，距离哈尔滨市区西南约30 km，该处位于双城区北端，周围无高大建筑物遮挡，附近无工业污染源，周边农田环绕，经过前期调研发现监测点附近夜间存在秸秆焚烧现象。因此，通过该监测点位得到的观测数据可以清晰的判别秸秆焚烧对空气质量影响特征，并可以较好的反映出哈尔滨市上风向污染水平。

监测时间为2015年11月1—4日，昼夜连续监测，同时记录采样时的天气状况(温度、相对湿度、风速等)。

1.2主要监测仪器

在线单颗粒气溶胶质谱仪 SPAMS 0525；颗粒物监测仪5014i(美国)；3D可视激光雷达EV-Lidar-CAM。

2 结果与讨论

监测期间，1日14∶00至4日08∶00风向以西南风为主，风速为0.09～3.54 m/s，能见度为0.17～30.1 km，湿度为27.3～88.9%，温度为-1.4～15.3 ℃，PM2.5质量浓度为63～805 μg/kg。监测期间气象参数见表1。

结果显示，监测期间共出现3个主要污染时段，分别为11月1日17∶00至2日08∶00、11月3日17∶00至4日06∶00，这两个时段的污染主要是夜间本地生物质大量燃烧所致。11月2日13∶00至3日13∶00时，本时段的污染主要是由静风、高湿等不利气象条件造成污染物积累所致。

表1 监测期间气象参数Table 1 Meteorological parameters during the monitoring

注：“—” 表示无该值。

2.111月1日17∶00至2日08∶00污染过程监测结果分析

此时段污染过程风向以西南风为主，风速基本低于1 m/s(属于静风，不利于污染扩散)，湿度为39.4～83.6%(2日06∶00)，温度为0.9～9.1 ℃，能见度为24.82(2日08∶00)～2.26 km(1日18∶00)。污染原因大致分为三方面：

1)周边农田生物质燃烧，污染加剧

监测期间，随着夜幕降临，周边农田陆续开始大面积秸秆焚烧，焚烧时间主要集中在18∶00至22∶00，导致颗粒物污染加重(1日17∶00至2日05∶00)。如图2所示。PM2.5浓度由17∶00最低的142 μg/m3上升至20∶00的609 μg/m3后逐渐降低至2日05∶00的184 μg/m3。

图2 各时段PM2.5浓度变化趋势Fig.2 All the time of PM2.5 concentration change trend

利用自适应共振神经网络分类方法(Art-2a)对此污染时段的3个时间点总体颗粒物进行分类(图3)，从11月1日17时至11月1日20∶00，随着PM2.5浓度的上升，左旋葡聚糖比例从5.9%升至8.6%，而在PM2.5浓度降到最低值时(2日05∶00)，左旋葡聚糖比例降至1.8%。左旋葡聚糖作为生物质燃烧的示踪物质[19-20]，整个污染时段左旋葡聚糖比例变化与PM2.5浓度变化相一致，很好地反映出此时段污染加剧的主要原因为生物质燃烧。

秸秆在燃烧过程中，燃烧不充分极易产生CO，由监测数据分析可知，该时段内随着PM2.5浓度的变化CO也随之正相关变化并呈现出线性规律，线性方程为y=246.88x+48.891，相关系数R2为0.83(图4)，从侧面阐明生物质燃烧对颗粒物的贡献。单颗粒气溶胶飞行质谱仪监测结果计算得出生物质燃烧源由污染前的10.5%增长至最高时的25.3%，使其排在仅次于燃煤源(35.9%～42.0%)的第二大污染源(表2)。

2)空气湿度增加，灰霾天气加剧

结合表1、图2可知，2日05∶00—08∶00空气湿度均为80%以上，致使本已呈下降趋势的PM2.5浓度有所回升(由05∶00的184 μg/m3回升至06∶00的204 μg/m3)，且能见度降低明显(由04∶00的17.45 km，最低降至06∶00的3.67 km)说明空气中湿度增加导致污染加剧。

3)污染边界层降低，污染加剧

通过激光雷达的监测数据显示，该时段监测区域内污染边界层高度由1日下午的近800 m降低至夜间的400 m，致使本地污染急剧加重。因此，可以判断在其他污染源贡献基本不变的情况下，生物质燃烧、地面静风和污染边界层高度的降低是加重了此次污染的原因。此外，污染物浓度随高度增加逐渐降低可判断此次污染为本地污染造成。

图4 污染期间PM2.5与CO关系图Fig.4 Relationship between PM2.5 and CO during the period of pollution

日期和时间扬尘/%生物质燃烧/%汽车尾气/%燃煤/%工业工艺/%二次无机源/%其他/%PM2.5质量浓度/(μg/m3)11月1日17∶003.710.519.040.25.312.98.514211月1日19∶003.022.112.637.35.09.910.241611月1日20∶002.725.312.836.93.98.79.760911月1日23∶003.123.711.435.94.39.611.933411月2日05∶003.918.910.937.84.711.911.818411月2日09∶003.515.316.239.54.811.19.613011月2日15∶003.617.414.136.84.612.111.449011月2日17∶002.716.818.940.74.98.97.143711月2日21∶003.522.514.238.03.68.59.765411月2日23∶002.920.413.537.24.39.911.853511月2日02∶004.719.712.736.54.010.711.679211月3日06∶003.119.215.238.73.79.210.980511月3日10∶007.516.615.436.55.611.27.280511月3日13∶007.017.116.235.85.210.97.826011月3日17∶006.513.217.838.43.912.18.128411月3日20∶005.923.015.037.13.39.46.356111月4日06∶007.413.915.540.65.18.68.964

2.211月2日13∶00至3日13∶00污染过程监测结果分析

此时段污染过程风向以西南风为主，风速基本低于1 m/s，湿度为40.1%～88.9%(3日06∶00)，温度为-1.4～15.3 ℃，能见度为6.63(3日14∶00)～0.17 km(3日06∶00)。

此时段污染为3次污染过程中最严重的一次(颗粒物监测仪监测值超出上限)，其污染原因也较为复杂。污染原因大致分为4个方面：

1)外来低空传输，污染加剧

根据激光雷达监测数据分析，颗粒物污染地面浓度与低空800 m的浓度基本无变化。结合后向轨迹分析发现，污染出现时存在低空传输现象,方向为西南向(吉林省方向)和西北向(大庆方向)，该结果与监测的主导风向一致，外来传输地区在1日夜间均出现污染天气，于2日下午和夜间到达本次监测点周围，加重了此时段污染。

2)本地生物质燃烧，污染加剧

2日夜间，当地生物质大面积燃烧致使颗粒物污染加重(2日17∶00—21∶00)，由图2可知，PM2.5浓度由17∶00最低的437 μg/m3上升至21∶00的654 μg/m3。气态CO监测结果在此时段与颗粒物监测结果呈正相关且趋势基本一致，但整个污染过程中相关性和线性规律较差，线性方程y=201.79x+143.22，相关系数R2仅为0.56(图4)，说明此次污染原因较为复杂。单颗粒气溶胶飞行质谱仪监测结果计算得出，生物质燃烧源由污染前的15.3%增长至最高时的27.4%，使其成为仅次于燃煤源(36.5%～40.7%)的第二大污染源(表2)。

3)空气湿度增加，灰霾天气加剧

由表1、图2可知，2日23∶00至3日08∶00，空气湿度均为80%以上，致使PM2.5浓度增加至超出上限(由2日23∶00的535 μg/m3上升至805 μg/m3)，能见度极低仅为0.17～0.74 km。

4)污染边界层降低加剧污染

激光雷达监测数据显示，污染边界层高度由2日下午的近400 m降低至夜间“爆表”时的200 m，致使本地污染急剧加重。

因此，可以判断在本地其他污染源贡献基本不变的情况下，地面静风、外来低空传输、生物质燃烧和污染边界层高度的降低是造成此次污染的主要原因。

2.311月3日17∶00至4日06∶00污染过程监测结果分析

此时段污染过程风向以南风为主，风速基本高于2 m/s，湿度为33.8%～55.8%，温度为9.6～13 ℃，能见度为3.7(3日18∶00)～30.1 km(4日05∶00)。此时段污染过程原因主要有以下2个方面：

1)本地生物质燃烧加重污染。3日夜间，本地生物质大面积燃烧导致颗粒物污染加重(3日17∶00至4日06∶00)。图2中，PM2.5浓度由17∶00最低的284 μg/m3上升至20∶00的561 μg/m3后逐渐降低至4日06∶00的64 μg/m3。气态CO监测结果在此时段与颗粒物监测结果呈现显著的线性关系，线性方程y=215.6x-33.186，线性系数R2为0.94(图5)。单颗粒气溶胶飞行质谱仪监测结果计算得出生物质燃烧源由污染前的13.2%增长至最高为23.0%，使其排在仅次于燃煤源(37.1%～40.6%)的第二大污染源。

2)污染边界层降低加剧污染。激光雷达监测结果表明，污染边界层高度由3日下午的400 m降低至夜间近200 m，致使本地污染急剧加重，而后清晨污染边界层逐渐升高至近500 m时颗粒物浓度逐渐降低，本次污染过程结束。

3 结论

针对2015 年11月1—4日哈尔滨市双城区持续灰霾天气， 首先根据哈尔滨市双城区大气污染物排放源谱库对主要成分进行了来源解析。结果表明，夜间大面积秸秆焚烧，致使短时间内颗粒物浓度急剧升高，在其他污染源贡献基本不变的情况下，生物质燃烧源占比大幅升高，成为仅次于燃煤源(36.5%～40.7%)的第二大污染源，秸秆焚烧产生的污染物，加剧了本次污染。

其次，通过对激光雷达的消光系数和污染边界层等监测资料进行分析，发现污染边界层高度下降致使本地污染急剧加重，同时由于地面长时间静风，空气湿度增加，致使本地污染物累积、不利于扩散。此外污染物浓度随高度增加逐渐降低，也再次证明此次污染存在着地面污染源。

再次，结合后向轨迹，分析发现污染出现时存在低空传输现象，方向为西南向和西北向，该结果与气象监测的主导风向一致。结果表明，外来传输也是造成本地污染加剧的一个重要原因。

最后，针对目前哈尔滨地区灰霾天气的污染现状，后续监测站将对各类污染源的示踪粒子进行划分，对秸秆焚烧造成的空气污染进行更为细致、深入的监测和分析，力争通过一次颗粒物或二次离子颗粒物的数量和粒度对污染来源进行更加准确的判断和解析，为大气污染的控制和治理提供科学依据。

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EffectsofStrawBurningonAshHazeWeatherinHarbin

XING Yanfeng, WANG Pengjie, CAO Sheng, JIANG Jingyang, ZHANG Rui, SUN Yuetian, GUO Xin, MENG Qingqing

Heilongjiang Province Environmental Monitoring Centre Station, Harbin 150056, China

X823

A

1002-6002(2017)03- 0087- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.13

2016-03-07;

2016-05-16

黑龙江省环境保护厅科技项目(201311001)

邢延峰(1979-)，男，河北静海人，硕士，高级工程师。