海南省大气污染源排放清单及环境影响研究*

崔建升 雷团团, 伯 鑫 伍鹏程 屈加豹 高 爽 田 飞 李时蓓#

(1.河北科技大学环境科学与工程学院,河北 石家庄 050018；2.生态环境部环境工程评估中心,北京 100012；3.生态环境部环境规划院，北京 100012；4.南京大学环境规划设计研究院股份公司，江苏 南京 210093；5.山东省环境保护科学研究设计院有限公司，山东 济南 250013)

排放清单是在一定的研究区域及时间内，各种类别污染源排放到大气中的污染物的集合[1]。排放清单作为空气质量模型输入数据源及大气污染控制的基础，已有大量学者在不同尺度、地域、行业对排放清单作出研究[2-8]。海南省空气较为洁净，但2016年较2015年重污染天数增加[9]，海南省工业企业数量少，但近年来海南省在建设国际旅游岛的进程中主张开放发展。人口的自然增长、迁移流动和未来工业的增长必然会对海南省资源环境、空气质量带来挑战，因此开展海南省大气污染源排放清单研究对该省强化环境污染防治、优化环境空气质量意义重大。

国内大多数排放清单研究将研究对象集中在京津冀、长三角及珠三角等地区。王淑兰等[10]、伯鑫等[11]以排放清单为基础，利用CALPUFF模型模拟了珠三角地区城市间污染物相互输送的变化规律及2010年京津冀地区火电企业污染情况。QI等[12]、ZHENG等[13]、吴晓璐[14]分别采用自下而上的方法建立了2013年京津冀、2006年珠三角及2004年长三角地区高分辨率大气污染物排放清单，揭示了京津冀、珠三角、长三角地区污染物排放的时空分布特征。而海南省大气研究多停留在PM2.5、PM10等特定污染物分析上[15-17]，多污染物的区域尺度大气污染物排放清单及环境影响研究较少，无法获取海南省环境本底情况及污染物变化规律。

针对上述问题，本研究基于2016年海南省工业环境统计数据，以中国多尺度排放清单模型(MEIC)排放清单(交通源、生活源、农业源)[18]作为背景源补充，建立了海南省2016年大气污染源物排放清单，包括SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、黑碳(BC)、有机碳(OC)、挥发性有机物(VOCs)、NH3，并采用CALPUFF模型模拟分析了海南省大气污染物浓度水平，为海南省大气污染防治提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究对象及数据来源

海南省总面积3.54万km2，海域面积约200万km2，2016年全省地区生产总值4 044.51亿元，常住人口917.13万。本研究以海南省全省作为研究区域，以2016年作为研究基准年。

工业源排放清单由工艺过程源、化石燃料固定燃烧源和工业溶剂使用源3部分组成，其中火电行业排放清单基于海南省在线监测数据(CEMS)建立，其余工业行业清单基于环境统计中规模以上企业调查数据建立(企业位置见图1)。

图1 海南省工业企业分布Fig.1 Distribution of industrial enterprises in Hainan Province

各源类估算方法如下：

(1) 工艺过程源包括医药制造、橡胶和塑料制品、非金属矿物制品、食品制造、造纸等，工艺过程源排放量采用排放因子法[19]进行估算，公式见式(1)。其中，排放因子根据文献[20]至文献[23]获得。

E=A×EF×(1-η)/1 000

(1)

式中：E为污染物排放量,t;A为排放源所对应的工业产品产量，t；EF为污染物的排放系数,g/kg；η为末端控制技术对污染物的去除效率，%。

(2) 化石燃料固定燃烧源中，火电部分排放量来自本团队全国火电排放清单成果[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获得，如式(2)至式(5)所示，非燃煤源和燃煤源的NOx、CO、VOCs、NH3排放因子参考文献[20]至文献[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为SO2排放因子,g/kg;S为平均燃煤收到基硫分比例(以质量分数计，下同),%;Sr为煤炭中硫分进入底灰的比例,%;EFPM为颗粒物(PM2.5或PM10)排放因子,g/kg;Aar为平均燃煤收到灰分比例,%;ar为燃料中灰分进入底灰的比例,%;fPM为排放源产生某粒径范围颗粒物占总颗粒物的比例,%;EFBC为BC排放因子,g/kg;EFPM2.5为PM2.5排放因子,g/kg;EFOC为OC排放因子,g/kg;fBC和fOC分别是BC和OC占PM2.5比例,%。

(3) 工业溶剂使用源主要包括工业喷涂、油墨印刷以及其他溶剂使用等，采用排放因子法估算其排放量(见式(6))。

E=Q×EF’/1 000

(6)

式中：Q为溶剂消费量,t;EF’为污染物排放系数,g/kg。

因未获得海南省详细的生活源、交通源、农业源等基础资料，故采用MEIC排放清单中的生活源、交通源、农业源作为数据补充，并根据研究区域内人口数量、土地利用类型等资料使用地理信息系统可视化软件将MEIC清单数据分配至网格中[26-27]。

1.2 空气质量模型参数设置

海南省地理位置特殊，海洋性气候和复杂风场变化对其影响较大，CALPUFF模型具有生成和处理复杂三维风场及复杂地形算法的能力[28-29]，因此采用CALPUFF模型能更好地模拟海南省污染物扩散变化规律。CALPUFF模型应用三维非稳态拉格朗日扩散模式(包括CALMET和CALPUFF等模块)，能很好地处理长距离(50 km以上)污染物运输，也是我国生态环境部推荐的模型之一，在区域环境影响研究中应用广泛[30-32]。

本研究使用CALPUFF模型6.42版本模拟海南省大气污染物排放对环境的影响，将工业源作为点源，交通源和生活源作为面源模拟；化学转化同时考虑无机和有机气溶胶的化学转化，更全面地模拟二次气溶胶的形成，并将VOCs排放分担到甲苯、二甲苯、萜烯、长链烷烃和多环芳烃5种物质中，因本研究未考虑天然源排放，故未进行萜烯输入[33]1578；CALPUFF模块输出选项中勾选了源贡献，可根据各污染源所在地区及部门分析污染物浓度贡献。参数设置见表1。本研究CALMET、CALPUFF等模块的参数设置，在已有研究项目中得到了应用，取得了很好的模拟效果[33]1577,[34]430-431,[35]。

表1 CALPUFF模型参数设置

2 结果与讨论

2.1 大气污染物排放清单

2.1.1 总体排放量分析

2016年，海南省SO2、NOx、CO、PM2.5、PM10、BC、OC、VOCs、NH3年排放量分别为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(见表2)。SO2排放主要来自于化石燃料固定燃烧源，分担率为66.67%，海南省已完成火电行业超低排放改造，而非电行业末端治理设备升级仍未完成，致使非电行业化石燃料固定燃烧源SO2排放较高；NOx主要排放源为交通源，分担率为51.18%；CO、PM10和PM2.5的主要排放源为生活源，分担率分别为59.01%、81.28%和87.62%；VOCs的主要排放源为工业溶剂使用源，分担率达75.91%；NH3最大排放源为农业源，分担率为93.54%。

2.1.2 工业源排放量分析

工业源SO2、VOCs排放在全省大气总排放中占比较大，分担率分别为89.33%和98.58%；NH3排放量不高，分担率仅为2.15%。但由于海南省各区域工业发展定位不同，不同行业及地区污染物排放有很大的差异，因此掌握行业及地区排放特征很有必要。

各工业行业排放情况如表3所示。SO2的主要排放来源为造纸和火电行业，两者排放的SO2占工业排放总量的70%以上；NOx主要来自造纸，火电和石油、煤炭及其他燃料加工行业的排放，3者总分担率达81.39%；CO以非金属矿物制品行业的排放较为显著，分担率为51.71%；PM10主要排放源也为非金属矿物制品行业，分担率达62.97%；PM2.5则以火电与非金属矿物制品行业排放为主，分担率分别为44.23%和40.93%；VOCs的主要排放来源为橡胶和塑料制品行业，分担率超过40%，而海南省化工行业生产量急剧下降[36]，因此化学原料和化学制品制造行业VOCs排放量相对较低，分担率仅为17.27%。

海南省各地区工业源主要大气污染物排放分布见图2和图3。其中，儋州市和东方市整体规划以建设工业园区、大力发展油气开采和加工行业为主，火电，非金属矿物制品，石油、煤炭及其他燃料加工以及橡胶和塑料制品行业分布相对集中，SO2、NOx、CO、PM10与PM2.5排放量较大；澄迈县和海口市化学原料和化学制品、橡胶和塑料制品以及食品制造行业等分布相对集中，VOCs和NH3排放量较大。

表2 海南省2016年大气污染物排放量

表3 工业源各行业污染物排放量

图2 海南省各市(县)气态污染物排放情况Fig.2 Emissions of gaseous pollutants in cities (districts or counties) of Hainan Province

2.2 大气环境影响分析

2.2.1 气象场验证

气象场的验证方法参考文献[34]，选取地面气象监测站东方站(108.617°E，19.100°N)的气象数据(气温、风速)作为模拟气象场验证资料，评估CALMET模块模拟值与监测值的准确度。气温、风速的模拟值和监测值接近(见图4)，相关系数分别为0.82、0.81，拟合效果相对较好，此验证结果与阚慧等[34]433的验证结果相近。

2.2.2 大气环境影响分析

图5展示了海南省SO2、NOx、PM10与PM2.5模拟年均浓度分布情况(由于火电行业的浓度贡献较小[34]433-434，未将火电纳入工业源分析)，结果显示，全省SO2年均质量浓度为0.56 μg/m3，浓度高值区域主要分布在儋州市的西部地区，但SO2年均质量浓度最高的城市为海口市(1.34 μg/m3)；全省NOx年均质量浓度为9.58 μg/m3，浓度高值区集中在海口市及周边地区，其中海口市NOx年均质量浓度最高，为32.8 μg/m3；全省PM10与PM2.5年均质量浓度分别为3.13、1.72 μg/m3，浓度高值区主要分布在海口市、儋州市中部、临高县西南部以及定安县北部地区，PM10与PM2.5年均质量浓度最高的地区均为定安县(分别为6.62、3.42 μg/m3)。二次污染物中，二次有机气溶胶(SOA)、硫酸盐、硝酸盐均集中分布在西部地区，浓度最高的地区分别为临高县、儋州市和海口市(见图6)。

图3 海南省各市(县)颗粒物排放情况Fig.3 Emissions of particulate matters in cities (districts or counties) of Hainan Province

图4 气象要素模拟值与监测值对比Fig.4 Comparison of simulated values of meteorological elements with monitored values

图5 海南省SO2、NOx、PM10与PM2.5模拟年均质量浓度分布Fig.5 The distribution of annual average simulation concentrations of SO2,NOx,PM10 and PM2.5 in Hainan Province

PM2.5浓度贡献中，一次排放的PM2.5及二次转化的SOA、硫酸盐、硝酸盐贡献率分别为79.27%、0.59%、2.48%、17.66%。海南省工业化程度较低，能源消耗量远低于其他省份，因此二次无机盐浓度较其他沿海城市低。从一次排放和二次转化的污染物在PM2.5浓度中贡献率可看出，一次排放的PM2.5是海南省PM2.5的主要贡献源，其次二次无机气溶胶(硫酸盐、硝酸盐)贡献远高于SOA，因此需加大对硫酸盐、硝酸盐等污染前体物的控制。受中部高四周低地形及区域传输的影响，海南省污染物地区浓度贡献与地区排放量分布不一致。

各地区主要污染物的污染浓度贡献情况如表4和表5所示。SO2浓度以交通源和工业源贡献为主，且交通源>工业源，在海口市、儋州市和东方市等地区两者贡献率总和均在95%以上。NOx浓度在各地区均以交通源贡献最为突出，其次为生活源、工业源，尤以海口市交通源贡献最为明显，贡献率达97.8%。PM10与PM2.5浓度均以生活源贡献最为突出，其次为交通源、工业源，其中昌江县生活源对当地PM10浓度贡献率最高，为82.1%；临高县生活源对当地PM2.5浓度贡献率最高，达71.9%。可见，海南省作为旅游城市，机动车流动量大，造成交通源对全省污染物浓度贡献突出，值得关注的是工业源虽然对颗粒物浓度贡献率较低，但对PM2.5浓度的贡献率远超过PM10，因此工业行业仍需加强PM2.5治理。

2.2.3 不确定性分析

本研究存在的不确定性主要如下：(1)清单中工业源活动水平数据中可能有一定数量的企业未纳入统计；(2)研究仅限考虑海南省人为源及本地污染物排放状况，未考虑天然源、外地传输等对污染物浓度的影响，因此可能会造成模拟浓度贡献的差异[37]；(3)模型模拟本身存在一定的误差。

图6 海南省二次污染物模拟年均质量浓度分布Fig.6 The distribution of annual average simulation concentrations of secondary pollutants in Hainan Province

表4 海南省各市(县)SO2与NOx模拟贡献率

表5 海南省各市(县)颗粒物模拟贡献率

3 结论与建议

(1) 2016年海南省大气污染物排放清单中SO2、NOx、CO、PM2.5、PM10、BC、OC、VOCs、NH3年排放量分别为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。工业源SO2、VOCs分担率较高，分别为89.33%和98.58%。儋州市和东方市SO2、NOx、CO、PM10与PM2.5排放量较大；澄迈县和海口市VOCs和NH3排放量较大。

(2) 排放量与排放浓度分布不一致。定安县在各项污染物排放量均较小，但受中部高四周低地形、海陆风等气象条件及区域传输等的影响，颗粒物浓度全省最高，因此各地需加强区域联防联控，强化空气质量保障体系。

(3) 海南省SO2浓度贡献为交通源>工业源>生活源，NOx浓度贡献为交通源>生活源>工业源，颗粒物的浓度贡献为生活源>交通源>工业源，总体来说工业源对海南省颗粒物平均浓度贡献相对较小，但在颗粒物中对PM2.5的贡献不容小视，宜发展低污染低耗能的新型工业以降低空气质量恶化的风险。