秸稈焚燒對哈爾濱市灰霾天氣的影響

邢延峰，王鵬杰，曹 勝，姜景陽，張 蕊，孫越天，郭 欣，孟慶慶

黑龍江省環境監測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

秸稈焚燒對哈爾濱市灰霾天氣的影響

邢延峰，王鵬杰，曹 勝，姜景陽，張 蕊，孫越天，郭 欣，孟慶慶

黑龍江省環境監測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

2015 年11月1—4日，哈爾濱市及周邊地區發生了連續的灰霾天氣，顆粒物濃度急劇升高。污染發生時，監測儀器均布設在哈爾濱市區上風向30 km處(哈爾濱市雙城區)并開展了連續96 h的監測分析。綜合利用氣象觀測資料，3D可視激光雷達監測資料及地面空氣污染監測資料分析了灰霾天氣發生的氣象條件和污染邊界層特征，根據哈爾濱市雙城區大氣污染物排放源譜庫對主要成分進行來源解析，結合顆粒物質量濃度和氣象條件研究了秸稈焚燒對灰霾天氣的影響。結果表明，灰霾天氣持續期間，夜間生物質燃燒源成為該地區顆粒物的第二大源；秸稈焚燒產生的大氣污染物，由于地面長時間靜風，污染邊界層降低等原因，致使本地污染物累積、不易擴散，加劇了本次污染。

灰霾；秸稈焚燒；來源解析；氣象條件

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

隨著現代農業的發展和新農村建設的推進，農村生活水平的普遍提高，秸稈作為一種低燃值的能源已不再作為農村的生活燃料，失去它傳統的利用價值，從“寶”變“廢”[1-2]。我國是一個農業大國，每年的農業秸稈產生量約6×108t，而國內絕大多數地區，秸稈綜合利用率仍處于較低水平[3]，在夏、秋糧食收獲期間，秸稈焚燒頻發，大量有害物質進入大氣[4-5]。目前，生物質燃燒已經成為全世界重要的大氣微痕量成分的排放來源，其排放及二次形成的污染氣體和氣溶膠顆粒物導致大氣中總懸浮顆粒數增多，對局部地區空氣質量、大氣中發生的化學過程乃至氣候變化產生重要影響[6-9]。

秸稈焚燒會造成環境空氣質量短時間嚴重惡化, 致使城市及周邊出現大范圍“霾”天氣[10-11]，所謂霾現象，從感官上說，它是大氣中氣溶膠系統對可見光的消弱效應而造成的一種視程障礙[12-14]，具體表現為水平的能見度降低，天空灰蒙蒙一片，通常說是“看得見的污染”[15]。近年來，我國大部分地區均遭遇過連續數日的灰霾天，2004—2009年，南通市在有明顯秸稈焚燒氣味期間，南通市環境空氣中PM10質量濃度均出現不同程度的上升[16]；2008年10月28—29日，南京及周邊地區秸稈焚燒導致南京市發生一次嚴重空氣污染[3]；2011年12月27日至2012年1月1日，太原出現了連續灰霾天氣[17]； 2013 年6月5—6日，河南省鄭州市發生了一次由于秸稈焚燒造成的嚴重霾天氣，城區能見度最低只有50 m 左右[18]。

哈爾濱市作為東北地區重污染城市之一，連續的灰霾天氣嚴重影響了民眾的身心健康和生活質量，引起社會廣泛關注。為了及時捕捉灰霾天氣發生時的污染特征和變化過程，本文針對2015年11月1—4日哈爾濱市雙城區一次完整的灰霾天氣，利用地面空氣污染監測資料，氣象觀測資料和3D可視激光雷達監測資料對秸稈焚燒如何加劇灰霾天氣的污染程度進行系統分析。

1 材料和方法

1.1監測地點與時間

監測地點位于哈爾濱市上風向雙城區污水處理廠院內(圖1)，距離哈爾濱市區西南約30 km，該處位于雙城區北端，周圍無高大建筑物遮擋，附近無工業污染源，周邊農田環繞，經過前期調研發現監測點附近夜間存在秸稈焚燒現象。因此，通過該監測點位得到的觀測數據可以清晰的判別秸稈焚燒對空氣質量影響特征，并可以較好的反映出哈爾濱市上風向污染水平。

監測時間為2015年11月1—4日，晝夜連續監測，同時記錄采樣時的天氣狀況(溫度、相對濕度、風速等)。

1.2主要監測儀器

在線單顆粒氣溶膠質譜儀 SPAMS 0525；顆粒物監測儀5014i(美國)；3D可視激光雷達EV-Lidar-CAM。

2 結果與討論

監測期間，1日14∶00至4日08∶00風向以西南風為主，風速為0.09～3.54 m/s，能見度為0.17～30.1 km，濕度為27.3～88.9%，溫度為-1.4～15.3 ℃，PM2.5質量濃度為63～805 μg/kg。監測期間氣象參數見表1。

結果顯示，監測期間共出現3個主要污染時段，分別為11月1日17∶00至2日08∶00、11月3日17∶00至4日06∶00，這兩個時段的污染主要是夜間本地生物質大量燃燒所致。11月2日13∶00至3日13∶00時，本時段的污染主要是由靜風、高濕等不利氣象條件造成污染物積累所致。

表1 監測期間氣象參數Table 1 Meteorological parameters during the monitoring

注：“—” 表示無該值。

2.111月1日17∶00至2日08∶00污染過程監測結果分析

此時段污染過程風向以西南風為主，風速基本低于1 m/s(屬于靜風，不利于污染擴散)，濕度為39.4～83.6%(2日06∶00)，溫度為0.9～9.1 ℃，能見度為24.82(2日08∶00)～2.26 km(1日18∶00)。污染原因大致分為三方面：

1)周邊農田生物質燃燒，污染加劇

監測期間，隨著夜幕降臨，周邊農田陸續開始大面積秸稈焚燒，焚燒時間主要集中在18∶00至22∶00，導致顆粒物污染加重(1日17∶00至2日05∶00)。如圖2所示。PM2.5濃度由17∶00最低的142 μg/m3上升至20∶00的609 μg/m3后逐漸降低至2日05∶00的184 μg/m3。

圖2 各時段PM2.5濃度變化趨勢Fig.2 All the time of PM2.5 concentration change trend

利用自適應共振神經網絡分類方法(Art-2a)對此污染時段的3個時間點總體顆粒物進行分類(圖3)，從11月1日17時至11月1日20∶00，隨著PM2.5濃度的上升，左旋葡聚糖比例從5.9%升至8.6%，而在PM2.5濃度降到最低值時(2日05∶00)，左旋葡聚糖比例降至1.8%。左旋葡聚糖作為生物質燃燒的示蹤物質[19-20]，整個污染時段左旋葡聚糖比例變化與PM2.5濃度變化相一致，很好地反映出此時段污染加劇的主要原因為生物質燃燒。

秸稈在燃燒過程中，燃燒不充分極易產生CO，由監測數據分析可知，該時段內隨著PM2.5濃度的變化CO也隨之正相關變化并呈現出線性規律，線性方程為y=246.88x+48.891，相關系數R2為0.83(圖4)，從側面闡明生物質燃燒對顆粒物的貢獻。單顆粒氣溶膠飛行質譜儀監測結果計算得出生物質燃燒源由污染前的10.5%增長至最高時的25.3%，使其排在僅次于燃煤源(35.9%～42.0%)的第二大污染源(表2)。

2)空氣濕度增加，灰霾天氣加劇

結合表1、圖2可知，2日05∶00—08∶00空氣濕度均為80%以上，致使本已呈下降趨勢的PM2.5濃度有所回升(由05∶00的184 μg/m3回升至06∶00的204 μg/m3)，且能見度降低明顯(由04∶00的17.45 km，最低降至06∶00的3.67 km)說明空氣中濕度增加導致污染加劇。

3)污染邊界層降低，污染加劇

通過激光雷達的監測數據顯示，該時段監測區域內污染邊界層高度由1日下午的近800 m降低至夜間的400 m，致使本地污染急劇加重。因此，可以判斷在其他污染源貢獻基本不變的情況下，生物質燃燒、地面靜風和污染邊界層高度的降低是加重了此次污染的原因。此外，污染物濃度隨高度增加逐漸降低可判斷此次污染為本地污染造成。

圖4 污染期間PM2.5與CO關系圖Fig.4 Relationship between PM2.5 and CO during the period of pollution

日期和時間揚塵/%生物質燃燒/%汽車尾氣/%燃煤/%工業工藝/%二次無機源/%其他/%PM2.5質量濃度/(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污染過程監測結果分析

此時段污染過程風向以西南風為主，風速基本低于1 m/s，濕度為40.1%～88.9%(3日06∶00)，溫度為-1.4～15.3 ℃，能見度為6.63(3日14∶00)～0.17 km(3日06∶00)。

此時段污染為3次污染過程中最嚴重的一次(顆粒物監測儀監測值超出上限)，其污染原因也較為復雜。污染原因大致分為4個方面：

1)外來低空傳輸，污染加劇

根據激光雷達監測數據分析，顆粒物污染地面濃度與低空800 m的濃度基本無變化。結合后向軌跡分析發現，污染出現時存在低空傳輸現象,方向為西南向(吉林省方向)和西北向(大慶方向)，該結果與監測的主導風向一致，外來傳輸地區在1日夜間均出現污染天氣，于2日下午和夜間到達本次監測點周圍，加重了此時段污染。

2)本地生物質燃燒，污染加劇

2日夜間，當地生物質大面積燃燒致使顆粒物污染加重(2日17∶00—21∶00)，由圖2可知，PM2.5濃度由17∶00最低的437 μg/m3上升至21∶00的654 μg/m3。氣態CO監測結果在此時段與顆粒物監測結果呈正相關且趨勢基本一致，但整個污染過程中相關性和線性規律較差，線性方程y=201.79x+143.22，相關系數R2僅為0.56(圖4)，說明此次污染原因較為復雜。單顆粒氣溶膠飛行質譜儀監測結果計算得出，生物質燃燒源由污染前的15.3%增長至最高時的27.4%，使其成為僅次于燃煤源(36.5%～40.7%)的第二大污染源(表2)。

3)空氣濕度增加，灰霾天氣加劇

由表1、圖2可知，2日23∶00至3日08∶00，空氣濕度均為80%以上，致使PM2.5濃度增加至超出上限(由2日23∶00的535 μg/m3上升至805 μg/m3)，能見度極低僅為0.17～0.74 km。

4)污染邊界層降低加劇污染

激光雷達監測數據顯示，污染邊界層高度由2日下午的近400 m降低至夜間“爆表”時的200 m，致使本地污染急劇加重。

因此，可以判斷在本地其他污染源貢獻基本不變的情況下，地面靜風、外來低空傳輸、生物質燃燒和污染邊界層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污染過程監測結果分析

此時段污染過程風向以南風為主，風速基本高于2 m/s，濕度為33.8%～55.8%，溫度為9.6～13 ℃，能見度為3.7(3日18∶00)～30.1 km(4日05∶00)。此時段污染過程原因主要有以下2個方面：

1)本地生物質燃燒加重污染。3日夜間，本地生物質大面積燃燒導致顆粒物污染加重(3日17∶00至4日06∶00)。圖2中，PM2.5濃度由17∶00最低的284 μg/m3上升至20∶00的561 μg/m3后逐漸降低至4日06∶00的64 μg/m3。氣態CO監測結果在此時段與顆粒物監測結果呈現顯著的線性關系，線性方程y=215.6x-33.186，線性系數R2為0.94(圖5)。單顆粒氣溶膠飛行質譜儀監測結果計算得出生物質燃燒源由污染前的13.2%增長至最高為23.0%，使其排在僅次于燃煤源(37.1%～40.6%)的第二大污染源。

2)污染邊界層降低加劇污染。激光雷達監測結果表明，污染邊界層高度由3日下午的400 m降低至夜間近200 m，致使本地污染急劇加重，而后清晨污染邊界層逐漸升高至近500 m時顆粒物濃度逐漸降低，本次污染過程結束。

3 結論

針對2015 年11月1—4日哈爾濱市雙城區持續灰霾天氣， 首先根據哈爾濱市雙城區大氣污染物排放源譜庫對主要成分進行了來源解析。結果表明，夜間大面積秸稈焚燒，致使短時間內顆粒物濃度急劇升高，在其他污染源貢獻基本不變的情況下，生物質燃燒源占比大幅升高，成為僅次于燃煤源(36.5%～40.7%)的第二大污染源，秸稈焚燒產生的污染物，加劇了本次污染。

其次，通過對激光雷達的消光系數和污染邊界層等監測資料進行分析，發現污染邊界層高度下降致使本地污染急劇加重，同時由于地面長時間靜風，空氣濕度增加，致使本地污染物累積、不利于擴散。此外污染物濃度隨高度增加逐漸降低，也再次證明此次污染存在著地面污染源。

再次，結合后向軌跡，分析發現污染出現時存在低空傳輸現象，方向為西南向和西北向，該結果與氣象監測的主導風向一致。結果表明，外來傳輸也是造成本地污染加劇的一個重要原因。

最后，針對目前哈爾濱地區灰霾天氣的污染現狀，后續監測站將對各類污染源的示蹤粒子進行劃分，對秸稈焚燒造成的空氣污染進行更為細致、深入的監測和分析，力爭通過一次顆粒物或二次離子顆粒物的數量和粒度對污染來源進行更加準確的判斷和解析，為大氣污染的控制和治理提供科學依據。

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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

黑龍江省環境保護廳科技項目(201311001)

邢延峰(1979-)，男，河北靜海人，碩士，高級工程師。