中国环境科学 2017,37(3)：859~867 China Environmental Science 北京平原区平房冬季燃煤量及污染物排放估算
赵文慧1,2，姜磊1,2，张立坤1,2，李令军1,2，张大伟1,2*，李倩1,2(1.北京市环境保护监测中心，北京 100048；
2.大气颗粒物监测技术北京市重点实验室，北京 100048)
摘要：利用2015年8月1.5m级高分辨率遥感影像，对北京市平原区居住平房类型、面积和分布进行遥感监测，获取居住平房斑块，并利用平房采暖面积调查、燃煤量现场抽样调查等技术手段，估算了北京市平原区主要区居住平房冬季燃煤总量，同时结合相关文献调研的无烟煤排放因子，测算北京平原区主要区平房燃煤PM、SO2、CO、NO x、黑碳(BC)和有机碳(OC)的排放量，为北京市原煤散烧管控及大气污染防治提供基础数据.结果表明：北京市平原通州区平房燃煤量最大，达到97.4万t，其次是顺义和大兴区，均超过60万t，昌平区和房山区则接近50万t.从空间分布来看，燃煤散烧量由西北向东南呈现增加趋势，燃煤量主要集中在城市发展新区，压减燃煤的工作重点仍集中在六环内外的区，但城市拓展区中朝阳和海淀山后区域均是散煤控制的重点区域，应引起相关部门的重视.2015年北京市平原区居住平房燃煤消耗中，各区居住平房燃煤所产生的大气污染物排污量差别明显，其中通州区的SO2和NO x排放量最高，分别为3534.4,2514.0t.大闹天竺演员表全部
关键词：北京市；居住平房；燃煤量；污染物排放量
中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2017)03-0859-09
Estimation of coal consumption and related contamination emission in the plain area around Beijing during winter ason. ZHAO Wen-hui1,2, JIAN G Lei1,2, ZHAN G Li-kun1,2, LI Ling-jun1,2, ZHAN G Da-wei1,2*, Li Qian1,2 (Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China；2.Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing 100048, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：859~867 Abstract：The spatial pattern of bungalow areas in the plain area of Beijing was interpreted with 1.5m high resolution remote nsing images in Aug, 2015. Then, the bungalow build-up areas were refined by a combination of field sampling and the imagery interpretations. A statistical model was developed to estimate the coal consumption in bungalow areas bad on statistical records of build-up areas. The coal burning emissions of particulate matter (PM), sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxide (N O x), carbon monoxide (CO), black carbon (BC), and organic carbon (OC) were estimated by the emission factors that were collected from the relative rearches. The results showed that: the consumed coal weight was especially in districts of Tongzhou, where the coal consumption was 0.974million tons in Tongzhou and the coal consumption more than 0.60million tons in Shunyi and Daxing. The coal consumption in
Changping and Fangshan was clo to 0.50million tons. The special distribution of coal consumption showed an increasing trend from the northwest to the southeast of Beijing. The new urban development district in Beijing had the highest bungalow density; Special attention should be given to Chaoyang and Haidian mountain areas. The emissions of PM、SO2、NO x、BC、OC、CO in the plain areas of Beijing were obvious difference. The highest emissions of SO2 and N O x were in Tongzhou district, reached 3534.4 tons and 2514.0 tons, respectively.
Key words：Beijing；bungalow；coal burning；pollutant emission
当前我国PM2.5污染形势严峻，民用散煤燃烧是主要贡献源之一,2014年北京市PM2.5来源贡献中，机动车、燃煤、工业生产、扬尘为主要来源，贡献率分别占31.1%、22.4%、18.1%和14.3% [1]，燃煤污染居第2位，尤其是冬季散煤的燃烧很值得重视[2].同时，民用煤炭由于燃烧和脱硫除尘技术的限制，大气污染排放严重，对人体健康危害大[3-7]，因此获取民用煤炭的源排放信息，对于开展面源污染监控与治理具有重要意义.
如何有效地治理民用燃煤导致的污染一直
收稿日期：2016-07-11
基金项目：基于新一代卫星遥感、地面监测与分析模式的区域空气质量综合监测研究与应用(Z161100001116013)
* 责任作者, 教授级高工,
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是一个困扰各级政府的难题，特别是在京津冀地区，而摸清民用散煤燃烧分布与用量将是首要解决的重要问题.民用燃煤散烧，由于底数不清、对象不明、来源不清晰等客观因素影响，一直是压减燃煤工作的难题.
随着政府、公众对燃煤关注度的提升，越来越多的学者围绕散煤及其污染排放展开了研究[8-13].支国瑞等[14]对北方雾霾频发与燃煤集中在冬季高度重合的现象进入深入分析，指出京津冀农村地区采暖煤耗占生活煤耗总量的90%左右[15].庞军等[16]指出城市利用天然气替代燃煤集中供暖对CO2、颗粒物(PM)、SO2和NO x都有较明显的减排效果.
民用燃煤因其使用的分散性及厨具差异，燃煤量统计是一大难题，而国内外有关民用燃煤量估算的研究较少，大多以统计数据为基础，导致污染物排放量的估算精度大打折扣.因此，准确估算民用燃煤量就显得尤为重要.传统方法上，一般是基于人口密度、经济统计等数据，并通过典型源调查，来估算污
染排放量，信息变更周期长，精度受到多方面因素的影响.加之散煤的供应渠道较多，可能是造成统计误差的主要原因[17].遥感技术结合现场调查数据能快速准确地获取燃煤散烧的分布信息，了解其空间分布，得到精细化的燃煤散烧活动水平；结合排放因子的现场调查实验，可以快速、大范围获取全市乃至区域燃煤散烧污染排放量及其空间分布情况[18].
本研究利用遥感与GIS技术，通过现场调查指标数据结合遥感监测数据计算得到各区县燃煤总量，并对其空间分布特征进行分析，在此基础上，进一步估算污染物排放量，以期为污染减排和科学规划能源供应与消费体系提供依据.
1数据资料收集与处理
爱迪生故事1.1散煤调查方法
针对北京市平原区居住平房分布广泛、数量较大的特点，本次调查采用分层随机抽样的方法，结合北京市2015~2020年禁燃区规划实施方案，将各区域叠置分析，使用分层随机抽样的方式确定各区县调查村庄数量.最终选取了12个区60个村庄作为调查样本，并在各村庄中随机均匀布设一定数量的入户调查点，最终获取320户家庭作为调查样本数据，其中4户居民为非燃煤取暖，实际有效样本数为316户.由于城市核心区(西城区和东城区)2013年已经全面实施了煤改电等减排措施，故不纳入此次研究范围内.熊文
图1 研究区范围
Fig.1 The study area
1.2遥感数据处理
1.2.1北京市平原区居住平房信息提取利用SP OT6 2015年8月1.5m级高分辨率遥感影像，参考2013年和2014年冬季Quick-Bird、GF1等影像，对2015年秋季北京市平原区平房面积和分布进行遥感监测，获取居住平房空间分布斑块，并对结果进行外业验证、汇总与统计.
平原区平房监测满足1:10000比例尺下视觉无偏差，图斑属性及边界精度均达90%以上. 1.2.2居住平房修正面积信息提取由于从1.5m级高分辨率遥感影像上提取的居住平房也包含了部分平房中院落的面积，使得面积出现高估现象，因此针对抽样的平房区进行房屋的二次精细提取，并进行实地调查核实.
在RS、GIS、GPS技术的支持下，以谷歌0.5m 分辨率影像为底图，对选取的60个样本村庄进行
3期 赵文慧等：北京平原区平房冬季燃煤量及污染物排放估算 861
识别和解译，以获取样本村庄平房的实际建筑基底面积.以实地调查的60个村庄为对象，精细提取村里每一户平房建筑面积，共计提取了19694个平房斑块. 1.3 北京市平原区居住平房燃煤总量的估算方法 居住平房燃煤总量采用由点到面的方式进行估算.以遥感监测的居住平房空间分布数据为基础，在获取多个指标的基础上，估算居住平房燃煤量.具体计算如式(1)所示:
∑×××=310CC D S A i i (1)
式中:A 为居住平房燃煤量,t;S 为各区居住平房高分辨率遥感影像解译成果的平房面积,km 2,itaste是什么意思
代表各区的序列号, i =1,2,3…; CC 为每个区县的综合燃煤系数, kg/m 2.
i i i dr h J ××=i CC (2)
式中:J 为该区采暖面积折算系数; h 为该区县(或县市)平房层高系数; dr 为单位采暖面积燃煤量系数, kg/m 2.
21S /S n n
J j =∑ (3) 式中:S 2为实地入户调查得到的采暖面积,m 2
; S 1为甚高分辨率卫星影像遥感解译的该户居民的建筑基底面积,m 2;n 代表该区入户调查的序列
号, 3,2,1=n ;j 代表该区入户调查的总数;
/n h h j =∑ (4) 式中:h n 为入户调查获取的房屋层数;
2/j j
T dr j S =∑
式中:T 为该家庭的采暖季(非采暖季)燃煤总量, kg;D 为燃煤天数.
1.4 污染物排放量估算方法
1.4.1 污染物排放因子的确定 国内民用燃煤
的形式很多，但主要包括散煤和型煤燃烧[19].国内已有多名学者开展相关研究[20-23].受试验条件所限，笔者所用排放因子主要引用了Zhi 等[20]
和Chen 等[21]
的研究成果以及《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》[24]
中给出的数值. 由于北京型煤和散煤均为无烟煤，选择文献[20-21]无烟煤排放因子的几何平均值，其中燃烧型煤产生的PM 、BC 、OC 的排放因子分别为1.270,0.004,0.039g/kg，燃烧散煤产生的PM 、BC 、OC 的排放因子分别为1.207、0.005、0.044g/kg. 由于我国各地煤炭中的硫分变化较大，并且SO 2的排放因子主要与煤中硫分及煤的种类有
关[25]，不能简单地用单一数据来表述，同时由于污染物NO x 生成机理复杂[26]，故该研究依据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手
册》[24]中给出的数值，其中燃烧型煤产生的SO 2和NO x 的排放因子分别为2.72,1.7kg/t，燃烧散煤产生的SO 2和NO x 的排放因子分别为4.0,2.8kg/t.
冬季农户的取暖火炉因燃烧不充分会产生大量一氧化碳有毒气体，该研究参考了Li 等
[27]
计算得到的燃烧型煤和散煤产生CO 的排放因子分别是96,95kg/t. 1.4.2 污染物排放量的计算 将燃煤量乘以相应污染物的排放因子就可得到各种污染物的排
放量. 6EV EF 10i i i C −=×× (6) 式中:EV i怎么打开运行
为i 类燃煤污染物的排放量,t ;C i
为i 类污染物对应的燃煤量,kg;EF i 为i 类污染物的排放因子,g/kg. 2 结果与分析
2.1 北京市平原区居住平房空间分布特征
0102030 40
石景山
怀柔海淀丰台朝阳密云平谷昌平房山顺义
大兴
通州
居住平房面积(km 2)
图2 北京市平原区各区居住平房面积
Fig.2 Area statistic of counties in bungalow dewelling
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areas in Beijing plain
遥感监测结果统计显示(图2)：平房面积最大
的区在通州，为41.3km 2，其次是大兴、顺义和房山,
862 中 国 环 境 科 学 37卷
居住平房面积均在30km 2以上，石景山区的平房面积最小，为1.9km 2.居住平房面积排名前五的区
县均属于城市发展新区，城市拓展区中，朝阳区居
住平房较其他区(海淀、丰台、石景山)面积大. 从空间来看(图3)，北京市平原区居住平房主
要分布在城市东南、西南和东北部，在城市拓展
区中，五环路外的城乡过渡带平房分布密度高于城区，二环~五环间的平房分布密度相对较小.按
功能区来分，城市发展新区的平房面积最大，为181.6km 2，占北京市平原区居住平房总面积的
68.1%，同时分布也最为集中，应作为平房面源污染监测的重点区域；其次是生态涵养区，其居住平房面积占北京市平原区居住平房总面积比例为19.0%，主要集中分布在城关镇及周边地区.
N 41°0′0″N 4
1°40′0″N
4
1°20′0″N 41°0′0″N 3
9°40′0″N
115°40′0″E 116°0′0″E 116°20′0″E 116°40′0″E 117°0′0″E 117°20′0″E 图3 北京市平原区居住平房空间分布
Fig.3 Spatial distribution of bungalow dwelling areas
2.2 北京市平原区居住平房燃煤量
2.2.1 各区燃煤系数测算 根据本文1.2中确
定的系数计算公式，对各区的综合燃煤系数进行
统计，结果如图4所示.
从图4中可以看到，朝阳区的综合燃煤系数
最高为0.135kg/(m²·d)，房山区最低为0.065kg/ (m²·d)，其余各区依次降低，但趋势较缓，差别不大.根据燃煤入户调查统计数据可知，型煤与散煤用量比例为1:4.
0.00
0.020.04
0.06
0.08
0.100.12
0.14
0.16
朝阳区
石景山区
密云区
海淀区
通州区
丰台区
昌平区
顺义区
平谷区
大兴区
怀柔区
房山区
综合系数[k g /(m 2
⋅d )]
图4 各区综合燃煤系数
Fig.4 Integrated coal coefficient at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing 2.2.2 各区燃煤量测算 统计显示，通州区平房
燃煤量最大，其次是顺义和大兴区，均超过60万t，昌平区和房山区则接近于50万t，石景山由于区
面积小，居住平房的面积也最小，故而燃煤量最低，仅有3.6万t. 根据燃煤量将平原区(不包含东、西城)分为
3类：高于70万t 的为散煤大区，包含通州、顺义和大兴，该三个区的燃煤量总和占全市平原区平房燃煤量的49.1%，接近总燃煤量的50%;30~70
万t 的为散煤中区，包括昌平、房山、平谷、密云和朝阳区，这5个区的燃煤量总和为209.7万t;
燃煤量低于30万t 的区为散煤小区，有海淀、怀柔、丰台和石景山区，除怀柔区外，另外3个区均属于城市拓展区.燃煤散烧量由西北向东南呈现增加趋势，燃煤量主要集中在城市发展新区
.
20
40
60
80100120
通州区
顺义区
大兴区
昌平区
房山区
平谷区
密云区
朝阳区
海淀区
怀柔区
丰台区
石景山区
燃煤量(万t )
图5 2015年北京市平原区各区燃煤量统计
Fig.5 Coal consumption at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing in 2015
3期 赵文慧等：北京平原区平房冬季燃煤量及污染物排放估算 863
根据北京市统计年鉴[28],2014年北京市生活消费用煤为293.5万t，与该研究估算的结果量级相当，因此，通过遥感提取平房面积进而估算燃煤量的方法是确实可行的.该研究利用遥感获得燃煤量略高于统计数据.究其原因，主要有:①北京市统计年鉴中生活消费用煤的数据来源于样本调查统计，该方法不能完全代表全部平房燃煤用户，存在统计误差;②由于平房燃煤来源广泛，没有固定的售卖点，燃煤量的调查统计存在人为估算误差;③受利益驱使部分煤炭通过非官方渠道进入北京市场，因此官方统计数据往往低于实际结果;④统计年鉴中未考虑流动人口，而随着北京市流动人口的增多，导致官方数据统计低于遥感估算结果.今后研究中，可通过进一步提高遥感提取精度，以及加密入户调查数量等措施，提高燃煤量的估算精度.
根据2.2.1节，散煤与型煤的比例计算得到各区散煤与型煤量，如图6所示.
10 20 30 40 50 60 70 80 昌平
朝阳
大兴
房山
丰台
海淀
怀柔
密云
平谷
石景山
顺义
通州
散煤
燃煤量(万t )
图6 2015年北京市平原区散煤与型煤统计 Fig.6 Coal consumption at counties in bungalow areas in
the plain area of Beijing in 2015
此次燃煤入户调查的重点区域在五环~六环区间，且北京市城乡接合部大部分区域亦位于该环间，图7可以看到，五环~六环间各区燃煤量中，朝阳区的燃煤量最大，为11.3万t，占本区燃煤量的37.2%，其次是海淀和昌平区，海淀区的燃煤量占本区燃煤量的51.1%，超过50%的燃煤量均分布在海淀区的五环~六环内，是重点监管区域；占比最大的是石景山区，五环~六环间燃煤量占全区燃煤量的72%，占比较大的区(石景山、海淀、朝阳、丰台)均属于城市拓展区，且该区紧紧围绕着城市核心区.五环~六环区间的燃煤量占六环我自己走过的路
内燃煤总量的
比例为57.1%.
0.0
2.0
4.06.08.010.012.0房山石景山顺义大兴丰台通州昌平海淀朝阳燃煤量(万t )
图7 五环~六环区燃煤量
Fig.7 the coal consumption in fifth - sixth ring district
accounted for counties
2.2.3 燃煤量空间分布特征 (1)全市燃煤量空间分布特征：从空间来看(图8)，燃煤量的分布呈现环状分布，内环的朝阳、海淀、丰台和石景山的燃煤量处于中间水平，外环的密云、怀柔、平谷的燃煤量相对也较低，而位于两环中间区域的昌平、顺义、通州、大兴和房山的燃煤量较高
.
该
区
域
围绕北京市城区
，大量的生活燃煤不
航空知识但对
局地污染贡献明显，对城区也构成
了潜在威胁.这些区域应采取强有力的散煤燃烧综合措施加以治理.
燃煤量(万t)
1 3 7 5 15
0 10 20
40 km
图8 北京市平原区居住平房燃煤量空间分布 Fig.8 the spatial distribution of coal consumption at counties in bungalow areas in the plain area of Beijing
