基于油耗調查的2010年天津市農業機械排放研究

金陶勝,陳 東,付雪梅,李雅琦,易忠芹,陸凱波

(南開大學環境科學與工程學院,國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津300071)

基于油耗調查的2010年天津市農業機械排放研究

金陶勝*,陳 東,付雪梅,李雅琦,易忠芹,陸凱波

(南開大學環境科學與工程學院,國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津300071)

通過問卷調查,采用基于燃油消耗量的方法估算出天津市2010年農業機械氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)的總排放量.2010年天津市農業機械總保有量為57.5萬臺,其中種植業機械最大約占52.5%;總動力為588萬kW,運輸機械占比最大為47.3%.估算出2010年天津市農業機械總油耗(主要為柴油)為6.7萬t,其中運輸機械耗油量為4.5萬t.再根據燃油消耗量估算了天津2010年農業機械污染物排放量,NOx和PM年排放量分別為3470t和303t.

農業機械；油耗；排放；氮氧化物；顆粒物

農業機械特別是農用動力機械在農業經濟發展中發揮著越來越重要的作用.但另一方面,農業機械排放也會造成環境污染,從大氣污染源的分類角度來看,農業機械是非道路移動源的一種,非道路移動源還包括農用運輸車、工程機械、工業機械、船舶、火車、飛機等[1-2].

與機動車等道路移動源相比,非道路移動源機械以柴油和重油為主要燃料,具有技術水平低、使用年限長、耗油量高、維護率低和污染物單機排放量較大等特點[3].美國和歐洲的相關研究表明[4-5],非道路移動機械排放也是重要的大氣污染排放源,對空氣中NOχ和PM的貢獻率較大[6].Samaras等[7]的研究表明1990年全歐洲非道路移動源的NOχ和PM排放量分別達到2000kt和220kt.Kean等[3]采用基于燃油消耗量的方法估算得出1996年美國非道路移動機械(不包括火車、船舶)NOχ和 PM10的排放量分別為1.2×109kg、1.2×108kg.該研究中依據不同種類農業機械對污染物排放因子的綜合考慮的方法對本研究有借鑒意義.Dincer等[8]對2005年土耳其鐵路車輛污染物的排放進行估算,得出 NOχ為6.799×106kg,PM 為2.56×105kg.我國對非道路移動機械的污染排放情況也有一定的研究,李東玲等[9]研究了我國工程機械的排放;徐雨晴等[10]利用基于燃油消耗量的排放因子法對我國33年來鐵路機車的大氣污染物排放量進行了估算;張禮俊等[11]研究了珠江三角洲地區的非道路移動源排放清單,該研究只是把農業機械作為非道路移動源的一種進行排放估算,缺少對農業機械種類的細致劃分;樊守彬等[12]對北京市農用機械排放的研究表明,2007年農用機械HC、CO、NOχ和PM10排放量為1643.6、4615.4、4296.2、701.6t,該研究驗證了根據燃油消耗量計算污染排放量的科學性,對本研究有一定的指導意義,但該研究只根據功率范圍來確定污染物排放因子,沒有對不同種類農業機械的污染物排放因子進行綜合考慮.

大氣污染物排放源清單是空氣質量監測數據解析、污染物排放趨勢分析、模型研究和相關控制策略制定的重要基礎[13].鑒于PM 對人體健康[14]和環境[15]都會造成不良影響,NOχ導致區域臭氧和 PM2.5污染加重,使得大范圍出現灰霾現象[16],本文根據收集到的2010年天津市農業機械活動情況,采用適當的估算方法和排放因子數據,建立了2010年天津市農業機械油耗情況和NOχ、PM的排放清單,以補充和完善該地區排放源統計分析工作,并為決策者制定合理的大氣污染控制政策提供依據.

1 2010年天津市農業機械保有量及動力情況

天津市所使用的農業機械按照其使用類型主要分為種植業機械、運輸機械、拖拉機及配套機械(包括大中型拖拉機和小型拖拉機)、漁業機械、農產品初加工機械、畜牧養殖業機械、農田基本建設機械、林果業機械八大類,各類農業機械的保有量與動力情況見表1.由表1可知,天津市種植業機械保有量最大,約占總農業機械的52.6%;其次為運輸機械約占24.1%.雖然種植業機械保有量最大,但運輸機械的單臺機平均功率為20kW高于種植業機械的6.3kW,綜合來說,運輸機械的總動力(47.3%)還是要高于種植業機械總動力(32.6%).對于各類農業機械的單臺機平均功率而言,大中型拖拉機最大,為41.5kW.從各類農業機械的單臺機平均功率可以看出,功率在0～8kW 范圍內的農業機械有種植業機械、農產品初加工機械和漁業機械;8～15kW 內主要為小型拖拉機與畜牧養殖業機械;15～20kW之間主要為運輸機械和農田基本建設機械;在20～50kW范圍內的農業機械主要為大中型拖拉機和林果業機械.

表1 2010年天津市各類農業機械保有量與動力情況[17]Table1 Population and per-vehicle rated power of different categories of agricultural machinery in Tianjin,2010[17]

2 天津市農業機械油耗狀況

2.1 天津市調查的農業機械耗油情況

2.2 天津市農業機械總油耗量

天津市農業機械燃油消耗量的估算方法為:式中:Di為天津市所對應類型的農業機械總油耗量,L; Pio為天津市所對應類型的農業機械總動力,kW;Dis表示所調查的各種類農業機械油耗量,L;Pis為所調查的各種類農業機械的動力,kW;i為農業機械的類型;根據式(1)可推測出天津市各類型農業機械總耗油量,結果見表3.其中由于調查數據局限性的原因,在天津所調查的拖拉機均為大中型拖拉機,由于河南省與天津市地理、氣候等條件相似,在河南也對小型拖拉機進行問卷調查,調查的內容包括機械品牌、功率、油耗量等,調查的小型拖拉機樣本為52臺,故取河南省小型拖拉機的數據用于本研究中.本研究只調查了4種農業機械:三輪車、拖拉機、收割機、播種機,由于調查種類較少,在計算總油耗時利用農機功率相近的油耗數據替換方法對未調查農業機械的油耗數據進行處理.

表2 天津市調查的農業機械油耗情況Table2 Results of survey questionnaire on fuel consumption of agricultural machinery in Tianjin

表3 2010年天津市農業機械耗油量Table3 Calculated fuel consumption of agricultural machinery in Tianjin,2010

由表3可知,2010年天津市農業機械總油耗量為7.9×103萬L約6.7萬t(柴油密度為0.85kg/L).其中,運輸機械耗油量最多,占天津市農業機械總油耗量的67.2%,這與樊守彬等[12]研究的北京農用機械排放清單中農業運輸占所有用途中油耗量為最大一致.可能與其保有量很大和高油耗量具有密切關系.其次為小型拖拉機和種植業機械,分別占13.4%和12%.

3 天津市農業機械尾氣排放的情況

3.1 天津市農業機械機械總污染排放量

基于各種類型農業機械的年總油耗量,利用李東玲等[9]研究中的排放因子,采取基于燃油消耗的方法推測出各類型農業機械的污染排放量,這種方法也曾應用于輪船和火車的排放計算[3]、道路移動源CO和VOCs的排放計算[18]以及重型柴油車 NOχ和炭黑排放的計算[19].但同一種類農業機械的功率各不相同,故同一種類農業機械的污染物排放因子相對于不同的機械也不同.為此,根據所調查的同一種類農業機械功率在文獻[9]中功率范圍的分布比例情況推出一個完全適合同一種類農業機械的污染物排放因子,如表4所示.

在作品中，時雄因家庭等原因，抑制了芳子的愛，犧牲了芳子。而且，芳子的戀人田中也選擇了自己的光明前途，舍棄了芳子。但是芳子犧牲了自己。男性為了實現自己而犧牲愛。女性正好相反，為了愛犧牲自己的人很多。這是心理學上所證明的問題。

表4 各種類農業機械修正排放因子Table4 Estimated Emission factors of agricultural machinery

得出各農業機械油耗量 D,可以利用式(2)得出2010年天津市農業機械年污染物排放量:

式中:E為污染物年排放量,t;ρ為燃油密度(0.85), kg/L;EF為修正排放因子,g/kg;i、j分別為農機和污染物類型,計算出的污染物量如圖1所示.

由圖1可以看出,2010年天津市農業機械PM總排放量為303t,NOχ總排放量為3470t,其中運輸機械所占比重均為最大.NOχ排放總量與樊守彬等[12]研究的2007年北京農用機械4.2×103t較一致,PM的排放量與其7×102t差別較大,可能是由所采用的排放因子不同而導致的,北京農業機械所采用的 PM排放因子為8.23g/kg,本文采用的 PM 排放因子是基于農業機械種類的不同而不同,本文中的拖拉機排放因子與付明亮等[20]研究的大中型拖拉機 PM 排放因子為5.08g/kg較一致.其次,與北京農用機械2007年NOχ,PM排放量的不同可能是因為兩市農機保有量,總功率以及研究時間的不同而導致的.最后,與2006年天津市道路機動車NOχ、PM排放量相比(分別為5.99萬t、2336t)[21],農業機械已成為不容忽視的污染物排放源.

圖1 2010年天津市各類農業機械污染物排放量Fig.1 Annual NOχand PM emissions of agricultural machinery in Tianjin,2010

3.2 不確定性分析

本研究中,天津市各種類農業機械的保有量和總動力數據是參考2010年中國農業統計年鑒得到的,調查的4種類農業機械動力及油耗數據來源于走訪和文獻調研.不確定性存在于以下方面:盡管對調查的數據進行了分析和篩選,但由于調查農業機械的數量和種類有限,可能因數據的代表性不足引起不確定性;對于拖拉機的調查主要集中于大中型,將河南省小型拖拉機的數據來彌補天津市小型拖拉機數據的缺乏,這可能由于兩地地理、氣候的不同導致其農業機械數據的不同,從而導致拖拉機油耗、排放的不確定性;種植業機械包含至少25種類型機械,由于受條件限制只調研了收割機和播種機,這可能因代表性不足產生不確定性;利用農機功率相近而對油耗數據替換的方法所帶來的不確定性;在計算方法上,本研究采用基于燃油消耗的方法,排放因子參考了李東玲等[9]對工程機械排放清單研究中的排放因子并采用近似的方法對其進行修飾得到修正后的排放因子,故在排放因子的選取上存在較大的不確定性.

4 結論

4.1 天津市農業機械全年總油耗約為6.7萬t,NOχ排放量約為3470t、PM全年總排放量約為303t,提高農業機械污染物排放標準對減少污染源排放有重要意義.

4.2 運輸機械年油耗量為4.5萬 t,與此同時,運輸機械同樣也是主要的污染物排放貢獻源(NOχ與PM的貢獻率均接近68%);小型拖拉機和種植業機械由于擁有龐大的保有量,其能源消耗和污染物的排放也不可忽視(油耗量分別約占總量的13%和12%);而其他農業機械油耗量以及NOχ、PM排放量之和均不到總量的10%.

4.3 受數據可得性限制,本研究中農業機械的油耗、排放因子存在一定的不確定性,下一步研究中,相關的活動水平及排放因子測試研究亟待進行.

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Estimation of agricultural machinery emissions in Tianjin in2010 based on fuel consumption.

JIN Tao-sheng*, CHEN Dong, FU Xue-mei, LI Ya-qi, YI Zhong-qin, LU Kai-bo
(State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin300071, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2148～2152

In this paper, particulate matter (PM) and nitrogen oxide (NOχ) emissions of agricultural machinery in Tianjin were estimated based on fleet make-up and fuel consumption from a survey questionnaire. In2010, total count of agricultural machinery in Tianjin was approximately575000,52.5% being planting machinery. The total power of all agricultural machinery was approximately5.88 million kilowatts, while transport machinery had the greatest share of47.3%. Total fuel consumption of agricultural machinery in Tianjin was estimated as67000 t; over-half of it was by transport machinery (45000t). The annual PM and NOχemission estimates from agricultural machinery in Tianjin were303and3470tons, respectively.

t：agricultural machinery；fuel consumption；emission；NOχ；PM

X511

：A

：1000-6923(2014)08-2148-05

金陶勝(1973-),男,安徽安慶人,副研究員,博士,主要從事大氣污染控制、環境模型分析及健康風險評價方面的研究.發表論文20余篇.

2013-11-11

國家環境保護大氣復合污染來源與控制重點實驗室開放基金(SCAPC201309);美國能源基金會(G-1110-15063)

* 責任作者, 副教授, jints@nankai.edu.cn