基于DEM的山區(qū)冬季燃煤污染物排放遙感測(cè)算——以北京市門頭溝區(qū)為例

劉 爽,張 笑,趙文吉*,李珊珊,江 磊

基于DEM的山區(qū)冬季燃煤污染物排放遙感測(cè)算——以北京市門頭溝區(qū)為例

劉 爽1,張 笑1,趙文吉1*,李珊珊2**,江 磊2

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048；2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037)

選擇山地面積占98.5%的北京市門頭溝區(qū)作為研究區(qū),利用資源三號(hào)(ZY-3)三線陣前、后視影像構(gòu)建立體模型,提取數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM).由高分二號(hào)影像,基于CART(Classification and Regression Tree)決策樹(shù)的面向?qū)ο蠓椒▽?duì)居住房屋進(jìn)行提取,獲取空間分布與面積,并結(jié)合采暖面積、采暖季燃煤量等抽樣調(diào)研數(shù)據(jù)確定的深、淺山區(qū)(海拔>300m為深山區(qū),海拔<300m為淺山區(qū))燃煤系數(shù),建立燃煤量估算模型.進(jìn)一步,基于文獻(xiàn)調(diào)研法獲取型煤排放因子,測(cè)算燃煤產(chǎn)生的PM10、PM2.5、NO、SO2、CO的排放量.結(jié)果表明:借助遙感技術(shù),基于DEM可對(duì)山區(qū)燃煤污染物排放量進(jìn)行快速有效測(cè)算.地形對(duì)冬季燃煤量有顯著影響,深山區(qū)燃煤系數(shù)分別為12.5kg/m2,淺山區(qū)為9.375kg/m2.2017年門頭溝使用型煤取暖的房屋面積為5.68km2,冬季燃煤總量為6.52萬(wàn)t,山區(qū)各鎮(zhèn)大氣污染物排放量差別較大.

數(shù)字高程模型(DEM)；遙感測(cè)算；山區(qū)；燃煤量；污染物排放量

近年來(lái),我國(guó)北方地區(qū)霧霾頻發(fā),給人們的生活和健康造成了諸多困擾[1-4].我國(guó)霧霾天氣有著明顯的季節(jié)性變化,隨著北方城市進(jìn)入冬季采暖期,霧霾現(xiàn)象頻發(fā)且較為嚴(yán)重[5].傳統(tǒng)的散煤燃燒由于其燃燒效率低、未安裝末端煙氣處理裝置[6],且冬季擴(kuò)散條件變差等原因[7-8],成為主要的污染貢獻(xiàn)源[9-10].因此,減少煤的燃燒,實(shí)施煤改清潔能源是治理霧霾問(wèn)題的有效手段[11-14],而摸清散煤燃燒的分布與用量是實(shí)施煤改清潔能源政策亟須解決的首要問(wèn)題.

鑒于民用燃煤對(duì)于環(huán)境的影響日益嚴(yán)重,越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)于冬季燃煤量及污染物排放量展開(kāi)了研究. Cheng等[15]采用自下而上的排放因子法,利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與調(diào)研數(shù)據(jù)估算了京津冀地區(qū)2013年民用燃煤污染物的排放量.支國(guó)瑞等[16]對(duì)河北保定農(nóng)村地區(qū)家庭能源使用情況的調(diào)查顯示散煤使用率達(dá)到97%, 2013年采暖季燃煤用量超過(guò)500萬(wàn)t.謝臥龍等[17]采用隨機(jī)分層抽樣對(duì)山西省農(nóng)村地區(qū)2015年燃煤采暖情況進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果顯示氣溫對(duì)戶均采暖燃煤量有顯著影響,并基于抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)全省采暖季燃煤量及污染物排放量進(jìn)行了估算.牛宏宏等[18]基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與抽樣調(diào)查建立2015年烏魯木齊市散煤燃燒PM2.5、SO2和NO的排放清單以研究散煤燃燒對(duì)大氣污染物的貢獻(xiàn)情況.傳統(tǒng)研究方法一般基于人口密度、排放因子并通過(guò)典型源調(diào)查來(lái)估算污染物的排放量,信息更新周期較長(zhǎng),精度受多方面因素影響[19].隨著遙感與GIS技術(shù)的發(fā)展,基于遙感與GIS技術(shù)的測(cè)算方法逐漸得到應(yīng)用[20-21].趙文慧等[22]通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)計(jì)算得到北京平原區(qū)平房冬季燃煤量,基于計(jì)算得到的燃煤量估算污染物排放量.劉茜等[23]以趙文慧等的研究方法為基礎(chǔ),以朝陽(yáng)區(qū)城鄉(xiāng)過(guò)渡帶為研究區(qū),估算其冬季采暖燃煤量及污染物排放量.

目前,散煤污染物的研究主要針對(duì)平原且研究覆蓋范圍較大,缺乏對(duì)山區(qū)的精細(xì)研究.地形因素是影響山區(qū)燃煤量及污染物排放量的主導(dǎo)因素,已有燃煤污染物測(cè)算方法并未考慮地形因素.故本文選取門頭溝山區(qū)為研究區(qū),利用ZY-3前后視立體像對(duì)提取山區(qū)DEM數(shù)據(jù)獲取其地形信息,結(jié)合遙感解譯的居住房屋信息與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù),建立山區(qū)燃煤量估算模型,獲取其冬季燃煤量及空間分布特征,據(jù)此估算燃煤產(chǎn)生的PM10、PM2.5、NO、SO2、CO的排放量,以期為快速有效獲取山區(qū)燃煤數(shù)據(jù)提供參考.

1 數(shù)據(jù)收集與處理

1.1 研究區(qū)域

門頭溝(115°25￠002E~116°10￠07″E,39°48￠342N~ 40°10￠372N)位于北京城區(qū)正西偏南,東西長(zhǎng)約62km,南北寬約34km,總面積約1455km2.山地面積占98.5%,是北京市唯一的純山區(qū),門頭溝區(qū)地處華北平原向蒙古高原過(guò)渡地帶,地勢(shì)西北高,東南低.散煤燃燒主要集中在農(nóng)村地區(qū),因此本文的研究范圍包括清水鎮(zhèn)、齋堂鎮(zhèn)、雁翅鎮(zhèn)、妙峰山鎮(zhèn)、軍莊鎮(zhèn)、王平鎮(zhèn)、潭柘寺鎮(zhèn)、大臺(tái)街道8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,不包括采用清潔能源進(jìn)行集中供暖的新城地區(qū)(永定鎮(zhèn)、龍泉鎮(zhèn)、大峪街道辦事處、城子街道、東辛房街道).

圖1 研究區(qū)域

1.2 高分影像處理

1.2.1 高分影像預(yù)處理 選取2017年5~9月多景高分二號(hào)遙感影像,圖像質(zhì)量良好,無(wú)云覆蓋.高分二號(hào)衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)如表1所示.影像的預(yù)處理包括正射校正、輻射校正、圖像融合、鑲嵌與裁剪.圖2為影像預(yù)處理后的局部區(qū)域.

表1 GF-2衛(wèi)星參數(shù)信息

1.2.2 房屋信息提取 采用CART決策樹(shù)面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛》课菪畔24-26].該分類方法結(jié)合了面向?qū)ο笤谟跋窆庾V、紋理、空間信息利用方面的優(yōu)勢(shì)與CART決策樹(shù)在分類規(guī)則挖掘方面的優(yōu)勢(shì),可快速實(shí)現(xiàn)房屋信息的高精度提取.決策樹(shù)分類規(guī)則的提取是建立在樣本訓(xùn)練的基礎(chǔ)上,選取的特征樣本將直接影響分類規(guī)則的準(zhǔn)確性.訓(xùn)練樣本應(yīng)具有典型性與代表性,能很好的代表對(duì)應(yīng)類別.同時(shí),訓(xùn)練樣本的選擇應(yīng)保證完整性,即應(yīng)使訓(xùn)練區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以充分反應(yīng)相應(yīng)類別中特征信息的所有組成.輸出的訓(xùn)練樣本的特征值,將作為CART決策樹(shù)的輸入對(duì)象,最終生成CART決策樹(shù).研究區(qū)中的地物類型分為房屋、植被、水體、道路、耕地、建設(shè)用地和其他用地六大類別.為保證分類規(guī)則的準(zhǔn)確性,針對(duì)每一類別,分別選取特征樣本,最終選取的各類地物樣本總量為1413.在獲取訓(xùn)練樣本的特征值后,以此作為CART決策樹(shù)的輸入,建立決策樹(shù),實(shí)現(xiàn)特征和規(guī)則的自動(dòng)化提取.根據(jù)生成的決策樹(shù),房屋的分類規(guī)則如下:

(1) NDVI(歸一化植被指數(shù))￡0.31;

(2) Standard_Red(紅波段標(biāo)準(zhǔn)差)>123.51;

(3) NDWI(歸一化水體指數(shù))￡-0.11.

圖2 研究區(qū)GF-2影像融合后的局部區(qū)域

其中,NDVI是一種應(yīng)用較為廣泛的植被指數(shù),閾值范圍為[-1,1].利用其對(duì)綠色植被敏感的特性,可通過(guò)這一指數(shù)有效將植被與非植被進(jìn)行區(qū)分.計(jì)算方法見(jiàn)式(1).

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) (1)

式中:NIR為近紅外波段;R為紅光波段.

NDWI常用于水體信息的提取,其計(jì)算方法如下:

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR) (2)

式中:Green為綠光波.

在初步提取的基礎(chǔ)上,結(jié)合Google Earth對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,得到更為精細(xì)的房屋提取結(jié)果(圖3).通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)研結(jié)果對(duì)比,房屋的提取精度達(dá)到95%,符合研究需求.

圖3 局部區(qū)域房屋提取結(jié)果

1.3 ZY-3線陣影像提取DEM及精度分析

1.3.1 ZY-3線陣影像數(shù)據(jù) 選取2018年2月和4月獲取的覆蓋研究區(qū)域的ZY-3三線陣全色前、后視影像,均為經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何校正的傳感器校正產(chǎn)品[27],空間分辨率3.6m.影像重疊度大于90%,質(zhì)量良好.

1.3.2 基于ZY-3線陣影像的DEM提取方法 通過(guò)ZY-3三線陣CCD影像提取DEM的核心內(nèi)容為影像特征提取與匹配,基于有理函數(shù)模型(RFM)解算地面點(diǎn)三維坐標(biāo),最終生成DEM.

點(diǎn)特征是一幅二維影像中最基本的特征之一.提取足夠數(shù)量的特征點(diǎn)是保證后續(xù)影像匹配獲取較高精度的關(guān)鍵.Harris特征點(diǎn)檢測(cè)算法是圖像特征檢測(cè)識(shí)別算法中廣泛適用的一個(gè)算法,該算法通過(guò)微分計(jì)算和計(jì)算自相關(guān)矩陣來(lái)提取特征點(diǎn)[28].Harris算法的原理:計(jì)算圖像、方向上的與局部自相關(guān)函數(shù)相關(guān)的矩陣的梯度值和曲率,而的一階曲率為其特征值,比較特征值與經(jīng)驗(yàn)閾值,若超出閾值,則判定為特征點(diǎn)[29].針對(duì)特征點(diǎn)匹配,本文采用密集影像匹配方法中的SGM(Semi-Global Matching)算法.SGM算法利用視差代價(jià)函數(shù)和多路徑聚合,分析確定全局最優(yōu)值,完成影像匹配[30].本文最終有效匹配同名點(diǎn)664對(duì).

完成連接點(diǎn)的提取與匹配后,通過(guò)構(gòu)建有理函數(shù)模型,利用間接平差的方法可計(jì)算地面點(diǎn)三維坐標(biāo),生成DEM.RFM將地面點(diǎn)三維坐標(biāo)與相應(yīng)像方坐標(biāo)通過(guò)比值的形式關(guān)聯(lián)起來(lái)[31].RFM形式簡(jiǎn)單,其與衛(wèi)星和傳感器無(wú)關(guān),是目前影像區(qū)域網(wǎng)平差處理中最有效的模型之一[32-33].生成的DEM如圖4,基于DEM可為進(jìn)一步研究中不同海拔地區(qū)調(diào)查樣本的選取,及各村落燃煤系數(shù)的確定提供依據(jù).

圖4 數(shù)字高程模型

1.3.3 DEM精度分析 目前精度評(píng)價(jià)方法主要采用檢查點(diǎn)法、總體誤差計(jì)算法、等高線套合法等,分析內(nèi)容包含水平定位精度和高程精度[34-35].本文采用檢查點(diǎn)法,以外業(yè)通過(guò)GPS測(cè)量的25個(gè)檢查點(diǎn)計(jì)算其與提取的DEM的均方根誤差(RMSE)分析DEM的水平定位精度和高程精度.均方根誤差的計(jì)算公式如(3)所示.計(jì)算結(jié)果顯示,基于ZY-3全色前后視影像提取DEM的平面均方根誤差RMSE()為0.6m、RMSE()為0.75m,高程均方根誤差RMSE()為1.54m.

式中:CP為檢查點(diǎn);DEM為基于ZY-3影像提取的DEM中的相應(yīng)點(diǎn);為檢查點(diǎn)數(shù)量.

1.4 燃煤數(shù)據(jù)調(diào)查方法

在充分了解門頭溝農(nóng)村地區(qū)2013~2017年煤改清潔能源的整體改造情況后,結(jié)合DEM數(shù)據(jù)提供的地形信息,挑選各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的典型村落進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,共調(diào)查了54個(gè)村,樣本量滿足各鄉(xiāng)鎮(zhèn)調(diào)研村莊數(shù)大于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)總村數(shù)的30%,深、淺山調(diào)研村莊數(shù)大于深、淺山村莊總數(shù)的30%.實(shí)地調(diào)查采取入戶填寫調(diào)查問(wèn)卷的方式進(jìn)行,調(diào)查信息主要包括樣本的建筑面積、采暖面積、常住人口、采暖方式、自采暖設(shè)備、采暖期、燃煤來(lái)源、燃煤類型、耗煤總量等指標(biāo).

1.5 山區(qū)燃煤量估算模型構(gòu)建方法

民用煤污染源一般按面源考慮,燃煤量采用由點(diǎn)到面的方式進(jìn)行估算.以遙感解譯的門頭溝農(nóng)村地區(qū)居住房屋空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)抽樣調(diào)查獲取采暖面積,燃煤量及采暖季時(shí)長(zhǎng)等各項(xiàng)指標(biāo),結(jié)合DEM數(shù)據(jù)分析確定相關(guān)系數(shù),在已有平原區(qū)燃煤模型[36]基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,修正燃煤系數(shù),建立山區(qū)燃煤量估算模型,估算山區(qū)冬季燃煤量,其具體計(jì)算方法如下所示

式中:為居住房屋燃煤量,t;為基于高分二號(hào)遙感影像解譯的居住房屋面積,m2;CC為燃煤系數(shù),kg/m2.

式中:為入戶調(diào)查獲取的房屋層數(shù).

代表家庭采暖季的燃煤總量.

1.6 污染物排放量估算方法

1.6.1 污染物排放因子的確定 民用燃煤排放系數(shù)的獲取方法包括實(shí)驗(yàn)檢測(cè)法和文獻(xiàn)調(diào)研法[37],本文采用文獻(xiàn)調(diào)研法.據(jù)調(diào)研,門頭溝農(nóng)村地區(qū)2012年開(kāi)始普及清潔型煤,經(jīng)過(guò)逐年推進(jìn)清潔型煤進(jìn)村工作,目前農(nóng)村地區(qū)冬季取暖均使用政府統(tǒng)一采購(gòu)的清潔型煤.各種污染物排放因子確定方法如表2.

表2 污染物排放因子

1.6.2 污染物排放量的估算 污染物的排放量采用基于活動(dòng)水平的排放因子進(jìn)行估算[38],公式如下:

式中:E為燃煤污染物的排放量,t;C為污染物對(duì)應(yīng)的燃煤量,kg;EF為污染物的排放因子,g/kg.

2 結(jié)果與分析

2.1 門頭溝山區(qū)居住房屋空間分布特征

通過(guò)對(duì)高分二號(hào)遙感數(shù)據(jù)的解譯,得到門頭溝農(nóng)村地區(qū)2017年居住房屋的面積與空間分布(圖5、圖6).由于門頭溝農(nóng)村地區(qū)自2013年開(kāi)始實(shí)施“煤改電,煤改氣”工程,對(duì)于已完成煤改清潔能源的村落,農(nóng)戶不可再使用型煤,因此本文最終計(jì)算的面積不包含已經(jīng)實(shí)施煤改清潔能源村落的面積.遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,門頭溝農(nóng)村地區(qū)冬季通過(guò)燃煤取暖的居住房屋總面積為5.68km2.齋堂鎮(zhèn)燃煤取暖的房屋面積最大,為1.61km2;清水鎮(zhèn)的房屋面積僅次于齋堂鎮(zhèn),為1.59km2;其次是潭柘寺鎮(zhèn)和雁翅鎮(zhèn),面積均在0.7km2以上;軍莊鎮(zhèn)的房屋面積為0.51km2;王平鎮(zhèn)和大臺(tái)街道的居住房屋面積相對(duì)較小,分別為0.25km2和0.24km2.

圖5 各鎮(zhèn)燃煤房屋面積

從房屋的空間分布來(lái)看,整個(gè)研究區(qū)的房屋分布呈現(xiàn)東密西疏的情況.將房屋解譯結(jié)果與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,西部的清水鎮(zhèn)和齋堂鎮(zhèn)兩鎮(zhèn)全鎮(zhèn)的海拔高度均在300m以上,房屋連片大面積密集分布的區(qū)域多出現(xiàn)在國(guó)道G109附近.清水鎮(zhèn)由中部向南部和北部海拔逐漸升高,房屋在南部和北部分布相對(duì)分散.研究區(qū)內(nèi)采用型煤取暖的村落海拔最高達(dá)到1400~2264m,位于清水鎮(zhèn)北部.齋堂鎮(zhèn)北部房屋分布稀疏,其中海拔最高的地區(qū)高程范圍達(dá)到830~1089m.大臺(tái)街道內(nèi)房屋由西北向東南呈現(xiàn)間斷性的線狀分布,西北地區(qū)地勢(shì)在300m以下,東南部地勢(shì)相對(duì)較高.軍莊鎮(zhèn)、潭柘寺鎮(zhèn)、王平地區(qū)和雁翅鎮(zhèn)房屋主要沿國(guó)道分布在海拔300m以下的地區(qū).在地理信息系統(tǒng)軟件中統(tǒng)計(jì)得到深、淺山區(qū)房屋面積,通過(guò)入戶調(diào)研分析獲取的采暖面積折算系數(shù)可得到采暖面積,結(jié)果如表3所示.

圖6 門頭溝散燒煤村莊房屋空間分布

表3 深、淺山區(qū)房屋面積及采暖面積(km2)

2.2 門頭溝山區(qū)冬季燃煤量

2.2.1 山區(qū)燃煤系數(shù)測(cè)算 燃煤量估算模型中的燃煤系數(shù)主要通過(guò)入戶調(diào)研獲取的燃煤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定.通過(guò)對(duì)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定深淺山區(qū)的分界線同時(shí)也是山區(qū)燃煤強(qiáng)度的分界線.通過(guò)入戶走訪,門頭溝山區(qū)每戶冬季采暖面積為60~120m2不等,平均為80m2.調(diào)研統(tǒng)計(jì),位于海拔較低的淺山區(qū)的家庭冬季用煤量在2~4t不等,平均為3t,由此可得淺山區(qū)單位采暖面積燃煤量系數(shù)為37.5kg/m2;位于海拔較高的深山區(qū)冬季室外溫度較低,燃煤量在2~6t不等,平均為4t,由此可得深山區(qū)單位采暖面積燃煤量系數(shù)為50kg/m2.

高分二號(hào)遙感影像解譯的房屋面積包含存放雜物的倉(cāng)庫(kù)或其他用途的設(shè)施的面積,不屬于燃煤取暖的范疇,故該部分應(yīng)排除在實(shí)際采暖面積內(nèi);調(diào)研中發(fā)現(xiàn),農(nóng)戶只是在主要的居住范圍內(nèi)通過(guò)采暖設(shè)備取暖,并不是家中所有的房屋都會(huì)使用采暖設(shè)備;此外,山區(qū)老齡化嚴(yán)重,到了冬季,很多住戶會(huì)搬到門頭溝新城地區(qū)或跟隨兒女到其他地方居住,不在山區(qū)的房屋中過(guò)冬,故該部分也不應(yīng)計(jì)算在實(shí)際采暖面積中.淺山區(qū)約有1/3的村民,深山區(qū)約有1/2村民冬季家中房屋空置,不使用采暖設(shè)施,一些房屋更是常年無(wú)人居住.鑒于以上原因,燃煤系數(shù)的計(jì)算中引入采暖面積折算系數(shù),統(tǒng)計(jì)分析確定式(5)中的采暖面積折算系數(shù)為1/4.按文中1.5中建立的燃煤系數(shù)計(jì)算公式,計(jì)算獲取深、淺山區(qū)的燃煤系數(shù).深、淺山區(qū)的燃煤系數(shù)分別為12.5kg/m2和 9.375kg/m2.為確定采用型煤取暖的各個(gè)村落的燃煤系數(shù),將DEM數(shù)據(jù)與房屋分類結(jié)果進(jìn)行疊加,確定其海拔高度,進(jìn)而確定燃煤系數(shù).

2.2.2 山區(qū)燃煤量測(cè)算 基于遙感解譯的門頭溝農(nóng)村地區(qū)居住房屋面積,結(jié)合DEM數(shù)據(jù)與實(shí)地調(diào)研獲取的采暖面積、采暖季燃煤量等數(shù)據(jù),根據(jù)本文建立的山區(qū)燃煤量估算模型,估算2017年北京市門頭溝山區(qū)冬季燃煤總量為6.52萬(wàn)t.統(tǒng)計(jì)顯示,齋堂鎮(zhèn)燃煤量最大,達(dá)到2.01萬(wàn)t;其次是清水鎮(zhèn)1.98萬(wàn)t.齋堂鎮(zhèn)和清水鎮(zhèn)全鎮(zhèn)基本均為深山區(qū),冬季取暖的燃煤系數(shù)較高.由于地形因素的影響,煤改清潔能源工程的實(shí)施較淺山區(qū)相對(duì)困難,完成煤改清潔能源的村落相對(duì)較少,同時(shí)由于兩鎮(zhèn)鎮(zhèn)域面積較大,鎮(zhèn)內(nèi)居住房屋總面積也較大.兩鎮(zhèn)燃煤量總和占門頭溝山區(qū)冬季燃煤量的62.2%,超過(guò)山區(qū)燃煤量的1/2,屬于燃煤大鎮(zhèn).雁翅鎮(zhèn)和潭柘寺鎮(zhèn)均在0.7萬(wàn)t以上;軍莊鎮(zhèn)、大臺(tái)街道和王平鎮(zhèn)均在0.5萬(wàn)t以下,此三鎮(zhèn)為燃煤小鎮(zhèn).

將燃煤量按照深、淺山區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),深山區(qū)燃煤量為4.82萬(wàn)t,淺山區(qū)為1.7萬(wàn)t,淺山區(qū)燃煤量?jī)H占深山區(qū)的35%.主要原因是深、淺山區(qū)由于高度形成的溫差,使深山區(qū)燃煤系數(shù)高于淺山區(qū).門頭溝山區(qū)以深山區(qū)為主,深山區(qū)內(nèi)農(nóng)戶較多,因此深淺山區(qū)的總采暖面積相差也較大.深山區(qū)的燃煤系數(shù)、總采暖面積均高于淺山區(qū),最終冬季取暖燃煤量也高于淺山區(qū).

圖7 2017年門頭溝農(nóng)村地區(qū)各鎮(zhèn)冬季燃煤量

根據(jù)北京市統(tǒng)計(jì)年鑒[42],2017年鄉(xiāng)村生活消費(fèi)用煤120.14萬(wàn)t;2017年農(nóng)村地區(qū)設(shè)有鎮(zhèn)政府143個(gè).本文研究區(qū)域包含8個(gè)鎮(zhèn),由于妙峰山鎮(zhèn)全鎮(zhèn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤化,因此最終燃煤量的測(cè)算包含7個(gè)鎮(zhèn).由此依據(jù)年鑒數(shù)據(jù)可估算出2017年門頭溝山區(qū)燃煤總量為5.88萬(wàn)t,與本文估算結(jié)果相當(dāng),因此基于遙感技術(shù)測(cè)算山區(qū)燃煤量的方法有效可行.本文燃煤量測(cè)算結(jié)果略高于依據(jù)年鑒數(shù)據(jù)的估算結(jié)果,其主要原因有兩點(diǎn):第一,年鑒中的數(shù)據(jù)來(lái)源于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),存在一定的統(tǒng)計(jì)誤差;第二,年鑒中的數(shù)據(jù)一般基于戶籍人口數(shù)利用人口密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),未考慮流動(dòng)人口數(shù),導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)略低于本文測(cè)算結(jié)果.

2.2.3 燃煤量空間分布特征從燃煤量空間分布來(lái)看,燃煤散燒量由西部深山區(qū)向東部淺山區(qū)遞減,主要原因?yàn)槲鞑可钌絽^(qū)海拔較高,燃煤系數(shù)較高,因此西部地區(qū)應(yīng)作為散煤控制的重點(diǎn)區(qū)域.

圖8 2017年門頭溝農(nóng)村地區(qū)燃煤量空間分布

2.3 大氣污染物排放量

通過(guò)基于活動(dòng)水平的排放因子法估算北京市門頭溝農(nóng)村地區(qū)2017年冬季燃煤取暖產(chǎn)生的大氣污染物PM10、PM2.5、NO、SO2、CO的排放量,其排放量分別為71.69t、193.57t、110.80t、406.69t、256.76t.各鎮(zhèn)燃煤產(chǎn)生的大氣污染物與燃煤量正相關(guān).齋堂鎮(zhèn)和清水鎮(zhèn)各類污染物的排放量相比于其他各鎮(zhèn)均處于較高水平.

將門頭溝山區(qū)與城區(qū)平房[36]采暖季燃煤污染物PM2.5,NO的排放量進(jìn)行對(duì)比,城區(qū)平房NO排放量占山區(qū)的1/2左右,PM2.5排放量?jī)H為山區(qū)的1/3,主要原因?yàn)槌菂^(qū)依賴散煤取暖的平房面積較小,冬季采暖方式主要為熱力公司集中供暖;然而散煤燃燒依然是山區(qū)冬季取暖的主要途徑.

3 結(jié)論

3.1 2017年門頭溝農(nóng)村地區(qū)冬季通過(guò)燃煤取暖的居住房屋總面積為5.68km2,冬季燃煤總量為6.52萬(wàn)t.齋堂鎮(zhèn)和清水鎮(zhèn)由于全鎮(zhèn)基本均為深山區(qū),燃煤系數(shù)較高,燃煤量也較高,分別為2.01萬(wàn)t、1.98萬(wàn)t.由于深山區(qū)地理?xiàng)l件的限制,煤改清潔能源工程的實(shí)施難度增大,因此齋堂鎮(zhèn)和清水鎮(zhèn)應(yīng)作為散煤控制的重點(diǎn)區(qū)域.

3.2 門頭溝山區(qū)因燃煤產(chǎn)生的PM10、PM2.5、NO、SO2、CO的排放量因各污染物排放因子的不同,差別較大,分別為71.69t、193.57t、110.80t、406.69t、6256.76t.其中齋堂鎮(zhèn)的污染物排放量最高.

3.3 利用遙感、GIS技術(shù)提取DEM及房屋信息,并結(jié)合抽樣調(diào)查數(shù)據(jù),分析確定山區(qū)燃煤系數(shù),建立山區(qū)燃煤量估算模型,該模型已被門頭溝區(qū)環(huán)保局采用.

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Estimation of coal-burning contamination emissions in mountain areas during winter season based on DEM: A case study of Mentougou, Beijing.

LIU Shuang1, ZHANG Xiao1, ZHAO Wen-ji1*, LI Shan-shan2**, JIANG Lei2

(1.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048,China；2.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037,China)., 2019,39(10)：4270~4278

At present, the research on coal pollution emissions has focused on plain areas and has largely ignored mountainous areas.In this paper the mountainous region of Mentougou in Beijing was selected as the research study area as it has 98.5% of its area covered by mountains. A stereo model was constructed to extract a DEM (Digital Elevation Model) using forward-looking and backward-looking ZY-3 images. Classification and a regression tree model (CART) combined with an object-oriented method were used to extract residential areas from GF-2 remote sensing images. Imagery interpretation along with statistical records of the residential areas were used to derive a coefficient of burning coal in a mountainous area. A statistical model was then developed to estimate coal consumption in a mountain area. A literature search helped us to determine emission factors and to estimate the specific emissions of PM10, PM2.5, NO, SO2, and CO. With the help of remote sensing and a DEM this study demonstrates that the emission of coal-fired pollutants in mountainous areas can be measured efficiently and effectively. Terrain had a significant effect on coal combustion in winter. The derived coefficient of burning in a deep mountainous area was 12.5kg/m2while the shallow mountain area exhibited a value of 9.375kg/m2. In the mountain region of Mentougou in 2017 the area of coal-fired residential buildings was 5.68km2. The derived coefficient of burning in a deep mountainous area was 12.5kg/m2while the Shallow mountain area exhibited a value of 9.375kg/m2. The coal consumption was 0.0652 million tons in the winter, but the emission of air pollutants varied greatly among the towns in the mountainous areas.

digital elevation model (DEM)；remote sensing estimation；mountain areas；coal combustion；pollutant emission

X87

A

1000-6923(2019)10-4270-09

劉 爽(1995-),女,天津武清人,首都師范大學(xué)碩士研究生,主要從事遙感數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用方面研究.

2019-03-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0706004,2018YFC0706000); National Key R&D Program of China(2016YFC0207903, 2016YFC0207904)

*責(zé)任作者, 教授, zhwenji1215@163.com;**高級(jí)工程師, lisss0502@ 163.com