基于高分五号卫星的山西省煤炭行业甲烷点源排放特征

甲烷是长效温室气体之一，其增温潜势是CO2的28倍，约占全球变暖效应的16%。煤炭 生产活动是中国甲烷排放的主要来源之一，作为中国主要的煤炭生产基地之一，山西省煤炭行业 排放了大量甲烷。利用高分辨率遥感数据对山西省煤炭行业的甲烷排放进行估算，可以为建立精 细化的煤炭行业甲烷排放清单奠定数据基础，并为制定有效的减排措施提供科学依据。利用我国 高分五号02星搭载的先进高光谱成像仪(AHSI)，使用2021年10月—2023年3月的数据，探测 到山西省煤炭行业等408个厂矿的838个甲烷羽流，并计算各羽流的排放速率。 结果显示： ① 山 西省煤炭行业的甲烷羽流排放速率呈现出非对称性，84%的羽流的排放速率在0.5～3.0 t/h，但也 有少数极端情况，最高的排放速率超过10.0 t/h。 ② 山西省有6个煤炭行业甲烷点源排放密集区， 其中5个密集区与XCH4的高值区域相对应。 ③ 检测到甲烷排放点源，以煤矿和焦化企业为最多。 不同类型的排放源甲烷平均排放速率差异性较大，且排放速率会随时间和排放源的变化而波动。 煤炭行业的各个环节都可能存在甲烷排放。 ④ 高度持续性排放源虽然只占所有点源的13%，但其 贡献了41%的总排放速率。相反，高度间断性排放源虽然占了59%，但其只贡献了25%的总排放 速率。全山西煤炭行业的甲烷综合排放速率为177.17±56.35 t/h，主要由煤矿类、焦化类和火电类 企业的甲烷排放构成。

1、甲烷羽流排放通量特征

甲烷羽流是指大气中甲烷体积分数异常升高的 现象，反映了某处存在甲烷排放源。甲烷点源是指具 体的甲烷排放设施或元素，它们的宽度通常小于10 m， 能够产生甲烷羽流。卫星数据反演得到的是卫星经 过时点源的即时排放速率，但是煤炭行业的甲烷点源 排放往往是不连续的15，所以单次的即时排放速率不 能反映该设施的长期排放水平。通过反演较长时间 段的点源排放数据，我们可以观测到单个点源的多次 排放情况，以及一些不连续排放源的排放特性。我们 希望通过监测到足够多的点源排放数据，来代表该地 区的实际点源排放水平，进而研究该地区的甲烷点源 排放特征。 笔者以山西省煤炭行业的甲烷点源排放为研究 对象，利用GF5B–AHSI卫星数据，探测到山西省408 个煤炭行业厂矿的838个甲烷羽流。由于AHSI 具有30 m的空间分辨率，我们可以清晰地识别出单 个甲烷羽流的影像，并将其与具体的排放设施对应。 图2为甲烷羽流的排放速率大小的分布情况，整体呈 现偏态分布，大部分羽流的排放速率在0.5～1.5 t/h， 最小的排放速率为0.11±0.03 t/h，最大的排放速率为 10.82±4.27 t/h。大约84%的羽流的排放速率落在 0.5～3.0 t/h内，只有约8%的羽流的排放速率超过 3.0 t/h，这表明极高的甲烷排放通量往往来自于少数 点源的异常排放。这与IRAKULIS-LOITXATE等。
图 1 甲烷羽流的排放速率大小分布

2、甲烷点源排放的空间分布特征

本研究共检测出838个煤炭行业的甲烷羽流，将 同一个厂区的多个羽流的排放相加得到此厂区的总 排放，将同一企业的不同厂区视为不同的企业，对不 同日期检测出的同一羽流求平均，得到了408家煤炭 行业厂矿的甲烷点源平均排放速率。 图3显示了山西省煤炭行业甲烷点源排放的空 间分布，底图是TROPOMI在2021年10月—2023 年3月(本研究使用AHSI数据的时间范围)观测反 演的山西省甲烷柱浓度产品XCH4的平均值。图2 中的黑色五角星代表不同企业的点源位置，五角星大 小反映排放通量大小。图2用红色方框标出了6个 点源密集区域，并进行了编号。由图2可以看出，山 西省东南部的XCH4明显高于其他地区，主要集中在 阳泉市、长治市和晋城市。其中5号密集区和6号密 集区分别对应阳泉市和长治市两个XCH4高值区， 2号、3号和4号密集区的XCH4也较高，这些甲烷点 源密集区域与XCH4数据相互印证了其合理性。 图2 山西省甲烷点源排放(AHSI)及甲烷柱体积分数

3、不同类型的甲烷点源排放

本研究利用高分辨率的光学影像，对甲烷羽流的 检测结果进行了筛选。在筛选过程中，根据羽流所在 位置对应的国家地理信息公共服务平台“天地图”的 地标信息，确定羽流所属的企业。对于附近有设施但 无地标的疑似羽流，根据光学影像判断设施的用途， 从而统计羽流所属的行业。本研究区域的煤炭行业， 主要包括：煤矿、洗选煤厂、焦化厂、燃煤火电厂、热 电厂，此外还有少量煤层气类企业。

表1为山西省不同类型的煤炭企业的数量和平 均甲烷排放速率(括号内为每类企业的甲烷平均排放 速率)。本研究检测到的具有甲烷点源排放的企业中， 煤矿类企业最多(171家)，其次是焦化类企业(114家)、 火电类企业(64家)、洗煤类企业(56家)和煤层气类 企业(3家)。这与山西省丰富煤炭资源的相一致。但 是，本研究检测出的煤层气类企业数量较少，可能是 因为有些煤层气企业是大型煤矿集团的子公司或分 支机构，或者是在开采煤矿的同时抽取煤层气，这些 情况下的煤层气开采设施可能被归入煤矿类企业。

表 1 检测到甲烷点源排放不同类型企业的数量及平均排放 按甲烷平均排放速率由大到小排序，依次是煤层 气类企业的2.68±1.00 t/h，火电类企业1.64±0.53 t/h、 焦化类企业的1.34±0.40 t/h、洗煤类企业的1.27± 0.41 t/h、煤矿类的1.14±0.36 t/h。不同类型的企业平 均甲烷排放速率有明显差异，这可能与煤炭产业链的 上下游阶段有关。煤炭在下游阶段比上游开采阶段 更容易集中使用，并且煤矿开采过程中会对瓦斯进行 通风稀释后抽排及利用，这可能是煤矿开采等煤矿 类企业平均排放速率稍低的原因。在中下游阶段，由 于对甲烷排放的重视程度不高，以及对商品煤的进一 步筛选和集中使用，可能导致了下游企业的甲烷平均 排放速率高于上游企业。煤层气类企业的平均甲烷 排放量最大，这是因为此类企业大量开采煤层气(主 要为甲烷)。例如晋中市某煤层气有限公司的甲烷平 均排放速率为4.30±1.73 t/h。
图3为山西省煤炭行业的几个典型甲烷排放源 的羽流图像。图3(a)、(b)为同一个煤矿(长治市某煤 业公司)在不同日期的羽流情况，可以看出它们的排 放强度和羽流扩散面积有明显差异，排放速率分别为 3.20±1.13 t/h和5.92±1.88 t/h，说明同一排放源的甲烷 排放速率会随时间变化而波动，有时甚至相差很大。 图3(c)、(d)为一个焦化厂和一个煤层气发电厂的甲 烷羽流情况，排放速率分别为1.91±0.16 t/h和2.67± 0.96 t/h，说明煤炭行业的上下游企业都可能是甲烷的 重要排放源，不仅仅是煤炭开采过程。 图3 山西省遥感观测的甲烷羽流(底图来自Google Earth)

4、排放源的间歇性

甲烷排放量会因为不同的机制而在小时、季节甚 至年份上有所变化。本研究主要讨论煤炭行业的甲 烷排放源，这些排放源的甲烷排放通常在数小时的时 间范围内高度间歇性，因为它们会进行定期排气或燃 烧等生产活动。然而，如果发生故障或泄漏，那么 部分甲烷排放可能会持续较长的时间。随着时间的 推移，可能会看到缓解或增长的排放趋势。
为了考虑甲烷排放源的间歇性，用排放概率Fi来 表示每个甲烷源的排放情况。排放概率是根据羽流 检测的频率来估算的，即Fi=M/n，其中M为在观测期 间在甲烷源i处发现羽流的次数，n为在观测期间覆 盖该位置的次数。同时，我们用加权平均排放速率 Qw,i来反映每个排放源的间歇性排放速率，即Qw,i= Fi Qave,i，其中Qav e,i为在甲烷源i处检测到的所有羽流 的平均甲烷排放量。全区域综合测量排放速率Qall,w 为考虑间歇性后所有排放源的加权平均排放速率的 总和。有些排放源只被检测到1次，这样无法准确反 映单个源的长期排放水平，但通过一次性测量大量排 放源，可以对整个盆地的排放情况进行无偏估计。 需要注意的是，AHSI的过境时间是固定的，所以本研 究检测到的排放源的时间分布较为集中，计算出的排 放源的甲烷排放概率和综合排放速率只能反映过境时间段的排放情况。
图4为每个排放源的排放概率Fi，它们是由羽流 出现次数除以检测次数计算得到。排放概率主要分 布在0.1～0.4，所有排放源的平均排放概率约为0.29。 将排放源按照排放概率的高低分为高度持续性(0.5 < Fi≤1)和高度间断性(0 < Fi≤0.25)两类，有助于分析 不同部门的排放特征，并为甲烷减排提供参考。高度 间断性的排放源可能与生产工艺或维护的不规律有关，它们占所有排放源的59%，但只贡献了全区域 排放速率的25%。相反，高度持续性的排放源只占所有排放源的13%，却贡献了全区域排放速率的41%， 它们可能源于工厂的连续排放或设施的故障。高度 持续性的排放源虽然数量较少，但对整个区域的甲烷 排放影响更大，因此优先识别并治理这些相对持久的 排放源，可能会显著降低甲烷排放。
本研究检测到的全部排放源的综合排放速率的 总和Qall,w为177.17±56.35 t/h，这表示这些排放源在 考虑间歇性后在同一时刻的甲烷总排放速率。在各 类企业中，煤矿类企业的综合排放速率总和最大 (59.84±19.11 t/h)，其次是焦化类(51.81±15.50 t/h)、火电类(43.46±14.31 t/h)、洗煤类(19.51±6.36 t/h)、煤层 气类(3.03±1.17 t/h)。说明山西省的煤炭行业的甲烷 排放是以煤矿开采等煤矿类企业、焦化类企业和火电 类企业为主，洗煤类企业和煤层气类企业为辅。
图 4 甲烷点源排放概率分布