“十一五”電力行業(yè)二氧化硫總量控制的環(huán)境效益評(píng)估

薛文博，楊金田，陳瀟君，陳罕立

環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

“十一五”電力行業(yè)二氧化硫總量控制的環(huán)境效益評(píng)估

薛文博，楊金田，陳瀟君，陳罕立

環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

截至2008年底，我國SO2排放總量(不包括港澳臺(tái)的數(shù)據(jù))由2005年的2 549.4×104t降至2 321.2×104t，已完成“十一五”總量控制目標(biāo)的89.5%，其中電力行業(yè)SO2排放量比2005年降低約20%，已完成“十一五”電力行業(yè) SO2減排目標(biāo)的80%.為定量評(píng)估我國“十一五”期間電力行業(yè)SO2減排取得的環(huán)境效益，利用ATMOS酸沉降模型分別對(duì)2005年和2008年電力行業(yè)SO2排放情景進(jìn)行模擬.結(jié)果表明:通過電力行業(yè)SO2減排，2008年全國硫沉降量較2005年減少約86×104t，其中沉降到中國大陸的硫沉降量減少約52×104t，降幅達(dá)17%，平均每減排1 t SO2約可減少0.2～0.3 t的硫沉降.此外，硫沉降強(qiáng)度≥1.00 t/km2區(qū)域的面積較2005年明顯縮小，縮小面積約為62×104km2.

火電;SO2;總量控制;模型;硫沉降

Abstract:From 2005 until the end of 2008，total sulfur dioxide emissions(does not include Hong Kong，Macao，Taiwan data)in China declined from 25.494 million tons to 23.212 million tons.This reduction comp leted 89.5%of the“Eleventh Five-Year Plan”total pollution control goal.Among the reductions，total sulfur dioxide emissions from the power industry dropped about20%compared to 2005;this completed 80%of the“Eleventh Five-Year Plan”sulfur dioxide em ission reduction targets for the power industry.In order to assess quantitatively the environmental benefits of the“Eleventh Five-Year Plan”sulfur dioxide emission reductions in the power industry，the ATMOS acid deposition modelwas used to simulate the power industry sulfur dioxide emissions in 2005 and 2008. Simulation results showed that，due to the sulfur dioxide emission reductions in the power industry，the national sulfur deposition amount in 2008 was reduced by about 860，000 tons as compared to 2005，in which the sulfur deposition amount in the Chinese mainland was reduced by about 520，000 tons.The reduction amount was 17%.On average，0.2-0.3 tons of sulfur deposition were reduced per 1 ton of sulfur dioxide em ission reduction.In addition，the area where the extent of sulfur deposition wasmore than 1.00 tons/km2was significantly reduced compared to 2005，shrinking by about 620，000 square kilometers.

Keywords:thermal power;sulfur dioxide;total emission control;model;sulfur deposition

2010年1月27日，國務(wù)院總理溫家寶主持召開國務(wù)院常務(wù)會(huì)議，討論并原則通過《國家環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃中期評(píng)估報(bào)告》，這為進(jìn)一步推進(jìn)“十一五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃實(shí)施工作起到了極為重要的作用.從《中期評(píng)估報(bào)告》來看，截至2008年底，我國SO2排放量(不包括港澳臺(tái)的數(shù)據(jù)，全文同)已由2005年的2 549.4×104t降至2 321.2×104t，比2005年降低了8.95%，已完成“十一五”總量控制目標(biāo)的89.5%，其中火電行業(yè)SO2排放比2005年降低了約20%，完成“十一五”火電行業(yè)SO2削減目標(biāo)的80%.但與我國SO2排放量顯著下降相違背的是，我國酸雨污染趨勢(shì)并未得到有效控制，2008年我國酸雨污染面積仍高達(dá)140×104km2，與2005年基本持平;較重酸雨(pH＜5.0)污染面積約60×104km2，與2005年相比反而有所增加.導(dǎo)致 SO2排放量減少，酸雨污染未得到有效控制的主要原因是由于氮氧化物排放量的迅速增加部分抵消了SO2減排所取得的環(huán)境效益(硝酸根與硫酸根離子當(dāng)量濃度比值已由2005年的0.205升至2008年的0.258).但“十一五”期間，SO2減排，特別是電力行業(yè)SO2減排究竟取得了多大的環(huán)境效益，對(duì)酸雨污染的改善幅度究竟有多大，尚難以說清.因此，有必要對(duì)“十一五”期間電力行業(yè)SO2減排的環(huán)境(硫沉降)效益進(jìn)行定量化模擬與評(píng)估［1］.

1 SO2排放情景

模擬及評(píng)估“十一五”電力行業(yè) SO2減排的環(huán)境效益，設(shè)定“2005基準(zhǔn)年”與“2008評(píng)估年”2個(gè)SO2排放情景.2005年情景:以2005年電力行業(yè)SO2排放為基準(zhǔn)，模擬2005年電力行業(yè) SO2排放對(duì)硫沉降的影響.2008年情景:以2008年電力行業(yè)SO2排放為評(píng)估年輸入?yún)?shù)，模擬2008年電力行業(yè)SO2排放對(duì)硫沉降的影響.對(duì)比分析2005年與2008年的模擬結(jié)果，定量評(píng)估“十一五”期間電力行業(yè)SO2減排所取得的環(huán)境效益.2種情景對(duì)應(yīng)的SO2排放情況如表1所示，各省SO2排放狀況如圖1所示.

表1 2005年與2008年全國SO2排放情況Table 1 Sulfur dioxide emission in 2005 and 2008

圖1 2005年與2008年各省電力行業(yè)SO2排放狀況Fig.1 Sulfur dioxide emission in power industry of each province in 2005 and 2008

2 模型及相關(guān)參數(shù)

2.1 模型介紹

ATMOS模型是一個(gè)三維、多層拉格郎日模型，在模擬范圍內(nèi)，排放源排出的 SO2煙羽被模擬為按一定的時(shí)間間隔從排放源位置連續(xù)釋放的一系列煙團(tuán).根據(jù)排放源強(qiáng)及排放間隔，將污染物排放量分配給每個(gè)煙團(tuán).假設(shè)這些煙團(tuán)在給定層的垂直方向均勻混合，水平方向按高斯分布擴(kuò)散.每個(gè)煙團(tuán)在其整個(gè)傳輸和沉降周期內(nèi)一直被跟蹤數(shù)天，直到其質(zhì)量低于某一給定的限值或煙團(tuán)移動(dòng)到模擬范圍外.隨著煙團(tuán)的移動(dòng)，SO2轉(zhuǎn)化成硫酸鹽，SO2和硫酸鹽以干、濕沉降的形式沉降到地面.濃度和干、濕沉降量按一定時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，最后累計(jì)得出年和月的濃度值和沉降量［2-5］.

2.2 模型參數(shù)定義

模擬范圍:為準(zhǔn)確計(jì)算電力行業(yè) SO2排放對(duì)全國范圍產(chǎn)生的影響，將中國所有領(lǐng)土全部包括到模擬范圍內(nèi)，地理坐標(biāo)范圍為73°E～136°E，18°N～54°N，將整個(gè)區(qū)域劃分為63×36個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率為1°×1°.

初始擴(kuò)散參數(shù):點(diǎn)源(電廠源)的初始擴(kuò)散參數(shù)取為2 000 m［6-9］.

煙團(tuán)跟蹤參數(shù):煙團(tuán)的最長(zhǎng)跟蹤時(shí)間設(shè)定為5 d，即當(dāng)煙團(tuán)軌跡歷經(jīng)了120 h后，或當(dāng)煙團(tuán)軌跡超出模擬范圍以外時(shí)停止跟蹤;當(dāng)煙團(tuán)軌跡的最末一個(gè)煙團(tuán)中污染物的質(zhì)量達(dá)到初始釋放時(shí)的質(zhì)量的0.1%時(shí)，也將放棄對(duì)該煙團(tuán)的跟蹤.

下墊面識(shí)別數(shù)據(jù):模擬區(qū)域所有網(wǎng)格下墊面的水/陸、城市/鄉(xiāng)村狀況識(shí)別數(shù)據(jù).

排放源參數(shù):將電廠作為點(diǎn)源(具有精確的地理坐標(biāo))進(jìn)行模擬，始終放在邊界層進(jìn)行計(jì)算.模型所需排放清單數(shù)據(jù)主要包括逐個(gè)源的源編碼、經(jīng)度、緯度、年排放量、點(diǎn)源標(biāo)識(shí)及煙團(tuán)釋放時(shí)間間隔.

2.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)用來計(jì)算煙團(tuán)軌跡以及確定模型計(jì)算邊界層高度.采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的根據(jù)全球觀測(cè)資料同化再分析的2005年資料，數(shù)據(jù)分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間間隔6 h，數(shù)據(jù)包括垂直方向從地面到6 000 m高度的風(fēng)向、風(fēng)速、降水及邊界層高度等變量.氣象資料選取范圍為60°E～160°E，20°N～55°N，網(wǎng)格距離為 2.5°× 2.5°，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為41×31個(gè)［10-21］.

利用以上氣象資料，模型通過插值得到模擬范圍各網(wǎng)格點(diǎn)及各時(shí)間步長(zhǎng)上的氣象參數(shù)，用于對(duì)污染物輸送、擴(kuò)散及轉(zhuǎn)化、清除過程的模擬.

2.4 模型驗(yàn)證

從2008年國控重點(diǎn)城市SO2濃度實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬值(考慮非電力源)的比較結(jié)果可以看出，SO2模擬值與監(jiān)測(cè)值具有較好的相關(guān)性，說明該模型適用于我國區(qū)域性大氣環(huán)境質(zhì)量的模擬及研究，模型驗(yàn)證結(jié)果如圖2，3所示.

圖2 2008年國控重點(diǎn)城市ρ(SO2)監(jiān)測(cè)值與模擬值相關(guān)性Fig.2 Correlation analysis between monitor values and simulated values of sulfur dioxide in national control cities in 2008

圖3 2008年國控重點(diǎn)城市ρ(SO2)監(jiān)測(cè)值與模擬值的比對(duì)Fig.3 The comparison ofmonitor values and simulated values of sulfur dioxide in national control cities in 2008

3 環(huán)境質(zhì)量模擬

3.1 2005年電力行業(yè)SO2排放對(duì)酸沉降的影響

2005年我國硫沉降的分布狀況如圖 4所示，2005年各省硫沉降強(qiáng)度如圖5所示.

2005年電力行業(yè) SO2排放導(dǎo)致的硫沉降量約為430.40×104t，其中沉降到中國大陸地區(qū)的硫約為303.58×104t，沉降到國界外及海洋上的硫約為126.82×104t，分別占總硫沉降量的 70.5% 和29.5%.總硫沉降中干沉降量約為179.80×104t，濕沉降量約為250.60×104t，分別占總硫沉降量的41.8%和58.2%，硫沉降以濕沉降為主.

圖4 2005年電力行業(yè)SO2排放對(duì)硫沉降的影響Fig.4 Sulfur deposition caused by sulfur dioxide emission from power industry in 2005

對(duì)模擬結(jié)果分析可知，2005年模擬區(qū)域內(nèi)近800×104km2的地區(qū)不同程度地受到電力行業(yè) SO2排放的影響，其中，硫沉降強(qiáng)度大于0.4 t/km2的區(qū)域達(dá)391×104km2，大于0.8 t/km2的區(qū)域達(dá)184× 104km2，大于1.0 t/km2的區(qū)域約為91×104km2.

圖5 2005年電力行業(yè)SO2排放對(duì)各省硫沉降的影響Fig.5 Sulfur deposition of each province caused by sulfur dioxide em ission from power industry in 2005

對(duì)各省模擬結(jié)果分析可知，硫沉降強(qiáng)度較大的省份有上海、江蘇、山東、河南、浙江、安徽和貴州等，其平均硫沉降強(qiáng)度均超過1.0 t/km2;硫沉降強(qiáng)度較小的省份有西藏、青海、新疆、甘肅和海南等省，其平均硫沉降強(qiáng)度均低于0.1 t/km2.2005年全國硫沉降強(qiáng)度最大值位于貴州省內(nèi)，硫沉降強(qiáng)度高達(dá)2.26 t/km2，為全國平均硫沉降強(qiáng)度的7倍以上.

3.2 2008年電力行業(yè)SO2排放對(duì)酸沉降的影響

2008年我國硫沉降的分布狀況如圖 6所示，2008年各省硫沉降強(qiáng)度如圖7所示.

圖6 2008年電力行業(yè)SO2排放對(duì)硫沉降的影響Fig.6 Sulfur deposition caused by sulfur dioxide emission from power industry in 2008

圖7 2008年電力行業(yè)SO2排放對(duì)各省硫沉降的影響Fig.7 Sulfur deposition of each province caused by sulfur dioxide em ission from power industry in 2008

2008年電力行業(yè) SO2排放導(dǎo)致的硫沉降量約為344.31×104t，其中沉降到中國大陸地區(qū)的硫約為251.92×104t，沉降到國界外及海洋上的硫約為92.39×104t，分別占總硫沉降量的 73.2% 和26.8%.總硫沉降中干沉降量約為143.83×104t，濕沉降量約為200.48×104t，相比2005年硫沉降同樣以濕沉降為主.

從硫沉降的影響范圍來看，2008年模擬區(qū)域內(nèi)約750×104km2的地區(qū)不同程度地受到電力行業(yè)SO2排放的影響，其中硫沉降強(qiáng)度大于0.4 t/km2的區(qū)域?yàn)?28×104km2，大于0.8 t/km2的區(qū)域?yàn)?7 ×104km2，大于 1.0 t/km2的區(qū)域約為 35×104km2.

從各省硫沉降強(qiáng)度來看，僅上海市沉降強(qiáng)度超過1.0 t/km2，河南、江蘇、貴州、山東、安徽和浙江省的硫沉降強(qiáng)度均超過0.8 t/km2，硫沉降強(qiáng)度較小的省份依然為西藏、青海、新疆、甘肅和海南省(自治區(qū))，平均硫沉降強(qiáng)度均低于0.1 t/km2.2008年全國硫沉降強(qiáng)度最大值同樣位于貴州省內(nèi)，沉降強(qiáng)度高達(dá)1.81 t/km2，依然遠(yuǎn)高于全國平均水平.

4 減排效益評(píng)估

4.1 硫沉降量明顯降低

2008年與2005年相比，電力行業(yè) SO2排放造成的硫沉降量顯著降低.總硫沉降量較2005年減少約86×104t，其中中國大陸的硫沉降量減少約52 ×104t，降幅為17%，硫沉降量的降幅略小于電力行業(yè)SO2減幅，詳見表2.

表2 2008年與2005年硫沉降量對(duì)比Table 2 The comparison of sulfur deposition in 2005 and 2008

從各地區(qū)電力行業(yè)SO2減排的環(huán)境效益來看，硫沉降量較2005年降幅較大的省份主要有山東、浙江、江蘇和河北等，降幅均達(dá)到27%左右，而內(nèi)蒙古、青海和新疆等省(自治區(qū))的硫沉降量相比2005年改善幅度較小，如圖8所示.另外，全國硫沉降強(qiáng)度最大值已由2005年的2.26 t/km2降至2008年的1.81 t/km2，降幅達(dá)19%.

圖8 2008年與2005年相比各省硫沉降量的變化情況Fig.8 The change of sulfur deposition in each province in 2008 to that in 2005

4.2 硫沉降影響范圍顯著縮小

2008年與2005年相比，電力行業(yè) SO2排放造成的硫沉降影響范圍明顯縮小.硫沉降強(qiáng)度≥0.10 t/km2的區(qū)域約減少41×104km2，≥0.40 t/km2的區(qū)域約減少63×104km2，≥0.80 t/km2的區(qū)域約減少87×104km2，≥1.00 t/km2的區(qū)域約減少62× 104km2，重度硫沉降區(qū)面積顯著縮小.具體結(jié)果見表3.

表3 2008年與2005年硫沉降影響面積對(duì)比Table 3 The comparison of the sulfur deposition extent in 2005 and 2008 104km2

5 結(jié)論

a.電力行業(yè)SO2減排可有效減少硫沉降，平均每減排1 t SO2約可減少0.2～0.3 t硫沉降.電力行業(yè)污染物排放量大，屬于高架源，傳輸距離遠(yuǎn)，是導(dǎo)致區(qū)域性酸雨污染的主要排放源，控制酸雨污染的關(guān)鍵在于控制電力等高架源的致酸物質(zhì)排放.

b.“十一五”電力行業(yè)SO2減排取得了顯著的環(huán)境效益.2008年全國陸地范圍內(nèi)硫沉降總量相比2005年降低了52×104t，硫沉降影響范圍(≥1.00 t/km2的區(qū)域)縮小約62×104km2.

c.“十二五”期間應(yīng)進(jìn)一步加大SO2減排力度，同時(shí)應(yīng)將氮氧化物指標(biāo)納入總量控制范圍.盡管“十一五”期間SO2減排成效顯著，但我國SO2排放量依然處于高位，加之氮氧化物排放量的迅速增加，致使酸雨污染并未得到有效控制.因此，為有效控制酸雨污染，“十二五”期間應(yīng)同時(shí)對(duì)SO2和氮氧化物2項(xiàng)指標(biāo)實(shí)施總量控制.

［1］環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院.國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃實(shí)施中期評(píng)估與分析報(bào)告［R］.北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，2010:10-50.

［2］雷孝恩.一個(gè)新的干沉積速度型及其在高分辨區(qū)域算沉積模式中的應(yīng)用［J］.氣象學(xué)報(bào)，1995，53(2):202-210.

［3］劉嘉麒.降水背景值與酸雨定義研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，1996，12(5):5-9.

［4］黃美元，沈志來，劉帥仁，等.中國西南典型地區(qū)酸雨形成過程研究［J］.大氣科學(xué)，1995，19(3):359-366.

［5］唐孝炎.大氣環(huán)境化學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1990: 226-230.

［6］王代長(zhǎng)，蔣新，卞永榮，等.酸沉降對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2003，11(1):107-109.

［7］陳義珍，柴發(fā)合，段寧，等.“西電東送”火電規(guī)劃對(duì)北京空氣質(zhì)量的影響［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2003，16(6):46-52.

［8］薛文博，段寧，柴發(fā)合，等.“西電東送”貴州火電項(xiàng)目對(duì)區(qū)域PM10污染的影響［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2007，20(4):34-39.

［9］薛文博，段寧，柴發(fā)合，等.“西電東送”貴州火電項(xiàng)目對(duì)區(qū)域硫沉降的影響［J］.華東電力，2007，35(7):15-20.

［10］ARNDT R L，CARMICHAEL G R.Long-range transport and deposition of sulfur in Asia［J］.Water Air Soil Pollut，1995，85 (4):2283-2288.

［11］ARNDT R L，CARMICHAEL G R，ROORDA J M.Seasonal source-receptor relationships in Asia［J］.Atmos Environ，1998，32(8):1397-1406.

［12］GALLOWAY JN.Acid deposition:perspectives in time and space［J］.Water Air Soil Pollut，1995，85(1):15-24.

［13］LIKENSG E，DRISCOLL C T，BUSO D C.Long-term effects of acid-rain:response and recovery of a forest ecosystem［J］.Sci，1996，272(5259):244-246.

［14］ALCAMO J，KROL M P，OSCH M.An integrated analysis of sulfur emissions，acid deposition and climate change［J］.Water Air Soil Pollut，1995，58(3):1539-1550.

［15］HUNTINGTON T G，HOPPER R P，JOHNSON C E，et al. Calcium dep letion in a southeastern United States forestecosystem［J］.Soil Science Society of America Jpurnal，2000，64(5): 1845-1858.

［16］JACKSON M J，LINE M A，WILSON S，et al.Application of composed pulp and paper mill sludge to a young pine plantation［J］.JEnviron Qual，2000，29:407-414.

［17］LARSSEN T，CARMICHAEL G R.Acid rain and acidification in china:the importance of base cation deposition［J］.Environ Pollut，2000，110(1):89-102.

［18］LEAVITT P R，F(xiàn)INDLAY D L，HALL R L，et al.Algal responses to dissolved organic loss and pH decline during whole-lake acidification:evidence from paleolimnology［J］. Limnol Oceanogr，1999，44(3):757-773.

［19］EGGENBERGER U，KURZ D.A soil acidification study using the PROFILE model on two contrasting region in Switzerland［J］. Chemical Geology，2000，170(1/2/3/4):243-257.

［20］PSENNER R，SCHM IDT R.Climate-driven pH control of remote alpine lakes and effects of acid deposition［J］.Nat，1992，356 (30):781-783.

［21］AKIMOTO H，NARITA H.Distribution of SO2，NOxand CO2emissions from fuel combustion and industrial activities in Asia with 1°×1°resolution［J］.Atmos Environ，1994，28(2):213-225.

Environm enta l Bene fit Assessm ent o f the“Eleventh Five-Year Plan”Tota l Po llution Contro l o f Su lfur Dioxide Em issions from the Power Industry

XUEWen-bo，YANG Jin-tian，CHEN Xiao-jun，CHEN Han-li
Chinese Academy for Environmental Planning，Beijing 100012，China

X517

A

1001-6929(2010)11-1355-06

2010-04-19

2010-06-25

環(huán)境保護(hù)部污染減排監(jiān)督管理項(xiàng)目(2110107)

薛文博(1981-)，男，陜西眉縣人，助理研究員，碩士，主要從事大氣環(huán)境質(zhì)量模擬研究，xuewb@caep.org.cn.