錫林郭勒盟煤電基地大氣環(huán)境容量分析及預(yù)測

馬一丁,付 曉,吳 鋼,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

錫林郭勒盟煤電基地大氣環(huán)境容量分析及預(yù)測

馬一丁1,2,付 曉1,吳 鋼1,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

內(nèi)蒙古錫林郭勒盟國家大型煤電基地既是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域能源安全的重要基地,又是近首都生態(tài)重要屏障保障區(qū)域,該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)直接關(guān)系到國家生態(tài)安全。選取錫林郭勒盟煤電基地為研究對象,以研究區(qū)內(nèi)各大氣污染物排放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對照大氣環(huán)境功能區(qū)劃,研究大氣環(huán)境容量。首先繪制了各主要污染物的區(qū)域空間分布圖,結(jié)合功能區(qū)大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)得到了錫林郭勒盟環(huán)境容量和承載力的空間分布結(jié)果。在此研究基礎(chǔ)上,按不同目標(biāo)情景(低標(biāo)準(zhǔn)、中等標(biāo)準(zhǔn)、高標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行了區(qū)域大氣環(huán)境承載力的預(yù)測,分析了各區(qū)域的環(huán)境保護(hù)對策。為錫盟國家煤電基地建設(shè)和生態(tài)保護(hù)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

煤電基地, 大氣環(huán)境容量, 大氣環(huán)境承載力

隨著中東部能源資源日益消耗,我國煤電發(fā)展戰(zhàn)略逐漸西移。內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的能源基地,正逐步充當(dāng)煤電供應(yīng)的主力,成為支撐我國經(jīng)濟(jì)社會長期發(fā)展的國家能源戰(zhàn)略基地[1]。錫林郭勒盟(以下簡稱錫盟)作為我國北方重要的生態(tài)安全屏障[2],同時也是我國重要的能源基地之一,是內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的主要煤電基地之一。煤電基地的生產(chǎn)作業(yè)方式伴生著不可忽視的大氣污染物排放[3- 5],加之錫盟近首都的區(qū)位特點(diǎn)與草原型的自然生態(tài)環(huán)境特征,決定了錫盟煤炭資源開發(fā)必須高度重視生態(tài)環(huán)境的敏感性與脆弱性。就煤電基地建設(shè)開發(fā)現(xiàn)狀來看,大氣環(huán)境污染物主要包括煤炭露天開采過程中表層剝離、爆破、鏟裝、運(yùn)輸、卸載、排土過程中產(chǎn)生的粉塵與煤塵；儲煤場產(chǎn)生的粉塵；煤矸石以及滅火區(qū)自燃產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等有毒有害氣體[6],尤其是近年來因大氣顆粒物誘發(fā)霧霾而倍受關(guān)注,PM2.5、PM10成為重要監(jiān)測指標(biāo)。

因此,煤電基地開發(fā)建設(shè)必須充分考慮地區(qū)及近周邊的大氣環(huán)境容量。錫盟煤電基地作為我國重要能源開發(fā)基地的代表,具備煤電基地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考量與保障的典型意義。本文從對錫盟區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀入手,選取SO2、NOx、PM2.5、PM10為主要監(jiān)測指標(biāo),進(jìn)行環(huán)境容量與利用率的測算,進(jìn)行錫盟大氣承載力的現(xiàn)狀分析,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合錫盟煤電基地的開發(fā)規(guī)劃以及相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn),選取2020年為未來目標(biāo)節(jié)點(diǎn),分不同情景對區(qū)域進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量與容量的預(yù)測,分析錫盟總量控制目標(biāo)的可達(dá)性,以期為錫盟煤電基地的區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與規(guī)劃、煤電基地開發(fā)與利用模式提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 錫盟大氣環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)劃

考慮到錫盟與北京毗鄰的特殊地域特征,同時《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動計劃實(shí)施細(xì)則》使錫盟面臨較大的節(jié)能減排壓力,錫盟面臨更嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)來保證空氣質(zhì)量的需求,因此在計算環(huán)境容量時,煤炭礦區(qū)和中心城區(qū)參考執(zhí)行新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級濃度標(biāo)準(zhǔn),除煤炭礦區(qū)以外的區(qū)域均執(zhí)行空氣濃度一級濃度標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 區(qū)域大氣環(huán)境容量核算方法

采用A值法核算錫盟區(qū)域大氣環(huán)境容量(GB/T13201- 91),A值法系數(shù)的確定主要是依據(jù)《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 3840- 91)中的區(qū)域劃分,內(nèi)蒙古屬于2類區(qū)域。A值范圍為5.6—7.0(104km2/a)。本次A值的取值按下列公式進(jìn)行計算：

A=Amin+0.1×(Amax-Amin)

經(jīng)計算,內(nèi)蒙古參數(shù)A取5.74(104km2/a)。

1.3 錫盟大氣環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測

以2020年為預(yù)測目標(biāo)時間節(jié)點(diǎn),按煤電基地電源點(diǎn)脫硫、脫硝效率的不同,將預(yù)測情景分類為3種,情景1的脫硫效率為95%,脫硝效率為80%；情景2的脫硫效率為95%,脫硝效率為90%；情景3為規(guī)劃煤電基地電源點(diǎn)執(zhí)行燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)的排放量。

2 結(jié)果與分析

2.1 錫盟大氣環(huán)境承載力現(xiàn)狀評價

錫盟規(guī)劃煤電基地涉及的面積為20.3萬km2,錫盟煤電基地SO2、NOx、PM10、PM2.5的排放量及環(huán)境容量如圖1所示。由此可以計算出各行政區(qū)的環(huán)境容量利用率(圖2)。

SO2環(huán)境容量利用率較高的行政區(qū)有正藍(lán)旗、二連浩特市、多倫縣和錫林浩特市,NOx環(huán)境容量利用率較高的行政區(qū)有多倫縣、正藍(lán)旗和錫林浩特市。PM10環(huán)境容量利用率較高的行政區(qū)有多倫縣、正藍(lán)旗和二連浩特市。PM2.5環(huán)境容量利用率較高的行政區(qū)有多倫縣、正藍(lán)旗和二連浩特市。除正藍(lán)旗外,其它各行政區(qū)的SO2和NOx的環(huán)境容量利用率均低于50%。

錫盟大氣環(huán)境容量地域性差異分布呈現(xiàn)北低南高、西低東高的特征,尤其是東北部的東烏珠穆沁旗,其顆粒物污染物排放比較典型,是錫盟最嚴(yán)重的顆粒物排放區(qū)域。而西部的阿巴嘎旗,SO2排放居諸區(qū)域之首。南部的正藍(lán)旗和多倫縣環(huán)境容量富余較高。因此在錫盟的空間布局上,需要以環(huán)境容量的地域性分布為基礎(chǔ),充分考量工業(yè)企業(yè)、環(huán)境保護(hù)措施、城鎮(zhèn)發(fā)展的地帶性布局,充分利用高承載力區(qū)域的環(huán)境容量,著重改善西北部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,降低區(qū)域生態(tài)風(fēng)險。

圖1 錫盟大氣環(huán)境容量和大氣污染物排放量 Fig.1 The atmospheric environmental capacity and air pollutants emission of Xilinguole League

圖2 錫盟大氣環(huán)境容量利用率Fig.2 The atmospheric environmental capacity evaluation of the Xilinguole League

2.2 錫盟生態(tài)環(huán)境承載力預(yù)測

依據(jù)污染物排放總量與環(huán)境容量,分析2020年錫盟煤電基地建設(shè)運(yùn)行期錫盟環(huán)境容量利用率,研究錫盟未來大氣污染物排放與總量控制目標(biāo)的可達(dá)性,綜合評判錫盟的環(huán)境承載能力。通過設(shè)置不同的總量控制情景,結(jié)合預(yù)測排放量進(jìn)行錫盟節(jié)能減排的可達(dá)性分析。

規(guī)劃煤電基地在煤炭開采過程和發(fā)電過程都會產(chǎn)生大氣污染物,煤電基地開發(fā)主要污染物排放量預(yù)測核算計算方式為[7]：

P排放=P基數(shù)-P削減+P新增

式中,P排放為主要污染物排放預(yù)測,P基數(shù)為基礎(chǔ)年排放量,P削減為考慮“十二五”、“十三五”期間開展節(jié)能減排進(jìn)行的污染物削減量,P新增為煤電基地新建所排放的主要污染物。將主要企業(yè)現(xiàn)狀排放量、可削減量及預(yù)測新增排放量進(jìn)行疊加,即計算出到錫盟煤電基地主要大氣污染源污染物排放情況。

2020年,錫盟規(guī)劃煤電基地7個礦區(qū)在開采過程的粉塵和SO2排放量,見表1。

表1 煤炭開采大氣污染物排放量

參考火電行業(yè)主要污染物產(chǎn)排污系數(shù)[8]、各電廠可研報告及環(huán)評報告書,得到主要電源基地SO2、氮氧化物和煙塵的產(chǎn)污系數(shù)。參考各電廠的可研報告、環(huán)評報告,規(guī)劃12個電廠的工藝能夠達(dá)到95%的脫硫效率,80%的脫硝效率,99.8%的除塵效率,當(dāng)各電廠滿足這些條件時,預(yù)測2020年規(guī)劃電源基地正常運(yùn)行后大氣污染物排放量(表2)。

根據(jù)規(guī)劃及相關(guān)要求[9- 10],錫盟2013—2020年電力行業(yè)削減項目涉及國控電廠4個。減排項目主要包括小熱電項目、水泥項目、煤化工項目。至2020年,錫盟在2013年基礎(chǔ)上可削減SO2排放量為82107.46t,NOx排放量82070.69t。

以錫盟地區(qū)2015年總量控制目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),其中SO2排放量控制在8.7萬t,NOx排放量控制在9.07萬t。設(shè)置不同的3個情景,其中情景1為規(guī)劃新電源點(diǎn)脫硫效率為95%,脫硝效率為80%；情景2為規(guī)劃新上電廠脫硫效率為95%,脫硝效率為90%；情景3為規(guī)劃電廠執(zhí)行燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)的排放量(表3,表4)。

綜上,2020年,在排放量最大的情景下,將行政區(qū)現(xiàn)狀削減后的排放量疊加新增電廠區(qū)位及預(yù)測排放量,得到未來各行政區(qū)主要大氣污染物排放情況(圖3)。

表2 大氣污染物的新增排放量(萬t/a)

表3 不同情景下主要大氣污染物總量控制目標(biāo)與預(yù)測排放量對比

表4 不同情景下錫盟大氣污染物預(yù)測排放量

可以看出,錫林浩特市仍然是行政區(qū)中大氣污染物排放量最大的地區(qū),大氣顆粒物尤為突出,其次是西烏珠穆沁旗和正藍(lán)旗。從空間上,大氣污染物排放量主要集中在錫盟中部和東部煤電基地建設(shè)區(qū)。

根據(jù)預(yù)測2020年污染物排放量和容量可以算出各行政區(qū)的環(huán)境容量利用率(圖4)。

其中,SO2環(huán)境容量利用率高于50%的行政區(qū)有多倫縣、錫林浩特市和烏拉蓋管理區(qū),分別為70.76%,87.82%,72.96%。NOx環(huán)境容量利用率高于50%的行政區(qū)有多倫縣和錫林浩特市,分別為81.28%和62.61%。錫盟煤電重點(diǎn)開發(fā)單元的其他行政區(qū)的環(huán)境容量利用率均低于50%。

3 結(jié)論

根據(jù)《錫林郭勒環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》,錫盟地區(qū)2015年SO2排放量控制在8.7萬t,NOx排放量控制在9.07萬t。而錫盟2013年SO2和NOx現(xiàn)狀排放量分別為10.44和10.36萬t,污染物總量控制指標(biāo)將對錫盟煤電基地發(fā)展構(gòu)成硬性約束。

圖3 錫盟大氣污染物排放預(yù)測圖Fig.3 The air pollutants prediction emission of Xilinguole League

圖4 錫盟大氣環(huán)境容量利用率預(yù)測分布圖Fig.4 The environmental capacity prediction of Xilinguole League

對2020年設(shè)置了不同的總量控制情景,與預(yù)測排放量進(jìn)行對比。其中,情景1以2015年總量為控制目標(biāo),節(jié)能減排要求相對寬松,SO2,NOx預(yù)測排放量分別為67547.11t/a,66710.03t/a,總量控制目標(biāo)分別為87000 t/a,90700t/a,預(yù)測排放量占總量控制目標(biāo)比率分別為77.64%,73.55%;情景2參考“十一五”、“十二五”減排比率,在2015年節(jié)能減排目標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)一步削減,SO2和NOx分別減少5.9%、4.6%,節(jié)能減排要求相對嚴(yán)格,SO2,NOx預(yù)測排放量分別為67547.11t/a,66681.17t/a,總量控制目標(biāo)分別為81867t/a,86527.8t/a,預(yù)測排放量占總量控制目標(biāo)比率分別為82.51%,77.06%；情景3是以更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)來嚴(yán)格控制,進(jìn)一步加大節(jié)能減排力度,2020年總量控制目標(biāo)在2015年的基礎(chǔ)上減少8%,6%,SO2,NOx預(yù)測排放量分別為67547.11t/a,66681.17t/a,總量控制目標(biāo)分別為80040t/a,85258t/a,預(yù)測排放量占總量控制目標(biāo)比率分別為84.39%,78.21%。

結(jié)果表明,在3種情景下SO2和NOx的預(yù)測排放量均達(dá)到總量控制的指標(biāo)。在情景1節(jié)能減排要求相對寬松的條件下,錫盟各行政區(qū)SO2和NOx的預(yù)測排放量小于總量控制的指標(biāo)；在情景2相對嚴(yán)格的條件下,西烏珠穆沁旗的SO2預(yù)測排放量超出總量控制目標(biāo),其它行政區(qū)均達(dá)標(biāo)；在情景3更為嚴(yán)格的條件下,西烏珠穆沁旗和錫林浩特市的SO2預(yù)測排放量超出總量控制目標(biāo),其它行政區(qū)的預(yù)測排放量均滿足總量控制目標(biāo)。

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AnalysisandpredictionoftheatmosphericenvironmentalcapacityoftheXilinguoleLeague′scoal-basedelectricityregion

MA Yiding1,2,FU Xiao1,WU Gang1,*

1StateKeyofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Coal-based electricity of the Xilinguole League area in Inner Mongolia is not only an important foundation for the country′s economic development and energy security, but also an ecological protective screen nearby the capital. And the construction of coal-based energy infrastructure in this region directly affects its ecological security. In this study, the atmospheric pollutant emissions from coal-fired power plants Xilinguole League and its air quality were investigated, and the spatial distribution of the atmospheric environmental capacity was analyzed. The spatial distribution of major pollutants was mapped and combined with atmospheric quality standards to obtain the atmospheric environmental capacity. Based on these results for different scenarios (low, medium, or high standards), the predicted regional atmospheric environmental capacity was calculated, and the regional environmental protection countermeasures were analyzed. These results provide a scientific basis for the conservation and regional sustainable development of Xilinguole League.

coal-based electricity; atmospheric capacity; atmospheric environmental capacity

國家科技支撐計劃課題“國家大型能源基地格局生態(tài)效應(yīng)評估與決策支持技術(shù)研究及應(yīng)用”(2012BAC10B01)

2016- 05- 09; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 27

10.5846/stxb201605090888

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wug@rcees.ac.cn

馬一丁,付曉,吳鋼.錫林郭勒盟煤電基地大氣環(huán)境容量分析及預(yù)測.生態(tài)學(xué)報,2017,37(15):5221- 5227.

Ma Y D,Fu X,Wu G.Analysis and prediction of the atmospheric environmental capacity of the Xilinguole League′s coal-based electricity region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5221- 5227.