杜世明，劉厚鳳

（山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南250014）

1 引言

目前，中國能源結(jié)構(gòu)仍然以煤為主，中國的大氣污染主要是由燃煤造成的，屬于能源結(jié)構(gòu)性的煤煙型污染，由此帶來的酸性氣體排放量增加，使我國許多城市和地區(qū)面臨嚴(yán)峻的SO2及酸雨污染。為了減少SO2和酸雨的影響，許多學(xué)者開展了SO2及酸沉降的傳輸模擬研究。例如清華大學(xué)郝吉明等利用ISC模型評價了能源消耗對未來北京市空氣質(zhì)量的影響［1］，同時利用CALPUFF模型預(yù)測了2000年和2008年北京市電廠對空氣質(zhì)量的影響［2］；北京大學(xué)張遠(yuǎn)航等［3］利用CALPUFF模型，通過數(shù)值模擬和對排放源現(xiàn)狀分析，揭示了珠三角城市間大氣污染物的相互影響；中國環(huán)科院柴發(fā)合等采用ISC模型對北京某電廠的現(xiàn)狀及脫硫后的SO2和NOx排放對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行了模擬［4，5］；上海環(huán)科院陳長虹等［6］利用 RAINS－ASIA 模型預(yù)測了“十一五”前后長三角地區(qū)的酸沉降變化。由上可以看出CALPUFF模型對污染物的排放具有很好的模擬效果，但是利用CALPUFF應(yīng)用于濟(jì)南地區(qū)的空氣質(zhì)量模擬研究并不多。

濟(jì)南市作為山東省的省會城市，市區(qū)火電廠分布較多，能源消耗以燃煤為主。2010年，全國省會城市及直轄市SO2年均濃度達(dá)標(biāo)率為93.8%，濟(jì)南市為達(dá)標(biāo)城市之一，列第20位［7］。雖然達(dá)標(biāo)率較高，但SO2仍有很大的消減空間，根據(jù)濟(jì)南市環(huán)境質(zhì)量報告書（2006－2010）的數(shù)據(jù)，2010年市區(qū)火電廠排放的SO2、NOX分別占整個濟(jì)南市工業(yè)SO2、NOX排放量的18.8%和26.6%。

為了解濟(jì)南市市區(qū)燃煤發(fā)電鍋爐執(zhí)行新的火電標(biāo)準(zhǔn)后對該區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的改善效果，本研究利用美國CALPUFF空氣質(zhì)量模型，根據(jù)新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后的源清單和氣象場，模擬計算了SO2和NOx的年均濃度變化情況。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本次以濟(jì)南市為研究對象，包括歷下、歷城、槐蔭、天橋、市中、長清6個區(qū)和平陰、商河、濟(jì)陽3個縣及章丘市，研究范圍為一矩形。左下角北緯36°01′、東經(jīng)116°11′為原點(diǎn)，右上角北緯37°32′、東經(jīng)117°44′。研究區(qū)劃分為1km×1km的網(wǎng)格，共有網(wǎng)格180×160個。地理數(shù)據(jù)中的土地類型和海拔高度取自于美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源數(shù)據(jù)中心的EROS的全球30s數(shù)據(jù)庫。模擬區(qū)域地形呈東南高、西北低，研究范圍及地形圖見圖1。

圖1 研究范圍及地形圖

2.1 燃煤鍋爐SO2排放量

本文新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前采用2010年排放數(shù)據(jù)，濟(jì)南市區(qū)2010年火電廠（包括熱電廠）的SO2、NOx排放量通過統(tǒng)計調(diào)查獲得，新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后的SO2、NOx排放量按新的火電標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223－2011）的標(biāo)準(zhǔn)限值計算得到。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

所需高空氣象資料來自WRF中尺度氣象模型的模擬結(jié)果，模擬所用數(shù)據(jù)包括初始猜測場的全球各點(diǎn)分析數(shù)據(jù)和同化用的觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)主要為DS083.2、DS351.0和 DS361.0，均由 NCEP提供；地面氣象資料來自中國氣候中心統(tǒng)計資料。

2.3 模型選用與計算

選用的空氣質(zhì)量模型為美國EPA推薦的CALPUFF模型，CALPUFF模型是多層、多種非定常煙團(tuán)擴(kuò)散模型，可用于復(fù)雜地形下的大氣質(zhì)量評價和預(yù)測數(shù)值模擬，能夠很好地模擬在時空變化的氣象條件下對污染物輸送、轉(zhuǎn)化和清除的影響，這是一個長距離中尺度模型，適用于幾十至幾百公里范圍的模擬，適合于城市和區(qū)域尺度，已被國內(nèi)外廣泛采用，包括美國的伊利諾斯州［8］、土耳其的伊滋密爾［9］、希臘的雅典［10］等。

本次CALPUFF模型的參數(shù)選用經(jīng)調(diào)整過的已經(jīng)用于濟(jì)南地區(qū)模擬的參數(shù)，模擬基準(zhǔn)年和目標(biāo)年燃煤鍋爐排放造成的SO2年均濃度，在此基礎(chǔ)上定量分析煙氣脫硫所取得的環(huán)境效果。

3 結(jié)果與討論

3.1 新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施火電廠SO2排放量的變化

在新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定下，濟(jì)南市發(fā)電鍋爐SO2和NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)限值將由原來的400mg／m3、650mg／m3降低到50mg／m3、100mg／m3，新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后濟(jì)南市區(qū)熱電及發(fā)電廠燃煤鍋爐分布SO2、NOx的排放量見表1。新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，濟(jì)南市區(qū)燃煤鍋爐總體的SO2的排放從實(shí)施前的13219.71t／年降至實(shí)施后的6762.12t／年，NOx的排放量則由實(shí)施前的15467.13t／年下降至實(shí)施后的7490.59t／年。在新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施下，SO2的排放量將減少6457.59t／年，NOx的排放量將減少7976.54t／年，消減幅度分別高達(dá)48%和52%。SO2和NOx排放量削減最大的企業(yè)均為黃臺發(fā)電廠。濟(jì)南市區(qū)火電廠空間分布見圖2。

2.2 新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后火電廠污染物年均濃度的變化

表2列出了濟(jì)南市區(qū)熱電及發(fā)電廠的燃煤鍋爐新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后SO2年均濃度變化。由表2可見，燃煤鍋爐導(dǎo)致的SO2區(qū)域年均最大濃度從脫硫前的5.28μg／m3下降到4.96μg／m3，下降比例達(dá)到6.1%；濟(jì)南市區(qū)的濃度值從脫硫前的1.94μg／m3下降到1.62μg／m3，下降比例達(dá)到16.5%；區(qū)域內(nèi)高濃度網(wǎng)格的數(shù)量將有一定程度的減少，濃度降低，污染嚴(yán)重的區(qū)域減少。整個濟(jì)南市的下降幅度相對較小，為3.22%。

表1 研究區(qū)域污染源消減前后排放量

圖2 濟(jì)南市區(qū)火電廠空間分布

表3列出了濟(jì)南市區(qū)熱電及發(fā)電廠的燃煤鍋爐新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后NOx年均濃度變化。由表3可見，燃煤鍋爐導(dǎo)致的NOx區(qū)域年均最大濃度從脫硝前的5.57μg／m3下降到4.65μg／m3，下降比例達(dá)到16.52%；濟(jì)南市區(qū)的濃度值從脫硝前的1.18μg／m3下降到0.87μg／m3，下降比例達(dá)到26.27%；區(qū)域內(nèi)高濃度網(wǎng)格的數(shù)量將有一定程度的減少，濃度降低，污染嚴(yán)重的區(qū)域減少。整個濟(jì)南市的下降幅度相對較小，為12.90%。

圖3和圖4列出了新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后SO2和NOX年均濃度分布圖，由圖3、圖4可見，污染較嚴(yán)重的區(qū)域集中在污染源分布比較密集的天橋區(qū)、歷下區(qū)、歷城區(qū)、槐蔭區(qū)、市中區(qū)的交界地帶，該區(qū)域的污染源SO2的排放量占整個排放的96.7%，NOX的排放占到了95.6%，污染物排放量大并且分布在南部山地和北部平原的交匯地帶。新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后雖然這些區(qū)域的污染物排放所占比重仍然較大在90%左右，但區(qū)域高濃度的面積下降明顯，濃度值也有所下降，可見新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對這些區(qū)域的SO2和NOX濃度下降起到了顯著作用。

表2 新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后濟(jì)南地區(qū)SO2年均濃度變化

表3 新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后濟(jì)南地區(qū)NOx年均濃度變化

圖3 新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后SO2年均濃度分布圖

圖4 新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前后NOx年均濃度分布圖

4 結(jié)語

（1）按照新火電標(biāo)準(zhǔn)的要求，計算了新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后發(fā)電鍋爐的SO2的排放量為6762.12t／a，比實(shí)施前減少排放6457.59t／年，消減幅度高達(dá)48%；NOx的排放量為7490.59t／年，比實(shí)施前減少排放7976.54t／年，消減幅度高52%。

（2）模擬結(jié)果表明，新火電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，SO2熱電及發(fā)電廠排放在濟(jì)南市區(qū)造成的SO2年均濃度將比2010年降低16.5%、NOx的年均濃度降低26.27%，濟(jì)南市區(qū)環(huán)境改善效果明顯。

（3）盡管SO2、NOx的排放量分別消減了48%和52%，但是火電廠SO2、NOx的消減全部來自于發(fā)電鍋爐的消減，火電廠的供熱鍋爐仍有很大的消減空間。如何繼續(xù)改進(jìn)濟(jì)南地區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量將在很大程度上取決于熱電及發(fā)電廠之外的污染源排放控制，尤其是大型工業(yè)污染源的排放削減與控制，只有多管齊下才能更加顯著地降低濟(jì)南空氣中SO2和NOx的污染。

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