萬蕓菲,崔陽陽,吳雪芳,沈 巖,薛亦峰**
(1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048;2. 北京市生態(tài)環(huán)境保護科學(xué)研究院,國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心,北京 100037)
協(xié)同推進減污降碳是我國“十四五”時期的重要規(guī)劃綱要之一,是新發(fā)展階段我國深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)、建設(shè)美麗中國的必然要求[1].京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量逐步改善,但大氣污染物濃度絕對值仍然較高[2],2019 年京津冀及周邊地區(qū)平均超標(biāo)天數(shù)比例為46.90%,是全國平均水平(18.00%)的2.6 倍[3].同時區(qū)域內(nèi)化石燃料消耗和工業(yè)產(chǎn)量大,碳減排還有較大的潛力.加強京津冀區(qū)域二氧化碳(CO2)和大氣污染物協(xié)同控制非常重要.
溫室氣體和大氣污染物協(xié)同控制是當(dāng)前的研究熱點,國內(nèi)外針對二者協(xié)同控制的研究主要分為2 個切入點.一是以行業(yè)部門為研究切入點,對不同措施下的協(xié)同減排效應(yīng)進行分析[4-9],如:劉勝強等[5]通過構(gòu)造協(xié)同減排當(dāng)量指標(biāo)評價單一技術(shù)措施對SO2、NOx和CO2的綜合減排效果,并得出我國鋼鐵行業(yè)僅靠前端和過程控制措施就可實現(xiàn)NOx減排目標(biāo)的結(jié)論;顧阿倫等[6]選取電力、鋼鐵和水泥3 個行業(yè),測算了在“十一五”以來SO2的減排效果,并分析由其帶來CO2減排的協(xié)同效果.二是以區(qū)域內(nèi)時空特征為研究切入點[10-16],識別并預(yù)測某區(qū)域溫室氣體與大氣污染的時空排放特征,進而研究二者之間的協(xié)同排放效應(yīng),如:Zheng 等[10]采用GAINSChina 模型,評估2005—2030 年長三角區(qū)域現(xiàn)行政策下工業(yè)部門大氣污染減排情況,預(yù)測2030 年該區(qū)域SO2排放量將得到控制;楊文濤等[11]利用空間模式分析方法與地理探測器,探究中國地區(qū)2011—2017 年間PM2.5年均質(zhì)量濃度時空分布格局及其成因.
京津冀區(qū)域多基于空氣質(zhì)量改善目標(biāo)下研究制定污染控制措施[17-20],未來在碳達峰碳中和壓力下需要進一步考慮CO2和大氣污染物的協(xié)同控制.因此,為量化京津冀區(qū)域CO2排放特征和評估其與大氣污染物的協(xié)同減排效應(yīng),本研究采用排放因子法[21],對京津冀區(qū)域2011—2017 年的CO2年排放總量進行核算,識別其排放特征與影響因素.在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用線性回歸分析與協(xié)同率等方法,評估該區(qū)域內(nèi)主要大氣污染物(SO2、NOx)與CO2協(xié)同排放情況,并采用情景分析法預(yù)測該區(qū)域的減污降碳潛力,提出未來大氣污染物和CO2協(xié)同減排的對策與建議.
溫室氣體與常規(guī)大氣污染物大多由礦物化石燃料燃燒產(chǎn)生,主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸與電力供應(yīng)等行業(yè)[22-23].此外,人們生活產(chǎn)生的排泄垃圾也會產(chǎn)生CH4和CO2等溫室氣體及污染物,林業(yè)結(jié)構(gòu)的大面積調(diào)整也會對區(qū)域內(nèi)CO2與大氣污染物的排放產(chǎn)生細微影響[24].為全面認識京津冀區(qū)域內(nèi)CO2與大氣污染物的協(xié)同減排特征,對CO2的核算主要包括能源活動、工業(yè)生產(chǎn)過程、土地利用變化與林業(yè)調(diào)整以及廢棄物的焚燒處理4 個方面.
本研究采用排放因子法,對京津冀區(qū)域內(nèi)的CO2進行核算,各領(lǐng)域排放因子取自《省級溫室氣體清單編制指南》[25].
(1)能源活動領(lǐng)域的CO2排放量(E1)計算公式為
式中:V為各能源消費量,F(xiàn)a為各能源排放因子.
(2)工業(yè)生產(chǎn)過程領(lǐng)域的CO2排放計算.本研究對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2排放核算主要包括水泥和鋼鐵2 個工業(yè)類型.
水泥的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放量(E2)計算公式為
式中:D為水泥生產(chǎn)產(chǎn)量,F(xiàn)b為水泥生產(chǎn)過程平均排放因子.
鋼鐵的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放量(E3)計算公式為
式中:D1和D2是石灰石和白云石的消耗量,F(xiàn)1和F2是石灰石和白云石消耗的排放因子;D3是煉鋼消耗生鐵量,C3是煉鋼用生鐵的平均含碳率;D4是煉鋼的鋼材產(chǎn)量,C4是煉鋼的鋼材產(chǎn)品的平均含碳率.
(3)土地利用變化與林業(yè)領(lǐng)域的CO2計算.主要包括木質(zhì)生物質(zhì)生物量碳貯量變化以及森林轉(zhuǎn)化碳排放.鑒于城市森林轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)收集的局限性,在這里只針對森林和其他木質(zhì)生物質(zhì)生物量碳貯量變化所引起的碳排放變化進行統(tǒng)計,包括喬木林、散生木、四旁樹、疏林生長生物量的碳吸收及活立木消耗碳排放所引起的CO2排放變化.
(4)廢棄物焚燒處理領(lǐng)域的CO2排放量(E4)計算.其公式為
式中:m表示某種廢棄物(固體廢棄物、危險廢棄物和污泥);Im指廢棄物的焚燒量;PBm指廢棄物中的碳含量比例;PCm指廢棄物中礦物碳在碳總量中比例;Fm指廢棄物焚燒爐的燃燒效率.
1.2.1 情景分析法
基于京津冀各類消費能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在2017 年消費能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用情景分析法,對京津冀地區(qū)消費能源結(jié)構(gòu)進行合理的假設(shè)調(diào)整和情景模擬,來考察不同情景下京津冀地區(qū)CO2與主要大氣污染物(SO2、NOx)排放量變化情況.以京津冀地區(qū)2017 年能源消費比例為基準情景,衡量能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對CO2與主要大氣污染物(SO2、NOx)排放削減效果,設(shè)置低、中、高3 種減排情景,基于排放因子法,通過估算CO2、SO2與NOx的減排量進行對比分析.2017 年煤炭、燃油、天然氣和其他能源的消費比例分別為46.70%、39.80%、12.30% 和1.20%,假定2018—2023 年期間煤炭、燃油能源消耗量比例降低幅度和天然氣消耗量比例提高幅度分低、中、高3 種減排情景:前者分別降低2.00%、3.00% 和5.00%,后者分別提高4.00%、6.00%和10.00%.
1.2.2 協(xié)同率
為量化溫室氣體和大氣污染物協(xié)同減排效應(yīng),本文參考協(xié)同率作為量化參數(shù)[26],將某能源結(jié)構(gòu)情景下的大氣污染物排放量同基準情景相比的削減量的當(dāng)量值作為分子,CO2排放量同基準情景相比的削減量的當(dāng)量值作為分母,二者比值即為協(xié)同率.為便于分析,本文將2 種空氣污染物NOx、SO2加總,與CO2相比形成綜合協(xié)同率.大氣污染物當(dāng)量值計算方法為:
式中:Q為當(dāng)量值,P表示協(xié)同率,E為某種物質(zhì)排放量,W為排污稅推薦的污染物當(dāng)量,GWP 指某種物質(zhì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的指數(shù),本式中為1,NOx與SO2排污稅污染物當(dāng)量值均為0.95 kg.
區(qū)域內(nèi)煤、石油、天然氣等各類能源消耗數(shù)據(jù)來自2011—2017 年《中國能源統(tǒng)計年鑒》能源平衡表中能源消費總量的數(shù)據(jù);京津冀地區(qū)的國民生產(chǎn)總值(GDP)、人口總數(shù)、工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、林木蓄積量以及垃圾焚燒處理量等來自《天津統(tǒng)計年鑒》《河北省經(jīng)濟年鑒》《北京統(tǒng)計年鑒》;京津冀各地區(qū)SO2、NOx排放量來自國家數(shù)據(jù)網(wǎng)站(https://da‐ta.stats.gov.cn/);CO2排放因子來自《省級溫室氣體編制指南》.
根據(jù)排放因子法,得到京津冀區(qū)域2011—2017年的CO2排放變化(圖1).可以看出,京津冀區(qū)域CO2排放總量呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢.2008 年后北京奧運經(jīng)濟的帶動下,工業(yè)生產(chǎn)總量驟增[27],引起CO2排放量在2011—2013 年持續(xù)上升,2013 年達到排放量的最大值,為17.7 億t. 2013 年之后國家加強大氣環(huán)境監(jiān)管力度,出臺大氣污染減排的各項文件政策[28-29],減排效果顯著,該區(qū)域的CO2排放總量逐漸回落.2017 年降至16.0 億t,較2013 年下降了9.60%. 3 個地區(qū)CO2排放量從高到低依次為河北省、天津市、北京市,該結(jié)果與京津冀區(qū)域的地理位置、產(chǎn)業(yè)特征以及相關(guān)的技術(shù)水平具有直接的聯(lián)系.
京津冀地區(qū)人均GDP 與CO2排放強度的變化趨勢見圖1,2011—2017 年,京津區(qū)人均GDP 逐年上升,2017 年為8.1 萬元,比2011 年增長48.32%;而CO2排放強度不斷下降,2017 年僅為19.8 t/萬元,比2011(35.2 t/萬元)下降38.60%.該區(qū)域CO2排放強度的不斷下降與人均GDP 的不斷上升,啟示未來京津冀區(qū)域可實現(xiàn)經(jīng)濟增長與污染減排的進一步協(xié)同[30].
圖1 2011—2017 年京津冀區(qū)域CO2排放總量及人均GDP、CO2排放強度的變化趨勢
為分析京津冀區(qū)域內(nèi)能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整對CO2減排的影響,本文對區(qū)域內(nèi)煤炭、燃油、天然氣及其他能源4類能源消費量進行統(tǒng)計,得到2011—2017年各類能源消費量在能源消費總量中的比例(圖2).京津冀區(qū)域能源消費仍以煤、油為主,整體比例>80.00%.但其消耗比例逐年下降,說明該區(qū)域能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整取得了階段性進展.然而分開來看,3 個地區(qū)之間的能源調(diào)整存在顯著差異.從煤炭消費來看,北京市在此期間其比例下降趨勢明顯,2017 年降至9.73%,而天津市的比例仍在50.00%左右浮動,河北省更是居高不下,始終高于80.00%,燃油的變動并不明顯.
圖2 2011—2017 年各種能源在能源消費總量中的所占比例變化
造成京津冀地區(qū)之間能源消耗比例參差不齊的原因,可以從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化情況進行分析[31].該區(qū)域在2011—2017 年,第二產(chǎn)業(yè)比例下降2.34%,結(jié)合該區(qū)域能源消費的變化,第二產(chǎn)業(yè)的下降伴隨區(qū)域內(nèi)煤、油能源消費比例的下降.第二產(chǎn)業(yè)包括采礦業(yè)、制造業(yè)、電力等行業(yè),是煤炭、燃油能源消費的主力軍產(chǎn)業(yè).因此對該區(qū)域未來減排研究,可通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進而優(yōu)化能源消費比例,進一步實現(xiàn)減污降碳.
此外,其他因素也對區(qū)域內(nèi)的CO2排放變化產(chǎn)生了一定的影響.2011—2017 年京津冀工業(yè)生產(chǎn)的CO2排放亦呈現(xiàn)逐年下降的趨勢,2011 年排放總量為1.12 億t,隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化,工業(yè)生產(chǎn)量不斷下降,生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2也隨之不斷下降,2017 年減少至0.80 億t,較2011 年下降28.57%.區(qū)域內(nèi)林業(yè)面積增加,對CO2的不斷吸收使得排放總量下降.而廢棄物處理量的增加,產(chǎn)生的CO2排放量增加,但這對整體排放趨勢影響較小.
京津冀地區(qū)不同能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的情景下CO2、SO2與NOx的減排情況見表1,可以看出,在低度減排情景下,京津冀地區(qū)CO2、SO2、NOx排放量可分別下降2.24%、1.35%、1.78%;隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化,逐漸向中度減排情景發(fā)展,此時各排放量可分別下降3.44%、2.02%、2.43%;當(dāng)前京津冀地區(qū)的降碳減排任務(wù)依舊艱巨,若能采取更大的減排力度,能源結(jié)構(gòu)得到進一步的優(yōu)化,則可以達到設(shè)定的高度減排情景.此外,在同等程度的減排情景下,CO2的減排比例最高,NOx次之,SO2的減排程度相對較低.但總體上,隨減排力度的加強,三者減排比例均不斷提高.
表1 京津冀地區(qū)不同能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的情景下不同排放物的減排比例情況 單位:%
以2017 年能源結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),3 種能源結(jié)構(gòu)調(diào)整情景下CO2與大氣污染物的減排協(xié)同率差異顯著.低度減排情景下的CO2與大氣污染物的減排協(xié)同率為9.92/kg CO2當(dāng)量,隨著減排力度的不斷增強,當(dāng)達到中度減排情景時協(xié)同率上升為11.01/kg CO2當(dāng)量;而當(dāng)減排力度再次升高時,達到高度減排情景時協(xié)同率反而降為10.90/kg CO2當(dāng)量.基于3 種模擬情景,中度減排情景下CO2與大氣污染物的減排協(xié)同率相對較高,協(xié)同減排效果相對較好.減排力度過高,反而會抑制二者之間的協(xié)同減排.因此,在未來協(xié)同減排的技術(shù)實施與政策制定上,選擇適宜的減排力度,才能更好地實現(xiàn)減污降碳.
(1)CO2與主要大氣污染物排放協(xié)同性分析.結(jié)合京津冀區(qū)域SO2與NOx的年排放總量,與該區(qū)域CO2的年排放總量進行相關(guān)性分析,如圖3 所示,可以看出:SO2與CO2年排放總量呈明顯正相關(guān),相關(guān)系數(shù) |r|= 0.77 > 0.75(判定系數(shù)R2=0.606 8),說明減少煤油能源消耗所占比例對區(qū)域內(nèi)SO2和CO2協(xié)同減排效果較為顯著;而NOx與CO2相關(guān)性并不顯著,相關(guān)系數(shù)為 |r|= 0.36 < 0.50(判定系數(shù)R2=0.134 4),則需進一步降低交通、工業(yè)等領(lǐng)域的油品消耗.
圖3 京津冀區(qū)域CO2與大氣主要污染物年排放總量的相關(guān)性分析
造成這種排放相關(guān)性差異的原因分析如下:從排放機制來看,SO2排放主要來自化石燃料燃燒,CO2的排放除小部分來自石灰石煅燒外,絕大部分也來自化石燃料燃燒,因而SO2排放與CO2排放具有同源排放特征[32].而NOx的來源絕大部分為天然源,極小部分為人為源,主要由汽車等移動源以及工業(yè)窯等固定源組成,與CO2的排放途徑協(xié)同性不高.從反應(yīng)機制來看,CO2遇H2O(水蒸氣)生成H2CO3,進而與SO2反應(yīng)產(chǎn)生CO2,SO2與CO2在此情況下不斷進行可逆反應(yīng),相互促進彼此生成,這也是二者排放協(xié)同性相對較高的重要原因.
(2)京津冀區(qū)域減排潛力分析.為判斷該區(qū)域的減排潛力,將2018 年世界能源的消費比例[33]作為參考,2017 年北京市、天津市和河北省煤炭和燃油消費比例分別為72.60%、91.42%、97.84%(表2),均高于世界能源消費煤及燃油消費平均水平(60.80%).從能源結(jié)構(gòu)看,減排潛力由小到大依次為:北京市、天津市、河北省.其中,河北省對高碳排放產(chǎn)業(yè)的依賴性相對較高[34],2017 年煤炭能源消費比例高達88.53%,需持續(xù)革新工業(yè)技術(shù)來降低煤炭消耗;天津市的煤炭、燃油消耗總比例與河北省相差不大,但均高于2018 年世界平均水平;北京市能源減排潛力相對較小,但2017年北京市燃油消耗比例為65.40%,較2018 年世界能源數(shù)據(jù)仍有差距,未來減排應(yīng)大力發(fā)展清潔化運輸設(shè)備來實現(xiàn)燃油消耗下降.
表2 不同地區(qū)能源消費比例 單位:%
本研究基于排放因子法,計算得到京津冀區(qū)域2011—2017 年CO2的排放變化特征并分析其影響因素,對該區(qū)域大氣污染物與CO2的協(xié)同減排作出評估并分析其減排潛力,得出以下結(jié)論:
(1)京津冀區(qū)域2011—2017 年CO2排放總量呈現(xiàn)先上升后下降的排放趨勢,2011—2013 年CO2排放量逐年上升,2013 年達到7 年間最大值17.7 億t,隨后各項大氣減排政策出臺,CO2減排效果顯著,總量逐年下降,2017 年降低至16.0 億t,較2013 年下降了9.60%.
(2)基于3 種減排情景,可以發(fā)現(xiàn)隨著煤炭、燃油能源消耗比例的不斷下降,CO2、NOx與SO2減排比例均不斷增加,其中CO2的減排相對明顯;從協(xié)同減排的角度來看,在煤炭、燃油消耗比例各減少3.00%、天然氣增加6.00%時,CO2與大氣污染物之間的協(xié)同減排相對較好.
(3)從年排放總量出發(fā),SO2與CO2相關(guān)系數(shù)|r|= 0.77 > 0.75,協(xié)同排放相關(guān)性好,說明減少煤油能源的消耗比例對于區(qū)域內(nèi)SO2和CO2協(xié)同減排效果較為顯著;NOx與CO2相關(guān)系數(shù) |r|= 0.36< 0.50,則需要進一步降低交通、工業(yè)等領(lǐng)域油品消耗.
(4)將世界能源結(jié)構(gòu)作為參考,京津冀地區(qū)污染物減排潛力由小到大依次為:北京市、天津市、河北省.河北省煤炭消耗比例過高,未來減排應(yīng)側(cè)重于革新工業(yè)技術(shù)實現(xiàn)煤炭消耗下降.天津市能源結(jié)構(gòu)相對較合理,但均高于世界平均水平.北京地區(qū)燃油消耗比例高,應(yīng)大力發(fā)展清潔化運輸設(shè)備來實現(xiàn)燃油消耗下降.
結(jié)合上述對京津冀地區(qū)CO2排放量變化特征及其與主要大氣污染物的排放協(xié)同性的探究分析,總結(jié)其對未來政策制定或調(diào)整的建議,具體內(nèi)容包括:(1)因地制宜實施CO2減排方案.京津冀區(qū)域的能源消費結(jié)構(gòu)參差不齊,CO2減排潛力不等,減排重點不一,必須以不同地區(qū)能源消費結(jié)構(gòu)為出發(fā)點,綜合考慮當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點,制定減排目標(biāo).(2)持續(xù)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu).京津冀地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)尚不成熟,加快推動能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級,促進京津冀地區(qū)綠色發(fā)展生產(chǎn),是實現(xiàn)源頭減排的重要措施.(3)設(shè)計CO2和大氣污染物減排方案的最優(yōu)化.識別CO2與大氣污染物的排放協(xié)同效應(yīng),選擇適宜的減排力度,設(shè)計合理的減排目標(biāo)與減排比例,是實現(xiàn)協(xié)同減排的關(guān)鍵.(4)動態(tài)調(diào)整協(xié)同減排方案與政策.現(xiàn)有政策的主體內(nèi)容應(yīng)根據(jù)實際情況進行調(diào)整,及時評估效果,根據(jù)需要調(diào)整方案,保障政策的順利實施.加強對空氣質(zhì)量的監(jiān)控,可以細致地監(jiān)督和管理各地區(qū)實時減排情況和空氣質(zhì)量狀況.