文／朱蓉

大規(guī)模風電開發(fā)對城市大氣環(huán)境污染影響的初步研究

文／朱蓉

2005年2月《中華人民共和國可再生能源法》頒布以后，中國可再生能源開發(fā)利用快速發(fā)展，尤其是風電進入了大規(guī)模發(fā)展階段。2006年－2009年期間，中國風電累計裝機容量連續(xù)四年翻番。截止到2013年，中國風電累計裝機容量91412.89MW（臺灣地區(qū)除外），位居全球風電累計裝機容量第一。圖1給出了2000年－2013年河北省風電累計裝機容量的變化，可以看出，2005年－2011年是河北省風電的高速發(fā)展期。中國陸地風能資源豐富區(qū)主要分布在東北、內蒙古、華北北部、甘肅酒泉和新疆北部，如此的資源分布特點，決定了中國風電開發(fā) “大規(guī)模發(fā)展、集中式建設、遠距離輸送”的發(fā)展趨勢。到2050年，中國風電裝機將達到1000 GW，建設8個千萬千瓦級風電基地。在這種發(fā)展形勢下，大規(guī)模風電開發(fā)的生態(tài)和環(huán)境效應問題越來越受到關注。

目前有關大型風電場局地大氣環(huán)境影響方面的研究工作還不是很多。美國斯坦福大學Maria通過建立風電機組葉片與大氣相互作用的動量參數(shù)化關系，估算由于大型風電場建設帶來的全球和區(qū)域大氣能量的損失。結果表明，如果全部用風能滿足全球對能源的需求，風能開發(fā)對1km以下大氣層能量的損失大約0.006%－0.008%，比氣溶膠污染和城市化對大氣能量的損耗小一個量級。丹麥科技大學Risoe實驗室Frandsen通過加大中尺度數(shù)值模式中的地表粗造度，設置了9000km2范圍的大規(guī)模風電場，用數(shù)值模擬方法研究大型風電場的局地大氣環(huán)境影響效應。結果表明，大型風電場下風向風速減弱的影響經過約30km－60km的距離以后就可以恢復。總之，現(xiàn)有的研究都是基于理論計算，大規(guī)模風電開發(fā)的環(huán)境影響效應問題還有待于深入研究。

2013年1月以來，中國中東部地區(qū)多次發(fā)生大范圍、持續(xù)性的重污染天氣，引起了國內外的廣泛關注。國家環(huán)保部的全國空氣質量統(tǒng)計數(shù)據表明，京津冀地區(qū)是全國大氣污染的重災區(qū)，其中又以河北南部城市最為嚴重，圖2是2013年12月北京市、天津市和石家莊市首要大氣污染物PM10污染指數(shù)日變化。為了研究京津冀大氣污染是否與華北大規(guī)模風電開發(fā)有關系，本文將通過分析風電場集中建設區(qū)的地面風速長年變化和北京市、天津市和石家莊市的污染氣象條件長年變化，研究風電大規(guī)模發(fā)展對局地大氣擴散條件的影響。

河北北部及周邊地面風速長期變化

風電機組的運轉會使下風向風速減弱、湍流強度增強。為考察河北張北、承德地區(qū)以及外圍的內蒙古地區(qū)高速的風電發(fā)展是否會造成下游地區(qū)較大范圍內風速減弱，從而影響北京市大氣污染物的擴散，本文在河北北部及周邊內蒙古區(qū)域內選擇了與風電場集中建設區(qū)域較近的11個氣象站，另外還選擇了受周邊環(huán)境變化影響較小的北京密云氣象站，研究1961年－2013年氣象站觀測風速的長年變化（圖3）。從圖3可以看出，1961年－2013年12個氣象站10m高度年平均風速總體上都呈下降趨勢。內蒙古四王子旗、化德，河北張北、懷來和樂亭的地面風速在60年代末和70年代初較長年平均明顯偏高，70年代末以后風速一直趨于減弱。其他各氣象站的地面風速長年代變化不是很明顯，但總體上也是呈減弱的趨勢。表1列出了12個氣象站1961年－2013年平均地面風速的長年變率，可以看出，地面風速減弱最快的是內蒙古四王子旗和河北張北，大約每年減小0.047m/s；其次是內蒙古化德和河北樂亭，分別為0.040m/s/a和0.042m/s/a；年平均地面風速減弱最慢的是河北圍場和豐寧，均為0.006m/s/a。氣象站地面風速減弱的長期變化趨勢形成的原因，有氣候變化背景的作用，也有城市化給氣象站周邊環(huán)境帶來的影響因素。總體來看，12個氣象站地面風速的變化基本上是漸進的，沒有看出有外力影響下的突變。尤其是在2006年－2010年風電開發(fā)突飛猛進期間，12個氣象站均沒有出現(xiàn)風速減弱速度加快的現(xiàn)象。這說明河北北部及周邊內蒙古區(qū)域內目前規(guī)模的風電場建設，對整個區(qū)域的地面風速變化沒有明顯影響。

圖1 2000年-2013年河北省風電累計裝機容量變化

圖2 北京市、天津市和石家莊市2013年12月PM10污染指數(shù)

京津冀地區(qū)污染氣象條件的長期變化

通風量是描述大氣對污染物稀釋擴散能力的污染氣象參數(shù)，數(shù)學表達為：

表1 12個氣象站1961年-2013年平均地面風速（10m高度）的變率

即在混合層高度內，風速與高度乘積的總和，表達了大氣動力與熱力的綜合作用對大氣污染物的清除能力。式中VE表示通風量，是一個通量的概念，單位m2/s； u表示近地層風速，它隨距離地面的高度而變化，單位m/s；H為混合層高度，與大氣穩(wěn)定度和地面風速有關，單位m。通風量大，說明大氣可容納污染物的空間大，也就是有利于污染物的擴散；通風量小，說明混合層高度低且水平風速小，大氣可容納污染物的空間小，擴散能力差，容易導致污染物聚集，造成大氣污染。

采用北京市、天津市和石家莊市1961年－2013年地面觀測定時資料，計算每天北京時02、08、14和20共4個時次的大氣穩(wěn)定度、混合層高度和通風量，然后逐一求取月平均通風量。圖4為冬季（12月、1月－2月）北京市、天津市和石家莊市月平均通風量長年變化趨勢，可以看出，從1961年－2013年北京市和石家莊市冬季月平均通風量都有下降的趨勢；天津市從1961到上世紀80年代以前，冬季月平均通風量變化呈下降趨勢，從21世紀初開始，冬季月平均通風量變化呈上升趨勢。此外，石家莊市大氣對污染物的稀釋擴散能力明顯比北京市和天津市差。在通風量總體降低的變化趨勢下，如果城市建設規(guī)模、人口、機動車以及燃煤消耗等都還在不斷增長，當大氣污染物排放達到或超出大氣環(huán)境容量時，城市空氣質量就會對氣象條件高度敏感。只要連續(xù)兩三天出現(xiàn)不利擴散天氣條件，大氣污染物就在空中聚集，通過二次化學反應生成更多的細粒子，這之后天氣條件有小的好轉，也不足以清除已聚集的大氣污染物，持續(xù)數(shù)天的霾就是這樣發(fā)生的，直到一次強冷空氣過境或出現(xiàn)有效降水，才能徹底將污染物清除。從圖4可以看出，在2006年－2010年河北北部風電高速發(fā)展期間，北京市、天津市和石家莊市的通風量變化沒有出現(xiàn)明顯加快減弱的現(xiàn)象，說明目前河北北部風電開發(fā)對京津冀地區(qū)的重污染天氣的形成沒有構成影響。

國家氣候中心研究得到的京津冀重污染天氣的氣候學成因還有：冬季降水日數(shù)明顯減少；不僅地面風速減小，高空風速也在減??；對流層底層垂直逆溫增強；相對濕度長年變化也呈減小的趨勢，造成霧日數(shù)減少、霾日數(shù)增加。

京津冀地區(qū)大氣污染排放

圖4 北京市、天津市和石家莊市1961年-2013年冬季通風量長年變化

表2 河北省2006年-2012年二氧化硫、氮氧化物和煙（粉）塵排放總量和排名

表2為河北省2006年－2012年二氧化硫、氮氧化物和煙（粉）塵排放總量和在全國各省市中的排名，表中數(shù)據出自國家環(huán)保部環(huán)境統(tǒng)計年報（http://zls.mep.gov.cn/hjtj/ nb/2012tjnb/201312/t20131225_265552. htm）?？梢钥闯?，河北省三種主要大氣污染物的排放量一直位于前列，2006年－2012年期間，二氧化硫排放量有明顯減少，但年排放總量仍在120萬噸以上；2011年－2012年氮氧化物和煙（粉）塵排放量有大幅度增長，氮氧化物排放量超過170萬噸，煙（粉）塵排放量超過120萬噸，均位于全國第一位。

根據國家環(huán)保部中國機動車污染防治年報（http://wfs.mep.gov.cn/ dq/jdc/zh/index.htm），2012年全國汽車保有量前五位的省份依次為廣東、山東、江蘇、浙江和河北；“黃標車”保有量前五位的省份依次為廣東、山東、河北、河南和江蘇。2011年－2013年，河北省機動車氮氧化物和顆粒物排放量均位于全國第一，氮氧化物年排放總量50萬噸－60萬噸，顆粒物年排放總量5萬噸－6萬噸；河北省一氧化碳和碳氫化合物排放量均位于全國第二，一氧化碳年排放總量250萬噸－260萬噸，碳氫化合物年排放總量30萬噸－35萬噸。

2014年3月8日在十二屆全國人大二次會議記者會上，國家環(huán)保部副部長吳曉青在回答中外記者提問時指出，京津冀、珠三角、長三角，單位面積的污染物排放強度是全國平均水平的5倍。三大區(qū)域占全國國土面積的8%，但是卻消耗了全國煤炭的43%，其中以京津冀為最大。同樣在這個區(qū)域，生產了占全國55%的鋼鐵、40%的水泥、52%的汽柴油，這些地方主要污染物的排放量占了全國排放量的30%。

綜上所述，河北省各種大氣污染物的工業(yè)排放量和機動車排放量都位于全國前列、或是首位。尤其是2011年以后，氮氧化物和顆粒物或煙（粉）塵的排放量穩(wěn)居全國第一位。因此，造成京津冀地區(qū)重污染天氣的第一要素應該是過量的大氣污染排放，相比之下，風電開發(fā)的大氣污染環(huán)境影響微不足道。

結論

通過分析河北北部及周邊內蒙古風電開發(fā)區(qū)域內的近53年氣象站10m高度風速長年變化規(guī)律，以及近53年北京市、天津市和石家莊市通風量的長年變化規(guī)律，可以認為，到目前為止河北北部風電開發(fā)對京津冀大氣污染擴散條件沒有明顯影響。近3年以來，京津冀地區(qū)的主要大氣污染物排放量居全國首位，是導致京津冀灰霾天氣頻頻發(fā)生的根本原因。正如國家環(huán)保部副部長吳曉青所說，重污染天氣的形成，污染物排放量大是根本原因，不利于擴散的氣象條件是直接原因，區(qū)域污染和本地污染的疊加是重要的因素。因此，就現(xiàn)階段的持續(xù)時間長且覆蓋范圍大的重污染天氣來說，風電開發(fā)的大氣污染環(huán)境影響可以忽略不計。

(作者單位：國家氣候中心)