牛武江，張 寧，王一帆，項(xiàng) 明

甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站， 甘肅 蘭州 730020

位于黃河上游的蘭州市東西長(zhǎng)約35 km，南北寬約2～8 km，是一個(gè)典型的半封閉啞鈴狀河谷盆地，屬中溫帶大陸性氣候，年均降水量360 mm，年均氣溫9.3 ℃。特殊的地理環(huán)境造成蘭州市逆溫頻率高，以冬季最多，最高可達(dá)99%，夏季也達(dá)50%左右；逆溫層厚度12月平均為700 m左右，其他季節(jié)也達(dá)約350 m；月平均風(fēng)速只有0.26～1.54 m/s，年平均約1.0 m/s，冬季僅為0.26～0.54 m/s；年平均靜風(fēng)率高達(dá)62.7%，冬季則達(dá)87%。逆溫層厚、風(fēng)速小，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，污染物向外遷移能力弱，城區(qū)大氣環(huán)境容量約為3～4 t/h，但排放量高達(dá)10 t/h以上[1]，大氣質(zhì)量下降就是必然的結(jié)果[2]。

近年來(lái)，大氣污染對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公眾健康的影響受到普遍關(guān)注，而蘭州市的空氣污染對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的影響尤其嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年因大氣污染造成的經(jīng)濟(jì)損失貨幣值為11.14億元[3]，2002年增長(zhǎng)為11.46億元[4]，同時(shí)污染對(duì)人體健康造成危害[5]，尤以對(duì)呼吸系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重[6]，且女性人群較男性更為敏感[7]，2006年因大氣污染對(duì)人體健康造成的經(jīng)濟(jì)損失為4.74億元，占GDP的1.13%，成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[8]。

為控制蘭州市的大氣污染，各級(jí)政府采取了一系列防治措施，早在“八五”期間就提出了以氣化工程、熱化工程、陽(yáng)光工程和煤型工程等為主的“蘭天計(jì)劃”，經(jīng)多年的努力已取得初步成效，污染狀況得到顯著改善。該文基于2001—2010年蘭州市消耗能源種類與主要污染物組成及行業(yè)分布，分析了相互間的關(guān)系，為科學(xué)調(diào)控能源結(jié)構(gòu)改善大氣質(zhì)量提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

蘭州市2001—2010年重點(diǎn)工業(yè)(電力、蒸汽熱水產(chǎn)供業(yè)、有色金屬冶煉加工業(yè)、石油加工業(yè)、建材非金屬礦制品業(yè)、黑色金屬冶煉加工業(yè)、化學(xué)工業(yè)及紡織業(yè)和機(jī)械工業(yè)共8個(gè)主要能源消耗行業(yè))的燃煤、燃油(未包括居民生活用部分)和燃?xì)?項(xiàng)主要能源消耗，廢氣(8個(gè)主要能源消耗行業(yè))、煙塵、SO2、NOx4項(xiàng)主要污染物排放，以及在如上8個(gè)行業(yè)的分布數(shù)據(jù)，均來(lái)源于蘭州市環(huán)保局編撰的2001—2005年和2006—2010年《蘭州市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書》。

1.2 研究方法

3種主要能源材料消耗與4種污染物間的相關(guān)性分析采用Microsoft Excel中的Correl功能，計(jì)算2組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 2001—2010年主要能源材料消耗

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源資源的開(kāi)發(fā)利用在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[9-10]。但傳統(tǒng)的以煤為主要燃料的能源結(jié)構(gòu)已不適合于城市生活，特別是改革開(kāi)放以來(lái)城市人口急劇增長(zhǎng)，國(guó)民生產(chǎn)總值飛速發(fā)展，使能源消耗大幅度增加，所產(chǎn)生的污染也與日俱增。作為周邊煤炭資源相對(duì)豐富的蘭州市，一直以煤為主要能源，如2001年燃煤消耗占全部能源的91.6%，而燃?xì)鈨H占約1.1%(表1)。但在10年間燃煤比例逐步下降，2010年降至約65%，燃?xì)獗壤齽t升至約35%，且燃油比例也在逐步降低，由2001年的7%降至2010年的0.2%(是隨總量上升的相對(duì)下降，絕對(duì)消耗量約為2001年的15%)。而最顯著的是燃?xì)庀牧康募眲≡鲩L(zhǎng)，10年間增長(zhǎng)了130多倍。

表1 2001—2010年蘭州市重點(diǎn)工業(yè)能耗(標(biāo)煤) kt

2.2 2001—2010年主要污染物組成變化

以廢氣、煙塵、SO2和NOx為主要代表的污染物總量列于表2。10年間廢氣總量呈增加趨勢(shì)，2009年達(dá)到高峰，總量比2001年增加了一倍以上，但2010年出現(xiàn)回落。煙塵總量呈現(xiàn)逐步減少的可喜局面，2010年比2001年減少一半以上。SO2排放在2006年以前呈增加趨勢(shì)，但到此后進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的保持狀態(tài)，盡管有所波動(dòng)，但總量變化不顯著。NOx呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，10年間排放量增加了約50%。

表2 2001—2010年蘭州市主要污染物

2.3 主要能源材料消耗與污染物組成的相關(guān)性

對(duì)2001—2010年蘭州市主要能源消耗與主要污染物產(chǎn)生之間的相關(guān)性進(jìn)行分析(表3)，可以發(fā)現(xiàn)，廢氣污染的主要來(lái)源與燃煤和燃?xì)獬蕪?qiáng)正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r分別為0.87和0.92)；煙塵的產(chǎn)生與燃煤和燃油呈強(qiáng)正相關(guān)，但與燃?xì)庀某守?fù)相關(guān)；SO2排放量與燃料性質(zhì)的相關(guān)性與廢氣一致，主要由燃煤和燃?xì)猱a(chǎn)生；NOx的排放卻與燃?xì)獬蕪?qiáng)正相關(guān)(r=0.83)。但除煙塵排放量與能源消耗總量之間呈負(fù)相關(guān)(r=-0.49)外，其余3種主要污染物排放量都與消耗總量呈強(qiáng)正相關(guān)。

表3 2001—2010年蘭州市主要污染物與能源種類的相關(guān)性分析

注：燃油統(tǒng)計(jì)僅為主要工業(yè)企業(yè)消耗量，故未計(jì)入相關(guān)性分析。

2.4 2001—2010年蘭州市工業(yè)廢氣污染負(fù)荷行業(yè)分布

對(duì)2001—2010年蘭州市8個(gè)能源消耗主要行業(yè)的工業(yè)廢氣污染負(fù)荷分布(表4)分析可見(jiàn)，污染負(fù)荷最大的行業(yè)是電力、蒸汽熱水產(chǎn)供業(yè)，占總量的50%左右；其次為有色金屬冶煉加工業(yè)，污染負(fù)荷2006年減至約10%，但2007年后又逐步上升。值得注意的是石油加工業(yè)和建材非金屬礦制品業(yè)的污染負(fù)荷比例在逐步提高；黑色金屬冶煉加工業(yè)波動(dòng)較大，但主要趨勢(shì)是上升；化學(xué)工業(yè)的污染負(fù)荷呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)。紡織業(yè)和機(jī)械工業(yè)所占比例較小，變化也不是特別明顯。

表4 2001—2010年蘭州市工業(yè)廢氣污染負(fù)荷行業(yè)分布 %

2.5 討論

我國(guó)消耗著全球10%的能源，且這一比例還在持續(xù)增加，其中75%為煤炭，因而能源消耗不僅對(duì)中國(guó)，也對(duì)全球的環(huán)境產(chǎn)生重要影響[11]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)主體向西部的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，以及中央實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，蘭州市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展必將接受新的考驗(yàn)，特別是環(huán)境負(fù)荷必將進(jìn)一步加大。如何在能源與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的協(xié)調(diào)發(fā)展方面尋找合理的關(guān)系，成為實(shí)現(xiàn)蘭州市可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。

近年來(lái)，大量科技工作者對(duì)我國(guó)城市能源結(jié)構(gòu)與大氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了分析，如Zhao[12]對(duì)北京市1997—2006年能源結(jié)構(gòu)的分析證實(shí)，1997年總能源消耗為3 161.9萬(wàn)t標(biāo)煤，2006年增至5 682.2萬(wàn)t標(biāo)煤，但單位GDP能耗卻由約1.7 t標(biāo)煤降至0.72 t，而能源組成中盡管煤仍占主要地位，比例卻由1997年的41.47%降至2006年的24.47%。而據(jù)Zhao等[13]的預(yù)測(cè)，通過(guò)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，2020年北京市PM10、PM2.5、SO2、NOx和非甲烷揮發(fā)性有機(jī)物(NMVOCs)排放量比2005年分別下降34.0%、53.2%、78.3%、47.0%、30.6%。余曄等[14]對(duì)蘭州市2001—2007年空氣質(zhì)量的分析顯示，蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度由2001年的236 μg/m3下降為2007 年的127 μg/m3；銀川市2000—2009年大氣中SO2、NO2、PM10質(zhì)量濃度降幅分別達(dá)45%、22%、43%[15]，充分證實(shí)能源結(jié)構(gòu)與空氣質(zhì)量密切相關(guān)[16]。

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效的燃料，具有節(jié)能、污染少等特點(diǎn)，與燃料煤和石油相比，C、N、CO含量低，幾乎不含S[17]，燃燒效率高，單位產(chǎn)能的CO2和NO2排放量比燃煤和燃油分別減少25%和50%，N2O排放量減少70%以上[18]。SO2、NOx排放量與燃煤、燃?xì)馐褂昧砍蕪?qiáng)正相關(guān)僅僅是因?yàn)槠渥兓厔?shì)一致，SO2主要是由燃煤產(chǎn)生[19]，但NOx在統(tǒng)計(jì)期間僅增加43.57%，而燃煤消耗量增加2倍，燃?xì)庠黾?34倍，盡管這2種燃料的NOx排放量小，但絕對(duì)量仍然在增加，故此其相關(guān)性為正并不能證明是由燃煤或燃?xì)猱a(chǎn)生。

但歷史造就的蘭州市能源結(jié)構(gòu)難以在短期內(nèi)得到改善，特別是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，蘭州市的能源消耗仍在持續(xù)增長(zhǎng)，2001—2010年標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量增長(zhǎng)了4倍多，盡管以天然氣為主要內(nèi)容的清潔能源得到應(yīng)用，燃煤仍然由2001年的283.6萬(wàn)t增至2010年的848.3萬(wàn)t(表1)，同時(shí)各污染物的排放量也在增加(表2)。從污染負(fù)荷的行業(yè)分布可見(jiàn)，一半左右的污染負(fù)荷是電力、蒸汽熱水產(chǎn)供業(yè)，而這部分能源除與工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)外，還與人民生活息息相關(guān)。但作為水電資源豐富的蘭州市，與黃河上游已建成、在建及規(guī)劃的15個(gè)梯級(jí)電站距離均較近，電力供應(yīng)在很大程度上可由水電替代，而這一部分正是蘭州市能源結(jié)構(gòu)改變具有巨大潛力的部分。

隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，特別是天然氣在能源中所占比例的增加，大氣質(zhì)量在逐步改善，2001—2010年燃煤消耗量增加了3倍，但廢氣排放總量只增加了約1.8倍，而煙塵排放量卻減少了約54%，SO2和NOx也均各增加了約50%(表2)，證實(shí)能源結(jié)構(gòu)對(duì)減少空氣污染具有顯著作用。隨著燃?xì)?、水電等清潔能源消耗比例的增加，蘭州市的能源結(jié)構(gòu)會(huì)更加合理，污染將大幅度減少。隨著能源結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善，最終實(shí)現(xiàn)蘭州市環(huán)境清潔優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、生態(tài)良性循環(huán)的西北大都市的戰(zhàn)略目標(biāo)指日可待。

3 結(jié)論

1)隨能源結(jié)構(gòu)的改變，盡管蘭州市能源消耗總量在逐步上升，但煙塵排放總量卻在逐步減少且與能量消耗呈負(fù)相關(guān)，證實(shí)煙塵主要來(lái)源于燃煤。

2)蘭州市2001—2010年廢氣排放總量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但2010年出現(xiàn)回落，且煙塵總量2010年比2001年減少50%以上，SO2排放也在2006年進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，而NOx10年間排放量在能源消耗增加4.2倍的情況下僅增加了約50%，顯現(xiàn)出能源結(jié)構(gòu)變化對(duì)大氣質(zhì)量改善的巨大作用。

3)依據(jù)蘭州市地理環(huán)境特點(diǎn)和主要污染源為電力、蒸汽熱水產(chǎn)供業(yè)的現(xiàn)狀，蘭州市今后的能源結(jié)構(gòu)改善應(yīng)充分發(fā)揮地域優(yōu)勢(shì)，增加以水電為主的電力供應(yīng)，替代以燃煤為主的電力生產(chǎn)，并進(jìn)一步創(chuàng)造條件增加電力供暖，是蘭州市大氣質(zhì)量得到顯著改善的重要舉措。

[1] 陳長(zhǎng)和. 復(fù)雜地形上大氣邊界層和大氣擴(kuò)散的研究[M]. 北京: 氣象出版社, 1993:193-204.

[2] 楊德保, 王式功, 黃建國(guó). 蘭州市區(qū)大氣污染與氣象條件的關(guān)系[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 1994, 30(1):132-136.

[3] 付鐵, 袁九毅. 蘭州市大氣污染造成的經(jīng)濟(jì)損失估算[J]. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 16(3):106-109.

[4] 李江, 梁文壽. 蘭州市大氣污染經(jīng)濟(jì)損失初步估算[J]. 甘肅科技, 2005, 21(9):15-17.

[5] 張秉玲，牛靜萍，曹娟，等. 蘭州市大氣污染與居民健康效應(yīng)的時(shí)間序列研究[J]. 環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志,2011, 1(2):1-6.

[6] 王燕俠, 牛靜萍, 丁國(guó)武，等. 蘭州市大氣污染對(duì)青春期青少年肺功能的影響[J]. 環(huán)境與健康雜志, 2007, 24(6):415-418.

[7] 陶燕, 王式功, 米生權(quán)，等. 蘭州市大氣污染對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病影響的時(shí)間序列研究[C]. 2011年全國(guó)環(huán)境衛(wèi)生學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2011：59-64.

[8] 張國(guó)珍, 褚潤(rùn), 南忠仁. 蘭州市大氣污染對(duì)人體健康影響及經(jīng)濟(jì)損失研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008, 22(8):120-123.

[9] 周新.中國(guó)的能源消費(fèi)和改善大氣環(huán)境質(zhì)量的戰(zhàn)略分析[J].環(huán)境保護(hù), 2003(7)：49-51.

[10] 江澤民. 對(duì)中國(guó)能源問(wèn)題的思考[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,42(3):345-359.

[11] McKibbin W J.Global Energy and Environmental Impacts of an Expanding China [J]. China & World Economy, 2006, 14(4):38-56.

[12] Zhao H. An Investigation and Study of the Terminal Energy Consumption in Beijing [J]. International Journal of Business and Management, 2008, 3(4):174-178.

[13] Zhao B. Xu J. Hao J. Impact of energy structure adjustment on air quality: a case study in Beijing, China. Frontiers of Environmental Science and Engineering in China [J]. Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2011, 5(3):378-390.

[14] 余曄，夏敦勝，陳雷華，等. 蘭州市 PM10污染變化特征及其成因分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(1):22-28.

[15] 舒志亮，樊韜，翟濤，等. 銀川市2000—2009年空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)分析[J]. 寧夏工程技術(shù), 2011, 10(2):97-100.

[16] 徐惠, 劉振全, 翟鈞. 天然氣應(yīng)用對(duì)蘭州大氣環(huán)境的影響[J]. 重慶環(huán)境科學(xué). 2002, 24(5):67-69.

[17] 巫建光，蔣海貴，解義勇. 馬鞍山市二氧化硫排放總量與污染控制方案[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2000,13(6):4-6.

[18] 趙力軍, 吳國(guó)寄. 天然氣應(yīng)對(duì)大氣環(huán)境的污染[J]. 煤氣與熱力, 1998, 18(5):45-47.

[19] 郝吉明, 賀克斌. 中國(guó)燃煤二氧化硫污染控制戰(zhàn)略[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 1996, 16(3):208-212.