伯 鑫，王 剛，溫 柔，何友江，丁 峰，吳成志，孟 凡*

（1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京100012；2環(huán)境保護部國家環(huán)境保護環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室，北京 100012；3.三捷環(huán)境工程咨詢（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012；4.清華大學環(huán)境學院，北京 100084；5.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

京津冀地區(qū)火電企業(yè)的大氣污染影響

伯 鑫1，2，王 剛3，溫 柔4，何友江5，丁 峰1，2，吳成志3，孟 凡5*

（1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京100012；2環(huán)境保護部國家環(huán)境保護環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室，北京 100012；3.三捷環(huán)境工程咨詢（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012；4.清華大學環(huán)境學院，北京 100084；5.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

以在線監(jiān)測、環(huán)評、驗收等火電企業(yè)排放數(shù)據(jù)為基礎，自下而上編制京津冀火電企業(yè)排放清單，利用氣象模式WRF生成中尺度氣象數(shù)據(jù)，采用CALPUFF空氣質(zhì)量模式模擬了不同情境下京津冀地區(qū)火電企業(yè)排放SO2、NOx、一次PM10，以及二次生成硫酸鹽、硝酸鹽等污染情況.結(jié)果顯示，2011年京津冀地區(qū)火電行業(yè)排放污染物對京津冀西南部地區(qū)影響較大，各污染物年均最大濃度均出現(xiàn)在石家莊市；采取減排措施后，京津冀地區(qū)火電排放量SO2、NOx、煙粉塵總量與2011年火電排放現(xiàn)狀相比 ，分別下降了33%、71%、68%；減排后火電行業(yè)對各城市SO2、NOx、一次PM10，以及二次生成硫酸鹽、硝酸鹽年均貢獻濃度均大幅度減少，年均貢獻最大值分別降低46.34%、78.43%、76.34%、39.49%、73.87%.

京津冀；火電；排放清單；CALPUFF；大氣污染

近年來，隨著京津冀地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，能源消耗量、污染物排放量持續(xù)增長，給區(qū)域環(huán)境帶來巨大壓力.2013年京津冀地區(qū)北京、天津、石家莊、唐山、邯鄲等主要城市PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)“爆表”現(xiàn)象，大氣污染問題形勢十分嚴峻［1-2］.

目前，研究者對京津冀地區(qū)大氣污染成因開展一系列研究［3-11］.基于歷史排放數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒或衛(wèi)星影像資料等方法估算污染源排放量.另外，郝吉明等［12-13］研究結(jié)果表明，1999年、2000年北京電廠SO2排放量均占當年總量49%，而對北京濃度貢獻率分別為8%、5.3%；顏鵬等［14］（2006）研究結(jié)果表明，2001年北京工業(yè)點源對北京SO2濃度貢獻率為3%，北京地區(qū)工業(yè)點源排放量雖然占總量較大，但對當?shù)氐拇髿馕廴疚餄舛蓉暙I較小.

2011年京津冀地區(qū)火電行業(yè)裝機容量總計為5407萬kW［15］，SO2、NOx、PM10排放量［16］分別占京津冀污染物總量［17］的25.02%、39.55%、5.73%，而目前尚無研究對京津冀地區(qū)火電企業(yè)大氣污染影響加以分析.為了定量弄清京津冀地區(qū)火電企業(yè)大氣污染情況，本研究以在線監(jiān)測（CEMS）、環(huán)評、驗收等火電排放數(shù)據(jù)為基礎，自下而上編制京津冀火電企業(yè)排放清單，利用氣象模式WRF生成中尺度氣象數(shù)據(jù)，采用CALPUFF空氣質(zhì)量模式模擬了不同情境下京津冀地區(qū)火電企業(yè)排放SO2、NOx、一次PM10，以及二次生成、等污染情況.

1 基于在線監(jiān)測、環(huán)評、驗收數(shù)據(jù)火電企業(yè)排放清單

1.1 研究區(qū)域

本研究范圍包括北京、天津2個直轄市和河北的石家莊、唐山、邯鄲、邢臺、衡水、滄州、張家口、承德、秦皇島、廊坊、保定全部11個地市.東西長600km，南北寬800km，總面積48萬km2（圖1）.

1.2 清單情況

本研究排放清單（Emissions Inventory Of Power Plants In the Beijing-Tianjin-Hebei Area，BTH-Power Plant version 1.0）基準年為2011年，數(shù)據(jù)來源主要為在線監(jiān)測、環(huán)評、驗收等數(shù)據(jù)，其中在線監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于環(huán)保部環(huán)境監(jiān)察局重點污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)，環(huán)評、驗收數(shù)據(jù)來源于環(huán)保部歷年審批的火電項目.

與已有的排放清單相比，本研究的火電污染源清單有以下幾處較大改善：

（1） 建立利用在線監(jiān)測火電企業(yè)污染源清單，在國內(nèi)尚屬首次，突破了傳統(tǒng)排放因子法的瓶頸，提高了污染源排放清單的時間分辨率；

（2） 整個排放數(shù)據(jù)是建立在環(huán)境保護部權(quán)威部門的統(tǒng)計資料基礎上，數(shù)據(jù)審核和處理過程中環(huán)評數(shù)據(jù)、驗收數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可相互補充，相互對比，有利確保數(shù)據(jù)的可靠性；

（3） 驗收數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)均為現(xiàn)狀存在的排放數(shù)據(jù)，可有效解決傳統(tǒng)清單中淘汰火電機組列入統(tǒng)計的問題.

圖1 2011年京津冀火電廠分布Fig.1 The location of thermal power plant in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2011

表1 京津冀火電清單比較情況（萬t/a）Table 1 The comparison of thermal power emission inventory in Beijing-Tianjin-Hebei region（ten thousand t / a）

本研究結(jié)果表明，2011年京津冀地區(qū)火電企業(yè)123家（圖1），裝機容量為5230萬kW，中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告顯示2011年京津冀火電裝機容量為5407萬kW.本研究清單各污染物年排放量與INTEX-B、中國環(huán)境統(tǒng)計年報的比較結(jié)果見表1，本清單各城市火電企業(yè)排口以及污染物排放情況見表2.本研究統(tǒng)計結(jié)果與其他研究的結(jié)果存在部分差異，主要是因為本研究的清單（BTH-Power Plant v1.0）是自下而上編制的，大氣排放數(shù)據(jù)主要來自企業(yè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，而其他研究的清單主要為自上而下編制，大氣排放數(shù)據(jù)主要考慮燃料消耗、排放因子等因素，另外基準年不同也是其中一個原因（INTEX-B為2006年）.

表2 京津冀各城市火電廠排放情況（萬t/a）Table 2 Emission of air pollutants from thermal plants in cities of Beijing-Tianjin-Hebei region（ten thousand t/a）

2 預測模型及參數(shù)

2.1 模型介紹

CALPUFF模式系統(tǒng)是美國環(huán)保署推薦的用于模擬污染物輸送、轉(zhuǎn)化的法規(guī)模式，也是中國大氣環(huán)境影響評價的法規(guī)模式之一［18］，模式為非穩(wěn)態(tài)三維拉格朗日煙團模式，結(jié)合時空變化的氣象場條件，考慮了復雜地形動力學效應以及靜風等非穩(wěn)態(tài)條件，CALPUFF在國內(nèi)外區(qū)域大氣污染模擬領(lǐng)域已得到了廣泛的應用［19-30］. CALPUFF模式系統(tǒng)主要包括CALMET氣象模式、CALPUFF擴散模式以及一系列前/后處理程序［30］.CALMET模式可利用地形、土地類型、氣象觀測數(shù)據(jù)以及中尺度氣象模式數(shù)據(jù)，生成擴散模式CALPUFF所需的三維氣象場，包括風場、溫度場等［31］.常用的中尺度氣象模式有MM5和WRF，其中WRF為代表著最新技術(shù)的下一代氣象模式，WRF可利用地形、土地類型、氣象觀測數(shù)據(jù)、以及全球氣象初始場數(shù)據(jù)，預測更高時空分辨率的氣象場.CALPUFF模式利用CALMET產(chǎn)生的氣象場，模擬污染源排放污染物的輸送、擴散、沉降等過程［32］.

CALPUFF模式中的化學轉(zhuǎn)化過程為線性，用于計算化學反應生成硫酸鹽和硝酸鹽的化學機制有MESOPUFF II和RIVAD3/ARM3［32］.這2種化學機制均需使用臭氧和NH3，結(jié)合SO2和NOx濃度以及氣象條件，計算小時變化的轉(zhuǎn)化速率及化學平衡常數(shù).MESOPUFF II化學機制包含SO2轉(zhuǎn)化成、NOx轉(zhuǎn)化成的化學過程，該轉(zhuǎn)化可在氣相和液相反應中發(fā)生.該機制中，使用臭氧替代羥基自由基只在白天適用，夜間SO2和NOx的轉(zhuǎn)化取決于多相反應，反應速率遠遠低于白天，轉(zhuǎn)化速率分別采用模式默認值0.2%和2.0%.RIVAD3/ARM3假定揮發(fā)性有機物的背景濃度較低，適用于相對清潔的非市區(qū)，該化學機制中硫酸鹽和硝酸鹽的生成速率可通過計算羥基自由基的穩(wěn)定度來估算，它不能準確估算SO2到硫酸鹽的液相氧化，而是假定SO2多相氧化速率為常數(shù)0.2%.

2.2 模型參數(shù)設置

本研究選用CALPUFF擴散模式6.42版本和WRF氣象模式（ARW3.2.1版本）.模式均采用蘭伯特投影，中央經(jīng)緯度為35.73°N，112.9141°E，第一標準緯線為25°N，第二標準緯線為47°N，北偏3955.691km，東偏673.113km.區(qū)域內(nèi)地形高度和土地利用類型等資料來自美國地質(zhì)勘探局（USGS），其中地形數(shù)據(jù)精度為90m，土地利用類型數(shù)據(jù)精度為1km.地面氣象數(shù)據(jù)、高空探測資料和降水資料都來自氣象模式WRF，并通過CALWRF轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換WRF模式的輸出結(jié)果，用于運行CALMET模式生成三維逐時氣象場.CALMET模式中垂直方向包含10層，頂層高度分別為20，40，80，160，320，640，1200，2000，3000，4000m水平網(wǎng)格分辨率為10km，東西向60個格點，南北向80個格點.CALPUFF模式中采用MESOPUFF II化學機制，模擬污染物為SO2、 NOx、、和HNO3.臭氧和NH3月均濃度默認為80×10-9和10×10-9.

CALPUFF模式中各火電廠作為點源處理，需輸入地理坐標、煙囪高度和煙囪內(nèi)徑，煙氣出口速率和出口溫度等信息，并結(jié)合在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定污染源排放速率的月變化系數(shù)，考慮各污染物的干濕沉降.計算時間步長按一小時考慮，本研究分別模擬火電廠SO2、NOx、一次PM10，以及二次生成、的小時濃度、日均濃度、年均濃度.

3 結(jié)果與討論

3.1 現(xiàn)狀情況火電排放貢獻影響

以2011年京津冀地區(qū)現(xiàn)有火電企業(yè)污染物排放為污染源，采用CALPUFF模式對研究區(qū)域內(nèi)的各污染物濃度時空分布進行模擬，得出

研究區(qū)域內(nèi)SO2、NOx、一次PM10、、年均質(zhì)量濃度分布，見圖2.研究區(qū)域內(nèi)SO2、NOx小時最大濃度見圖3，對各城市污染物年均質(zhì)量濃度貢獻見表3.從圖2、圖3、表3可以看出，SO2、NOx、一次PM10、、年均最大濃度均出現(xiàn)在石家莊市，這與石家莊市各污染物排放量較大有較高的相關(guān)性，即本地污染源對年均濃度有較高的貢獻；SO2小時高濃度區(qū)域出現(xiàn)在保定市、邯鄲市、北京市、張家口市，NOx小時高濃度除了廊坊市、滄州市之外，其他城市均出現(xiàn)大面積小時高濃度區(qū)域［33］，另一方面，也說明了周邊污染源對短期高濃度比對長期高濃度影響有更大的貢獻，這與孟偉等［4］研究得出的“無特殊天氣時，本地源貢獻大于周邊源，有特殊天氣時，周邊源貢獻可能大于本地源”的結(jié)論相互印證.表4統(tǒng)計了由火電企業(yè)排放顆粒物前體物（SO2、NOx）生成的二次顆粒物、）濃度貢獻占火電企業(yè)排放總PM10濃度貢獻比例，從模擬結(jié)果可以看出，京津冀火電企業(yè)排入各城市環(huán)境中總PM10濃度中二次顆粒貢獻比例為50%以上，說明火電行業(yè)顆粒物對京津冀大部分地區(qū)主要以二次污染為主，二次顆粒物中又以硝酸鹽比例較大.這與火電行業(yè)NOx排放量較大有關(guān)外，還與NOx較SO2更容易被氧化有關(guān).

表3 京津冀火電廠對各城市污染物年均濃度的貢獻（μg/m3）Table 3 The annual average concentrations of air pollutants from thermal power plants in Beijing-Tianjin-Hebei region （μg/m3）

表4 火電企業(yè)排入各城市環(huán)境中總PM10濃度中二次顆粒的組分比例（%）Table 4 The proportion of each secondary particle in the annual average concentration of total PM10from hermal power industry in Beijing-Tianjin-Hebei region（%）

圖2 京津冀地區(qū)火電廠排放的SO2、NOx、硫酸鹽、硝酸鹽及一次PM10年均濃度分布Fig.2 The distribution of annual average concentrations of SO2， NOx， sulfate， nitrate and primary PM10from thermal power plants in Beijing-Tianjin-Hebei region

圖3 京津冀地區(qū)火電廠SO2、NOx小時最大濃度分布Fig.3 The distribution of hourly maximum concentrations of SO2and NOxfrom thermal power industry in Beijing-Tianjin-Hebei region

3.2 現(xiàn)狀監(jiān)測值貢獻對比

2011年選取城市所在地網(wǎng)格的污染物年均濃度貢獻值與該城市的監(jiān)測值進行對比（表5），可以看到火電企業(yè)對城市污染物年均貢獻值遠小于監(jiān)測值.

表5 京津冀火電污染預測濃度與監(jiān)測濃度對比Table 5 The Comparison of predicted concentration from thermal power industry and monitoring concentrations

火電企業(yè)對各城市SO2、NOx、PM10年均最大貢獻濃度占背景濃度比例分別為1.92%～6.85%、2.00%～6.60%、2.61%～5.24%.京津冀地區(qū)火電行業(yè)SO2、NOx、PM10排放量分別占京津冀污染物總量的25.02%、39.55%、5.73%，SO2、NOx、PM10年均濃度占背景監(jiān)測值濃度較小，比例范圍僅為1.92% ～6.85%，這與其他研究成果類似［12-14］.

圖4 采取減排措施后京津冀地區(qū)火電企業(yè)SO2、NOx、硫酸鹽、硝酸鹽及一次PM10年均濃度分布Fig.4 The distribution of annual average concentrations of SO2， NOx， sulfate， nitrate and primary PM10from thermal power industry in Beijing-Tianjin-Hebei region under the control scenario

圖5 采取減排措施后京津冀地區(qū)火電企業(yè)SO2、NOx小時濃度分布Fig.5 The distribution of hourly maximum concentration of SO2and NOxfrom thermal power industry in Beijing-Tianjin-Hebei region under the control scenario

3.3 采取減排措施后火電排放貢獻影響

根據(jù)環(huán)境保護部發(fā)布的《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》等文件［34］，采取減排措施后火電排放貢獻影響按以下情況考慮：京津冀地區(qū)淘汰20萬kW以下的非熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤機組，未到達火電行業(yè)新標準排放限值的火電企業(yè)排口均按達標濃度考慮（SO2200mg/m3，NOx100mg/m3，煙粉塵30mg/m3）.采取措施后火電排放量SO2、NOx、煙粉塵分別為27.36，21.67，4.92萬t/a，與2011年排放現(xiàn)狀相比，分別下降了31.65%、70.59%、68.17%.

采取減排措施后，京津冀地區(qū)現(xiàn)有火電企業(yè)污染物排放對研究區(qū)域的SO2、NOx、PM10、年均質(zhì)量濃度的影響分布見圖4，對研究區(qū)域的SO2、NOx小時最大濃度見圖5，對各城市污染物年均質(zhì)量濃度貢獻見表6.從圖4、圖5、表6中可以看出，火電企業(yè)對各城市SO2、NOx、一次年均最大貢獻濃度均大幅度減少，年均貢獻最大值分別降低為46.34%、 78.43%、76.34%、39.49%、73.87%.小時最大濃度分布（圖3、圖5）為各受體點不利氣象條件下的最大濃度組合，通過對比圖3、圖5研究發(fā)現(xiàn)，不利氣象條件下SO2和NOx小時高濃度面積均大幅度減少.

表6 采取減排措施后京津冀火電企業(yè)對各城市污染物年均濃度貢獻（μg/m3）Table 6 The annual average concentrations of different pollutatnts from thermal power industry in Beijing-Tianjin-Hebei region under the control scenario （μg/m3）

3.4 討論

在基于在線監(jiān)測、環(huán)評、驗收數(shù)據(jù)火電企業(yè)排放清單基礎上，應納入環(huán)境統(tǒng)計、污染源普查等火電企業(yè)排放數(shù)據(jù)，建立京津冀地區(qū)統(tǒng)一的火電行業(yè)污染源排放清單，制定排放清單長期的發(fā)展和更新制度，以支持京津冀地區(qū)大氣環(huán)境規(guī)劃、大氣環(huán)境影響評價以及大氣污染擴散模擬等方面的研究要求，從而滿足污染源控制策略的需求.此外，為了解決京津冀地區(qū)大氣污染防治底數(shù)不清、機理不明等問題，還需要自下而上編制該地區(qū)詳細、準確的高時空分辨率工業(yè)源排放清單（鋼鐵、水泥、石化等），并對大氣環(huán)境影響進行系統(tǒng)和客觀的評估研究，來分析淘汰落后產(chǎn)能、關(guān)停違法企業(yè)、開展污染治理等不同控制情境下大氣環(huán)境的改善程度，以免制定出冒進或保守的環(huán)境決策，這是京津冀地區(qū)大氣環(huán)境影響研究中面臨的重要科學問題之一.

4 結(jié)論

4.1 受地理位置、氣象條件、火電企業(yè)布局等因素影響，2011年京津冀地區(qū)火電行業(yè)排放的對京津冀西南部地區(qū)影響較大，各污染物年均最大濃度均出現(xiàn)在石家莊市，火電行業(yè)顆粒物對京津冀大部分地區(qū)主要以二次污染為主，二次顆粒物中又以硝酸鹽比例較大.這說明京津冀地區(qū)仍需加強火電行業(yè)的顆粒物前體物控制，做好區(qū)域污染聯(lián)防聯(lián)控.

4.2 2011年選取城市所在地網(wǎng)格的污染物年均濃度貢獻值與該城市的監(jiān)測值進行對比可以看出火電企業(yè)對城市污染物年均貢獻值遠小于監(jiān)測值.火電企業(yè)對各城市SO2、NOx、PM10年均最大貢獻濃度占背景濃度比例分別為1.92%～6.85%、2.00%～6.60%、2.61%～5.24%.但是，由于地形和特殊氣象條件的影響，不排除個別情況煙流造成地面濃度較高的情況.

4.3 采取減排措施后，京津冀地區(qū)火電排放量SO2、NOx、煙粉塵與2011年火電排放現(xiàn)狀相比，分別下降了31.65%、70.59%、68.17%；減排后火電行業(yè)對各城市的SO2、NOx、一次年均貢獻濃度均大幅度減少，年均貢獻最大值分別降低46.34%、78.43%、76.34%、39.49%、73.87%.說明京津冀地區(qū)火電行業(yè)污染物尤其是氮氧化物，尚有一定的減排空間，采取《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》等減排措施后，會對京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量改善產(chǎn)生一定的效果，并減少不利氣象條件下局地高濃度的面積.

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Air pollution effect of the thermal power plants in Beijing-Tianjin-Hebei region.

BO Xin1，2， WANG Gang3， WEN Rou4， HE You-jiang5， DING Feng1，2， WU Cheng-zhi3， MENG Fan5*
（1.The Appraisal Center for Environment and Engineering，The State Environmental Protection Ministry， Beijing 100012， China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Numerical Modeling for Environment Impact Assessment， Beijing 100012， China；3.Trinity Consultants，Hangzhou 310012， China；4.School of Environment， Tsinghua University， Beijing 100084， China；5.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：364～373

Since there haven't been any research on the explicit analysis of the air pollution of thermal power plants in Beijing-Tianjin-Hebei region， we conducted this research to complement the great need， which was based on the power plants' emission datum consisted of CEMS， EIA， as well as follow-up inspection. With these datum we built the bottom-up emission inventory of all thermal power plants in Beijing-Tianjin-Hebei region. Making use of the WRF output data， we simulated the meso-scale meteorological field by CALMET. Then we simulated the air pollution effect of SO2，NOx， primary PM10，sulfates，nitrates under different scenarios. The simulation result showed that： In 2011， the most affected subarea of the air pollution of thermal power plants was the Southwest part of the region， the highest annual average pollutants emission records was held by Shijiazhuang. After the emission reduction action has been taken， the total amount of SO2， NOx， PM10emitted from the thermal power plants has respectively reduced 33%，71%，68% of those in 2011. Another gratifying result was that the annual average concentration of SO2， NOx， primary PM10， sulfate， nitrate caused by the power plants has reduced to respectively 46.34%，78.43%，76.34%，39.49%，73.87%，significantly lower than those before the emission reduction action has been taken.

Beijing-Tianjin-Hebei region；thermal power plant；emission inventory；CALPUFF；air pollution

X51

A

1000-6923（2015）02-0364-10

伯 鑫（1983-），男，山東省煙臺人，工程師，碩士，主要研究方向為大氣污染模擬、污染源清單等.

2014-05-22

環(huán)境保護部基金課題（1441402450017-2）

* 責任作者 研究員， fmeng2008@gmail.com