馬小會(huì) 徐敬 張自銀
1 京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心,北京 100089 2 中國(guó)氣象局北京城市氣象研究院,北京 100089
長(zhǎng)期以來(lái),由于我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主,使得全國(guó)城市大氣環(huán)境呈現(xiàn)高濃度的二氧化硫和顆粒物污染(吳家玉等,2021;吳家玉等, 2017; 惠霂霖等, 2017),區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量惡化,光化學(xué)煙霧、區(qū)域性大氣灰霾頻繁發(fā)生,重酸雨區(qū)面積增加,有毒有害大氣污染物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)愈來(lái)愈大。以PM2.5主導(dǎo)因素的區(qū)域灰霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,已經(jīng)對(duì)我國(guó)公眾健康和社會(huì)生活構(gòu)成巨大威脅,引起了公眾的廣泛關(guān)注,燃煤電廠對(duì)大氣污染的影響效應(yīng)以及改造技術(shù)被廣泛研究(李德波等, 2019; 黃偉等, 2021; 朱法華, 2017; 李小龍等, 2018; 楊艷蓉等, 2019; 武亞鳳等, 2017; 劉晉宏等, 2021)。
我國(guó)現(xiàn)有的電力發(fā)展布局不合理,煤電大量布局在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等政治、經(jīng)濟(jì)中心 (白建華等, 2007),導(dǎo)致中東部大量排放大氣污染物,嚴(yán)重超過(guò)區(qū)域大氣環(huán)境容量,而這些區(qū)域也正是全國(guó)灰霾天氣現(xiàn)象最嚴(yán)重、最集中的區(qū)域。同時(shí),廣大的西部地區(qū)資源富集,大氣環(huán)境容量更大,因此迫切需要進(jìn)行跨區(qū)域的能源及資源優(yōu)化配置。特高壓跨區(qū)域輸電正是實(shí)現(xiàn)這種能源、資源、環(huán)境的優(yōu)化配置,改善區(qū)域灰霾天氣問(wèn)題的有效手段 (姜雨澤等, 2016)。
特高壓遠(yuǎn)距離輸電,可以減少受端區(qū)域燃煤發(fā)電機(jī)組,減少相應(yīng)的污染物的排放,以實(shí)現(xiàn)減少大氣灰霾天氣的目的,即通過(guò)改變內(nèi)因,來(lái)達(dá)到減少灰霾天的目的。這是目前國(guó)家灰霾治理工作的共識(shí),但由于之前未開(kāi)展相關(guān)研究,這個(gè)觀點(diǎn)仍缺乏具體數(shù)據(jù)的支撐,尤其是改善的程度更不能有效的評(píng)價(jià)。
本文章主要研究掌握燃煤電廠PM2.5排放特征以及對(duì)區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境影響狀況的基礎(chǔ)上,研究特高壓跨區(qū)域送電對(duì)受端灰霾天氣的改善影響,有利于治理目前全國(guó)灰霾污染的電力產(chǎn)業(yè)政策、電網(wǎng)企業(yè)規(guī)劃制定有利于改善現(xiàn)有灰霾污染嚴(yán)重區(qū)域空氣質(zhì)量的輸電線路框架提供數(shù)據(jù)依據(jù)。定量化評(píng)估特高壓跨區(qū)域輸電工程對(duì)受端區(qū)域大氣灰霾的改善效應(yīng),利用先進(jìn)的大氣化學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)(王哲等, 2014; 徐敬等, 2019; 龐楊等, 2013; Dennis et al.,1996; Geng et al., 2011; Tie et al., 2009; Wang et al., 2012; Lei et al., 2007; Jiang et al., 2008)開(kāi)展排放源的敏感性試驗(yàn)。建立影響評(píng)估模型,制定評(píng)價(jià)辦法,定量評(píng)估輸電工程對(duì)選定的區(qū)域、選定的具體點(diǎn)的大氣質(zhì)量影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。
本研究使用WRF-Chem模式進(jìn)行模擬分析,WRF-Chem由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)、美國(guó)國(guó)家海洋及大氣管理局(NOAA)和美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(UCAR)等多家組織聯(lián)合開(kāi)發(fā)的氣象-化學(xué)在線耦合模式。氣象要素由于時(shí)空插值造成氣象場(chǎng)的誤差增大,從而引起空氣質(zhì)量模擬的誤差隨之增加,一個(gè)在線的、全耦合的包括多尺度、多過(guò)程的模式系統(tǒng)符合本研究的需求,特高壓跨區(qū)域輸電工程對(duì)受端區(qū)域大氣灰霾的影響與具體的氣象條件緊密聯(lián)系,氣象條件和化學(xué)污染物之間的在線耦合是十分必要,因此選用WRF-Chem作為模擬系統(tǒng)核心,通過(guò)相關(guān)程序的編譯、參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的處理及輸入等,建立一套電廠電廠污染物排放對(duì)空氣質(zhì)量影響的計(jì)算模型。
本數(shù)值模擬需要的初始?xì)庀髨?chǎng)和側(cè)邊界條件數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)大氣環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)提供的全球再分析資料FNL(https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/[2016-03-20]),其空間分辨率為1°(緯度)×1°(經(jīng)度),時(shí)間分辨率為每6 h;模擬中需要的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)來(lái)源于全球天氣預(yù)報(bào)場(chǎng)GFS(https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/model-data/model-datasets/global-forcastsystem-gfs[2016-03-20]),其空間分辨率為0.5°(緯度)×0.5°(經(jīng)度) 和1°(緯度)×1°(經(jīng)度),時(shí)間分辨率為3 h(前72 h)和6 h。模擬中的地理數(shù)據(jù)包括地形高度數(shù)據(jù),地表植被類型等,來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USDS)的geog數(shù)據(jù)(http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_wps_geog.html[2016-03-20]),主要包括地形高度、坡度、土地利用、土壤類型、濕度等等,其空間分辨率最高達(dá)到9 s (0.27 km)。模擬區(qū)域覆蓋華北大部分地區(qū),水平分辨率為9 km,水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為154(緯向)×142(徑向),垂直方向分為30 層,邊界層內(nèi)有 15層,模式頂為50 hPa。
模式采用的人為排放清單為2016年清華大學(xué)主持研發(fā)的華北區(qū)域 0.1°(緯度)×0.1°(經(jīng)度)格點(diǎn)化清單(http://www.meicmodel.org[2016-03-20]),清單包含 5 個(gè)排放部門(電力、工業(yè)、民用、交通、農(nóng)業(yè))。
本文的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心提供的空氣污染指數(shù)(API)資料。本文根據(jù)北京地區(qū)多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果,同時(shí)考慮到冬季取暖等過(guò)程對(duì)電力的需求較大,選取2015年12月開(kāi)展模擬分析。
2.3.1 虛擬電廠的建立
本研究選取的目標(biāo)區(qū)域?yàn)闈?jì)南地區(qū),考慮虛擬電廠排放量占基礎(chǔ)清單排放量中的比例極低,評(píng)價(jià)的目標(biāo)區(qū)域主要關(guān)注虛擬電廠坐標(biāo)區(qū)域,重點(diǎn)評(píng)價(jià)虛擬電廠的增加對(duì)局地PM2.5濃度變化的影響。虛擬電廠增加后該區(qū)域大氣環(huán)境污染物濃度增加的量,表述為遠(yuǎn)距離跨區(qū)域輸電后對(duì)受端區(qū)域大氣環(huán)境相應(yīng)污染物的減少量。
濟(jì)南處于京津冀地區(qū)的下游,選擇影響最大區(qū)域設(shè)置虛擬電廠排放情景,在受端區(qū)域虛擬新建電源點(diǎn),虛擬的電源點(diǎn)主要包括受端區(qū)域內(nèi)規(guī)劃中的、已核準(zhǔn)的、在建的電源點(diǎn),以及電源點(diǎn)相應(yīng)的容量;根據(jù)特高壓輸入的電量,按照機(jī)組容量大小,分配相應(yīng)的發(fā)電負(fù)荷。本文虛擬電廠共為6個(gè),坐標(biāo)分別為(37.47°N,118.06°E)、(37.27°N,118.92°E)、(36.14°N,117.70°E)、(36.08°N,117.15°E)、 (37.16°N,118.14°E)、(37.44°N,120.03°E)。
由于虛擬電廠的煙囪高度為210 m,其影響范圍不光是地面,需要同時(shí)評(píng)估不同高度上的影響。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括:不同高度層上PM2.5小時(shí)濃度的變化、PM2.5濃度改變的影響范圍及隨時(shí)間的變化情況等。
2.3.2 虛擬電廠排放量計(jì)算
根據(jù)虛擬電廠的坐標(biāo),采用最短距離法插值到計(jì)算模型中的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格,確定虛擬電廠在輸入模型的排放清單中的位置。虛擬電廠的煙囪高度為210 m,因此其排放在向清單的輸入過(guò)程中,進(jìn)行了排放高度的垂直優(yōu)化,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分配給模式地面以上的8層,對(duì)應(yīng)高度分別為:9 m、27 m、46 m、64 m、91 m、130 m、185 m和255 m。
本文虛擬情景中虛擬電廠共計(jì)為6個(gè),按照3種不同的計(jì)算方法,計(jì)算得到3份不同的排放清單。方法一:根據(jù)區(qū)域內(nèi)已投運(yùn)電源點(diǎn)的實(shí)際排放量及發(fā)電量,計(jì)算電源點(diǎn)污染物的排放績(jī)效,根據(jù)輸入的電量,計(jì)算排放清單;方法二:根據(jù)電源點(diǎn)所執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn),以及國(guó)家環(huán)保部頒布的排放績(jī)效,計(jì)算排放清單;方法三:根據(jù)燃煤電廠大氣污染物排放模型計(jì)算排放清單。
通過(guò)3種方法得到該情景下的PM2.5的年排放量分別為298 t、664 t和352 t。通過(guò)時(shí)間分配因子,將電廠的年排放量轉(zhuǎn)換為小時(shí)排放強(qiáng)度輸入模式。根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)的不同,選擇相對(duì)應(yīng)的排放清單,輸入模型后得到電廠排放對(duì)相關(guān)影響區(qū)域的大氣霧霾影響的計(jì)算結(jié)果。
將濟(jì)南主城區(qū)當(dāng)做評(píng)價(jià)對(duì)象,考察電廠排放對(duì)其的影響,濟(jì)南市主城區(qū)主要包括槐蔭區(qū)、歷下區(qū)、天橋區(qū)、市中區(qū)、歷城區(qū)等幾個(gè)區(qū)域,考察該區(qū)域大氣環(huán)境的變化情況。
3.1.1 PM2.5濃度和空氣質(zhì)量變化情況
根據(jù)3種計(jì)算方法計(jì)算排放清單代入模型,計(jì)算PM2.5減小量和減小比例。由圖1可以看出,對(duì)濟(jì)南城區(qū)大氣PM2.5濃度小時(shí)均值濃度最大可降低1 μg m-3左右,最常見(jiàn)情況為降低0.2~0.5 μg m-3;降低的比例最大在2.5%左右,最常見(jiàn)情況在0.5%~1%;PM2.5日均濃度最大降低0.1 μg m-3左右,降低的比例約0.24%,AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))值下降最大0.14左右(表1);PM2.5月均濃度降低約0.033 μg m-3,降低比例約0.05%。
表1 2015年12月濟(jì)南城區(qū)大氣環(huán)境PM2.5日均濃度與AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))變化量Table 1 Change of daily average concentrations of PM2.5 and AQI (Air Quality Index) at Jinan in December 2015
圖1 2015年12月濟(jì)南地區(qū)(a、d)PM2.5濃度變化,3種方法計(jì)算得到的PM2.5濃度(b、e)減小量和(c、f)減小比例:(a、b、c)小時(shí)濃度變化;(d、e、f)日均濃度變化Fig. 1 Hourly (left column) and daily (right column) averaged of (a, d) PM2.5 concentration, (b, e) decrease value, and (c, f) reduction ratio of PM2.5 concentration using the three-calculation method in Jinan in December 2015
月內(nèi)PM2.5濃度減小量和減小比例的浮動(dòng)受基礎(chǔ)環(huán)境濃度和氣象條件的共同影響,對(duì)比天氣形勢(shì)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)處于有利于污染物擴(kuò)散的形勢(shì)時(shí),雖然基礎(chǔ)濃度不高,但造成PM2.5的減小值和減小比例偏高。
影響最大時(shí)的氣象狀況為,濟(jì)南城區(qū)處于高壓底部,弱冷空氣緩慢南壓,風(fēng)向風(fēng)速?zèng)]有明顯改變,一直維持小風(fēng)狀態(tài),弱冷空氣的影響造成PM2.5降低值增加,但是污染物南輸且風(fēng)速較弱等氣象條件造成基礎(chǔ)的AQI居高不下。如15日時(shí),受較強(qiáng)冷空氣影響,PM2.5減小值上升,AQI指數(shù)也明顯下降,因?yàn)槔淇諝廨^7日勢(shì)力強(qiáng),濟(jì)南風(fēng)速明顯加大到4 m s-1,造成基礎(chǔ)濃度明顯下降。
3.1.2 其他污染物濃度變化情況
對(duì)于其他污染物濃度的變化由圖2可以看出,其他各項(xiàng)污染物當(dāng)中,絕對(duì)濃度影響最大的為CO,日均濃度降低幅度最大值為1.7 μg m-3左右,最常見(jiàn)的降低范圍為0.5~1 μg m-3,日均濃度影響比例最大的為SO2,月均濃度減少約0.16 %,日均濃度最大可減少0.5 %~0.7 %左右,SO2、NO2、PM10的月均濃度分別降低約0.124、0.04、0.032 μg m-3。
圖2 2015年12月濟(jì)南地區(qū)各污染物日均濃度變化量Fig. 2 Daily average change of pollutant concentrations in Jinan in December 2015
以濟(jì)南城中心為關(guān)注區(qū)域,當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南時(shí),關(guān)注區(qū)域?yàn)殡姀S排放的上風(fēng)向地區(qū);當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)時(shí),關(guān)注區(qū)域?yàn)殡姀S排放的下風(fēng)向地區(qū);此外,當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速較小,空氣流動(dòng)性較差時(shí),這種情況為穩(wěn)定氣象條件,電廠排放的影響主要集中于局地。所以選取上述三種代表性氣象條件,對(duì)虛擬電廠的排放影響進(jìn)行分析。
電廠排放導(dǎo)致地面PM2.5小時(shí)濃度變化隨風(fēng)向分布的逐時(shí)變化情況。由圖3可見(jiàn),當(dāng)風(fēng)向較小,不利于污染物擴(kuò)散時(shí),虛擬電廠排放對(duì)地面PM2.5濃度的改變影響范圍主要集中在電廠附近,對(duì)局地地面PM2.5濃度改變的影響較大;當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)力加大時(shí),虛擬電廠排放對(duì)地面PM2.5濃度的改變影響范圍會(huì)隨著風(fēng)的輸送向下游地區(qū)逐漸擴(kuò)大,對(duì)局地的影響逐漸減弱。
由圖3可以看出,東南風(fēng)條件下,濟(jì)南地區(qū)大氣環(huán)境PM2.5影響的范圍最大,靜穩(wěn)條件、偏北風(fēng)條件下時(shí)影響范圍很小,只影響虛擬電源點(diǎn)附近的區(qū)域;東南風(fēng)氣象條件下時(shí),PM2.5濃度增大較大的區(qū)域?yàn)榫嚯x虛擬電源點(diǎn)較勁的區(qū)域,受東南風(fēng)的影響時(shí),濟(jì)南東北部方向區(qū)域的PM2.5濃度將增大,其最大的影響范圍大約為30 km,受影響的最大面積約占濟(jì)南城區(qū)的20%。
圖3 2015年12月8日(a)20:00、(b)21:00、(c)22:00東南風(fēng)條件下,2015年12月22日(d)08:00、(e)09:00、(f)10:00靜風(fēng)條件下,2015年12月15日(g)15:00、(h)16:00、(i)17:00北風(fēng)條件下電廠排放地面PM2.5小時(shí)濃度變化,矢量箭頭表示水平風(fēng)場(chǎng)Fig. 3 Hourly average concentrations of PM2.5 in the Southeast at (a) 2000 LST, (b) 2100 LST, and (c) 2200 LST on December 8, 2015; hourly average concentrations of PM2.5 in the calm wind at (d) 0800 LST, (e) 0900 LST, and (f) 1000 LST on December 22, 2015; hourly average concentrations of PM2.5 in the North wind at (g) 1500 LST, (h) 1600 LST, and (i) 1700 LST on December 15, 2015 (vectors represent horizental wind field)
當(dāng)濟(jì)南地區(qū)地面受弱氣壓場(chǎng)控制并且風(fēng)速較?。L(fēng)速小于2 m s-1)時(shí),污染影響范圍大;當(dāng)濟(jì)南地區(qū)受冷空氣影響并且刮北風(fēng)且風(fēng)力足夠大時(shí),影響范圍明顯減小。濟(jì)南位置特殊,由于處于京津冀地區(qū)下游,所以當(dāng)京津冀出現(xiàn)重污染天氣過(guò)程時(shí),若冷空氣勢(shì)力偏北或者偏弱,濟(jì)南處于高壓底部時(shí),風(fēng)向風(fēng)力均沒(méi)有明顯變化時(shí),弱冷空氣對(duì)濟(jì)南的基礎(chǔ)濃度起不到改善的作用。當(dāng)冷空氣足夠強(qiáng),濟(jì)南吹北風(fēng),且風(fēng)力達(dá)到4 m s-1以上時(shí),基礎(chǔ)濃度前期受上游傳輸作用改善不明顯,后期呈明顯下降趨勢(shì)。
選取濟(jì)南市城中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為比較對(duì)象,以污染物的日均濃度值變化作為考察指標(biāo),考察該點(diǎn)位首要污染物PM2.5,以及其他大氣污染物在不同高度處,大氣環(huán)境質(zhì)量的改變影響情況。地面以上第2至第9層,對(duì)應(yīng)高度分別為0 m、9 m、27 m、46 m、64 m、91 m、130 m、185 m和255 m,為體現(xiàn)差異,每間隔一層,取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,即僅比較9 m、46 m、91 m、185 m和255 m等高度的數(shù)據(jù)。
3.3.1 電廠排放對(duì)城中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同高度PM2.5濃度影響情況
由圖4可以看出,在監(jiān)測(cè)點(diǎn)各層均有影響,各高度上PM2.5小時(shí)濃度的變化量主要分布在0~0.25 μg m-3。在該監(jiān)測(cè)點(diǎn)46 m和91 m空間層大氣環(huán)境PM2.5濃度影響最大,其最大影響量可達(dá)到0.2 μg m-3左右,在185 m高度上仍有影響,在地面和255 m高度上影響最小,且小時(shí)均值、日均值變化情況一致。不同空間層PM2.5減少量的變化趨勢(shì)基本保持一致,日均減少量較大的點(diǎn)均出現(xiàn)在相同的日期,說(shuō)明和氣象條件有較大的關(guān)系。
圖4 2015年12月濟(jì)南地區(qū)PM2.5日均濃度減少量隨高度變化情況Fig. 4 Change of daily average concentrations of PM2.5 at different levels in Jinan in December 2015
總體來(lái)看,在北京城中心監(jiān)測(cè)點(diǎn),45 m和91 m空間高度層大氣PM2.5濃度影響最大,說(shuō)明經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的傳輸,電源點(diǎn)排放的PM2.5經(jīng)過(guò)隨氣流經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、沉降、傳輸?shù)茸饔?,在到達(dá)城中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)對(duì)大氣環(huán)境影響的高度逐漸下降。
3.3.2 各類污染物隨高度的變化情況
以月均濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo),考察各項(xiàng)污染物濃度影響隨空間高度的變化情況,具體見(jiàn)圖5。可以看出,特高壓工程對(duì)不同高度層PM2.5濃度的降低幅度也不同,46 m高度層左右,PM2.5、PM10濃度降低的幅度最大,隨著高度的增加,濃度值降低幅度逐漸減小,至225 m時(shí),PM2.5濃度基本不變;其他污染物當(dāng)中NO2的變化量最大的空間層為46~91 m;CO、SO2、PM2.5和PM10的變化量最大空間層均為9~46 m,225 m以上是各污染物變化幅度較小。
圖5 2015年12月濟(jì)南地區(qū)(a)CO和(b)其他污染物月均濃度減少量隨高度變化Fig. 5 Change of monthly average concentrations of (a) CO and (b)other pollutants at different levels in Jinan in December 2015
(1)工程對(duì)整個(gè)主城區(qū)整體的大氣環(huán)境影響較?。?PM2.5小時(shí)平均值最大可降低約1 μg m-3、下降的比例約2.5%,最常見(jiàn)的影響值范圍在0.2~0.5 μg m-3左右,影響比例在0.5%~1%;PM2.5日均濃度最大降低0.1 μg m-3左右,降低的比例約0.24%,AQI值下降最大0.14左右;PM2.5月均濃度降低約0.033 μg m-3,降低比例約0.05 %;各項(xiàng)污染物中絕對(duì)濃度影響最大的為CO,日均濃度降低幅度最大值為1.7 μg m-3左右,日均濃度下降比例最大的為SO2,日均濃度最大可減少0.5%~0.7%。
(2)不同的氣象條件下,虛擬電廠對(duì)大氣環(huán)境的影響,最大影響距離約30 km,最大的影響面積約占濟(jì)南地區(qū)的20%左右,此時(shí)的氣象狀況為弱氣壓場(chǎng)控制,及風(fēng)速較小、風(fēng)速小于2 m s-1,天空云量不多。
(3)特高壓工程對(duì)不同高度層PM2.5濃度的降低幅度也不同,46 m高度層左右,PM2.5、PM10濃度降低的幅度最大,隨著高度的增加,PM2.5濃度降低幅度逐漸減小,至225 m時(shí),PM2.5濃度基本不變;其他污染物當(dāng)中NO2的變化量最大的空間層為46~91 m;CO、SO2、PM2.5和PM10的變化量最大空間層均為9~46 m,225 m以上大氣污染物基本不受影響。
表2 濟(jì)南城中心不同高度處各污染物月均濃度減少量Table 2 Monthly average change of concentrations of SO2,NO2, CO, PM2.5, and PM10 at different levels