方 培,張 偉,宋玲玲,徐 曾,吳兆明,雷至宇,胡桐嘉,李明洋,陳 龍**,李佳碩

中國(guó)北方地區(qū)農(nóng)村家庭清潔取暖政策的汞減排效益評(píng)估

方 培1,張 偉2,3,宋玲玲4,徐 曾5,吳兆明1,雷至宇1,胡桐嘉1,李明洋1,陳 龍5**,李佳碩6*

(1.山東大學(xué)澳國(guó)立聯(lián)合理學(xué)院,山東 威海 264209；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,京津冀區(qū)域生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100012；4.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,環(huán)境保護(hù)投資績(jī)效管理中心,北京 100012；5.華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,上海 200241；6.山東大學(xué)藍(lán)綠發(fā)展研究院,山東 威海 264209)

為評(píng)估北方地區(qū)農(nóng)村家庭清潔取暖政策的汞減排效益,本文綜合運(yùn)用大氣污染物排放清單編制方法和GEOS-Chem大氣化學(xué)傳輸模型,編制了中國(guó)北方重點(diǎn)地區(qū)農(nóng)村家庭清潔取暖汞減排清單,并分析因政策而產(chǎn)生的大氣汞沉降削減效益.結(jié)果表明:“十三五”期間,重點(diǎn)地區(qū)共計(jì)替代民用散煤59.65í106t,其中,Hg0、HgII和HgP三種不同汞形態(tài)的減排量依次為8.64,1.79和0.11t,由此避免10.54t(不確定性區(qū)間:-9.65%～6.94%)大氣汞排放.“煤改氣”,“煤改電”和“其他改造方式”等不同方式的汞減排貢獻(xiàn)率依次為51.20%、38.02%和10.78%.同時(shí),清潔取暖政策使重點(diǎn)地區(qū)避免了0.49t大氣汞沉降.研究還發(fā)現(xiàn),清潔取暖政策的外溢效應(yīng)使非重點(diǎn)地區(qū)削減了0.66t汞沉降.據(jù)此,本文提出清潔取暖政策的優(yōu)化策略,以期為促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)能源轉(zhuǎn)型和汞減排治理工作提供參考.

清潔取暖政策；農(nóng)村家庭；民用散煤替代；汞減排；大氣汞傳輸擴(kuò)散

汞作為一種不可被降解且具有長(zhǎng)期毒性作用的物質(zhì),在社會(huì)環(huán)境-經(jīng)濟(jì)循環(huán)系統(tǒng)中具有不可忽視的影響[1-4].相關(guān)研究已指出,汞暴露對(duì)于人體神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等的日常生理代謝過程均有不同程度的損害作用,如造成胎兒的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育失常、肺功能損傷和胃腸道功能紊亂等疾病[3,5-10].聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)發(fā)布的2018年全球汞評(píng)估報(bào)告中曾明確指出了固定源燃煤活動(dòng)占全球大氣汞排放估計(jì)量的21%[5],是造成汞排放的最主要貢獻(xiàn)源之一[7,11-12].因此,《水俁公約》中針對(duì)包括燃煤電廠在內(nèi)的系列汞及其化合物大氣排放點(diǎn)源提出了管控要求.而常見于中國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)炊事和取暖活動(dòng)的散煤[13-15]卻不被包括在內(nèi).然而,由于散煤燃燒效率低、煤質(zhì)較差[13-17],以及相應(yīng)燃燒設(shè)備缺乏末端排放處理設(shè)施[18-19],民用部門散煤燃燒供暖排放相當(dāng)嚴(yán)重.最近一項(xiàng)研究表明,民用部門單位燃煤消耗產(chǎn)生的細(xì)顆粒物(PM2.5)污染導(dǎo)致的過早死亡人數(shù)估值約為電力和其他工業(yè)部門的40倍左右[20].因此,加快中國(guó)民用散煤治理對(duì)改善區(qū)域空氣質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)汞風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)意義重大.

近年來,中國(guó)政府投入了大量的時(shí)間和精力用于推動(dòng)民用散煤治理[16,21-24],并于2017年先后出臺(tái)了如《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021)》[25]和《關(guān)于開展中央財(cái)政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作的通知》[26]等文件,以通過減少民用散煤消費(fèi)量幫助實(shí)現(xiàn)區(qū)域大氣污染治理和農(nóng)村家庭清潔能源轉(zhuǎn)型的雙重目標(biāo)[15-16,27].截止2020年底,清潔取暖改造在北京和其他三批試點(diǎn)城市[28]陸續(xù)開展,其中,試點(diǎn)城市覆蓋了除北京外的其余“2+26”城市及汾渭平原城市等在內(nèi)的大部分平原地區(qū)農(nóng)村家庭.據(jù)統(tǒng)計(jì),“十三五”時(shí)期,中央政府共對(duì)三批試點(diǎn)城市劃撥493億人民幣以支持地方制定清潔取暖規(guī)劃,取得了一定治理成效[16,23-24].除推動(dòng)常規(guī)污染物減排治理外,重點(diǎn)地區(qū)清潔取暖改造也勢(shì)必削減民用散煤汞排放及其大氣沉降風(fēng)險(xiǎn)[2-4,8].

當(dāng)前,現(xiàn)有研究仍集中關(guān)注民用散煤治理對(duì)氮氧化物(NO)、二氧化硫(SO2)或PM2.5等常規(guī)大氣污染物減排控制的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和健康效益評(píng)估[17,23-24,29-32],而民用散煤治理對(duì)大氣汞減排及傳輸沉降影響的量化還較為缺乏.近期,中國(guó)政府正式向《水俁公約》秘書處提交了第一次(完整版)國(guó)家報(bào)告,向國(guó)際社會(huì)報(bào)告了中國(guó)的履約成果[33].盡管如此,國(guó)家報(bào)告中尚未關(guān)注民用部門散煤替代行動(dòng)產(chǎn)生的汞減排貢獻(xiàn).因此,有必要評(píng)估因供暖方式清潔化改造而產(chǎn)生的散煤替代量及其相應(yīng)的大氣汞減排量,同時(shí)評(píng)估因汞減排而避免的大氣汞傳輸、擴(kuò)散與沉降風(fēng)險(xiǎn).這不僅是履行《水俁公約》中關(guān)于控制燃煤過程汞排放的關(guān)鍵內(nèi)容[12],也是評(píng)估人群因避免汞暴露而產(chǎn)生健康效益的重要組成部分[2,8].同時(shí),汞減排清單也為識(shí)別不同地區(qū)民用散煤替代減汞的驅(qū)動(dòng)因素[34-35]及預(yù)測(cè)未來不同情景下各地清潔取暖政策的汞排放控制優(yōu)化路徑[36-37]等提供研究基礎(chǔ).

綜上,本研究對(duì)中國(guó)民用散煤治理的汞減排效益開展評(píng)估,通過編制2017～2020年民用散煤替代汞減排清單,結(jié)合GEOS-Chem大氣化學(xué)傳輸模型定量評(píng)價(jià)北方重點(diǎn)地區(qū)農(nóng)村家庭清潔取暖政策的汞減排效果.基于此,本研究將完善學(xué)界關(guān)于民用散煤治理行動(dòng)對(duì)大氣汞減排效益的認(rèn)識(shí),為進(jìn)一步優(yōu)化民用散煤治理策略以及為更好地履行《水俁公約》提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法支撐.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文運(yùn)用了自下而上的大氣污染物排放清單編制技術(shù)[8,35,38-39],編制了基于中國(guó)北方重點(diǎn)地區(qū)清潔取暖政策背景下的城市級(jí)汞減排清單,并將其作為大氣化學(xué)模式的輸入數(shù)據(jù),模擬了2017～2020年期間“2+26”城市(包括北京、天津兩個(gè)直轄市,河北省石家莊、唐山、保定、廊坊、滄州、衡水、邯鄲、邢臺(tái)市,山西省太原、陽泉、長(zhǎng)治、晉城市,山東省濟(jì)南、淄博、聊城、德州、濱州、濟(jì)寧、菏澤市,河南省鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽、焦作、濮陽、開封市等地級(jí)市及部分國(guó)家級(jí)新區(qū)和縣級(jí)市)和汾渭平原城市(包括陜西省西安、咸陽、渭南、寶雞、銅川、韓城市和楊凌示范區(qū)、西咸新區(qū),山西省晉中、呂梁、運(yùn)城、臨汾市,河南省洛陽、三門峽等地級(jí)市、國(guó)家級(jí)新區(qū)和縣級(jí)市)兩個(gè)重點(diǎn)地區(qū)農(nóng)村家庭因散煤替代而產(chǎn)生的區(qū)域大氣汞沉降變化情況.汞減排清單由民用散煤替代活動(dòng)水平和燃煤汞排放因子兩部分組成,具體方法如下:

1.1 民用散煤替代活動(dòng)水平

對(duì)于民用散煤替代活動(dòng)水平的計(jì)算,本文定義式(1)進(jìn)行估測(cè):

1.2 燃煤汞排放因子

由于大多數(shù)的戶用燃煤取暖爐具并未配備末端控制設(shè)備,且取暖過程不存在煤炭預(yù)處理環(huán)節(jié).因此,本文參考動(dòng)態(tài)排放因子模型[35-36,38,40]設(shè)置,對(duì)民用散煤燃燒供暖過程的排放因子作式(2)簡(jiǎn)化:

式中:EFHg,i為地區(qū)民用散煤燃燒過程中的汞排放因子,g/t;C為省消費(fèi)煤中所含平均汞含量,g/t;為民用燃煤過程的汞釋放率,%.結(jié)果如表1所示.

表1 各省民用燃煤汞排放因子(g/t)

1.3 民用散煤替代汞減排清單

通過確定政策實(shí)施前后不同地區(qū)民用散煤燃燒取暖的活動(dòng)水平變化和對(duì)應(yīng)的燃煤排放因子,即可快速獲得對(duì)應(yīng)的大氣汞減排量,如式(3)所示:

式中:ΔHg為清潔取暖政策實(shí)施前后的大氣汞減排量,t/a;ΔA為省市農(nóng)村家庭實(shí)施政策前后的活動(dòng)水平差值,t/a;EFHg,i為省農(nóng)村家庭燃煤供暖過程的汞排放因子,g/t.

1.4 大氣化學(xué)傳輸模型

使用大氣化學(xué)傳輸模型GEOS-Chem,該模型是由哈佛大學(xué)大氣化學(xué)模型組開發(fā)的三維大氣傳輸模型,模型主要用于大氣化學(xué)組分的物理和化學(xué)過程模擬,關(guān)于模型的詳細(xì)介紹可參見模型官網(wǎng)(http: //geos-chem.org,v12.5.0).GEOS-Chem模型耦合了二維的海洋和陸地汞模型[41-44],已成功應(yīng)用于大氣汞的模擬.GEOS-Chem模擬的大氣汞形態(tài)包括Hg0、HgII和HgP.其中,大氣中Hg0經(jīng)鹵素自由基(Br×)氧化生成HgII,同時(shí)大氣云滴中的HgII經(jīng)光還原又會(huì)生成Hg0,HgII也會(huì)吸附到氣溶膠顆粒物上形成HgP.大氣汞可通過植被吸收等干沉降過程和對(duì)流降水等濕沉降過程到達(dá)地球表層,地表通過海氣交換和地氣交換過程將汞釋放回大氣.

GEOS-Chem模型使用的氣象場(chǎng)數(shù)據(jù)選自美國(guó)空間宇航局(NASA)全球模型和數(shù)據(jù)辦公室(GMAO)提供的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(GEOS-FP).該模型提供了適用于東亞區(qū)域大氣化學(xué)傳輸模擬的高精度區(qū)域模型(60°E～150°E,10°S～55°N),其水平精度為0.5°′0.625°,如圖1所示.東亞區(qū)域高精度模型也開發(fā)了大氣汞的模擬,Chen等[2,35,45-46]利用東亞區(qū)域汞模型模擬了區(qū)域大氣汞的排放、擴(kuò)散、傳輸和沉降過程,評(píng)估了中國(guó)人為源大氣汞排放的本地沉降和越境傳輸.該系列研究通過現(xiàn)有文獻(xiàn)中具有代表性的東亞觀測(cè)站的觀測(cè)值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,獲得了良好的模擬效果.本文采用上述系列研究發(fā)展的GEOS-Chem東亞區(qū)域汞模型來模擬中國(guó)北方重點(diǎn)地區(qū)清潔取暖政策背景下的大氣汞擴(kuò)散傳輸.研究首先進(jìn)行4°′5°的全球模擬,模擬時(shí)段為2015～2017年,模擬結(jié)果為東亞區(qū)域高精度模型提供3h精度的邊界條件.然后,研究進(jìn)行2017年的東亞區(qū)域高精度模型的模擬,2016年的最后三個(gè)月作為模擬的平衡時(shí)間.全球模擬的排放清單采用聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署編制的全球排放清單[5],其中中國(guó)區(qū)域則使用Liu等[47]編制的2017年中國(guó)大氣汞排放清單進(jìn)行替代.模型結(jié)果以月為單位進(jìn)行輸出,量化了研究區(qū)域的大氣汞濃度和沉降通量.

圖1 GEOS-Chem模型的模擬范圍

模型模擬設(shè)置兩種情景:(1)基準(zhǔn)情景,該情景中的中國(guó)區(qū)域大氣汞排放清單采用Liu等[47]編制的大氣汞排放清單,包括民用燃煤在內(nèi)的所有汞排放行業(yè);(2)政策情景,該情景中的中國(guó)區(qū)域大氣汞排放清單除民用燃煤之外的其他行業(yè)仍采用Liu等[47]編制的大氣汞排放清單,而民用燃煤行業(yè)的汞排放執(zhí)行本文編制的汞減排清單.除中國(guó)區(qū)域的排放清單進(jìn)行情景設(shè)置之外,模型其余的配置諸如氣象場(chǎng)、大氣汞化學(xué)機(jī)制和全球汞排放清單等均保持一致.

1.5 汞減排驅(qū)動(dòng)因素分解分析

清潔取暖政策產(chǎn)生的民用散煤替代汞減排的相關(guān)驅(qū)動(dòng)因素分解分析如式(4)所示:

式中:ΔHg,l為地區(qū)因清潔取暖改造而產(chǎn)生的大氣汞減排總量,t;為不同清潔取暖改造方式,無量綱;IM為地區(qū)采用改造方式的單位汞減排強(qiáng)度,單位為t/104t;RCC為地區(qū)采用改造方式的戶均散煤消費(fèi)量,單位為t/(戶×a);H為地區(qū)采用改造方式的家庭戶數(shù),戶.因此,當(dāng)時(shí)間從0時(shí)刻變化至1時(shí)刻, ΔΔHg,l的變動(dòng)可表示為:

基于LMDI法[34-35],上述三個(gè)因素對(duì)清潔取暖政策產(chǎn)生的大氣汞減排影響程度的計(jì)算過程如下:

1.6 不確定性分析

使用采樣設(shè)置次數(shù)為10,000次的蒙特卡洛模擬定量分析民用部門汞減排清單的不確定性[8,32,38,48-49].汞排放的不確定性被置于算術(shù)平均值±80%范圍的置信區(qū)間內(nèi)(10分位數(shù)和90分位數(shù)之間).在計(jì)算過程中,各地消費(fèi)煤炭中汞的平均含量C和民用散煤燃燒取暖過程的汞釋放率是清單不確定性的主要來源.對(duì)此,本文通過文獻(xiàn)調(diào)研獲取同類數(shù)據(jù)組成其不確定性區(qū)間,并作為統(tǒng)計(jì)分析的依據(jù).

1.7 數(shù)據(jù)來源

2 結(jié)果與討論

2.1 民用散煤替代汞減排清單及其時(shí)空分布特征

“十三五”時(shí)期,“2+26”城市和汾渭平原城市共有2119.90萬戶農(nóng)村家庭完成改造,59.65′106t散煤被替代.清潔取暖政策幫助北方平原地區(qū)農(nóng)村家庭減少了總計(jì)10.54t的汞排放(8.64t Hg0、1.79t HgII和0.11t HgP),約為Wu等[49]估算的2014年中國(guó)民用部門燃煤汞排放量的80%,也相當(dāng)于美國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)2015年汞排放總量的29.01%, 70.24%和151.65%[5].其中,“2+26”城市在2017～2020年間共完成46.40′106t散煤替代,減少了7.91t汞排放;而汾渭平原城市在2018～2020年間替代散煤13.25í106t,產(chǎn)生了2.63t汞減排效益.這主要是由汾渭平原城市試點(diǎn)規(guī)劃時(shí)間較晚、改造區(qū)域較少和改造任務(wù)工作量較輕等造成的.因此,汾渭平原城市的改造完成戶數(shù)、散煤替代量及汞減排量均少于“2+26”城市.

由表2可知,“十三五”時(shí)期北京、天津、河北、河南、山東、山西和陜西七省(直轄市)實(shí)際完成改造戶數(shù)依次為北方地區(qū)清潔取暖總改造量的3.26%、4.25%、35.25%、15.37%、14.86%、13.81%和13.20%,對(duì)應(yīng)汞減排量分別為0.47t, 0.30t, 3.53t, 1.91t, 1.33t, 1.24t和1.76t.較Liu等[47]估算的七個(gè)省份的民用燃煤部門年均汞排放量結(jié)果(8.53t/a)而言,本文核算四年累計(jì)汞減排總量約為其年均汞排放量的1.24倍.此外,因清潔取暖改造產(chǎn)生的汞減排效益也因政策規(guī)劃不同而具有時(shí)間關(guān)聯(lián)性.比如,北京和天津兩個(gè)直轄市均在2020年前基本完成了清潔取暖改造,分別占重點(diǎn)地區(qū)汞減排總量的4.46%和2.85%.對(duì)于山東省,因其出臺(tái)《山東省冬季清潔取暖規(guī)劃(2018—2022年)》[61]等政策文件,已連續(xù)四年在農(nóng)村地區(qū)開展清潔取暖改造,累計(jì)減汞量占重點(diǎn)地區(qū)汞減排總量的12.57%,清潔取暖的汞減排成效顯著.

表2 “十三五”時(shí)期北方清潔取暖政策下各省及重點(diǎn)地區(qū)的汞減排量(t/a)

圖2 “十三五”時(shí)期重點(diǎn)地區(qū)城市尺度汞減排時(shí)空分布特征

如圖2所示,2017年,北京市、廊坊市和保定市的汞減排量超過了0.20t.隨著清潔取暖政策在各地逐步落實(shí),汞減排量超0.20t/a的城市數(shù)量逐漸增加,例如:西安市在2018年實(shí)現(xiàn)了0.38t的汞減排;渭南、唐山和邯鄲在2019年完成了0.31, 0.22和0.20t汞減排;而保定和唐山則為2020年新增汞減排量超0.20t的城市.從四年實(shí)施情況看,汞減排量超0.50t的四個(gè)城市依次為保定,邯鄲,唐山和渭南,四年汞減排量分別為0.68, 0.59, 0.56和0.51t.

另外,“煤改氣”、“煤改電”和“其他改造方式”的汞減排貢獻(xiàn)率依次為51.20%、38.02%和10.78%.如表3所示,不同地區(qū)和不同改造技術(shù)路徑的汞減排貢獻(xiàn)率也存在區(qū)別.對(duì)“2+26”城市而言,“煤改氣”、“煤改電”和“其他改造方式”的汞減排貢獻(xiàn)率為57.53%、33.09%和9.38%;而在汾渭平原地區(qū),三種改造技術(shù)方式的汞減排貢獻(xiàn)率則分別為32.12%、52.86%和15.02%.同時(shí),“其他改造方式”的推行力度也在逐年加大.例如,2018年之后,“其他改造方式”的汞減排量依次占當(dāng)年汞減排總量的10.15%、15.10%和15.86%,這與地方政府針對(duì)地區(qū)資源稟賦特征而設(shè)計(jì)的取暖規(guī)劃密切相關(guān).整體上看,因非試點(diǎn)地區(qū)同樣存在清潔取暖改造需求[23-24,28],改造的實(shí)際汞減排效益將高于本文估算結(jié)果.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),“十三五”期間全國(guó)民用散煤替代量為59.8′106t/a[62],意味著民用部門每年歸因于散煤燃燒替代的汞減排量將近10t.盡管民用散煤并未被納入《水俁公約》的管控名單中,但考慮到中國(guó)每年用于炊事和供暖等活動(dòng)的散煤消耗量高達(dá)1.5′108～1.7′108t[62],若實(shí)現(xiàn)完全替代,汞減排量約為本研究結(jié)果的2.5～2.9倍,在提升空氣質(zhì)量的同時(shí),也將有效降低區(qū)域大氣汞污染暴露風(fēng)險(xiǎn).

表3 各省及重點(diǎn)地區(qū)不同清潔取暖改造路徑的汞減排貢獻(xiàn)率(%)

2.2 清潔取暖政策避免的大氣汞沉降

大氣汞擴(kuò)散傳輸模擬結(jié)果表明,北方重點(diǎn)地區(qū)農(nóng)村家庭的清潔取暖政策避免了東亞地區(qū)共計(jì)2.12t的大氣汞沉降.其中,位于中國(guó)的大氣汞沉降削減量為1.15t;其他國(guó)家的陸地汞沉降削減量為0.35t,而剩余29.25%的大氣汞沉降削減則發(fā)生在東亞海洋區(qū)域.基準(zhǔn)情景的大氣汞沉降與大氣汞濃度的空間分布分別如圖3-A1和圖3-B1所示;而政策情景下的大氣汞沉降與大氣汞濃度的空間分布則如圖3-A2和圖3-B2所示.由表4可知,大氣汞沉降削減量較高的地區(qū)集中于北方重點(diǎn)地區(qū),并向中部和東南部地區(qū)擴(kuò)散,特別是湖北、湖南等中部地區(qū).其中,北方重點(diǎn)地區(qū)各城市的大氣汞沉降削減量占中國(guó)大氣汞沉降削減總量的42.36%(0.49t),低于非重點(diǎn)地區(qū)的汞沉降削減量總和(0.66t),由此表明,大氣汞沉降的削減效益存在廣泛的跨區(qū)域特性.

表4 清潔取暖政策背景下各省區(qū)域大氣汞沉降削減量(kg)

注: 因研究的空間柵格大小限制,兩個(gè)特別行政區(qū)(即香港和澳門)的數(shù)值合并至廣東省統(tǒng)計(jì).

重點(diǎn)地區(qū)的七個(gè)省(直轄市)中,大氣汞沉降削減量最多的省份為河北,為174.71kg;河南和陜西次之,其大氣汞沉降削減量分別為141.79kg和128.75kg;而北京的大氣汞沉降削減量?jī)H有9.74kg,是北方重點(diǎn)地區(qū)中汞沉降削減量最少的省(直轄市).中部地區(qū)的湖北、湖南以及西南地區(qū)的四川的大氣汞沉降削減效益也較為突出,分別為41.88, 35.49和47.16kg.同時(shí),亦有少量大氣汞沉降削減發(fā)生在非清潔取暖試點(diǎn)區(qū)域的其他北方地區(qū).例如,西北地區(qū)的寧夏、青海和甘肅的大氣汞沉降削減量依次為5.79, 9.17和31.76kg.而東北三省的吉林、遼寧和黑龍江的大氣汞沉降削減量則依次為上述三個(gè)西北內(nèi)陸省份的2.01, 1.85和0.58倍.除此之外,內(nèi)蒙古和新疆的大氣汞沉降削減量也相對(duì)較多,分別為51.38kg和20.35kg.顯然,農(nóng)村家庭清潔取暖改造項(xiàng)目不僅推動(dòng)了北方重點(diǎn)地區(qū)民用散煤替代汞減排,而且也有效促進(jìn)其他非重點(diǎn)地區(qū)的協(xié)同減排[2,8].

此外,如圖3-A3與圖3-B3所示,大氣汞濃度下降地區(qū)主要集中于清潔取暖政策所覆蓋的“2+26”城市和汾渭平原城市,而非重點(diǎn)地區(qū)的大氣汞濃度變化并不顯著.換言之,在政策影響下,大氣汞濃度的總體下降趨勢(shì)與民用散煤替代高度相關(guān),這意味著政策對(duì)改善地區(qū)大氣汞濃度具有直接驅(qū)動(dòng)作用.

2.3 重點(diǎn)地區(qū)清潔取暖汞減排的驅(qū)動(dòng)因素分析

如圖4A所示,2017～2020年,“2+26”城市汞減排量增加了5.65t,其主要由改造戶數(shù)的快速增長(zhǎng)所驅(qū)動(dòng)的.地區(qū)戶均散煤消費(fèi)量和單位汞減排強(qiáng)度對(duì)汞減排量的影響較小,表明地區(qū)單位燃煤活動(dòng)水平處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).如圖4B所示,對(duì)于汾渭平原城市而言,其在2018～2020年內(nèi)增加了1.79t汞減排量,清潔取暖改造規(guī)模的擴(kuò)大是其實(shí)現(xiàn)汞減排量增長(zhǎng)的主要原因.LMDI分解分析結(jié)果表明,持續(xù)擴(kuò)大農(nóng)村家庭清潔取暖的覆蓋區(qū)域,對(duì)長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)區(qū)域民用散煤替代和降低燃煤供暖活動(dòng)產(chǎn)生的大氣汞排放等目標(biāo)具有關(guān)鍵意義.

2.4 不確定性分析

蒙特卡洛模擬結(jié)果顯示,2017～2020年,清潔取暖改造汞減排量不確定性范圍為9.52～11.27t(±80%置信區(qū)間).由圖5可知,分省分地區(qū)汞減排量的不確度區(qū)間分別為北京(-12.34%～10.07%),天津(-12.40%～10.24%),河北(-18.04%～15.88%),河南(-20.30%～17.86%),山東(-15.44%～13.12%),山西(-16.08%～13.90%),陜西(-25.30%～23.18%),“2+26”城市(-10.36%～8.04%)和汾渭平原城市(-18.04%～ 15.22%).其中,陜西的汞減排量不確定性區(qū)間較大,這是陜西民用散煤中汞含量的不確定性區(qū)間較大所導(dǎo)致的.民用散煤燃燒供暖過程的汞釋放率是清單不確定性的另一重要來源.已有研究對(duì)該值界定處于80.77%～100%區(qū)間,且文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)差異較大,在概率分布類型上呈現(xiàn)明顯的Beta分布特征.

在實(shí)際燃煤供暖過程中,不同煤炭種類與爐具類型、燃煤溫度與方式等因素均會(huì)影響汞的釋放率[18,32,39].因此,為減少生活源燃煤汞排放研究的不確定性,應(yīng)對(duì)民用燃煤供暖過程的汞釋放率進(jìn)行分煤種、分爐具和分燃燒方式的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[62],并開展更詳細(xì)的燃煤活動(dòng)水平統(tǒng)計(jì)調(diào)查,及時(shí)更新民用燃煤排放過程的理化參數(shù)和物料信息,以支撐更精細(xì)的排放清單編制和更精準(zhǔn)的大氣化學(xué)傳輸擴(kuò)散模擬.

圖5 各省和重點(diǎn)地區(qū)汞減排清單的不確定性

2.5 政策建議

繼續(xù)推廣北方清潔取暖的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),擴(kuò)大清潔取暖政策的實(shí)施范圍,并在資金、技術(shù)和資源加大投入[30-31],特別是強(qiáng)化部分地區(qū)能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)[23],從而規(guī)避因供暖設(shè)備落后或老化造成的供暖改造“改而不用”等問題.此外,未來國(guó)家進(jìn)展報(bào)告中可另增設(shè)關(guān)于散煤綜合治理減汞的相關(guān)進(jìn)展,從而更好地實(shí)現(xiàn)中國(guó)汞治理目標(biāo).

重視并充分挖掘以可再生能源為主的供暖方式在區(qū)域清潔取暖改造建設(shè)中的潛力,結(jié)合區(qū)域發(fā)展特征和當(dāng)?shù)刭Y源稟賦特性,開發(fā)除“煤改氣”和“煤改電”之外的其他可再生能源供暖改造方式,例如,“煤改生物質(zhì)熱”、“煤改地?zé)峁┡薄ⅰ懊焊墓夥婆钡萚23,28].同時(shí),2018年北方地區(qū)短期“氣荒”問題表明,如果沒有穩(wěn)健的天然氣輸運(yùn)存儲(chǔ)體系,在地方推行單一的“煤改氣”供暖改造模式將面臨巨大的能源供應(yīng)短缺風(fēng)險(xiǎn)[63].因此,為防止可能存在的能源供應(yīng)緊張或替代能源成本過高而導(dǎo)致的散煤復(fù)燃問題[28],應(yīng)建立全新的多能互補(bǔ)的供暖格局,并納入后續(xù)政策規(guī)劃中.

加快建立大氣污染聯(lián)防聯(lián)控治理體系,依據(jù)取暖改造工程開支和大氣污染治理收益綜合制定橫向生態(tài)補(bǔ)償政策,統(tǒng)籌兼顧地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和財(cái)政負(fù)擔(dān)能力,推進(jìn)建設(shè)大氣汞減排生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,發(fā)揮好其在清潔取暖政策系統(tǒng)優(yōu)化中的重要作用.例如,風(fēng)電、光電資源豐富的新疆和甘肅等西北地區(qū)仍有20%的棄光率和棄電率[64],可在滿足自身供暖能源需求的前提下為華北平原和汾渭平原等地區(qū)提供額外制熱能源[8],以置換清潔取暖政策的跨地區(qū)汞沉降削減效益,并可減輕新能源產(chǎn)業(yè)消納壓力.

3 結(jié)論

3.1 “十三五”時(shí)期,北方重點(diǎn)地區(qū)的農(nóng)村家庭共計(jì)替代民用散煤59.65′106t,并減少了10.54t(不確定性區(qū)間:-9.65%～6.94%)大氣汞排放.其中,“煤改氣”、“煤改電”和“其他改造方式”的汞減排貢獻(xiàn)率分別為51.20%、38.02%和10.78%.

3.2 大氣模型結(jié)果表明,北方重點(diǎn)地區(qū)農(nóng)村家庭的清潔取暖改造避免了中國(guó)共計(jì)1.15t的大氣汞沉降.其中,北方重點(diǎn)地區(qū)的大氣汞沉降削減量占全國(guó)大氣汞沉降削減總量的42.36%(0.49t),其他非重點(diǎn)地區(qū)同樣因清潔取暖政策的外溢效應(yīng)而獲得0.66t的大氣汞沉降削減效益.

3.3 改造戶數(shù)的增加是汞減排最主要的貢獻(xiàn)因素,因此,擴(kuò)大清潔取暖覆蓋范圍仍是未來政策重點(diǎn).

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致謝：本研究得到了華東師范大學(xué)公共創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)(001)的計(jì)算支持,在此表示感謝.

Benefit assessment of mercury emission reductions under the cleaner heating policy for the rural households in northern China.

FANG Pei1, ZHANG Wei2,3, SONG Ling-ling4, XU Zeng5, WU Zhao-ming1, LEI Zhi-yu1, HU Tong-jia1, LI Ming-yang1, CHEN Long5**, LI Jia-shuo6*

(1.SDU-ANU Joint Science College, Shandong University, Weihai 264209, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Planning and Policy Simulation, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；3.Center for Beijing-Tianjin-Hebei Regional Ecology and Environment, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；4.Center for Environmental Protection Investment Performance Management, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；5.School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China；6.Institute of Blue and Green Development, Shandong University, Weihai 264209, China).2023,43(2)：981～992

To quantify the effects of mercury (Hg) emission reductions from the rural household cleaner heating policy (CHP) in northern China, the air pollutants emission inventory method and the GEOS-Chem model were employed to develop the Hg emission inventory and simulate Hg deposition reduction in the key regions during the 13th Five Year Plan period. Results show that the implementation of the CHP had avoided 59.65million tons of residential coal consumption and 10.54tons (Uncertainty Interval: -9.65%～6.94%) of Hg emissions in the study regions. More specifically, the Hg0, HgⅡand Hgpemission declined 8.64tons, 1.79tons and 0.11tons, respectively. The CHP programs of coal-to-gas, coal-to-electricity, as well as the other heating energy transition technologies contributed 51.20%, 38.02% and 10.78% of the total Hg reduction, and the CHP avoided 0.49tons of Hg deposition in key regions. Meanwhile, CHP’s spillover effect reduced Hg deposition by 0.66tons in the area around the key regions. Optimization strategies were proposed to further reduce Hg emissions and promote rural energy transition in the future.

cleaner heating policy (CHP)；rural households；residential coal substitution；mercury emission reductions；atmospheric mercury transportation and diffusion

TU832;X51

A

1000-6923(2023)02-0981-12

方 培(2000-),男,福建漳州人,山東大學(xué)本科生,主要從事區(qū)域環(huán)境過程與模擬相關(guān)研究.

2022-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(72074137,72074155,42077200)

* 責(zé)任作者, 教授, lijiashuo@sdu.edu.cn; ** 研究員, chenlong@geo. ecnu.edu.cn