能源结构变化对兰州市大气质量的影响

牛武江，张 宁，王一帆，项 明

甘肃省环境监测中心站， 甘肃 兰州 730020

位于黄河上游的兰州市东西长约35 km，南北宽约2～8 km，是一个典型的半封闭哑铃状河谷盆地，属中温带大陆性气候，年均降水量360 mm，年均气温9.3 ℃。特殊的地理环境造成兰州市逆温频率高，以冬季最多，最高可达99%，夏季也达50%左右；逆温层厚度12月平均为700 m左右，其他季节也达约350 m；月平均风速只有0.26～1.54 m/s，年平均约1.0 m/s，冬季仅为0.26～0.54 m/s；年平均静风率高达62.7%，冬季则达87%。逆温层厚、风速小，大气层结构稳定，污染物向外迁移能力弱，城区大气环境容量约为3～4 t/h，但排放量高达10 t/h以上[1]，大气质量下降就是必然的结果[2]。

近年来，大气污染对经济发展和公众健康的影响受到普遍关注，而兰州市的空气污染对当地经济的影响尤其严重。据统计，2000年因大气污染造成的经济损失货币值为11.14亿元[3]，2002年增长为11.46亿元[4]，同时污染对人体健康造成危害[5]，尤以对呼吸系统影响较为严重[6]，且女性人群较男性更为敏感[7]，2006年因大气污染对人体健康造成的经济损失为4.74亿元，占GDP的1.13%，成为制约经济发展的主要因素[8]。

为控制兰州市的大气污染，各级政府采取了一系列防治措施，早在“八五”期间就提出了以气化工程、热化工程、阳光工程和煤型工程等为主的“兰天计划”，经多年的努力已取得初步成效，污染状况得到显著改善。该文基于2001—2010年兰州市消耗能源种类与主要污染物组成及行业分布，分析了相互间的关系，为科学调控能源结构改善大气质量提供依据。

1 实验部分

1.1 数据来源

兰州市2001—2010年重点工业(电力、蒸汽热水产供业、有色金属冶炼加工业、石油加工业、建材非金属矿制品业、黑色金属冶炼加工业、化学工业及纺织业和机械工业共8个主要能源消耗行业)的燃煤、燃油(未包括居民生活用部分)和燃气3项主要能源消耗，废气(8个主要能源消耗行业)、烟尘、SO2、NOx4项主要污染物排放，以及在如上8个行业的分布数据，均来源于兰州市环保局编撰的2001—2005年和2006—2010年《兰州市环境质量报告书》。

1.2 研究方法

3种主要能源材料消耗与4种污染物间的相关性分析采用Microsoft Excel中的Correl功能，计算2组数据的相关系数。

2 结果与讨论

2.1 2001—2010年主要能源材料消耗

能源是社会经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，能源资源的开发利用在促进社会经济发展的同时，也带来严重的生态环境问题[9-10]。但传统的以煤为主要燃料的能源结构已不适合于城市生活，特别是改革开放以来城市人口急剧增长，国民生产总值飞速发展，使能源消耗大幅度增加，所产生的污染也与日俱增。作为周边煤炭资源相对丰富的兰州市，一直以煤为主要能源，如2001年燃煤消耗占全部能源的91.6%，而燃气仅占约1.1%(表1)。但在10年间燃煤比例逐步下降，2010年降至约65%，燃气比例则升至约35%，且燃油比例也在逐步降低，由2001年的7%降至2010年的0.2%(是随总量上升的相对下降，绝对消耗量约为2001年的15%)。而最显著的是燃气消耗量的急剧增长，10年间增长了130多倍。

表1 2001—2010年兰州市重点工业能耗(标煤) kt

2.2 2001—2010年主要污染物组成变化

以废气、烟尘、SO2和NOx为主要代表的污染物总量列于表2。10年间废气总量呈增加趋势，2009年达到高峰，总量比2001年增加了一倍以上，但2010年出现回落。烟尘总量呈现逐步减少的可喜局面，2010年比2001年减少一半以上。SO2排放在2006年以前呈增加趋势，但到此后进入相对平稳的保持状态，尽管有所波动，但总量变化不显著。NOx呈现缓慢增长的趋势，10年间排放量增加了约50%。

表2 2001—2010年兰州市主要污染物

2.3 主要能源材料消耗与污染物组成的相关性

对2001—2010年兰州市主要能源消耗与主要污染物产生之间的相关性进行分析(表3)，可以发现，废气污染的主要来源与燃煤和燃气呈强正相关(相关系数r分别为0.87和0.92)；烟尘的产生与燃煤和燃油呈强正相关，但与燃气消耗呈负相关；SO2排放量与燃料性质的相关性与废气一致，主要由燃煤和燃气产生；NOx的排放却与燃气呈强正相关(r=0.83)。但除烟尘排放量与能源消耗总量之间呈负相关(r=-0.49)外，其余3种主要污染物排放量都与消耗总量呈强正相关。

表3 2001—2010年兰州市主要污染物与能源种类的相关性分析

注：燃油统计仅为主要工业企业消耗量，故未计入相关性分析。

2.4 2001—2010年兰州市工业废气污染负荷行业分布

对2001—2010年兰州市8个能源消耗主要行业的工业废气污染负荷分布(表4)分析可见，污染负荷最大的行业是电力、蒸汽热水产供业，占总量的50%左右；其次为有色金属冶炼加工业，污染负荷2006年减至约10%，但2007年后又逐步上升。值得注意的是石油加工业和建材非金属矿制品业的污染负荷比例在逐步提高；黑色金属冶炼加工业波动较大，但主要趋势是上升；化学工业的污染负荷呈现持续下降的趋势。纺织业和机械工业所占比例较小，变化也不是特别明显。

表4 2001—2010年兰州市工业废气污染负荷行业分布 %

2.5 讨论

我国消耗着全球10%的能源，且这一比例还在持续增加，其中75%为煤炭，因而能源消耗不仅对中国，也对全球的环境产生重要影响[11]。随着我国经济主体向西部的战略转移，以及中央实施西部大开发战略，兰州市的社会、经济与环境的可持续发展必将接受新的考验，特别是环境负荷必将进一步加大。如何在能源与环境、经济效益与社会效益的协调发展方面寻找合理的关系，成为实现兰州市可持续发展的重要问题。

近年来，大量科技工作者对我国城市能源结构与大气质量的关系进行了分析，如Zhao[12]对北京市1997—2006年能源结构的分析证实，1997年总能源消耗为3 161.9万t标煤，2006年增至5 682.2万t标煤，但单位GDP能耗却由约1.7 t标煤降至0.72 t，而能源组成中尽管煤仍占主要地位，比例却由1997年的41.47%降至2006年的24.47%。而据Zhao等[13]的预测，通过能源结构优化，2020年北京市PM10、PM2.5、SO2、NOx和非甲烷挥发性有机物(NMVOCs)排放量比2005年分别下降34.0%、53.2%、78.3%、47.0%、30.6%。余晔等[14]对兰州市2001—2007年空气质量的分析显示，兰州市PM10日均质量浓度由2001年的236 μg/m3下降为2007 年的127 μg/m3；银川市2000—2009年大气中SO2、NO2、PM10质量浓度降幅分别达45%、22%、43%[15]，充分证实能源结构与空气质量密切相关[16]。

天然气是一种优质、高效的燃料，具有节能、污染少等特点，与燃料煤和石油相比，C、N、CO含量低，几乎不含S[17]，燃烧效率高，单位产能的CO2和NO2排放量比燃煤和燃油分别减少25%和50%，N2O排放量减少70%以上[18]。SO2、NOx排放量与燃煤、燃气使用量呈强正相关仅仅是因为其变化趋势一致，SO2主要是由燃煤产生[19]，但NOx在统计期间仅增加43.57%，而燃煤消耗量增加2倍，燃气增加134倍，尽管这2种燃料的NOx排放量小，但绝对量仍然在增加，故此其相关性为正并不能证明是由燃煤或燃气产生。

但历史造就的兰州市能源结构难以在短期内得到改善，特别是随着经济的发展，兰州市的能源消耗仍在持续增长，2001—2010年标准煤消耗量增长了4倍多，尽管以天然气为主要内容的清洁能源得到应用，燃煤仍然由2001年的283.6万t增至2010年的848.3万t(表1)，同时各污染物的排放量也在增加(表2)。从污染负荷的行业分布可见，一半左右的污染负荷是电力、蒸汽热水产供业，而这部分能源除与工业生产密切相关外，还与人民生活息息相关。但作为水电资源丰富的兰州市，与黄河上游已建成、在建及规划的15个梯级电站距离均较近，电力供应在很大程度上可由水电替代，而这一部分正是兰州市能源结构改变具有巨大潜力的部分。

随着能源结构的改变，特别是天然气在能源中所占比例的增加，大气质量在逐步改善，2001—2010年燃煤消耗量增加了3倍，但废气排放总量只增加了约1.8倍，而烟尘排放量却减少了约54%，SO2和NOx也均各增加了约50%(表2)，证实能源结构对减少空气污染具有显著作用。随着燃气、水电等清洁能源消耗比例的增加，兰州市的能源结构会更加合理，污染将大幅度减少。随着能源结构的进一步改善，最终实现兰州市环境清洁优美、经济持续发展、生态良性循环的西北大都市的战略目标指日可待。

3 结论

1)随能源结构的改变，尽管兰州市能源消耗总量在逐步上升，但烟尘排放总量却在逐步减少且与能量消耗呈负相关，证实烟尘主要来源于燃煤。

2)兰州市2001—2010年废气排放总量总体呈增长趋势，但2010年出现回落，且烟尘总量2010年比2001年减少50%以上，SO2排放也在2006年进入相对平稳状态，而NOx10年间排放量在能源消耗增加4.2倍的情况下仅增加了约50%，显现出能源结构变化对大气质量改善的巨大作用。

3)依据兰州市地理环境特点和主要污染源为电力、蒸汽热水产供业的现状，兰州市今后的能源结构改善应充分发挥地域优势，增加以水电为主的电力供应，替代以燃煤为主的电力生产，并进一步创造条件增加电力供暖，是兰州市大气质量得到显著改善的重要举措。

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