火电厂大气污染物排放标准对区域酸沉降影响的数值模拟

王占山,潘丽波,李云婷,徐文帅,聂 滕,孙兆彬(.北京市环境保护监测中心,北京 0008；.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 000；.北京市环境保护科学研究院,国家城市环境污染控制工程技术研究中心,北京 0007；.中国气象局京津冀环境气象预报预警中心,北京 00089)

火电厂大气污染物排放标准对区域酸沉降影响的数值模拟

王占山1*,潘丽波2,李云婷1,徐文帅1,聂 滕3,孙兆彬4(1.北京市环境保护监测中心,北京 100048；2.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；3.北京市环境保护科学研究院,国家城市环境污染控制工程技术研究中心,北京 100037；4.中国气象局京津冀环境气象预报预警中心,北京 100089)

设计了火电厂实施2003版排放标准和2011版排放标准两种排放情景,运用Models-3/CMAQ模型系统分别模拟各情景到2015年的硫、氮沉降量,探讨2011版火电排放标准对我国大陆地区酸沉降的影响.研究表明,2011版火电标准能够有效改善我国的硫沉降状况,相比于实施 2003版标准,2011版标准实施后至 2015年我国大陆硫沉降总量降低了 18.58%,年均硫沉降强度大于 3.2t/km2的面积减少了86.40%;2011版火电标准对我国氮沉降状况也起到了一定的改善作用,标准实施后到2015年我国大陆氮沉降总量降低了9.28%,年均氮沉降强度大于4.0t/km2的面积减少了27.27%.

火电厂；排放标准；CMAQ；硫沉降；氮沉降；数值模拟

大气酸沉降是指大气中的酸性物质通过干沉降和湿沉降两种途径迁移到地表的过程,湿沉降主要包括降雨和降雪,干沉降是指除降水(雨、雪)以外的天气条件下在大气中发生的所有物理沉降过程(重力沉降、湍流扩散、布朗扩散及碰撞等)[1-2].酸沉降对生态环境有着多方面的影响,如改变土壤理化性质,造成土壤酸化[3];腐蚀树木的蜡质层,破坏植物生态结构,危害森林生态系统[4];降低水体pH值,导致部分水生生物死亡,从而打破水生生态系统平衡;另外酸沉降还会腐蚀建筑物、造成农作物减产[5]以及危害人体健康[6].我国对酸沉降的研究始于20世纪20、30年代,自20世纪70年代起,我国对酸雨进行了大量的研究,北京、南京、上海、重庆和贵阳等城市相继监测到酸雨[7-8].了解酸沉降的分布和特征是治理酸雨的前提,由于缺少系统的大范围观测资料,数值模拟成为酸沉降研究的有力工具[9].

火电厂是我国SO2和NOχ的主要排放源之一,截至 2010年底,全国电力装机容量已达 9.62亿kW,居世界第二位,其中火电为7.07亿kW,占全国总装机容量的73%[10].我国的能源结构决定了在今后相当长的时间内火电机组装机容量还将不断增长,由火电厂排放的SO2和NOχ若得不到有效控制,将直接影响我国酸沉降污染的治理进程.新修订的《火电厂大气污染物排放标准》[11](GB13223-2011)已于2012年1月1日起开始实施,本研究运用空气质量模型系统 Models-3/CMAQ对2011版火电标准对我国大陆地区酸沉降的影响进行数值模拟,探讨火电厂污染物减排对酸沉降状况的改善,并对未来我国酸沉降污染的治理给出建议.

1 排放情景

选取 2010年作为基准年,2015年作为情景年,基准年主要用作模型系统的验证和调试.在情景年设定了两个排放情景:情景一(QJ1-2015)是指火电实施2003版排放标准时到2015年的排放状况,情景二(QJ2-2015)是指火电实施2011版排放标准时到2015年的排放状况.基准年中火电厂SO2和 NOχ排放量是根据 INTEX-B[12]项目中2006年火电厂的排放量和从2006年到2010年全国火电机组容量的增加量[13]估算得到;两个排放情景中火电厂SO2和NOχ排放量参考了《火电厂大气污染物排放标准》[11]编制说明(二次征求意见稿)中的测算数据.基准年和情景年中除火电厂外的其他排放源的污染物排放量参考了国内外学者对中国地区大气污染源清单的研究成果[14-18]推算得来,为探讨火电厂大气污染物的排放对酸沉降的影响,本研究默认其他排放源在各情景的排放量不变,具体的SO2和NOχ排放量见表1.

表1 各排放情景SO2和NOχ排放量Table 1 SO2and NOχemission of QJ1 and QJ2

2 模型系统设置及验证

2.1 模型系统设置

运行气象模型 MM5(The Fifth-Generation NCAR/PSU Mesoscale Model)获得2010年的气象场,并以此作为两个排放情景的气象场.在处理污染源数据时用SMOKE(Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)模型将排放数据内插到CMAQ模型网格点上,并将年排放量转化为小时排放量.处理后得到的火电厂的NOχ和SO2排放量的空间分布趋势(图 1).MM5模型模拟区域的中心点为36°N、104°E,水平网格分辨率为60km,垂直层次为 34层,水平和垂直方向的网格数分别为 90和80,能覆盖中国大部分地区(不包括南海群岛);模型初始及边界资料为 NCAR(National Center for Atmospheric Research)和 NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的再分析逐日资料FNL数据,空间分辨率为1°×1°,时间分辨率是 6h;地形资料来自 USGS(United States Geological Survey)的 30s全球地形资料.在选用MM5模型的参数化方案时,参考了香港科技大学多年的 MM5模拟研究的最优设置[19],包括:Simple Ice显式水汽方案、KF积云方案以及RRTM 辐射方案等.使用 MCIP (Meteorologychemistry Interface Processor)将MM5的输出结果插值到CMAQ模型区域和网格上,并将MM5的34层垂直网格映射为CMAQ模型的19层粗网格.CMAQ采用CB-IV气相化学机制,物理过程的水平平流和垂直对流采用PPM解法,垂直扩散采用Crank-Nicholson解法,并考虑了干沉降和湿沉降过程.CMAQ各层的 Sigma值分别为1.0000、0.9975、0.9950、0.9900、0.9800、0.9700、0.9600、0.9400、0.9200、0.9000、0.8750、0.8500、0.8200、0.7550、0.6850、0.5800、0.5100、0.4400、0. 3200和0.0000,大致对应高度0, 37, 75, 150, 300, 450, 600, 900, 1200, 1500, 1875, 2250, 2700, 3675, 4725, 6300, 7350, 8400, 10200和15000m.

图1 火电厂NOχ和SO2排放量空间分布趋势Fig.1 Spatial distribution of NOχand SO2emission for thermal power plants

2.2 模型系统验证

目前,一般使用地面观测数据、飞机航测数据或卫星遥感数据对模型结果进行验证,其中地面观测数据取自分散的地面监测点,数据分布范围广且有较高的准确度,是目前国内用于验证模型结果的主要数据来源.在进行 MM5模型验证时,从National Climatic Data Center (NCDC)公布的中国358个站点的气象数据中选取了10个城市2010年1、4、7、10月份的观测数据,与MM5模拟的地面2m温度(T2)、地面10m风速(WS10)和降水量(PRE)进行比对.这 10个城市为北京、合肥、南京、广州、上海、兰州、武汉、沈阳、杭州和重庆.用到的统计参数包括平均观测值(Mean OBS)、平均模拟值(Mean SIM)、均方根误差(RMSE)、标准平均偏差(NMB)、标准平均误差(NME)、平均相对偏差(MFB)、平均相对误差(MFE)和相关系数R,结果见表2.(式中 M为模拟值,O为观测值)

表2 气象参数的观测值和模拟值的统计参数Table 2 Performance statistical parameters for meteorological variables

王丽涛等[20]运用 MM5在与本研究相似的模拟区域的模拟结果显示,温度、风速的均方根误差分别为3.0到3.3和1.8到2.0;Wu等[21]运用MM5在美国北卡罗来纳州的模拟结果显示,风速的均方根误差介于1.8到2.0之间;Zhang等[22]运用MM5在中国地区的模拟结果显示,温度的NMB、NME和R分别为-34.%1到-3.0%、16%到63.1%以及0.6到0.9,风速的NMB、NME和R分别为40%到101.5%、71%到118.9%以及0.4到0.5,降水量的NMB、NME和R分别为-34%到10%、110.0%到156.2%以及0.2到0.4;Zhang等[23]运用MM5在美国东南部地区的模拟结果显示,温度的平均NMB、NME和R分别为9%、11%和0.77,风速的平均NMB、NME和R分别为-21%、23%和0.62.本研究中 MM5模型的大多数模拟结果与其他学者的模拟结果相当,因此MM5的输出结果较合理,可以作为CMAQ模型的气象场.

由于缺少多点位连续的地面观测资料,在进行 CMAQ的验证时,使用的是根据各地公布的API值反推的污染物浓度值[24-25].选取了北京、上海、广州和济南这四个同时公布SO2、NO2和PM10三项污染物API值的城市,将推算的1、4、7、10月份的污染物日均值浓度与CMAQ模型的模拟值进行比对,见图 2.观测值和模拟值的统计参数的计算结果见表3.

Lu等[26]应用 CMAQ对中国地区的模拟结果显示,SO2的NMB和NME分别为-51.85%到-12.7%和68.1%到77.3%;Wang等[27]应用CMAQ对亚太地区的模拟结果显示,NO2的 NMB介于-61.2%和-81.3%之间;Boylan等[28]认为若同时满足MFB≤±60%和MFE≤75%,则可认为CMAQ对颗粒物的模拟效果较好.由图2和表3可以看出,模拟值与监测值具有较好的一致性,能反映出监测值的变化趋势,统计参数也与其他学者的研究结果相当,可认为 CMAQ的模拟结果较合理,能满足后续研究工作的需要.上海市NO2的模拟结果与其他城市相比精确度较低,可能是SMOKE模型在排放清单的时间和空间分配过程中存在的误差导致的.

图2 CMAQ模拟的SO2、NO2和PM10与观测值的比对Fig.2 Comparison of SO2, NO2and PM10for observation and simulation

表3 SO2、NO2和PM10的观测值和模拟值的统计参数Table 3 Performance statistical parameters for SO2, NO2and PM10

3 结果分析

将酸沉降分为硫沉降和氮沉降进行分析,将CMAQ模拟的沉降物种中的SO42-、H2SO4和SO2中的硫元素质量之和作为硫沉降量,将NO3-、HNO3、NO2、NH3、PAN和NH4+中的氮元素质量之和作为氮沉降量.

3.1 区域硫沉降量明显降低

若火电继续实施2003版标准,到2015年我国大陆地区的硫沉降总量约为 751.65×104t,其中湿沉降占到61.65%;湿沉降主要以SO42-为主,干沉降中主要以SO2为主.按省份来看,我国硫沉降量较高的省份有四川、河北、内蒙古、湖北、河南和山东等省,情景一中2015年这六个省的硫沉降量均超过了 35.00×104t,平均硫沉降量达到44.47×104t.按干湿沉降来看,受降水、温度、湿度等的影响,不同地区的硫沉降中干湿沉降的组成也不同.北京、天津、河北、黑龙江和内蒙古等北方地区的硫沉降中干沉降占的比例较大;而四川、重庆、湖南、江苏、浙江和上海等南方地区的硫沉降中则明显以湿沉降为主.

火电实施2011版标准后到2015年我国大陆地区的硫沉降总量约为 611.99×104t,相比于情景一的降幅为18.58%(表4).由于硫沉降的化学组成相对简单,且我国硫沉降的来源主要是 SO2的排放,因此火电厂 SO2的减排对模拟结果中的干湿沉降的比例没有太大影响,与情景一中大致相同.火电实施2011版标准后,硫沉降的高值地区的沉降量明显减少,2015年硫沉降量较高的六个省的平均沉降量降为35.19×104t,相对于情景一的降幅为20.87%,略大于硫沉降总量的降幅,说明我国硫沉降的高值区受火电厂减排的影响相对较大.按降幅来看,2015年各省硫沉降量与情景一相比降幅较大的省市有江苏、广东、山西、安徽和山东等,降幅均超过 25%,改善较小的省份有内蒙古、青海、新疆、云南和广西等省(图3).

3.2 硫沉降影响的范围明显缩小

若火电继续实施2003版标准,到2015年我国将有较大面积的国土范围受到硫沉降的影响.根据段雷等[29]的研究,我国土壤的硫沉降临界负荷约为0.8～3.2t/km2,情景一中2015年我国硫沉降强度大于 3.2t/km2的面积约为 21.20×104km2,占到国土面积的 2.20%.按省份来看,我国硫沉降强度较高的省市有上海、天津、北京、江苏和重庆等,这五个省份的平均硫沉降强度达到3.01t/km2.模拟区域的最大网格强度为4.16t/km2,落在四川省境内.

火电实施2011版标准后,我国受硫沉降影响的国土范围明显缩小.情景二中2015年我国年均硫沉降强度大于 3.2t/km2的面积约为2.88×104km2,相对于情景一的降幅为 86.40%,超过最大沉降负荷的国土面积大幅减少,具体见表5.硫沉降强度越小的地区,由火电减排带来的硫沉降强度的改善幅度越小,也同样能够说明硫沉降的高值区受火电厂减排的影响相对较大.按省份来看,硫沉降强度较高的五个省市的平均硫沉降强度降为 2.52t/km2,相对于情景一的降幅为16.28%.模拟区域的最大网格强度降为3.28t/km2,降幅为 21.15%,见图 4.火电实施新标准后,我国西南部川渝地区仍有部分区域年均硫沉降强度大于 2.0t/km2,这主要是受当地的工业和能源结构、燃煤硫含量以及气象条件的影响.

表4 各情景陆地硫沉降量(×104t)Table 4 Sulfur deposition of QJ1 and QJ2(×104t)

图3 不同情景下各省硫沉降量Fig.3 Sulfur deposition in each province of QJ1and QJ2

表5 各情景硫沉降影响面积(×104km2)Table 5 Sulfur deposition extent of QJ1 and QJ2(×104km2)

2011 版火电标准对我国硫沉降污染的治理起到了显著的效果,未来建议对工业锅炉等其他SO2排放源同步加强排放控制,可进一步改善我国的硫沉降状况.对于硫沉降强度相对较高的四川、重庆和贵州等地区,建议首先要大力推进新能源的实施,如水电和风电等;其次要严格限制高硫煤的生产和使用,提高煤炭燃烧的脱硫能力.

3.3 区域氮沉降量有所下降

若火电继续实施2003版标准,到2015年我国大陆地区的氮沉降量约为 1326.23×104t,其中湿沉降占到54.73%;湿沉降中主要包括NO3-湿沉降和 NH4+湿沉降,干沉降主要包括NO2干沉降、HNO3干沉降和 NH3干沉降.按省份来看,我国氮沉降量较高的省份有河南、河北、四川、内蒙古、湖北和山东等,情景一中 2015年这六个省份的氮沉降量均超过 65.00×104t,平均氮沉降量达76.93×104t.按干湿沉降来看,氮沉降中干湿沉降的比例同硫沉降呈现出相同的南北方的差异,另外由于干沉降中 NH3的沉降占到很大一部分,而 NH3主要是由畜牧养殖和氮肥使用等农业源排放的[30-31],因此我国的一些农业大省的氮沉降中干沉降的比例相对要高一点,如河南、山东等.

图4 不同情景下我国陆地硫沉降强度模拟分布Fig.4 Sulfur deposition extent in Chinese mainland of QJ1 and QJ2

火电实施2011版标准后到2015年我国大陆地区的氮沉降总量约为1203.14×104t,相比于情景一的降幅只有9.28%,小于硫沉降量的降幅,具体见表6.这是因为氮沉降主要由NH3和NOχ两种污染物排放引起的,而火电排放标准只能对NOχ的排放进行控制,因此难以显著的减少氮沉降量;另外NOχ的化学活性强,对氮沉降的影响呈复杂的非线性关系.情景二中各省份氮沉降中干沉降的比例相对于情景一略有上升,也是因为设计的情景中NOχ减排而NH3未减排.火电实施2011版标准后,氮沉降的高值地区的沉降量有所减少,2015年氮沉降量较高的六个省的平均沉降量降为 69.85×104t,相对于情景一的降幅为9.20%,小于氮沉降总量的降幅,说明我国氮沉降量较低的地区受火电减排的影响相对更大一点,这与硫沉降受影响的规律是相反的.这是因为NH3容易发生近距离沉降,而火电是高架点源,排放的 NOχ相对更容易发生远距离传输,因此一些偏远的、经济农业不发达的地区的氮沉降更容易受到火电排放 NOχ的影响.按降幅来看,2015年各省氮沉降量与情景一相比降幅较大的省市有内蒙古、陕西、山西、甘肃和辽宁等省(图5),降幅均超过 10.00%,北京和上海等大型城市氮沉降量的降幅不明显,除了受 NH3的排放影响外,还受到机动车排放的NOχ的影响.

表6 各情景陆地氮沉降量(×104t)Table 6 Nitrogen deposition of QJ1 and QJ2(×104t)

图5 不同情景下各省氮沉降量Fig.5 Nitrogen deposition in each province of QJ1 and QJ2

3.4 氮沉降影响范围有所缩小

表7 各情景氮沉降影响面积(×104km2)Table 7 Nitrogen deposition extent in QJ1 and QJ2(×104km2)

图6 不同情景下我国陆地氮沉降强度模拟分布Fig.6 Nitrogen deposition extent in Chinese mainland of QJ1 and QJ2

根据段雷等[29]的研究,我国氮沉降量较高的东北平原、华北平原、长江中下游平原以及四川盆地等地区的氮沉降负荷约为 4.0t/km2.若火电继续实施2003版标准,到2015年我国年均氮沉降强度大于 4.0t/km2的面积约为 7.92×104km2,约占国土面积的 0.83%.按省份来看,我国氮沉降强度较高的省市有上海、天津、北京、江苏和河南等,情景一中2015年这个五个省市的平均氮沉降强度为3.56t/km2.模拟区域的最大网格强度为4.87t/km2,落在山东与河南的交界处.

火电实施2011版标准后,我国受氮沉降影响的国土范围有所缩小.情景二中2015年我国年均氮沉降强度大于 4.0t/km2的面积约为 5.76× 104km2,相对于情景一的降幅为 27.27%(表 7).整体来看氮沉降强度越小的地区,由火电减排带来的氮沉降强度的改善幅度越大,也同样能够说明氮沉降的低值区受火电厂减排的影响相对较大.按省份来看,氮沉降强度较高的五个省市的平均氮沉降强度降为3.24t/km2,相对于情景一的降幅为 8.99%.模拟区域的最大网格强度降为4.66t/km2,降幅为4.31%(图6).火电实施新版标准后,我国受氮沉降影响的范围有所缩小但不是十分明显,整个华北平原以及湖南和湖北省的部分地区年均氮沉降强度仍相对较高.

造成我国氮沉降污染的排放源种类较多,结构复杂,要想彻底解决我国的氮沉降污染,只靠加强火电的排放控制是不够的,未来建议采取措施加强畜牧养殖、氮肥使用等农业源的 NH3排放控制,并继续减少机动车和工业锅炉等其他排放源的NOχ排放.

4 结论

4.1 2011版火电标准能有效的改善我国的区域硫沉降状况,新标准实施后,我国的区域硫沉降量明显减少,受硫沉降影响的范围也显著缩小.与实施2003版标准相比,到2015年我国大陆地区的硫沉降总量减少了18.58%;年均硫沉降强度大于3.2,2.5,2.0,1.5t/km2的面积分别减少了86.40%、62.56%、57.45%和54.97%.

4.2 2011版火电标准能在一定程度上减轻我国的氮沉降污染.与实施2003版标准相比,到2015年我国大陆地区的氮沉降总量减少了 9.28%;年均氮沉降强度大于 4.0,3.0,2.5,2.0t/km2的面积分别减少了27.27%、27.43%、27.13%和28.61%.

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Effect of emission standard of air pollutants for thermal power plants on regional acid deposition: a numerical simulation

WANG Zhan-shan1*, PAN Li-bo2, LI Yun-ting1, XU Wen-shuai1, NIE Teng3, SUN Zhao-bin4(1.Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.National Engineering Research Center for Urban Environmental Pollution Control, Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China；4.Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin- Hebei, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2420～2429

Prediction scenarios by implementation of both 2003-version emission standard and 2011-version emission standard were set up. Nitrogen deposition and sulfur deposition of both scenarios in 2015 were simulated using Models-3/CMAQ to investigate the regional air quality improvement by the 2011-version emission standard. The results showed that the 2011-version emission standard can effectively improve sulfur deposition condition in China. Compared with the implementation results of 2003-version emission standard, by 2015, sulfur deposition in China mainland would be reduced by 18.58%, and the area with annual sulfur deposition higher than 3.2t/km2would be reduced by 86.40%, respectively. The 2011-version emission standard can improve nitrogen deposition condition in China to some degree. Compared with the implementation results of the 2003-version emission standard, by 2015, nitrogen deposition in China mainland would be reduced by 9.28%, and the area with annual nitrogen deposition higher than 4.0t/km2would be reduced by 27.27%, respectively.

thermal power plants；emission standards；CMAQ；sulfur deposition；nitrogen deposition；numerical simulation

X51

A

1000-6923(2014)09-2420-10

王占山(1987-),男,山东潍坊人,工程师,硕士,主要研究方向为大气环境研究与模拟及空气质量预报预警.发表论文8篇.

2014-02-10

环保公益性行业科研专项(201409005);北京市科技计划课题(Z131100006113009)

* 责任作者, 工程师, 18701650609@163.com