锡林郭勒盟煤电基地大气环境容量分析及预测

马一丁,付 晓,吴 钢,*

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049

锡林郭勒盟煤电基地大气环境容量分析及预测

马一丁1,2,付 晓1,吴 钢1,*

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049

内蒙古锡林郭勒盟国家大型煤电基地既是我国经济发展和区域能源安全的重要基地,又是近首都生态重要屏障保障区域,该区域的生态环境建设直接关系到国家生态安全。选取锡林郭勒盟煤电基地为研究对象,以研究区内各大气污染物排放数据为基础,对照大气环境功能区划,研究大气环境容量。首先绘制了各主要污染物的区域空间分布图,结合功能区大气质量标准得到了锡林郭勒盟环境容量和承载力的空间分布结果。在此研究基础上,按不同目标情景(低标准、中等标准、高标准)进行了区域大气环境承载力的预测,分析了各区域的环境保护对策。为锡盟国家煤电基地建设和生态保护及区域可持续发展提供科学依据。

煤电基地, 大气环境容量, 大气环境承载力

随着中东部能源资源日益消耗,我国煤电发展战略逐渐西移。内蒙古自治区境内的能源基地,正逐步充当煤电供应的主力,成为支撑我国经济社会长期发展的国家能源战略基地[1]。锡林郭勒盟(以下简称锡盟)作为我国北方重要的生态安全屏障[2],同时也是我国重要的能源基地之一,是内蒙古自治区境内的主要煤电基地之一。煤电基地的生产作业方式伴生着不可忽视的大气污染物排放[3- 5],加之锡盟近首都的区位特点与草原型的自然生态环境特征,决定了锡盟煤炭资源开发必须高度重视生态环境的敏感性与脆弱性。就煤电基地建设开发现状来看,大气环境污染物主要包括煤炭露天开采过程中表层剥离、爆破、铲装、运输、卸载、排土过程中产生的粉尘与煤尘；储煤场产生的粉尘；煤矸石以及灭火区自燃产生的一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等有毒有害气体[6],尤其是近年来因大气颗粒物诱发雾霾而倍受关注,PM2.5、PM10成为重要监测指标。

因此,煤电基地开发建设必须充分考虑地区及近周边的大气环境容量。锡盟煤电基地作为我国重要能源开发基地的代表,具备煤电基地生态环境质量考量与保障的典型意义。本文从对锡盟区域大气环境质量的现状入手,选取SO2、NOx、PM2.5、PM10为主要监测指标,进行环境容量与利用率的测算,进行锡盟大气承载力的现状分析,在此基础上,结合锡盟煤电基地的开发规划以及相关政策标准,选取2020年为未来目标节点,分不同情景对区域进行大气环境质量与容量的预测,分析锡盟总量控制目标的可达性,以期为锡盟煤电基地的区域生态环境保护与规划、煤电基地开发与利用模式提供理论依据。

1 研究方法

1.1 锡盟大气环境质量功能区划

考虑到锡盟与北京毗邻的特殊地域特征,同时《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》使锡盟面临较大的节能减排压力,锡盟面临更严格的环境标准来保证空气质量的需求,因此在计算环境容量时,煤炭矿区和中心城区参考执行新空气质量标准的二级浓度标准,除煤炭矿区以外的区域均执行空气浓度一级浓度标准。

1.2 区域大气环境容量核算方法

采用A值法核算锡盟区域大气环境容量(GB/T13201- 91),A值法系数的确定主要是依据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 3840- 91)中的区域划分,内蒙古属于2类区域。A值范围为5.6—7.0(104km2/a)。本次A值的取值按下列公式进行计算：

A=Amin+0.1×(Amax-Amin)

经计算,内蒙古参数A取5.74(104km2/a)。

1.3 锡盟大气环境质量的预测

以2020年为预测目标时间节点,按煤电基地电源点脱硫、脱硝效率的不同,将预测情景分类为3种,情景1的脱硫效率为95%,脱硝效率为80%；情景2的脱硫效率为95%,脱硝效率为90%；情景3为规划煤电基地电源点执行燃气标准的排放量。

2 结果与分析

2.1 锡盟大气环境承载力现状评价

锡盟规划煤电基地涉及的面积为20.3万km2,锡盟煤电基地SO2、NOx、PM10、PM2.5的排放量及环境容量如图1所示。由此可以计算出各行政区的环境容量利用率(图2)。

SO2环境容量利用率较高的行政区有正蓝旗、二连浩特市、多伦县和锡林浩特市,NOx环境容量利用率较高的行政区有多伦县、正蓝旗和锡林浩特市。PM10环境容量利用率较高的行政区有多伦县、正蓝旗和二连浩特市。PM2.5环境容量利用率较高的行政区有多伦县、正蓝旗和二连浩特市。除正蓝旗外,其它各行政区的SO2和NOx的环境容量利用率均低于50%。

锡盟大气环境容量地域性差异分布呈现北低南高、西低东高的特征,尤其是东北部的东乌珠穆沁旗,其颗粒物污染物排放比较典型,是锡盟最严重的颗粒物排放区域。而西部的阿巴嘎旗,SO2排放居诸区域之首。南部的正蓝旗和多伦县环境容量富余较高。因此在锡盟的空间布局上,需要以环境容量的地域性分布为基础,充分考量工业企业、环境保护措施、城镇发展的地带性布局,充分利用高承载力区域的环境容量,着重改善西北部地区的生态环境质量,降低区域生态风险。

图1 锡盟大气环境容量和大气污染物排放量 Fig.1 The atmospheric environmental capacity and air pollutants emission of Xilinguole League

图2 锡盟大气环境容量利用率Fig.2 The atmospheric environmental capacity evaluation of the Xilinguole League

2.2 锡盟生态环境承载力预测

依据污染物排放总量与环境容量,分析2020年锡盟煤电基地建设运行期锡盟环境容量利用率,研究锡盟未来大气污染物排放与总量控制目标的可达性,综合评判锡盟的环境承载能力。通过设置不同的总量控制情景,结合预测排放量进行锡盟节能减排的可达性分析。

规划煤电基地在煤炭开采过程和发电过程都会产生大气污染物,煤电基地开发主要污染物排放量预测核算计算方式为[7]：

P排放=P基数-P削减+P新增

式中,P排放为主要污染物排放预测,P基数为基础年排放量,P削减为考虑“十二五”、“十三五”期间开展节能减排进行的污染物削减量,P新增为煤电基地新建所排放的主要污染物。将主要企业现状排放量、可削减量及预测新增排放量进行叠加,即计算出到锡盟煤电基地主要大气污染源污染物排放情况。

2020年,锡盟规划煤电基地7个矿区在开采过程的粉尘和SO2排放量,见表1。

表1 煤炭开采大气污染物排放量

参考火电行业主要污染物产排污系数[8]、各电厂可研报告及环评报告书,得到主要电源基地SO2、氮氧化物和烟尘的产污系数。参考各电厂的可研报告、环评报告,规划12个电厂的工艺能够达到95%的脱硫效率,80%的脱硝效率,99.8%的除尘效率,当各电厂满足这些条件时,预测2020年规划电源基地正常运行后大气污染物排放量(表2)。

根据规划及相关要求[9- 10],锡盟2013—2020年电力行业削减项目涉及国控电厂4个。减排项目主要包括小热电项目、水泥项目、煤化工项目。至2020年,锡盟在2013年基础上可削减SO2排放量为82107.46t,NOx排放量82070.69t。

以锡盟地区2015年总量控制目标为标准,其中SO2排放量控制在8.7万t,NOx排放量控制在9.07万t。设置不同的3个情景,其中情景1为规划新电源点脱硫效率为95%,脱硝效率为80%；情景2为规划新上电厂脱硫效率为95%,脱硝效率为90%；情景3为规划电厂执行燃气标准的排放量(表3,表4)。

综上,2020年,在排放量最大的情景下,将行政区现状削减后的排放量叠加新增电厂区位及预测排放量,得到未来各行政区主要大气污染物排放情况(图3)。

表2 大气污染物的新增排放量(万t/a)

表3 不同情景下主要大气污染物总量控制目标与预测排放量对比

表4 不同情景下锡盟大气污染物预测排放量

可以看出,锡林浩特市仍然是行政区中大气污染物排放量最大的地区,大气颗粒物尤为突出,其次是西乌珠穆沁旗和正蓝旗。从空间上,大气污染物排放量主要集中在锡盟中部和东部煤电基地建设区。

根据预测2020年污染物排放量和容量可以算出各行政区的环境容量利用率(图4)。

其中,SO2环境容量利用率高于50%的行政区有多伦县、锡林浩特市和乌拉盖管理区,分别为70.76%,87.82%,72.96%。NOx环境容量利用率高于50%的行政区有多伦县和锡林浩特市,分别为81.28%和62.61%。锡盟煤电重点开发单元的其他行政区的环境容量利用率均低于50%。

3 结论

根据《锡林郭勒环境保护“十二五”规划》,锡盟地区2015年SO2排放量控制在8.7万t,NOx排放量控制在9.07万t。而锡盟2013年SO2和NOx现状排放量分别为10.44和10.36万t,污染物总量控制指标将对锡盟煤电基地发展构成硬性约束。

图3 锡盟大气污染物排放预测图Fig.3 The air pollutants prediction emission of Xilinguole League

图4 锡盟大气环境容量利用率预测分布图Fig.4 The environmental capacity prediction of Xilinguole League

对2020年设置了不同的总量控制情景,与预测排放量进行对比。其中,情景1以2015年总量为控制目标,节能减排要求相对宽松,SO2,NOx预测排放量分别为67547.11t/a,66710.03t/a,总量控制目标分别为87000 t/a,90700t/a,预测排放量占总量控制目标比率分别为77.64%,73.55%;情景2参考“十一五”、“十二五”减排比率,在2015年节能减排目标基础上进一步削减,SO2和NOx分别减少5.9%、4.6%,节能减排要求相对严格,SO2,NOx预测排放量分别为67547.11t/a,66681.17t/a,总量控制目标分别为81867t/a,86527.8t/a,预测排放量占总量控制目标比率分别为82.51%,77.06%；情景3是以更高的要求和标准来严格控制,进一步加大节能减排力度,2020年总量控制目标在2015年的基础上减少8%,6%,SO2,NOx预测排放量分别为67547.11t/a,66681.17t/a,总量控制目标分别为80040t/a,85258t/a,预测排放量占总量控制目标比率分别为84.39%,78.21%。

结果表明,在3种情景下SO2和NOx的预测排放量均达到总量控制的指标。在情景1节能减排要求相对宽松的条件下,锡盟各行政区SO2和NOx的预测排放量小于总量控制的指标；在情景2相对严格的条件下,西乌珠穆沁旗的SO2预测排放量超出总量控制目标,其它行政区均达标；在情景3更为严格的条件下,西乌珠穆沁旗和锡林浩特市的SO2预测排放量超出总量控制目标,其它行政区的预测排放量均满足总量控制目标。

[1] 杨敏英. 建设新型国家战略能源基地的内蒙古煤炭工业发展战略. 煤炭经济研究, 2010, 30(10): 14- 15, 35- 35.

[2] 贺丽娜, 康慕谊, 徐广才. 锡林郭勒盟生态经济类型区划分及可持续发展研究. 北京师范大学学报: 自然科学版, 2009, 45(3): 307- 313.

[3] 康虎彪, 刘传庚, 谭玲玲, 丛威, 史志斌. 能源产业基地综合环境承载力评价研究——以内蒙古锡林郭勒盟煤炭资源开发为例. 中国能源, 2010, 32(3): 26- 29, 25- 25.

[4] 白润才, 白羽, 刘光伟, 王志鹏, 王喜贤. 浅谈露天煤矿环境问题及其解决方法. 能源环境与保护, 2012, 26(5): 36- 39.

[5] 范英宏, 陆兆华, 程建龙, 周忠轩, 吴钢. 中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术. 生态学报, 2003, 23(10): 2144- 2152.

[6] Blaha U, Sapkota B, Appel E, Stanjek H, Roesier W. Micro-scale grain-size analysis and magnetic properties of coal-fired power plant fly ash and its relevance for environmental magnetic pollution studies. Atmospheric Environment, 2008, 42(36): 8359- 8370.

[7] 国家环境保护总局. 主要污染物总量减排核算细则. 北京: 国家环境保护总局, 2007.

[8] 朱法华, 钟鲁文, 王强, 王圣. 火电行业主要污染物产排污系数. 北京: 中国环境科学出版社, 2009.

[9] 内蒙古自治区环保厅. “十二五”主要污染物总量削减目标责任书. 呼和浩特: 内蒙古自治区环保厅, 2013.

[10] 环境保护部. 发展改革委, 财政部. 重点区域大气污染防治“十二五”规划. 北京: 环境保护部, 发展改革委, 财政部, 2012.

AnalysisandpredictionoftheatmosphericenvironmentalcapacityoftheXilinguoleLeague′scoal-basedelectricityregion

MA Yiding1,2,FU Xiao1,WU Gang1,*

1StateKeyofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Coal-based electricity of the Xilinguole League area in Inner Mongolia is not only an important foundation for the country′s economic development and energy security, but also an ecological protective screen nearby the capital. And the construction of coal-based energy infrastructure in this region directly affects its ecological security. In this study, the atmospheric pollutant emissions from coal-fired power plants Xilinguole League and its air quality were investigated, and the spatial distribution of the atmospheric environmental capacity was analyzed. The spatial distribution of major pollutants was mapped and combined with atmospheric quality standards to obtain the atmospheric environmental capacity. Based on these results for different scenarios (low, medium, or high standards), the predicted regional atmospheric environmental capacity was calculated, and the regional environmental protection countermeasures were analyzed. These results provide a scientific basis for the conservation and regional sustainable development of Xilinguole League.

coal-based electricity; atmospheric capacity; atmospheric environmental capacity

国家科技支撑计划课题“国家大型能源基地格局生态效应评估与决策支持技术研究及应用”(2012BAC10B01)

2016- 05- 09; < class="emphasis_bold">网络出版日期

日期:2017- 03- 27

10.5846/stxb201605090888

*通讯作者Corresponding author.E-mail: wug@rcees.ac.cn

马一丁,付晓,吴钢.锡林郭勒盟煤电基地大气环境容量分析及预测.生态学报,2017,37(15):5221- 5227.

Ma Y D,Fu X,Wu G.Analysis and prediction of the atmospheric environmental capacity of the Xilinguole League′s coal-based electricity region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5221- 5227.