大規模風電開發對城市大氣環境污染影響的初步研究

文／朱蓉

大規模風電開發對城市大氣環境污染影響的初步研究

文／朱蓉

2005年2月《中華人民共和國可再生能源法》頒布以后，中國可再生能源開發利用快速發展，尤其是風電進入了大規模發展階段。2006年－2009年期間，中國風電累計裝機容量連續四年翻番。截止到2013年，中國風電累計裝機容量91412.89MW（臺灣地區除外），位居全球風電累計裝機容量第一。圖1給出了2000年－2013年河北省風電累計裝機容量的變化，可以看出，2005年－2011年是河北省風電的高速發展期。中國陸地風能資源豐富區主要分布在東北、內蒙古、華北北部、甘肅酒泉和新疆北部，如此的資源分布特點，決定了中國風電開發 “大規模發展、集中式建設、遠距離輸送”的發展趨勢。到2050年，中國風電裝機將達到1000 GW，建設8個千萬千瓦級風電基地。在這種發展形勢下，大規模風電開發的生態和環境效應問題越來越受到關注。

目前有關大型風電場局地大氣環境影響方面的研究工作還不是很多。美國斯坦福大學Maria通過建立風電機組葉片與大氣相互作用的動量參數化關系，估算由于大型風電場建設帶來的全球和區域大氣能量的損失。結果表明，如果全部用風能滿足全球對能源的需求，風能開發對1km以下大氣層能量的損失大約0.006%－0.008%，比氣溶膠污染和城市化對大氣能量的損耗小一個量級。丹麥科技大學Risoe實驗室Frandsen通過加大中尺度數值模式中的地表粗造度，設置了9000km2范圍的大規模風電場，用數值模擬方法研究大型風電場的局地大氣環境影響效應。結果表明，大型風電場下風向風速減弱的影響經過約30km－60km的距離以后就可以恢復。總之，現有的研究都是基于理論計算，大規模風電開發的環境影響效應問題還有待于深入研究。

2013年1月以來，中國中東部地區多次發生大范圍、持續性的重污染天氣，引起了國內外的廣泛關注。國家環保部的全國空氣質量統計數據表明，京津冀地區是全國大氣污染的重災區，其中又以河北南部城市最為嚴重，圖2是2013年12月北京市、天津市和石家莊市首要大氣污染物PM10污染指數日變化。為了研究京津冀大氣污染是否與華北大規模風電開發有關系，本文將通過分析風電場集中建設區的地面風速長年變化和北京市、天津市和石家莊市的污染氣象條件長年變化，研究風電大規模發展對局地大氣擴散條件的影響。

河北北部及周邊地面風速長期變化

風電機組的運轉會使下風向風速減弱、湍流強度增強。為考察河北張北、承德地區以及外圍的內蒙古地區高速的風電發展是否會造成下游地區較大范圍內風速減弱，從而影響北京市大氣污染物的擴散，本文在河北北部及周邊內蒙古區域內選擇了與風電場集中建設區域較近的11個氣象站，另外還選擇了受周邊環境變化影響較小的北京密云氣象站，研究1961年－2013年氣象站觀測風速的長年變化（圖3）。從圖3可以看出，1961年－2013年12個氣象站10m高度年平均風速總體上都呈下降趨勢。內蒙古四王子旗、化德，河北張北、懷來和樂亭的地面風速在60年代末和70年代初較長年平均明顯偏高，70年代末以后風速一直趨于減弱。其他各氣象站的地面風速長年代變化不是很明顯，但總體上也是呈減弱的趨勢。表1列出了12個氣象站1961年－2013年平均地面風速的長年變率，可以看出，地面風速減弱最快的是內蒙古四王子旗和河北張北，大約每年減小0.047m/s；其次是內蒙古化德和河北樂亭，分別為0.040m/s/a和0.042m/s/a；年平均地面風速減弱最慢的是河北圍場和豐寧，均為0.006m/s/a。氣象站地面風速減弱的長期變化趨勢形成的原因，有氣候變化背景的作用，也有城市化給氣象站周邊環境帶來的影響因素?？傮w來看，12個氣象站地面風速的變化基本上是漸進的，沒有看出有外力影響下的突變。尤其是在2006年－2010年風電開發突飛猛進期間，12個氣象站均沒有出現風速減弱速度加快的現象。這說明河北北部及周邊內蒙古區域內目前規模的風電場建設，對整個區域的地面風速變化沒有明顯影響。

圖1 2000年-2013年河北省風電累計裝機容量變化

圖2 北京市、天津市和石家莊市2013年12月PM10污染指數

京津冀地區污染氣象條件的長期變化

通風量是描述大氣對污染物稀釋擴散能力的污染氣象參數，數學表達為：

表1 12個氣象站1961年-2013年平均地面風速（10m高度）的變率

即在混合層高度內，風速與高度乘積的總和，表達了大氣動力與熱力的綜合作用對大氣污染物的清除能力。式中VE表示通風量，是一個通量的概念，單位m2/s； u表示近地層風速，它隨距離地面的高度而變化，單位m/s；H為混合層高度，與大氣穩定度和地面風速有關，單位m。通風量大，說明大氣可容納污染物的空間大，也就是有利于污染物的擴散；通風量小，說明混合層高度低且水平風速小，大氣可容納污染物的空間小，擴散能力差，容易導致污染物聚集，造成大氣污染。

采用北京市、天津市和石家莊市1961年－2013年地面觀測定時資料，計算每天北京時02、08、14和20共4個時次的大氣穩定度、混合層高度和通風量，然后逐一求取月平均通風量。圖4為冬季（12月、1月－2月）北京市、天津市和石家莊市月平均通風量長年變化趨勢，可以看出，從1961年－2013年北京市和石家莊市冬季月平均通風量都有下降的趨勢；天津市從1961到上世紀80年代以前，冬季月平均通風量變化呈下降趨勢，從21世紀初開始，冬季月平均通風量變化呈上升趨勢。此外，石家莊市大氣對污染物的稀釋擴散能力明顯比北京市和天津市差。在通風量總體降低的變化趨勢下，如果城市建設規模、人口、機動車以及燃煤消耗等都還在不斷增長，當大氣污染物排放達到或超出大氣環境容量時，城市空氣質量就會對氣象條件高度敏感。只要連續兩三天出現不利擴散天氣條件，大氣污染物就在空中聚集，通過二次化學反應生成更多的細粒子，這之后天氣條件有小的好轉，也不足以清除已聚集的大氣污染物，持續數天的霾就是這樣發生的，直到一次強冷空氣過境或出現有效降水，才能徹底將污染物清除。從圖4可以看出，在2006年－2010年河北北部風電高速發展期間，北京市、天津市和石家莊市的通風量變化沒有出現明顯加快減弱的現象，說明目前河北北部風電開發對京津冀地區的重污染天氣的形成沒有構成影響。

國家氣候中心研究得到的京津冀重污染天氣的氣候學成因還有：冬季降水日數明顯減少；不僅地面風速減小，高空風速也在減??；對流層底層垂直逆溫增強；相對濕度長年變化也呈減小的趨勢，造成霧日數減少、霾日數增加。

京津冀地區大氣污染排放

圖4 北京市、天津市和石家莊市1961年-2013年冬季通風量長年變化

表2 河北省2006年-2012年二氧化硫、氮氧化物和煙（粉）塵排放總量和排名

表2為河北省2006年－2012年二氧化硫、氮氧化物和煙（粉）塵排放總量和在全國各省市中的排名，表中數據出自國家環保部環境統計年報（http://zls.mep.gov.cn/hjtj/ nb/2012tjnb/201312/t20131225_265552. htm）。可以看出，河北省三種主要大氣污染物的排放量一直位于前列，2006年－2012年期間，二氧化硫排放量有明顯減少，但年排放總量仍在120萬噸以上；2011年－2012年氮氧化物和煙（粉）塵排放量有大幅度增長，氮氧化物排放量超過170萬噸，煙（粉）塵排放量超過120萬噸，均位于全國第一位。

根據國家環保部中國機動車污染防治年報（http://wfs.mep.gov.cn/ dq/jdc/zh/index.htm），2012年全國汽車保有量前五位的省份依次為廣東、山東、江蘇、浙江和河北；“黃標車”保有量前五位的省份依次為廣東、山東、河北、河南和江蘇。2011年－2013年，河北省機動車氮氧化物和顆粒物排放量均位于全國第一，氮氧化物年排放總量50萬噸－60萬噸，顆粒物年排放總量5萬噸－6萬噸；河北省一氧化碳和碳氫化合物排放量均位于全國第二，一氧化碳年排放總量250萬噸－260萬噸，碳氫化合物年排放總量30萬噸－35萬噸。

2014年3月8日在十二屆全國人大二次會議記者會上，國家環保部副部長吳曉青在回答中外記者提問時指出，京津冀、珠三角、長三角，單位面積的污染物排放強度是全國平均水平的5倍。三大區域占全國國土面積的8%，但是卻消耗了全國煤炭的43%，其中以京津冀為最大。同樣在這個區域，生產了占全國55%的鋼鐵、40%的水泥、52%的汽柴油，這些地方主要污染物的排放量占了全國排放量的30%。

綜上所述，河北省各種大氣污染物的工業排放量和機動車排放量都位于全國前列、或是首位。尤其是2011年以后，氮氧化物和顆粒物或煙（粉）塵的排放量穩居全國第一位。因此，造成京津冀地區重污染天氣的第一要素應該是過量的大氣污染排放，相比之下，風電開發的大氣污染環境影響微不足道。

結論

通過分析河北北部及周邊內蒙古風電開發區域內的近53年氣象站10m高度風速長年變化規律，以及近53年北京市、天津市和石家莊市通風量的長年變化規律，可以認為，到目前為止河北北部風電開發對京津冀大氣污染擴散條件沒有明顯影響。近3年以來，京津冀地區的主要大氣污染物排放量居全國首位，是導致京津冀灰霾天氣頻頻發生的根本原因。正如國家環保部副部長吳曉青所說，重污染天氣的形成，污染物排放量大是根本原因，不利于擴散的氣象條件是直接原因，區域污染和本地污染的疊加是重要的因素。因此，就現階段的持續時間長且覆蓋范圍大的重污染天氣來說，風電開發的大氣污染環境影響可以忽略不計。

(作者單位：國家氣候中心)