能源結構變化對蘭州市大氣質量的影響

牛武江，張 寧，王一帆，項 明

甘肅省環境監測中心站， 甘肅 蘭州 730020

位于黃河上游的蘭州市東西長約35 km，南北寬約2～8 km，是一個典型的半封閉啞鈴狀河谷盆地，屬中溫帶大陸性氣候，年均降水量360 mm，年均氣溫9.3 ℃。特殊的地理環境造成蘭州市逆溫頻率高，以冬季最多，最高可達99%，夏季也達50%左右；逆溫層厚度12月平均為700 m左右，其他季節也達約350 m；月平均風速只有0.26～1.54 m/s，年平均約1.0 m/s，冬季僅為0.26～0.54 m/s；年平均靜風率高達62.7%，冬季則達87%。逆溫層厚、風速小，大氣層結構穩定，污染物向外遷移能力弱，城區大氣環境容量約為3～4 t/h，但排放量高達10 t/h以上[1]，大氣質量下降就是必然的結果[2]。

近年來，大氣污染對經濟發展和公眾健康的影響受到普遍關注，而蘭州市的空氣污染對當地經濟的影響尤其嚴重。據統計，2000年因大氣污染造成的經濟損失貨幣值為11.14億元[3]，2002年增長為11.46億元[4]，同時污染對人體健康造成危害[5]，尤以對呼吸系統影響較為嚴重[6]，且女性人群較男性更為敏感[7]，2006年因大氣污染對人體健康造成的經濟損失為4.74億元，占GDP的1.13%，成為制約經濟發展的主要因素[8]。

為控制蘭州市的大氣污染，各級政府采取了一系列防治措施，早在“八五”期間就提出了以氣化工程、熱化工程、陽光工程和煤型工程等為主的“蘭天計劃”，經多年的努力已取得初步成效，污染狀況得到顯著改善。該文基于2001—2010年蘭州市消耗能源種類與主要污染物組成及行業分布，分析了相互間的關系，為科學調控能源結構改善大氣質量提供依據。

1 實驗部分

1.1 數據來源

蘭州市2001—2010年重點工業(電力、蒸汽熱水產供業、有色金屬冶煉加工業、石油加工業、建材非金屬礦制品業、黑色金屬冶煉加工業、化學工業及紡織業和機械工業共8個主要能源消耗行業)的燃煤、燃油(未包括居民生活用部分)和燃氣3項主要能源消耗，廢氣(8個主要能源消耗行業)、煙塵、SO2、NOx4項主要污染物排放，以及在如上8個行業的分布數據，均來源于蘭州市環保局編撰的2001—2005年和2006—2010年《蘭州市環境質量報告書》。

1.2 研究方法

3種主要能源材料消耗與4種污染物間的相關性分析采用Microsoft Excel中的Correl功能，計算2組數據的相關系數。

2 結果與討論

2.1 2001—2010年主要能源材料消耗

能源是社會經濟發展和人民生活水平提高的重要物質基礎，能源資源的開發利用在促進社會經濟發展的同時，也帶來嚴重的生態環境問題[9-10]。但傳統的以煤為主要燃料的能源結構已不適合于城市生活，特別是改革開放以來城市人口急劇增長，國民生產總值飛速發展，使能源消耗大幅度增加，所產生的污染也與日俱增。作為周邊煤炭資源相對豐富的蘭州市，一直以煤為主要能源，如2001年燃煤消耗占全部能源的91.6%，而燃氣僅占約1.1%(表1)。但在10年間燃煤比例逐步下降，2010年降至約65%，燃氣比例則升至約35%，且燃油比例也在逐步降低，由2001年的7%降至2010年的0.2%(是隨總量上升的相對下降，絕對消耗量約為2001年的15%)。而最顯著的是燃氣消耗量的急劇增長，10年間增長了130多倍。

表1 2001—2010年蘭州市重點工業能耗(標煤) kt

2.2 2001—2010年主要污染物組成變化

以廢氣、煙塵、SO2和NOx為主要代表的污染物總量列于表2。10年間廢氣總量呈增加趨勢，2009年達到高峰，總量比2001年增加了一倍以上，但2010年出現回落。煙塵總量呈現逐步減少的可喜局面，2010年比2001年減少一半以上。SO2排放在2006年以前呈增加趨勢，但到此后進入相對平穩的保持狀態，盡管有所波動，但總量變化不顯著。NOx呈現緩慢增長的趨勢，10年間排放量增加了約50%。

表2 2001—2010年蘭州市主要污染物

2.3 主要能源材料消耗與污染物組成的相關性

對2001—2010年蘭州市主要能源消耗與主要污染物產生之間的相關性進行分析(表3)，可以發現，廢氣污染的主要來源與燃煤和燃氣呈強正相關(相關系數r分別為0.87和0.92)；煙塵的產生與燃煤和燃油呈強正相關，但與燃氣消耗呈負相關；SO2排放量與燃料性質的相關性與廢氣一致，主要由燃煤和燃氣產生；NOx的排放卻與燃氣呈強正相關(r=0.83)。但除煙塵排放量與能源消耗總量之間呈負相關(r=-0.49)外，其余3種主要污染物排放量都與消耗總量呈強正相關。

表3 2001—2010年蘭州市主要污染物與能源種類的相關性分析

注：燃油統計僅為主要工業企業消耗量，故未計入相關性分析。

2.4 2001—2010年蘭州市工業廢氣污染負荷行業分布

對2001—2010年蘭州市8個能源消耗主要行業的工業廢氣污染負荷分布(表4)分析可見，污染負荷最大的行業是電力、蒸汽熱水產供業，占總量的50%左右；其次為有色金屬冶煉加工業，污染負荷2006年減至約10%，但2007年后又逐步上升。值得注意的是石油加工業和建材非金屬礦制品業的污染負荷比例在逐步提高；黑色金屬冶煉加工業波動較大，但主要趨勢是上升；化學工業的污染負荷呈現持續下降的趨勢。紡織業和機械工業所占比例較小，變化也不是特別明顯。

表4 2001—2010年蘭州市工業廢氣污染負荷行業分布 %

2.5 討論

我國消耗著全球10%的能源，且這一比例還在持續增加，其中75%為煤炭，因而能源消耗不僅對中國，也對全球的環境產生重要影響[11]。隨著我國經濟主體向西部的戰略轉移，以及中央實施西部大開發戰略，蘭州市的社會、經濟與環境的可持續發展必將接受新的考驗，特別是環境負荷必將進一步加大。如何在能源與環境、經濟效益與社會效益的協調發展方面尋找合理的關系，成為實現蘭州市可持續發展的重要問題。

近年來，大量科技工作者對我國城市能源結構與大氣質量的關系進行了分析，如Zhao[12]對北京市1997—2006年能源結構的分析證實，1997年總能源消耗為3 161.9萬t標煤，2006年增至5 682.2萬t標煤，但單位GDP能耗卻由約1.7 t標煤降至0.72 t，而能源組成中盡管煤仍占主要地位，比例卻由1997年的41.47%降至2006年的24.47%。而據Zhao等[13]的預測，通過能源結構優化，2020年北京市PM10、PM2.5、SO2、NOx和非甲烷揮發性有機物(NMVOCs)排放量比2005年分別下降34.0%、53.2%、78.3%、47.0%、30.6%。余曄等[14]對蘭州市2001—2007年空氣質量的分析顯示，蘭州市PM10日均質量濃度由2001年的236 μg/m3下降為2007 年的127 μg/m3；銀川市2000—2009年大氣中SO2、NO2、PM10質量濃度降幅分別達45%、22%、43%[15]，充分證實能源結構與空氣質量密切相關[16]。

天然氣是一種優質、高效的燃料，具有節能、污染少等特點，與燃料煤和石油相比，C、N、CO含量低，幾乎不含S[17]，燃燒效率高，單位產能的CO2和NO2排放量比燃煤和燃油分別減少25%和50%，N2O排放量減少70%以上[18]。SO2、NOx排放量與燃煤、燃氣使用量呈強正相關僅僅是因為其變化趨勢一致，SO2主要是由燃煤產生[19]，但NOx在統計期間僅增加43.57%，而燃煤消耗量增加2倍，燃氣增加134倍，盡管這2種燃料的NOx排放量小，但絕對量仍然在增加，故此其相關性為正并不能證明是由燃煤或燃氣產生。

但歷史造就的蘭州市能源結構難以在短期內得到改善，特別是隨著經濟的發展，蘭州市的能源消耗仍在持續增長，2001—2010年標準煤消耗量增長了4倍多，盡管以天然氣為主要內容的清潔能源得到應用，燃煤仍然由2001年的283.6萬t增至2010年的848.3萬t(表1)，同時各污染物的排放量也在增加(表2)。從污染負荷的行業分布可見，一半左右的污染負荷是電力、蒸汽熱水產供業，而這部分能源除與工業生產密切相關外，還與人民生活息息相關。但作為水電資源豐富的蘭州市，與黃河上游已建成、在建及規劃的15個梯級電站距離均較近，電力供應在很大程度上可由水電替代，而這一部分正是蘭州市能源結構改變具有巨大潛力的部分。

隨著能源結構的改變，特別是天然氣在能源中所占比例的增加，大氣質量在逐步改善，2001—2010年燃煤消耗量增加了3倍，但廢氣排放總量只增加了約1.8倍，而煙塵排放量卻減少了約54%，SO2和NOx也均各增加了約50%(表2)，證實能源結構對減少空氣污染具有顯著作用。隨著燃氣、水電等清潔能源消耗比例的增加，蘭州市的能源結構會更加合理，污染將大幅度減少。隨著能源結構的進一步改善，最終實現蘭州市環境清潔優美、經濟持續發展、生態良性循環的西北大都市的戰略目標指日可待。

3 結論

1)隨能源結構的改變，盡管蘭州市能源消耗總量在逐步上升，但煙塵排放總量卻在逐步減少且與能量消耗呈負相關，證實煙塵主要來源于燃煤。

2)蘭州市2001—2010年廢氣排放總量總體呈增長趨勢，但2010年出現回落，且煙塵總量2010年比2001年減少50%以上，SO2排放也在2006年進入相對平穩狀態，而NOx10年間排放量在能源消耗增加4.2倍的情況下僅增加了約50%，顯現出能源結構變化對大氣質量改善的巨大作用。

3)依據蘭州市地理環境特點和主要污染源為電力、蒸汽熱水產供業的現狀，蘭州市今后的能源結構改善應充分發揮地域優勢，增加以水電為主的電力供應，替代以燃煤為主的電力生產，并進一步創造條件增加電力供暖，是蘭州市大氣質量得到顯著改善的重要舉措。

[1] 陳長和. 復雜地形上大氣邊界層和大氣擴散的研究[M]. 北京: 氣象出版社, 1993:193-204.

[2] 楊德保, 王式功, 黃建國. 蘭州市區大氣污染與氣象條件的關系[J]. 蘭州大學學報：自然科學版, 1994, 30(1):132-136.

[3] 付鐵, 袁九毅. 蘭州市大氣污染造成的經濟損失估算[J]. 甘肅科學學報, 2004, 16(3):106-109.

[4] 李江, 梁文壽. 蘭州市大氣污染經濟損失初步估算[J]. 甘肅科技, 2005, 21(9):15-17.

[5] 張秉玲，牛靜萍，曹娟，等. 蘭州市大氣污染與居民健康效應的時間序列研究[J]. 環境衛生學雜志,2011, 1(2):1-6.

[6] 王燕俠, 牛靜萍, 丁國武，等. 蘭州市大氣污染對青春期青少年肺功能的影響[J]. 環境與健康雜志, 2007, 24(6):415-418.

[7] 陶燕, 王式功, 米生權，等. 蘭州市大氣污染對呼吸系統疾病影響的時間序列研究[C]. 2011年全國環境衛生學術年會論文集, 2011：59-64.

[8] 張國珍, 褚潤, 南忠仁. 蘭州市大氣污染對人體健康影響及經濟損失研究[J]. 干旱區資源與環境, 2008, 22(8):120-123.

[9] 周新.中國的能源消費和改善大氣環境質量的戰略分析[J].環境保護, 2003(7)：49-51.

[10] 江澤民. 對中國能源問題的思考[J]. 上海交通大學學報, 2008,42(3):345-359.

[11] McKibbin W J.Global Energy and Environmental Impacts of an Expanding China [J]. China & World Economy, 2006, 14(4):38-56.

[12] Zhao H. An Investigation and Study of the Terminal Energy Consumption in Beijing [J]. International Journal of Business and Management, 2008, 3(4):174-178.

[13] Zhao B. Xu J. Hao J. Impact of energy structure adjustment on air quality: a case study in Beijing, China. Frontiers of Environmental Science and Engineering in China [J]. Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2011, 5(3):378-390.

[14] 余曄，夏敦勝，陳雷華，等. 蘭州市 PM10污染變化特征及其成因分析[J]. 環境科學, 2010, 31(1):22-28.

[15] 舒志亮，樊韜，翟濤，等. 銀川市2000—2009年空氣質量變化趨勢分析[J]. 寧夏工程技術, 2011, 10(2):97-100.

[16] 徐惠, 劉振全, 翟鈞. 天然氣應用對蘭州大氣環境的影響[J]. 重慶環境科學. 2002, 24(5):67-69.

[17] 巫建光，蔣海貴，解義勇. 馬鞍山市二氧化硫排放總量與污染控制方案[J]. 環境科學研究, 2000,13(6):4-6.

[18] 趙力軍, 吳國寄. 天然氣應對大氣環境的污染[J]. 煤氣與熱力, 1998, 18(5):45-47.

[19] 郝吉明, 賀克斌. 中國燃煤二氧化硫污染控制戰略[J]. 中國環境科學, 1996, 16(3):208-212.