錫林郭勒盟煤電基地大氣環境容量分析及預測

馬一丁,付 曉,吳 鋼,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

錫林郭勒盟煤電基地大氣環境容量分析及預測

馬一丁1,2,付 曉1,吳 鋼1,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

內蒙古錫林郭勒盟國家大型煤電基地既是我國經濟發展和區域能源安全的重要基地,又是近首都生態重要屏障保障區域,該區域的生態環境建設直接關系到國家生態安全。選取錫林郭勒盟煤電基地為研究對象,以研究區內各大氣污染物排放數據為基礎,對照大氣環境功能區劃,研究大氣環境容量。首先繪制了各主要污染物的區域空間分布圖,結合功能區大氣質量標準得到了錫林郭勒盟環境容量和承載力的空間分布結果。在此研究基礎上,按不同目標情景(低標準、中等標準、高標準)進行了區域大氣環境承載力的預測,分析了各區域的環境保護對策。為錫盟國家煤電基地建設和生態保護及區域可持續發展提供科學依據。

煤電基地, 大氣環境容量, 大氣環境承載力

隨著中東部能源資源日益消耗,我國煤電發展戰略逐漸西移。內蒙古自治區境內的能源基地,正逐步充當煤電供應的主力,成為支撐我國經濟社會長期發展的國家能源戰略基地[1]。錫林郭勒盟(以下簡稱錫盟)作為我國北方重要的生態安全屏障[2],同時也是我國重要的能源基地之一,是內蒙古自治區境內的主要煤電基地之一。煤電基地的生產作業方式伴生著不可忽視的大氣污染物排放[3- 5],加之錫盟近首都的區位特點與草原型的自然生態環境特征,決定了錫盟煤炭資源開發必須高度重視生態環境的敏感性與脆弱性。就煤電基地建設開發現狀來看,大氣環境污染物主要包括煤炭露天開采過程中表層剝離、爆破、鏟裝、運輸、卸載、排土過程中產生的粉塵與煤塵；儲煤場產生的粉塵；煤矸石以及滅火區自燃產生的一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等有毒有害氣體[6],尤其是近年來因大氣顆粒物誘發霧霾而倍受關注,PM2.5、PM10成為重要監測指標。

因此,煤電基地開發建設必須充分考慮地區及近周邊的大氣環境容量。錫盟煤電基地作為我國重要能源開發基地的代表,具備煤電基地生態環境質量考量與保障的典型意義。本文從對錫盟區域大氣環境質量的現狀入手,選取SO2、NOx、PM2.5、PM10為主要監測指標,進行環境容量與利用率的測算,進行錫盟大氣承載力的現狀分析,在此基礎上,結合錫盟煤電基地的開發規劃以及相關政策標準,選取2020年為未來目標節點,分不同情景對區域進行大氣環境質量與容量的預測,分析錫盟總量控制目標的可達性,以期為錫盟煤電基地的區域生態環境保護與規劃、煤電基地開發與利用模式提供理論依據。

1 研究方法

1.1 錫盟大氣環境質量功能區劃

考慮到錫盟與北京毗鄰的特殊地域特征,同時《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》使錫盟面臨較大的節能減排壓力,錫盟面臨更嚴格的環境標準來保證空氣質量的需求,因此在計算環境容量時,煤炭礦區和中心城區參考執行新空氣質量標準的二級濃度標準,除煤炭礦區以外的區域均執行空氣濃度一級濃度標準。

1.2 區域大氣環境容量核算方法

采用A值法核算錫盟區域大氣環境容量(GB/T13201- 91),A值法系數的確定主要是依據《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》(GB/T 3840- 91)中的區域劃分,內蒙古屬于2類區域。A值范圍為5.6—7.0(104km2/a)。本次A值的取值按下列公式進行計算：

A=Amin+0.1×(Amax-Amin)

經計算,內蒙古參數A取5.74(104km2/a)。

1.3 錫盟大氣環境質量的預測

以2020年為預測目標時間節點,按煤電基地電源點脫硫、脫硝效率的不同,將預測情景分類為3種,情景1的脫硫效率為95%,脫硝效率為80%；情景2的脫硫效率為95%,脫硝效率為90%；情景3為規劃煤電基地電源點執行燃氣標準的排放量。

2 結果與分析

2.1 錫盟大氣環境承載力現狀評價

錫盟規劃煤電基地涉及的面積為20.3萬km2,錫盟煤電基地SO2、NOx、PM10、PM2.5的排放量及環境容量如圖1所示。由此可以計算出各行政區的環境容量利用率(圖2)。

SO2環境容量利用率較高的行政區有正藍旗、二連浩特市、多倫縣和錫林浩特市,NOx環境容量利用率較高的行政區有多倫縣、正藍旗和錫林浩特市。PM10環境容量利用率較高的行政區有多倫縣、正藍旗和二連浩特市。PM2.5環境容量利用率較高的行政區有多倫縣、正藍旗和二連浩特市。除正藍旗外,其它各行政區的SO2和NOx的環境容量利用率均低于50%。

錫盟大氣環境容量地域性差異分布呈現北低南高、西低東高的特征,尤其是東北部的東烏珠穆沁旗,其顆粒物污染物排放比較典型,是錫盟最嚴重的顆粒物排放區域。而西部的阿巴嘎旗,SO2排放居諸區域之首。南部的正藍旗和多倫縣環境容量富余較高。因此在錫盟的空間布局上,需要以環境容量的地域性分布為基礎,充分考量工業企業、環境保護措施、城鎮發展的地帶性布局,充分利用高承載力區域的環境容量,著重改善西北部地區的生態環境質量,降低區域生態風險。

圖1 錫盟大氣環境容量和大氣污染物排放量 Fig.1 The atmospheric environmental capacity and air pollutants emission of Xilinguole League

圖2 錫盟大氣環境容量利用率Fig.2 The atmospheric environmental capacity evaluation of the Xilinguole League

2.2 錫盟生態環境承載力預測

依據污染物排放總量與環境容量,分析2020年錫盟煤電基地建設運行期錫盟環境容量利用率,研究錫盟未來大氣污染物排放與總量控制目標的可達性,綜合評判錫盟的環境承載能力。通過設置不同的總量控制情景,結合預測排放量進行錫盟節能減排的可達性分析。

規劃煤電基地在煤炭開采過程和發電過程都會產生大氣污染物,煤電基地開發主要污染物排放量預測核算計算方式為[7]：

P排放=P基數-P削減+P新增

式中,P排放為主要污染物排放預測,P基數為基礎年排放量,P削減為考慮“十二五”、“十三五”期間開展節能減排進行的污染物削減量,P新增為煤電基地新建所排放的主要污染物。將主要企業現狀排放量、可削減量及預測新增排放量進行疊加,即計算出到錫盟煤電基地主要大氣污染源污染物排放情況。

2020年,錫盟規劃煤電基地7個礦區在開采過程的粉塵和SO2排放量,見表1。

表1 煤炭開采大氣污染物排放量

參考火電行業主要污染物產排污系數[8]、各電廠可研報告及環評報告書,得到主要電源基地SO2、氮氧化物和煙塵的產污系數。參考各電廠的可研報告、環評報告,規劃12個電廠的工藝能夠達到95%的脫硫效率,80%的脫硝效率,99.8%的除塵效率,當各電廠滿足這些條件時,預測2020年規劃電源基地正常運行后大氣污染物排放量(表2)。

根據規劃及相關要求[9- 10],錫盟2013—2020年電力行業削減項目涉及國控電廠4個。減排項目主要包括小熱電項目、水泥項目、煤化工項目。至2020年,錫盟在2013年基礎上可削減SO2排放量為82107.46t,NOx排放量82070.69t。

以錫盟地區2015年總量控制目標為標準,其中SO2排放量控制在8.7萬t,NOx排放量控制在9.07萬t。設置不同的3個情景,其中情景1為規劃新電源點脫硫效率為95%,脫硝效率為80%；情景2為規劃新上電廠脫硫效率為95%,脫硝效率為90%；情景3為規劃電廠執行燃氣標準的排放量(表3,表4)。

綜上,2020年,在排放量最大的情景下,將行政區現狀削減后的排放量疊加新增電廠區位及預測排放量,得到未來各行政區主要大氣污染物排放情況(圖3)。

表2 大氣污染物的新增排放量(萬t/a)

表3 不同情景下主要大氣污染物總量控制目標與預測排放量對比

表4 不同情景下錫盟大氣污染物預測排放量

可以看出,錫林浩特市仍然是行政區中大氣污染物排放量最大的地區,大氣顆粒物尤為突出,其次是西烏珠穆沁旗和正藍旗。從空間上,大氣污染物排放量主要集中在錫盟中部和東部煤電基地建設區。

根據預測2020年污染物排放量和容量可以算出各行政區的環境容量利用率(圖4)。

其中,SO2環境容量利用率高于50%的行政區有多倫縣、錫林浩特市和烏拉蓋管理區,分別為70.76%,87.82%,72.96%。NOx環境容量利用率高于50%的行政區有多倫縣和錫林浩特市,分別為81.28%和62.61%。錫盟煤電重點開發單元的其他行政區的環境容量利用率均低于50%。

3 結論

根據《錫林郭勒環境保護“十二五”規劃》,錫盟地區2015年SO2排放量控制在8.7萬t,NOx排放量控制在9.07萬t。而錫盟2013年SO2和NOx現狀排放量分別為10.44和10.36萬t,污染物總量控制指標將對錫盟煤電基地發展構成硬性約束。

圖3 錫盟大氣污染物排放預測圖Fig.3 The air pollutants prediction emission of Xilinguole League

圖4 錫盟大氣環境容量利用率預測分布圖Fig.4 The environmental capacity prediction of Xilinguole League

對2020年設置了不同的總量控制情景,與預測排放量進行對比。其中,情景1以2015年總量為控制目標,節能減排要求相對寬松,SO2,NOx預測排放量分別為67547.11t/a,66710.03t/a,總量控制目標分別為87000 t/a,90700t/a,預測排放量占總量控制目標比率分別為77.64%,73.55%;情景2參考“十一五”、“十二五”減排比率,在2015年節能減排目標基礎上進一步削減,SO2和NOx分別減少5.9%、4.6%,節能減排要求相對嚴格,SO2,NOx預測排放量分別為67547.11t/a,66681.17t/a,總量控制目標分別為81867t/a,86527.8t/a,預測排放量占總量控制目標比率分別為82.51%,77.06%；情景3是以更高的要求和標準來嚴格控制,進一步加大節能減排力度,2020年總量控制目標在2015年的基礎上減少8%,6%,SO2,NOx預測排放量分別為67547.11t/a,66681.17t/a,總量控制目標分別為80040t/a,85258t/a,預測排放量占總量控制目標比率分別為84.39%,78.21%。

結果表明,在3種情景下SO2和NOx的預測排放量均達到總量控制的指標。在情景1節能減排要求相對寬松的條件下,錫盟各行政區SO2和NOx的預測排放量小于總量控制的指標；在情景2相對嚴格的條件下,西烏珠穆沁旗的SO2預測排放量超出總量控制目標,其它行政區均達標；在情景3更為嚴格的條件下,西烏珠穆沁旗和錫林浩特市的SO2預測排放量超出總量控制目標,其它行政區的預測排放量均滿足總量控制目標。

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[8] 朱法華, 鐘魯文, 王強, 王圣. 火電行業主要污染物產排污系數. 北京: 中國環境科學出版社, 2009.

[9] 內蒙古自治區環保廳. “十二五”主要污染物總量削減目標責任書. 呼和浩特: 內蒙古自治區環保廳, 2013.

[10] 環境保護部. 發展改革委, 財政部. 重點區域大氣污染防治“十二五”規劃. 北京: 環境保護部, 發展改革委, 財政部, 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

國家科技支撐計劃課題“國家大型能源基地格局生態效應評估與決策支持技術研究及應用”(2012BAC10B01)

2016- 05- 09; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 27

10.5846/stxb201605090888

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wug@rcees.ac.cn

馬一丁,付曉,吳鋼.錫林郭勒盟煤電基地大氣環境容量分析及預測.生態學報,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.