中國北方地區農村家庭清潔取暖政策的汞減排效益評估

方 培,張 偉,宋玲玲,徐 曾,吳兆明,雷至宇,胡桐嘉,李明洋,陳 龍**,李佳碩

中國北方地區農村家庭清潔取暖政策的汞減排效益評估

方 培1,張 偉2,3,宋玲玲4,徐 曾5,吳兆明1,雷至宇1,胡桐嘉1,李明洋1,陳 龍5**,李佳碩6*

(1.山東大學澳國立聯合理學院,山東 威海 264209；2.生態環境部環境規劃院,國家環境保護環境規劃與政策模擬重點實驗室,北京 100012；3.生態環境部環境規劃院,京津冀區域生態環境研究中心,北京 100012；4.生態環境部環境規劃院,環境保護投資績效管理中心,北京 100012；5.華東師范大學地理科學學院,上海 200241；6.山東大學藍綠發展研究院,山東 威海 264209)

為評估北方地區農村家庭清潔取暖政策的汞減排效益,本文綜合運用大氣污染物排放清單編制方法和GEOS-Chem大氣化學傳輸模型,編制了中國北方重點地區農村家庭清潔取暖汞減排清單,并分析因政策而產生的大氣汞沉降削減效益.結果表明:“十三五”期間,重點地區共計替代民用散煤59.65í106t,其中,Hg0、HgII和HgP三種不同汞形態的減排量依次為8.64,1.79和0.11t,由此避免10.54t(不確定性區間:-9.65%～6.94%)大氣汞排放.“煤改氣”,“煤改電”和“其他改造方式”等不同方式的汞減排貢獻率依次為51.20%、38.02%和10.78%.同時,清潔取暖政策使重點地區避免了0.49t大氣汞沉降.研究還發現,清潔取暖政策的外溢效應使非重點地區削減了0.66t汞沉降.據此,本文提出清潔取暖政策的優化策略,以期為促進農村地區能源轉型和汞減排治理工作提供參考.

清潔取暖政策；農村家庭；民用散煤替代；汞減排；大氣汞傳輸擴散

汞作為一種不可被降解且具有長期毒性作用的物質,在社會環境-經濟循環系統中具有不可忽視的影響[1-4].相關研究已指出,汞暴露對于人體神經系統、呼吸系統和消化系統等的日常生理代謝過程均有不同程度的損害作用,如造成胎兒的神經系統發育失常、肺功能損傷和胃腸道功能紊亂等疾病[3,5-10].聯合國環境規劃署(UNEP)發布的2018年全球汞評估報告中曾明確指出了固定源燃煤活動占全球大氣汞排放估計量的21%[5],是造成汞排放的最主要貢獻源之一[7,11-12].因此,《水俁公約》中針對包括燃煤電廠在內的系列汞及其化合物大氣排放點源提出了管控要求.而常見于中國北方農村地區炊事和取暖活動的散煤[13-15]卻不被包括在內.然而,由于散煤燃燒效率低、煤質較差[13-17],以及相應燃燒設備缺乏末端排放處理設施[18-19],民用部門散煤燃燒供暖排放相當嚴重.最近一項研究表明,民用部門單位燃煤消耗產生的細顆粒物(PM2.5)污染導致的過早死亡人數估值約為電力和其他工業部門的40倍左右[20].因此,加快中國民用散煤治理對改善區域空氣質量及實現汞風險控制目標意義重大.

近年來,中國政府投入了大量的時間和精力用于推動民用散煤治理[16,21-24],并于2017年先后出臺了如《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021)》[25]和《關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知》[26]等文件,以通過減少民用散煤消費量幫助實現區域大氣污染治理和農村家庭清潔能源轉型的雙重目標[15-16,27].截止2020年底,清潔取暖改造在北京和其他三批試點城市[28]陸續開展,其中,試點城市覆蓋了除北京外的其余“2+26”城市及汾渭平原城市等在內的大部分平原地區農村家庭.據統計,“十三五”時期,中央政府共對三批試點城市劃撥493億人民幣以支持地方制定清潔取暖規劃,取得了一定治理成效[16,23-24].除推動常規污染物減排治理外,重點地區清潔取暖改造也勢必削減民用散煤汞排放及其大氣沉降風險[2-4,8].

當前,現有研究仍集中關注民用散煤治理對氮氧化物(NO)、二氧化硫(SO2)或PM2.5等常規大氣污染物減排控制的環境、經濟和健康效益評估[17,23-24,29-32],而民用散煤治理對大氣汞減排及傳輸沉降影響的量化還較為缺乏.近期,中國政府正式向《水俁公約》秘書處提交了第一次(完整版)國家報告,向國際社會報告了中國的履約成果[33].盡管如此,國家報告中尚未關注民用部門散煤替代行動產生的汞減排貢獻.因此,有必要評估因供暖方式清潔化改造而產生的散煤替代量及其相應的大氣汞減排量,同時評估因汞減排而避免的大氣汞傳輸、擴散與沉降風險.這不僅是履行《水俁公約》中關于控制燃煤過程汞排放的關鍵內容[12],也是評估人群因避免汞暴露而產生健康效益的重要組成部分[2,8].同時,汞減排清單也為識別不同地區民用散煤替代減汞的驅動因素[34-35]及預測未來不同情景下各地清潔取暖政策的汞排放控制優化路徑[36-37]等提供研究基礎.

綜上,本研究對中國民用散煤治理的汞減排效益開展評估,通過編制2017～2020年民用散煤替代汞減排清單,結合GEOS-Chem大氣化學傳輸模型定量評價北方重點地區農村家庭清潔取暖政策的汞減排效果.基于此,本研究將完善學界關于民用散煤治理行動對大氣汞減排效益的認識,為進一步優化民用散煤治理策略以及為更好地履行《水俁公約》提供基礎數據和方法支撐.

1 研究方法與數據來源

本文運用了自下而上的大氣污染物排放清單編制技術[8,35,38-39],編制了基于中國北方重點地區清潔取暖政策背景下的城市級汞減排清單,并將其作為大氣化學模式的輸入數據,模擬了2017～2020年期間“2+26”城市(包括北京、天津兩個直轄市,河北省石家莊、唐山、保定、廊坊、滄州、衡水、邯鄲、邢臺市,山西省太原、陽泉、長治、晉城市,山東省濟南、淄博、聊城、德州、濱州、濟寧、菏澤市,河南省鄭州、新鄉、鶴壁、安陽、焦作、濮陽、開封市等地級市及部分國家級新區和縣級市)和汾渭平原城市(包括陜西省西安、咸陽、渭南、寶雞、銅川、韓城市和楊凌示范區、西咸新區,山西省晉中、呂梁、運城、臨汾市,河南省洛陽、三門峽等地級市、國家級新區和縣級市)兩個重點地區農村家庭因散煤替代而產生的區域大氣汞沉降變化情況.汞減排清單由民用散煤替代活動水平和燃煤汞排放因子兩部分組成,具體方法如下:

1.1 民用散煤替代活動水平

對于民用散煤替代活動水平的計算,本文定義式(1)進行估測:

1.2 燃煤汞排放因子

由于大多數的戶用燃煤取暖爐具并未配備末端控制設備,且取暖過程不存在煤炭預處理環節.因此,本文參考動態排放因子模型[35-36,38,40]設置,對民用散煤燃燒供暖過程的排放因子作式(2)簡化:

式中:EFHg,i為地區民用散煤燃燒過程中的汞排放因子,g/t;C為省消費煤中所含平均汞含量,g/t;為民用燃煤過程的汞釋放率,%.結果如表1所示.

表1 各省民用燃煤汞排放因子(g/t)

1.3 民用散煤替代汞減排清單

通過確定政策實施前后不同地區民用散煤燃燒取暖的活動水平變化和對應的燃煤排放因子,即可快速獲得對應的大氣汞減排量,如式(3)所示:

式中:ΔHg為清潔取暖政策實施前后的大氣汞減排量,t/a;ΔA為省市農村家庭實施政策前后的活動水平差值,t/a;EFHg,i為省農村家庭燃煤供暖過程的汞排放因子,g/t.

1.4 大氣化學傳輸模型

使用大氣化學傳輸模型GEOS-Chem,該模型是由哈佛大學大氣化學模型組開發的三維大氣傳輸模型,模型主要用于大氣化學組分的物理和化學過程模擬,關于模型的詳細介紹可參見模型官網(http: //geos-chem.org,v12.5.0).GEOS-Chem模型耦合了二維的海洋和陸地汞模型[41-44],已成功應用于大氣汞的模擬.GEOS-Chem模擬的大氣汞形態包括Hg0、HgII和HgP.其中,大氣中Hg0經鹵素自由基(Br×)氧化生成HgII,同時大氣云滴中的HgII經光還原又會生成Hg0,HgII也會吸附到氣溶膠顆粒物上形成HgP.大氣汞可通過植被吸收等干沉降過程和對流降水等濕沉降過程到達地球表層,地表通過海氣交換和地氣交換過程將汞釋放回大氣.

GEOS-Chem模型使用的氣象場數據選自美國空間宇航局(NASA)全球模型和數據辦公室(GMAO)提供的遙感觀測數據產品(GEOS-FP).該模型提供了適用于東亞區域大氣化學傳輸模擬的高精度區域模型(60°E～150°E,10°S～55°N),其水平精度為0.5°′0.625°,如圖1所示.東亞區域高精度模型也開發了大氣汞的模擬,Chen等[2,35,45-46]利用東亞區域汞模型模擬了區域大氣汞的排放、擴散、傳輸和沉降過程,評估了中國人為源大氣汞排放的本地沉降和越境傳輸.該系列研究通過現有文獻中具有代表性的東亞觀測站的觀測值對模型進行驗證,獲得了良好的模擬效果.本文采用上述系列研究發展的GEOS-Chem東亞區域汞模型來模擬中國北方重點地區清潔取暖政策背景下的大氣汞擴散傳輸.研究首先進行4°′5°的全球模擬,模擬時段為2015～2017年,模擬結果為東亞區域高精度模型提供3h精度的邊界條件.然后,研究進行2017年的東亞區域高精度模型的模擬,2016年的最后三個月作為模擬的平衡時間.全球模擬的排放清單采用聯合國環境規劃署編制的全球排放清單[5],其中中國區域則使用Liu等[47]編制的2017年中國大氣汞排放清單進行替代.模型結果以月為單位進行輸出,量化了研究區域的大氣汞濃度和沉降通量.

圖1 GEOS-Chem模型的模擬范圍

模型模擬設置兩種情景:(1)基準情景,該情景中的中國區域大氣汞排放清單采用Liu等[47]編制的大氣汞排放清單,包括民用燃煤在內的所有汞排放行業;(2)政策情景,該情景中的中國區域大氣汞排放清單除民用燃煤之外的其他行業仍采用Liu等[47]編制的大氣汞排放清單,而民用燃煤行業的汞排放執行本文編制的汞減排清單.除中國區域的排放清單進行情景設置之外,模型其余的配置諸如氣象場、大氣汞化學機制和全球汞排放清單等均保持一致.

1.5 汞減排驅動因素分解分析

清潔取暖政策產生的民用散煤替代汞減排的相關驅動因素分解分析如式(4)所示:

式中:ΔHg,l為地區因清潔取暖改造而產生的大氣汞減排總量,t;為不同清潔取暖改造方式,無量綱;IM為地區采用改造方式的單位汞減排強度,單位為t/104t;RCC為地區采用改造方式的戶均散煤消費量,單位為t/(戶×a);H為地區采用改造方式的家庭戶數,戶.因此,當時間從0時刻變化至1時刻, ΔΔHg,l的變動可表示為:

基于LMDI法[34-35],上述三個因素對清潔取暖政策產生的大氣汞減排影響程度的計算過程如下:

1.6 不確定性分析

使用采樣設置次數為10,000次的蒙特卡洛模擬定量分析民用部門汞減排清單的不確定性[8,32,38,48-49].汞排放的不確定性被置于算術平均值±80%范圍的置信區間內(10分位數和90分位數之間).在計算過程中,各地消費煤炭中汞的平均含量C和民用散煤燃燒取暖過程的汞釋放率是清單不確定性的主要來源.對此,本文通過文獻調研獲取同類數據組成其不確定性區間,并作為統計分析的依據.

1.7 數據來源

2 結果與討論

2.1 民用散煤替代汞減排清單及其時空分布特征

“十三五”時期,“2+26”城市和汾渭平原城市共有2119.90萬戶農村家庭完成改造,59.65′106t散煤被替代.清潔取暖政策幫助北方平原地區農村家庭減少了總計10.54t的汞排放(8.64t Hg0、1.79t HgII和0.11t HgP),約為Wu等[49]估算的2014年中國民用部門燃煤汞排放量的80%,也相當于美國、日本和韓國等國2015年汞排放總量的29.01%, 70.24%和151.65%[5].其中,“2+26”城市在2017～2020年間共完成46.40′106t散煤替代,減少了7.91t汞排放;而汾渭平原城市在2018～2020年間替代散煤13.25í106t,產生了2.63t汞減排效益.這主要是由汾渭平原城市試點規劃時間較晚、改造區域較少和改造任務工作量較輕等造成的.因此,汾渭平原城市的改造完成戶數、散煤替代量及汞減排量均少于“2+26”城市.

由表2可知,“十三五”時期北京、天津、河北、河南、山東、山西和陜西七省(直轄市)實際完成改造戶數依次為北方地區清潔取暖總改造量的3.26%、4.25%、35.25%、15.37%、14.86%、13.81%和13.20%,對應汞減排量分別為0.47t, 0.30t, 3.53t, 1.91t, 1.33t, 1.24t和1.76t.較Liu等[47]估算的七個省份的民用燃煤部門年均汞排放量結果(8.53t/a)而言,本文核算四年累計汞減排總量約為其年均汞排放量的1.24倍.此外,因清潔取暖改造產生的汞減排效益也因政策規劃不同而具有時間關聯性.比如,北京和天津兩個直轄市均在2020年前基本完成了清潔取暖改造,分別占重點地區汞減排總量的4.46%和2.85%.對于山東省,因其出臺《山東省冬季清潔取暖規劃(2018—2022年)》[61]等政策文件,已連續四年在農村地區開展清潔取暖改造,累計減汞量占重點地區汞減排總量的12.57%,清潔取暖的汞減排成效顯著.

表2 “十三五”時期北方清潔取暖政策下各省及重點地區的汞減排量(t/a)

圖2 “十三五”時期重點地區城市尺度汞減排時空分布特征

如圖2所示,2017年,北京市、廊坊市和保定市的汞減排量超過了0.20t.隨著清潔取暖政策在各地逐步落實,汞減排量超0.20t/a的城市數量逐漸增加,例如:西安市在2018年實現了0.38t的汞減排;渭南、唐山和邯鄲在2019年完成了0.31, 0.22和0.20t汞減排;而保定和唐山則為2020年新增汞減排量超0.20t的城市.從四年實施情況看,汞減排量超0.50t的四個城市依次為保定,邯鄲,唐山和渭南,四年汞減排量分別為0.68, 0.59, 0.56和0.51t.

另外,“煤改氣”、“煤改電”和“其他改造方式”的汞減排貢獻率依次為51.20%、38.02%和10.78%.如表3所示,不同地區和不同改造技術路徑的汞減排貢獻率也存在區別.對“2+26”城市而言,“煤改氣”、“煤改電”和“其他改造方式”的汞減排貢獻率為57.53%、33.09%和9.38%;而在汾渭平原地區,三種改造技術方式的汞減排貢獻率則分別為32.12%、52.86%和15.02%.同時,“其他改造方式”的推行力度也在逐年加大.例如,2018年之后,“其他改造方式”的汞減排量依次占當年汞減排總量的10.15%、15.10%和15.86%,這與地方政府針對地區資源稟賦特征而設計的取暖規劃密切相關.整體上看,因非試點地區同樣存在清潔取暖改造需求[23-24,28],改造的實際汞減排效益將高于本文估算結果.據不完全統計,“十三五”期間全國民用散煤替代量為59.8′106t/a[62],意味著民用部門每年歸因于散煤燃燒替代的汞減排量將近10t.盡管民用散煤并未被納入《水俁公約》的管控名單中,但考慮到中國每年用于炊事和供暖等活動的散煤消耗量高達1.5′108～1.7′108t[62],若實現完全替代,汞減排量約為本研究結果的2.5～2.9倍,在提升空氣質量的同時,也將有效降低區域大氣汞污染暴露風險.

表3 各省及重點地區不同清潔取暖改造路徑的汞減排貢獻率(%)

2.2 清潔取暖政策避免的大氣汞沉降

大氣汞擴散傳輸模擬結果表明,北方重點地區農村家庭的清潔取暖政策避免了東亞地區共計2.12t的大氣汞沉降.其中,位于中國的大氣汞沉降削減量為1.15t;其他國家的陸地汞沉降削減量為0.35t,而剩余29.25%的大氣汞沉降削減則發生在東亞海洋區域.基準情景的大氣汞沉降與大氣汞濃度的空間分布分別如圖3-A1和圖3-B1所示;而政策情景下的大氣汞沉降與大氣汞濃度的空間分布則如圖3-A2和圖3-B2所示.由表4可知,大氣汞沉降削減量較高的地區集中于北方重點地區,并向中部和東南部地區擴散,特別是湖北、湖南等中部地區.其中,北方重點地區各城市的大氣汞沉降削減量占中國大氣汞沉降削減總量的42.36%(0.49t),低于非重點地區的汞沉降削減量總和(0.66t),由此表明,大氣汞沉降的削減效益存在廣泛的跨區域特性.

表4 清潔取暖政策背景下各省區域大氣汞沉降削減量(kg)

注: 因研究的空間柵格大小限制,兩個特別行政區(即香港和澳門)的數值合并至廣東省統計.

重點地區的七個省(直轄市)中,大氣汞沉降削減量最多的省份為河北,為174.71kg;河南和陜西次之,其大氣汞沉降削減量分別為141.79kg和128.75kg;而北京的大氣汞沉降削減量僅有9.74kg,是北方重點地區中汞沉降削減量最少的省(直轄市).中部地區的湖北、湖南以及西南地區的四川的大氣汞沉降削減效益也較為突出,分別為41.88, 35.49和47.16kg.同時,亦有少量大氣汞沉降削減發生在非清潔取暖試點區域的其他北方地區.例如,西北地區的寧夏、青海和甘肅的大氣汞沉降削減量依次為5.79, 9.17和31.76kg.而東北三省的吉林、遼寧和黑龍江的大氣汞沉降削減量則依次為上述三個西北內陸省份的2.01, 1.85和0.58倍.除此之外,內蒙古和新疆的大氣汞沉降削減量也相對較多,分別為51.38kg和20.35kg.顯然,農村家庭清潔取暖改造項目不僅推動了北方重點地區民用散煤替代汞減排,而且也有效促進其他非重點地區的協同減排[2,8].

此外,如圖3-A3與圖3-B3所示,大氣汞濃度下降地區主要集中于清潔取暖政策所覆蓋的“2+26”城市和汾渭平原城市,而非重點地區的大氣汞濃度變化并不顯著.換言之,在政策影響下,大氣汞濃度的總體下降趨勢與民用散煤替代高度相關,這意味著政策對改善地區大氣汞濃度具有直接驅動作用.

2.3 重點地區清潔取暖汞減排的驅動因素分析

如圖4A所示,2017～2020年,“2+26”城市汞減排量增加了5.65t,其主要由改造戶數的快速增長所驅動的.地區戶均散煤消費量和單位汞減排強度對汞減排量的影響較小,表明地區單位燃煤活動水平處于相對穩定的狀態.如圖4B所示,對于汾渭平原城市而言,其在2018～2020年內增加了1.79t汞減排量,清潔取暖改造規模的擴大是其實現汞減排量增長的主要原因.LMDI分解分析結果表明,持續擴大農村家庭清潔取暖的覆蓋區域,對長期實現區域民用散煤替代和降低燃煤供暖活動產生的大氣汞排放等目標具有關鍵意義.

2.4 不確定性分析

蒙特卡洛模擬結果顯示,2017～2020年,清潔取暖改造汞減排量不確定性范圍為9.52～11.27t(±80%置信區間).由圖5可知,分省分地區汞減排量的不確度區間分別為北京(-12.34%～10.07%),天津(-12.40%～10.24%),河北(-18.04%～15.88%),河南(-20.30%～17.86%),山東(-15.44%～13.12%),山西(-16.08%～13.90%),陜西(-25.30%～23.18%),“2+26”城市(-10.36%～8.04%)和汾渭平原城市(-18.04%～ 15.22%).其中,陜西的汞減排量不確定性區間較大,這是陜西民用散煤中汞含量的不確定性區間較大所導致的.民用散煤燃燒供暖過程的汞釋放率是清單不確定性的另一重要來源.已有研究對該值界定處于80.77%～100%區間,且文獻統計差異較大,在概率分布類型上呈現明顯的Beta分布特征.

在實際燃煤供暖過程中,不同煤炭種類與爐具類型、燃煤溫度與方式等因素均會影響汞的釋放率[18,32,39].因此,為減少生活源燃煤汞排放研究的不確定性,應對民用燃煤供暖過程的汞釋放率進行分煤種、分爐具和分燃燒方式的現場測試[62],并開展更詳細的燃煤活動水平統計調查,及時更新民用燃煤排放過程的理化參數和物料信息,以支撐更精細的排放清單編制和更精準的大氣化學傳輸擴散模擬.

圖5 各省和重點地區汞減排清單的不確定性

2.5 政策建議

繼續推廣北方清潔取暖的先進經驗,擴大清潔取暖政策的實施范圍,并在資金、技術和資源加大投入[30-31],特別是強化部分地區能源基礎設施的建設[23],從而規避因供暖設備落后或老化造成的供暖改造“改而不用”等問題.此外,未來國家進展報告中可另增設關于散煤綜合治理減汞的相關進展,從而更好地實現中國汞治理目標.

重視并充分挖掘以可再生能源為主的供暖方式在區域清潔取暖改造建設中的潛力,結合區域發展特征和當地資源稟賦特性,開發除“煤改氣”和“煤改電”之外的其他可再生能源供暖改造方式,例如,“煤改生物質熱”、“煤改地熱供暖”、“煤改光伏制暖”等[23,28].同時,2018年北方地區短期“氣荒”問題表明,如果沒有穩健的天然氣輸運存儲體系,在地方推行單一的“煤改氣”供暖改造模式將面臨巨大的能源供應短缺風險[63].因此,為防止可能存在的能源供應緊張或替代能源成本過高而導致的散煤復燃問題[28],應建立全新的多能互補的供暖格局,并納入后續政策規劃中.

加快建立大氣污染聯防聯控治理體系,依據取暖改造工程開支和大氣污染治理收益綜合制定橫向生態補償政策,統籌兼顧地區經濟發展水平和財政負擔能力,推進建設大氣汞減排生態補償機制,發揮好其在清潔取暖政策系統優化中的重要作用.例如,風電、光電資源豐富的新疆和甘肅等西北地區仍有20%的棄光率和棄電率[64],可在滿足自身供暖能源需求的前提下為華北平原和汾渭平原等地區提供額外制熱能源[8],以置換清潔取暖政策的跨地區汞沉降削減效益,并可減輕新能源產業消納壓力.

3 結論

3.1 “十三五”時期,北方重點地區的農村家庭共計替代民用散煤59.65′106t,并減少了10.54t(不確定性區間:-9.65%～6.94%)大氣汞排放.其中,“煤改氣”、“煤改電”和“其他改造方式”的汞減排貢獻率分別為51.20%、38.02%和10.78%.

3.2 大氣模型結果表明,北方重點地區農村家庭的清潔取暖改造避免了中國共計1.15t的大氣汞沉降.其中,北方重點地區的大氣汞沉降削減量占全國大氣汞沉降削減總量的42.36%(0.49t),其他非重點地區同樣因清潔取暖政策的外溢效應而獲得0.66t的大氣汞沉降削減效益.

3.3 改造戶數的增加是汞減排最主要的貢獻因素,因此,擴大清潔取暖覆蓋范圍仍是未來政策重點.

[1] 吳曉慧,徐麗笑,齊劍川,等.中國大氣汞排放變化的社會經濟影響因素 [J]. 中國環境科學, 2021,41(4):1959-1969.

Wu X H, Xu L X, Qi J C, et al. Socioeconomic factors influencing atmospheric mercury emission changes in China. [J]. China Environmental Science, 2021,41(4):1959-1969.

[2] Chen L, Liang S, Liu M D, et al. Trans-provincial health impacts of atmospheric mercury emissions in China [J]. Nature Communications, 2019,10(1):1-12.

[3] Driscoll C T, Mason R P, Chan H M, et al. Mercury as a Global Pollutant: Sources, Pathways, and Effects [J]. Environmental Science & Technology, 2013,47(10):4967-4983.

[4] Li Y, Chen L, Liang S, et al. Looping mercury cycle in global environmental–economic system modeling [J]. Environmental Science & Technology, 2022,56(5):2861-2879.

[5] UNEP. Technical background report for the global mercury assessment 2018 [R]. Nairobi: United Nations Environment Programme, 2019.

[6] Karagas M R, Choi A L, Oken E, et al. Evidence on the human health effects of low-level methylmercury exposure [J]. Environmental Health Perspectives, 2012,120(6):799-806.

[7] Zhang Y, Song Z, Huang S, et al. Global health effects of future atmospheric mercury emissions [J]. Nature Communications, 2021, 12(1):1-10.

[8] Li J S, Zhou S L, Wei W D, et al. China’s retrofitting measures in coal-fired power plants bring significant mercury-related health benefits [J]. One Earth, 2020,3(6):777-787.

[9] ILO. Exposure to mercury in the world of work: A review of the evidence and key priority actions [R]. Geneva: International Labour Organization, 2022.

[10] WHO. Review of Minamata convention initial assessment reports: Key findings for health [R]. Geneva: World Health Organization, 2021.

[11] Zhang L, Wang S X, Wu Q R, et al. Mercury transformation and speciation in flue gases from anthropogenic emission sources: A critical review [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2016,16(4): 2417-2433.

[12] 吳曉云,鄭有飛,林克思.我國大氣環境中汞污染現狀 [J]. 中國環境科學, 2015,35(9):2623-2635.

Wu X Y, Zheng Y F, Lin K S. Chinese atmospheric mercury pollution status. [J]. China Environmental Science, 2015,35(9):2623-2635.

[13] Zhi G, Zhang Y, Sun J, et al. Village energy survey reveals missing rural raw coal in northern China: Significance in science and policy [J]. Environmental Pollution, 2017,223:705-712.

[14] Wu S, Zheng X, Wei C. Measurement of inequality using household energy consumption data in rural China [J]. Nature Energy, 2017, 2(10):795-803.

[15] Shen G, Xiong R, Tian Y, et al. Substantial transition to clean household energy mix in rural households in China [J]. National Science Review, 2022,9(7):nwac050.

[16] Meng W J, Zhong Q R, Chen Y L, et al. Energy and air pollution benefits of household fuel policies in northern China [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2019,116(34):16773-16780.

[17] 李 朋,吳華成,周衛青,等.京津冀“以電代煤”替代大氣污染物排放清單 [J]. 中國環境科學, 2021,41(4):1489-1497.

Li P, Wu H C, Zhou W Q, et al. Emission inventory of atmospheric pollutants replaced by “coal-to-electricity” policy in Beijing-Tianjin- Hebei region [J]. China Environmental Science, 2021,41(4):1489- 1497.

[18] Zhou Y, Huang D, Lang J, et al. Improved estimation of rural residential coal emissions considering coal-stove combinations and combustion modes [J]. Environmental Pollution, 2021,272:115558.

[19] 王春蘭,許 誠,徐 鋼,等.京津冀地區天然氣和熱泵替代燃煤供暖研究 [J]. 中國環境科學, 2017,37(11):4363-4370.

Wang C L, Xu C, Xu G, et al. Studies on replacing coal with natural gas and heat pump for heating in Jing-Jin-Ji region [J]. China Environmental Science, 2017,37(11):4363-4370.

[20] Yun X, Meng W, Xu H, et al. Coal is dirty, but where it is burned especially matters [J]. Environmental Science & Technology, 2021, 55(11):7316-7326.

[21] Zhang W X, Yun X, Meng W J, et al. Urban residential energy switching in China between 1980 and 2014 prevents 2.2million premature deaths [J]. One Earth, 2021,4(11):1602-1613.

[22] Cai S Y, Wang Y J, Zhao B, et al. The impact of the “Air Pollution Prevention and Control Action Plan” on PM2.5concentrations in Jing-Jin-Ji region during 2012～2020 [J]. Science of The Total Environment, 2017,580:197-209.

[23] Weng Z, Han E, Wu Y, et al. Environmental and economic impacts of transitioning to cleaner heating in Northern China [J]. Resources, Conservation and Recycling, 2021,172:105673.

[24] Zhou M, Liu H X, Peng L Q, et al. Environmental benefits and household costs of clean heating options in northern China [J]. Nature Sustainability, 2022,5(4):329-338.

[25] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.關于印發北方地區冬季清潔取暖規劃(2017-2021年)的通知 [EB/OL]. 2017-12-20. https: //www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/201712/t20171220_962623.html?code=&state=123.

National Development and Reform Commission of the People’s Republic of China. Notice on printing and distributing the winter clean heating plan for northern regions (2017-2021) [EB/OL]. 2017-12-20. https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/201712/t20171220_962623.html?code=&state=123.

[26] 中華人民共和國財政部.關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知 [EB/OL]. 2017-05-31.http://jjs.mo f.gov.cn/zhengcefagui/201705/t20170519_2604217.htm.

Ministry of Finance of the People’s Republic of China. Notice on carrying out the pilot work of central financial support for the cleaner heating in winter of northern regions [EB/OL]. 2017-05- 31.http:// jjs.mof.gov.cn/zhengcefagui/201705/t20170519_2604217.htm.

[27] 李 洋,唐 偉,杜謹宏,等.“2+26”城市秋冬季大氣污染治理措施效果評估 [J]. 中國環境科學, 2021,41(10):4484-4494.

Li Y, Tang W,Du J H, et al. Assessment on air pollution control measures during autumn and winter seasons in “2+26” cities [J]. China Environmental Science, 2021,41(10):4484-4494.

[28] Liu C, Zhu B, Ni J, et al. Residential coal-switch policy in China: Development, achievement, and challenge [J]. Energy Policy, 2021, 151:112165.

[29] Barrington-Leig C, Baumgartner J, Carter E, et al. An evaluation of air quality, home heating and well-being under Beijing's programme to eliminate household coal use [J]. Nature Energy, 2019,4(5):416-423.

[30] Zhang X, Jin Y N, Dai H C, et al. Health and economic benefits of cleaner residential heating in the Beijing-Tianjin-Hebei region in China [J]. Energy Policy, 2019,127:165-178.

[31] 于 淼,馬秋紅,朱明月,等.農村散煤替代對PM2.5污染影響及健康效益評估——以河南省為例 [J]. 中國環境科學, 2021,41(8):3906- 3916.

Yu M, Ma Q H, Zhu M Y, et al. Evaluation for impact on PM2.5pollution and healthy benefits of rural scattered coal replacement－a case study of Henan Province [J]. China Environmental Science, 2021, 41(8):3906-3916.

[32] 吳華成,張茹婷,陳傳敏,等.京津冀地區散煤燃燒大氣污染物排放清單 [J]. 中國環境科學, 2022,42(10):4547-4555.

Wu H C, Zhang R T, Chen C M, et al. Emission inventory of air pollutants from coal combustion in Beijing-Tianjin-Hebei region [J]. China Environmental Science, 2022,42(10):4547-4555.

[33] 中華人民共和國生態環境部.生態環境部召開1月例行新聞發布會. [EB/OL]. 2022-01-24.https://www.mee.gov.cn/ywdt/zbft/202201/ t20220124_968094.shtml.

Ministry of Ecology and Environment of the People's Republic of China. The Ministry of Ecology and Environment held a regular press conference in January [EB/OL]. 2022-01-24.https://www.mee.gov. cn/ywdt/zbft/202201/t20220124_968094.shtml.

[34] Wu Z, Ye H, Shan Y, et al. A city-level inventory for atmospheric mercury emissions from coal combustion in China [J]. Atmospheric Environment, 2020,223:117245.

[35] Chen L, Liang S, Zhang H R, et al. Rapid increase in cement-related mercury emissions and deposition in China during 2005～2015 [J]. Environmental Science & Technology, 2020,54(22):14204-14214.

[36] Guo Y, Chen B, Li Y, et al. The co-benefits of clean air and low-carbon policies on heavy metal emission reductions from coal-fired power plants in china [J]. Resources, Conservation and Recycling, 2022,181:106258.

[37] 惠霂霖,張 磊,王書肖,等.中國燃煤部門大氣汞排放協同控制效果評估及未來預測 [J]. 環境科學學報, 2017,37(1):11-22.

Hui M L, Zhang L, Wang S X, et al. Evaluation of co-benefits on atmospheric mercury emission control for coal combustion in China and future projection [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017,37(1): 11-22.

[38] Zhou S L, Wei W D, Chen L, et al. Impact of a coal-fired power plant shutdown campaign on heavy metal emissions in China [J]. Environmental Science & Technology, 2019,53(23):14063-14 069.

[39] Zhou Y, Zi T, Lang J, et al. Impact of rural residential coal combustion on air pollution in Shandong, China [J]. Chemosphere, 2020,260: 127517.

[40] Wu Q, Wang S, Li G, et al. Temporal trend and spatial distribution of speciated atmospheric mercury emissions in China during 1978～2014 [J]. Environmental Science & Technology, 2016,50(24):13428-13435.

[41] Selin N E, Jacob D J, Park R J, et al. Chemical cycling and deposition of atmospheric mercury: Global constraints from observations [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2007,112(D2).

[42] Holmes C D, Jacob D J, Corbitt E S, et al. Global atmospheric model for mercury including oxidation by bromine atoms [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10(24):12037-12057.

[43] Soerensen A L, Sunderland E M, Holmes C D, et al. An improved global model for air-sea exchange of mercury: High concentrations over the North Atlantic [J]. Environmental Science & Technology, 2010,44(22):8574-8580.

[44] Horowitz H M, Jacob D J, Zhang Y X, et al. A new mechanism for atmospheric mercury redox chemistry: Implications for the global mercury budget [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2017,17(10): 6353-6371.

[45] Chen L, Liang S, Zhang Y X, et al. Atmospheric mercury outflow from China and interprovincial trade [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(23):13792-13800.

[46] Chen L, Meng J, Liang S, et al. Trade-induced atmospheric mercury deposition over China and implications for demand-side controls [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(4):2036-2045.

[47] Liu K Y, Wu Q R, Wang L, et al. Measure-specific effectiveness of air pollution control on China's atmospheric mercury concentration and deposition during 2013～2017 [J]. Environmental Science & Technology, 2019,53(15):8938-8946.

[48] Cai S Y, Li Q, Wang S X, et al. Pollutant emissions from residential combustion and reduction strategies estimated via a village-based emission inventory in Beijing [J]. Environmental Pollution, 2018,238: 230-237.

[49] Wu Q R, Wang S X, Li G L, et al. Temporal trend and spatial distribution of speciated atmospheric mercury emissions in China during 1978～2014 [J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(24):13428-13435.

[50] 何 軍,宋玲玲,徐 偉,等.北方地區冬季清潔取暖可持續發展政策研究 [M]. 北京:中國環境出版集團, 2020.

He J, Song L L, Xu W, et al. Insight into sustainable development policy of clean heating in winter in northern area of China [M]. Beijing: China Environment Publishing Group, 2020.

[51] Cheng K, Wang Y, Tian H, et al. Atmospheric emission characteristics and control policies of five precedent-controlled toxic heavy metals from anthropogenic sources in China [J]. Environmental Science & Technology, 2015,49(2):1206-1214.

[52] 李 珊,李 洋,梁漢東,等.北京城郊燃煤汞排放及其對當地空氣環境的影響[J]. 環境科學研究, 2014,27(12):1420-1425.

Li S, Li Y, Liang H D, et al. Atmospheric mercury emissions from domestic coal and impacts on local environment of suburban Beijing [J]. Research of Environmental Sciences, 2014,27(12):1420-1425.

[53] 洪秀萍,李 洋,梁漢東,等.北京市大興區民用燃煤汞污染研究 [J]. 中國環境管理干部學院學報, 2015,25(1):35-38.

Hong X P, Li Y, Liang H D, et al. Atmospheric mercury emission from domestic coal in Daxing, Beijing [J]. Journal of the Environmental Management College of China, 2015,25(1):35-38.

[54] 張靜靜,鄭 娜,周秋紅,等.內蒙古自治區原煤中汞含量分布及燃煤大氣汞排放量估算 [J]. 環境化學, 2014,33(9):1613-1614.

Zhang J J, Zheng N, Zhou Q H, et al. Distribution of mercury content in raw coal and estimation of atmospheric mercury emissions from coal combustion in Inner Mongolia Autonomous Region [J]. Environmental Chemistry, 2014,33(9):1613-1614.

[55] 周秋紅,鄭 娜,徐素娟,等.新疆原煤中汞含量分布及燃煤大氣汞排放量估算 [J]. 地球與環境, 2013,41(2):143-149.

Zhou Q H, Zheng N, Xu S J, et al. Distribution of mercury content in raw coal in Xinjiang and estimation of atmospheric mercury emissions from coal combustion [J]. Earth and Environment, 2013,41(2): 143-149.

[56] Wang S, Luo K. Atmospheric emission of mercury due to combustion of steam coal and domestic coal in China [J]. Atmospheric Environment, 2017,162:45-54.

[57] Cui Z, Li Z, Zhang Y, et al. Atmospheric mercury emissions from residential coal combustion in Guizhou Province, Southwest China [J]. Energy & Fuels, 2019,33(3):1937-1943.

[58] Li X, Li Z, Chen J, et al. Isotope signatures of atmospheric mercury emitted from residential coal combustion [J]. Atmospheric Environment, 2021,246:118175.

[59] Gao W, Jiang W, Zhou M. The spatial and temporal characteristics of mercury emission from coal combustion in China during the year 2015 [J]. Atmospheric Pollution Research, 2019,10(3):776-783.

[60] Li Z, Li X, Liu J, et al. Stone coal as a potential atmospheric mercury source in Da-Ba-Shan mountain areas, China [J]. International Journal of Coal Geology, 2019,206:21-30.

[61] 山東省人民政府.山東省人民政府關于印發山東省冬季清潔取暖規劃(2018-2022年)的通知 [EB/OL]. 2018-08-31. http://www. shandong.gov.cn/art/2018/8/31/art_2267_28531.html.

Shandong Provincial People's Government. Notice of Shandong Provincial People's Government on Printing and Distributing Shandong Province's Winter Cleaner Heating Plan (2018-2022) [EB/OL]. 2018-08-31. http://www.shandong.gov.cn/art/2018/8/31/_ art_2267_28531.html.

[62] 劉 欣,張西雅,張容爾,等.農村清潔用能體系助力減污降碳鄉村振興——中國農村散煤綜合治理報告(2022) [R]. 能源基金會, 2022.

Liu X, Zhang X Y, Zhang R E, et al. Rural cleaner energy system assist to reduce pollution and carbon in rural revitalization: a report on comprehensive treatment of dispersed coal in China's rural regions (2022) [R]. Beijing: Energy Foundation, 2022.

[63] Wang S W, Su H, Chen C C, et al. Natural gas shortages during the "coal-to-gas" transition in China have caused a large redistribution of air pollution in winter 2017 [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020,117(49):31018- 31025.

[64] 國家能源局西北能源監管局. 西北區域新能源發展規劃及運行監管報告 [EB/OL]. 2017-06-01. http://www.nea.gov.cn/2017-06/01/ c_136331393.htm.

Northwest Energy Regulatory Bureau of the National Energy Administration. Northwest Region New Energy Development Planning and Operating Supervision Report [EB/OL]. 2017-06-01. http://www.nea.gov.cn/2017-06/01/c_136331393.htm.

致謝：本研究得到了華東師范大學公共創新服務平臺(001)的計算支持,在此表示感謝.

Benefit assessment of mercury emission reductions under the cleaner heating policy for the rural households in northern China.

FANG Pei1, ZHANG Wei2,3, SONG Ling-ling4, XU Zeng5, WU Zhao-ming1, LEI Zhi-yu1, HU Tong-jia1, LI Ming-yang1, CHEN Long5**, LI Jia-shuo6*

(1.SDU-ANU Joint Science College, Shandong University, Weihai 264209, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Planning and Policy Simulation, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；3.Center for Beijing-Tianjin-Hebei Regional Ecology and Environment, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；4.Center for Environmental Protection Investment Performance Management, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；5.School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China；6.Institute of Blue and Green Development, Shandong University, Weihai 264209, China).2023,43(2)：981～992

To quantify the effects of mercury (Hg) emission reductions from the rural household cleaner heating policy (CHP) in northern China, the air pollutants emission inventory method and the GEOS-Chem model were employed to develop the Hg emission inventory and simulate Hg deposition reduction in the key regions during the 13th Five Year Plan period. Results show that the implementation of the CHP had avoided 59.65million tons of residential coal consumption and 10.54tons (Uncertainty Interval: -9.65%～6.94%) of Hg emissions in the study regions. More specifically, the Hg0, HgⅡand Hgpemission declined 8.64tons, 1.79tons and 0.11tons, respectively. The CHP programs of coal-to-gas, coal-to-electricity, as well as the other heating energy transition technologies contributed 51.20%, 38.02% and 10.78% of the total Hg reduction, and the CHP avoided 0.49tons of Hg deposition in key regions. Meanwhile, CHP’s spillover effect reduced Hg deposition by 0.66tons in the area around the key regions. Optimization strategies were proposed to further reduce Hg emissions and promote rural energy transition in the future.

cleaner heating policy (CHP)；rural households；residential coal substitution；mercury emission reductions；atmospheric mercury transportation and diffusion

TU832;X51

A

1000-6923(2023)02-0981-12

方 培(2000-),男,福建漳州人,山東大學本科生,主要從事區域環境過程與模擬相關研究.

2022-07-12

國家自然科學基金資助項目(72074137,72074155,42077200)

* 責任作者, 教授, lijiashuo@sdu.edu.cn; ** 研究員, chenlong@geo. ecnu.edu.cn