山西省燃煤电厂二氧化硫减排对硫沉降的影响分析

书书书第２５卷第３期２００９年６月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ２００９收稿日期：２００９－０３－０６；修订日期：２００９－０４－０９。基金项目：中国环境保护部专项“污染减排监督管理”项目资助。作者简介：南少杰，男，１９８１年生，硕士研究生，主要从事大气污染控制方面的研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．山西省燃煤电厂二氧化硫减排对硫沉降的影响分析南少杰１，２　梁美生１　段宁２　柴发合２　许亚宣２（１太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原０３００２４；２中国环境科学研究院，北京１０００１２）　　摘　要：采用ＡＴＭＯＳ长距离传输模型，对２００６—２００７年山西省燃煤电厂通过关停小机组及增设脱硫设施所减少的ＳＯ２排放量进行数值模拟，并基于地理信息系统，分析了整个模拟范围内的总Ｓ沉降和干／湿Ｓ沉降分布特点，探讨了关停小机组及增设脱硫设施减少ＳＯ２排放量的效果。结果表明：２００６—２００７年山西省燃煤电厂装机容量增加，但ＳＯ２排放及其导致的Ｓ沉降量持续下降，表明二氧化硫减排效果非常明显。关键词：燃煤电厂；减排；硫沉降；数值模拟　　中图分类号：Ｘ５０２　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０３－００４４－０４１　引言二氧化硫污染环境，破坏生态系统，而酸沉降能够对陆地、水生生态系统造成多方面的影响，其环境效应跨国界及跨区域，已成为全球重大的区域性环境问题［１］，成为制约世界各国经济发展的重要因素。我国近年来经济飞速发展，能源消耗超常规增长，煤炭消费量猛增，酸雨及二氧化硫污染形势严峻。“十五”期间，我国通过关停小火电机组，新建脱硫设施项目等措施使城市空气二氧化硫污染状况有所改善，酸雨恶化趋势得到了一定的控制。２００６年我国关停小火电２９１万ｋＷ，增设脱硫机组５１９４万ｋＷ，减排二氧化硫２３１万ｔ；２００７年关停小火电１４４０万ｋＷ，增设脱硫机组４３９６万ｋＷ，减排二氧化硫２５９万ｔ。山西省属于我国能源消费大省，燃煤电厂等高耗能企业较多。“十一五”期间，山西省严格按照国家关于淘汰落后产能的相关政策，落实关停小火电、小钢铁和小水泥的要求，优化产业结构，并为燃煤电厂老机组增设脱硫设施，节能减排工作取得了一定的收效。本研究拟采用ＡＴＭＯＳ长距离传输模型，根据２００６—２００７年山西省内ＳＯ２排放数据，分别进行燃煤电厂排放ＳＯ２的传输数值模拟，基于地理信息系统和Ｓｕｒｆｅｒ等软件，分析山西省内燃煤电厂ＳＯ２排放导致的总Ｓ沉降、干／湿Ｓ沉降在山西省内及周边省市的分布特点，并进而探讨ＳＯ２减排效果。２　模拟模型与参数目前国内外对酸性污染物及沉降问题的研究主要是利用模型模拟Ｓ或Ｎ污染物的浓度及沉降分布，以进一步深入研究致酸污染物的区域间传输态势［２］。黄美元等［３］利用污染物三维欧拉长距离输送实用模式，模拟我国和东亚地区硫化物跨地区、跨边界输送态势。程新金等［４］根据１９９５年ＳＯ２排放量，模拟计算我国大陆地区的Ｓ沉降量和地面层ＳＯ２浓度的分布。许亚宣［２］等用ＡＴＭＯＳ拉格朗日模型研究我国２００２年排放的ＳＯ２所产生的Ｓ沉降分布。２１　模型简介拉格朗日型和欧拉型模式所采用的理论和数学方法存在差别，二者各具优缺点［５］：欧拉模式适合于对典型天气条件下和短时间内的沉降分布及输送进行计算；而拉格朗日烟团轨迹模式可用全年的气象资料进行长时间的污染物沉降和地面浓度分布研究。本研究所用的ＡＴＭＯＳ酸沉降模型是一个三维、多层拉格朗日长距离传输模型［２］。在模拟范围内，排放源排出的ＳＯ２烟羽被模拟为按一定的时间间隔从排放源位置连续释放的一系列烟团。随着烟团的移动，部分ＳＯ２转化成硫酸盐，ＳＯ２和硫酸盐以干、湿沉降的形式沉降到地面。污染物的浓度和干湿沉降量按一定时间步长进行计算，最后统计得出月、季和年的浓度平均值和沉降量。２２　模型参数选取模拟区域。模拟区域为７３°—１３６°Ｅ，１８°—５４°Ｎ（约６３００ｋｍ×３６００ｋｍ的范围），划分为６３×３６个网格，网格分辨率为１°×１°，涵盖了我国所有的陆地面积。初始输送参数。初始输送参数取为２０００ｍ。　第３期南少杰等：山西省燃煤电厂二氧化硫减排对硫沉降的影响分析４５　　　烟团跟踪参数。最长跟踪时间设定为５ｄ，当烟团轨迹历经１２０ｈ后，或当超出模拟范围以外时，停止跟踪；当烟团轨迹的最末一个烟团中污染物的质量达到初始释放质量的０１％时，放弃跟踪。下垫面识别数据。给出模拟区域所有网格下垫面的水、陆状况和城市、乡村状况。转化速率。假定模拟初始时刻，释放烟团中污染物ＳＯ２的排放强度取为ＳＯ２源强的９５％，ＳＯ２－４的排放强度取为ＳＯ２源强的５％。清除率参数。干清除率根据下垫面粗糙度、混合层高度和季节变化分别给出ＳＯ２和ＳＯ２－４的干清除率；ＳＯ２和ＳＯ２－４的湿清除率均为降水强度的函数［６］：ＫＳＯ２＝２×１０－５×ｐ０（１）ＫＳＯ２－４＝９２×１０－５×ｐ０８３０（２）式（１）—式（２）中，ｐ０为降水强度（ｍｍ／ｈ）。排放源参数。模型将具有精确地理定位的大点源作为高架源进行模拟，选择边界层进行计算。２３　气象数据模型采用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）提供的根据全球观测资料同化再分析的气象资料，包括垂直方向从地面到６０００ｍ高空每隔６ｈ１次的风向、风速、降水量及混合层高度等，区域范围为２０°Ｓ—５５°Ｎ，６０°Ｅ—１６０°Ｅ，分辨率为２５°×２５°，网格点数为４１×３１个。模型通过插值，得到模拟范围各网格点及各时间步长上的地面气象信息和诊断风场信息及其他气象参数，可以用于对污染物输送、扩散及转化、清除过程的模拟。２４　模型验证采用监测数据与预测模型输出的结果相比较来确定模型的合理性和数值的准确度是必要的。许亚宣等［２］分别对２００２年地面空气中ＳＯ２月平均浓度模拟值与实测值，ＳＯ２－４湿沉降量模拟值与实测降水中的沉降量进行相关性分析。从比较结果来看，模拟值一般小于监测值，这主要是由于模拟值是１°×１°的网格平均值，而监测站点主要都分布在城市附近。受城市的影响较大，而城市地区的污染水平一般比周围地区要高得多。ＳＯ２浓度的监测值和模拟值的相关系数为０６０３，ＳＯ２－４湿沉降量模拟值与实测值的相关系数为０６１１。可见，模拟结果与实际监测值具有较好的相关性。３　结果分析ＡＴＭＯＳ模型是大气污染物的长距离输送模型，其对酸沉降的模拟可分别输出ＳＯ２和ＳＯ２－４的月、季、年平均浓度和月、季平均干、湿沉降量。３１　山西省通过实施减排措施减少的总Ｓ沉降量　　据统计：２００６年山西省关停小机组９８万ｋＷ，减少二氧化硫排放量０４６５９万ｔ。利用ＡＴＭＯＳ酸沉降模型计算关停小机组减少的总Ｓ沉降量为０１０６６万ｔ，占当年关停机组总Ｓ减排量的４５７９％，其中干沉降量为００３２０万ｔ，湿沉降量为００７４６万ｔ。２００７年山西省关停小机组１００７万ｋＷ，减少二氧化硫排放量９０万ｔ。通过模型计算关停小机组减少的总Ｓ沉降量为２４７８２万ｔ，占当年关停机组总Ｓ减排量的５３５７％，其中干沉降量为０９１３０万ｔ，湿沉降量为１５６５１万ｔ。图１—图２为２００６—２００７年山西省关停小机组和增设脱硫机组分布。图１　２００６年山西省关停机组和增设脱硫机组分布图２　２００７年山西省关停机组和增设脱硫机组分布　　２００６年山西省增设脱硫设施的老机组１５６０万ｋＷ（图３），减少二氧化硫排放量１００万ｔ。根据模型计算，减少总Ｓ沉降量为２８８５２万ｔ，占当年脱硫机组总Ｓ减排量的５２９％，其中干沉降量为１１４９４万ｔ，湿沉降量为１７３５６万ｔ。２００７年山西省增设脱硫设施的老机组７８２５万ｋＷ，减少二氧化硫排放量２５０万ｔ。根据模型计算，减少总Ｓ沉降量为６８１３５万ｔ，占当年脱硫机组总Ｓ减排量的４６　　　气象与环境学报第２５卷　５３２４％，其中干沉降量为２７９４７万ｔ，湿沉降量为４０１８８万ｔ。图３　２００６—２００７年山西省新增机组分布３２　２００６—２００７年山西省新增燃煤电厂导致的Ｓ沉降　　２００６年山西省新增燃煤机组为２３９０万ｋＷ，增加ＳＯ２排放量为１０万ｔ。模型计算增加Ｓ沉降量为０２５３６万ｔ，占新增机组总硫排放量的５２％。干沉降量为００９２１万ｔ，湿沉降量为０１６１５万ｔ。　　２００７年山西省新增燃煤机组为４８２万ｋＷ，增加ＳＯ２排放量为１０万ｔ。模型计算增加Ｓ沉降量为０２６３６万ｔ，占新增机组总硫排放量的５３％。干沉降量为００９７２万ｔ，湿沉降量为０１６６４万ｔ。３３　２００６—２００７年山西省燃煤电厂排放导致的Ｓ沉降分布　　２００６年山西省电厂总装机容量２６６６０万ｋＷ，二氧化硫排放量为６５０万ｔ，图４为２００６年山西图４　２００６年山西省总Ｓ沉降分布省燃煤电厂排放导致的总Ｓ沉降分布［７］。经过计算，总Ｓ沉降量为１７２３０６万ｔ，占２００６年省内电厂总Ｓ排放量的５３％，其中干沉降量为６６９６２万ｔ，湿沉降量为１０５３４４万ｔ。沉降量年平均最大值为３９０７ｋｇ／ｋｍ２，ＳＯ２年平均浓度最高值为９５６μｇ／ｍ３，ＳＯ２－４年平均浓度最高值为５９９μｇ／ｍ３。两个高值均出现在１１４５°Ｅ，３８５°Ｎ的网格内。２００７年山西省电厂总装机容量为３０９５０万ｋＷ，二氧化硫排放量为５２０万ｔ。图５为２００７年山西省燃煤电厂排放导致的总Ｓ沉降分布［７］。经过计算，总Ｓ沉降量为１３９５９４万ｔ，占２００７年全省电厂总Ｓ排放量的５３６９％，其中干沉降量为５００２７万ｔ，湿沉降量为８９５６８万ｔ。沉降量年平均最大值为３３５７６ｋｇ／ｋｍ２，ＳＯ２年平均浓度最高值为８０２μｇ／ｍ３，ＳＯ２－４年平均浓度最高值为５１６μｇ／ｍ３。两个高值均出现在１１４５°Ｅ，３８５°Ｎ的网格内。　　从图４—图５可以看出，受输送气流的影响，山图５　２００７年山西省总Ｓ沉降分布西省燃煤电厂硫排放对周边省市的影响区主要分布在排放区的偏东方位，主要集中在山西、河北和山东省。对辽宁、吉林省也有一定的影响。湿沉降量大于干沉降量，干沉降主要集中在排放源周围，而湿沉降相对影响范围较大。许亚宣等［２］对２００２年全国Ｓ沉降研究表明，湿沉降是总Ｓ沉降的主要形式，受降水影响大，与降水分布相对应。山西省燃煤电厂排放的ＳＯ２导致的Ｓ干、湿沉降分布也同样具有此特征。通过分析比较可见，２００７年山西省燃煤电厂装机容量虽然比２００６年有所增加，但总排放量却比２００６年有所下降，Ｓ沉降量和年平均浓度均比２００６年低，可见２００６—２００７年山西省的二氧化硫减排措施效果显著，减少了对周边省市的影响。３４　结果验证分析计算结果可知，山西省燃煤电厂排放的硫有８０％沉降在山西、河北省和北京及天津地区，因此　第３期南少杰等：山西省燃煤电厂二氧化硫减排对硫沉降的影响分析４７　　　上述地区处于受影响偏重区域。表１为２００５—２００７表１　２００５—２００７年４城市ＳＯ２浓度年平均值年份太原石家庄北京天津２００５００７７００５４００５０００７６２００６００８０００４４００５２００６７２００７００７６００４３００４７００６２年４城市ＳＯ２浓度年平均值［８］。２００５—２００７年，太原、石家庄、北京和天津地区的ＳＯ２空气质量均明显好转。由此可见，山西省燃煤电厂减排措施的实施对周边地区空气质量的改善显著。３　结论（１）２００６年山西省关停小机组减少的总Ｓ沉降量为０１０６７万ｔ；２００７年山西省关停小机组减少的总Ｓ沉降量为２４７８２万ｔ。２００６年山西省增设脱硫设施的老机组减少总Ｓ沉降量为２８８５２万ｔ；２００７年山西省增设脱硫设施的老机组减少总Ｓ沉降量为６８１３５万ｔ。２００６年山西省新增燃煤机组为２３９０万ｋＷ，增加Ｓ沉降量为０２５３６万ｔ；２００７年山西省新增燃煤机组为４８２０万ｋＷ，增加Ｓ沉降量为０２６３６万ｔ。（２）２００６年山西省电