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北京市大气污染总量控制和降低机制研究-北方集中供暖地区建筑因素对PM2-5排放特性影响

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内容提示: 北 北京 京市 市大 大气 气污 污染 染总 总量 量控 控制 制和 和降 降低 低机 机制 制研 研究 究 绿色奥运的空气质量 清华大学 郭印诚 北京市可持续发展科技促进中心 滕树龙 中国可持续能源项目大卫与露茜·派克德基金会能 源 基 金 会合盟 — 1 —前 言 北京市作为全国政治、经济和文化中心,社会发展状况高于全国平均水平,已经成为世界上快速发展的大都市之一,得到了国际社会的普遍认可。然而,北京快速的城市发展所伴随的建设规模的不断扩大、人口密度的不断加大、机动车保有量的快速增长等因素,都导致了...

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jygj887.com_【官方首页】-在线游戏北 北京 京市 市大 大气 气污 污染 染总 总量 量控 控制 制和 和降 降低 低机 机制 制研 研究 究 绿色奥运的空气质量 清华大学 郭印诚 北京市可持续发展科技促进中心 滕树龙 中国可持续能源项目大卫与露茜·派克德基金会能 源 基 金 会合盟 — 1 —前 言 北京市作为全国政治、经济和文化中心,社会发展状况高于全国平均水平,已经成为世界上快速发展的大都市之一,得到了国际社会的普遍认可。然而,北京快速的城市发展所伴随的建设规模的不断扩大、人口密度的不断加大、机动车保有量的快速增长等因素,都导致了生活和生产过程中大量的污染物排放,造成了较为严重的大气环境污染状况,北京作为一个国际化的大都市在环境状况方面与国际先进水平相比还有很大的差距。 北京市在申办 2008年奥运会时提出了“绿色奥运、科技奥运和人文奥运”三大主题,“绿色奥运”首当其冲,其中空气质量是一个重要的健康和环境问题,如何落实北京在环境上所作出的多项承诺,实现“绿色奥运”的空气质量,达到世界卫生组织的标准,是我们面临的主要问题之一。jygj887.com_【官方首页】-在线游戏此外,适应国际上日益增加的对温室气体排放的关心和要求,北京市应以承办“绿色奥运”为契机,加快制定减少排放温室气体的计划。 为实现“绿色奥运”的空气质量,应该在大气污染管理体制上进行改革,采取以满足大气环境质量为目标的管理方法,即采用大气环境质量目标的总量控制方法。通过控制给定区域内污染源的允许排放总量,来确保控制区实现大气环境质量目标。对于北京市而言,为了实现预定的大气环境质量目标,应计算出该区域所有污染源的允许排放总量,并将其合理分配到污染源,然后通过控制这个总量,也就是每一个污染源所分配到的允许排放量,达到北京市预期的大气环境质量目标。 为了承办好 2008年奥运会,北京市政府已下决心改变以煤为主的能源结构,建立市场化的优质能源供应体系,从而实现社会和经济的可持续发展。北京市计划在 2008年奥运会举办前,引进 50亿立方米天然气及大量外来电力,提高优质能源比重。jygj887.com_【官方首页】-在线游戏根据本项目的研究,通过实施优质能源替代及大力发展可再生能源,与 2000年北京市二氧化碳排放量 6812万吨相比,到 2008年,北京市二氧化碳的减排率可以达到 7.68%,减少二氧化碳排放 523 万吨。 美国能源基金会非常关注北京“绿色奥运”行动,作为“绿色奥运”行动的一部分,北京市科学技术委员会于 2002年启动了《北京市高效清洁能源技术示范与相关政策和服务体系研究》项目,其中涉及北京市能源环境政策分析,经反复磋商讨论,在美国能源基金会资助的中国可持续能源项目中设立了《北京市大气污染总量控制和降低机制研究》子项目,由北京市可持续发展科技促进中心和清华大学共同承担。目的是通过项目研究,促进北京市大气污染控制方法及管理机制的进步,为实现“绿色奥运”的空气质量提供有效的途径,实现北京市经济与环境保护的协调发展。 — 2 —目 录 前 言 ........................................................................................................................1 目 录 ........................................................................................................................2 第一部分 北京市大气污染现状分析 .....................................................3 1.1 二氧化硫污染变化趋势.................................................................................3 1.2 氮氧化物污染变化趋势.................................................................................4 1.3 可吸入颗粒物污染变化趋势.........................................................................6 1.4 一氧化碳污染变化趋势.................................................................................8 1.5 二氧化碳排放变化趋势.................................................................................9 第二部分 北京城区及近郊区大气环境容量研究 ........................10 2.1 北京城区及近郊区二氧化硫允许排放总量计算.......................................10 2.2 北京城区及近郊区氮氧化物允许排放总量计算.......................................11 2.3 北京城区及近郊区一氧化碳允许排放总量计算.......................................11 2.4 北京城区及近郊区可吸入颗粒物允许排放总量计算...............................12 第三部分 绿色奥运的空气质量 .............................................................13 3.1 绿色奥运的主题...........................................................................................13 3.2 实现绿色奥运空气质量的方案分析...........................................................14 3.3 绿色奥运的空气质量...................................................................................16 3.4 北京市二氧化碳减排方案研究...................................................................19 第四部分 北京市实施大气污染总量控制的框架研究 .............23 4.1 污染源平权排放评价方法...........................................................................23 4.2 北京市大气污染总量控制的经济优化方法...............................................23 4.3 制定北京市大气污染物排放绩效标准.......................................................24 4.4 实施大气污染物排污交易...........................................................................25 4.5 实施大气污染物排污许可证制度...............................................................28 第五部分 结论和政策建议 ........................................................................32 5.1 结论................................................................................................................32 5.2 政策建议........................................................................................................33 附录 北京市可选择的大气污染综合防治措施 .............................34 — 3 —第一部分 北京市大气污染现状分析 北京市作为全国政治、经济和文化中心,社会发展状况高于全国平均水平,已经成为世界上快速发展的大都市之一。特别是最近几年,北京经济实力快速增长,市政府提出了建设国际一流大都市的目标。jygj887.com_【官方首页】-在线游戏但是作为拥有 1300万人口的特大型城市,在目前的快速发展时期,面临最为严峻的问题之一就是严重的空气污染状况,北京是世界上少数几个空气污染严重的首都城市,这不仅不符合首都的形象,也不符合可持续发展的战略。大气污染已成为政府和社会关注的焦点。jygj887.com_【官方首页】-在线游戏近年来,特别是 1998年底以来,北京市政府和各级环保部门对大气环境污染治理的力度不断加大,一些控制大气污染的政策及措施也相继出台,北京市大气环境中一次性气态污染及尘污染居高不下或不断加重的趋势得到有效遏制。然而,北京快速的城市发展和经济建设、居民生活水平不断提高、工商业能耗的大幅度增加、建设规模的不断扩大、人口密度的不断加大及机动车保有量快速增加等因素,都会导致生活、生产过程中有组织源和无组织排放源的大量污染物排放,势必造成一定的大气环境污染,对人们的健康造成损害。 1.1 二氧化硫污染变化趋势 二十世纪九十年代北京城近郊区大气环境中 SO 2 浓度居高不下,至 1998 年达到高峰(如图 1-l所示)。jygj887.com_【官方首页】-在线游戏在 1998年 12月份市政府开始采取紧急措施后,SO 2的污染发展趋势得到有效遏制。2001年市区大气中二氧化硫浓度降低较快, 接近大气环境二级质量标准。从近几年的监测数据来看,北京市区及近郊区 SO 2的浓度变化季节性很强(如图 1-2所示)。表现出春季浓度最高,秋冬季次之,夏季 SO 2 的污染水平最低,其季节性变化明显受采暖期和非采暖期影响,1998年采暖期空气中二氧化硫的浓度平均值为非采暖期的 6 倍。2002 年北京市区及近郊区 SO 2 的浓度变化由图 1-3 给出。 图 1-1 北京市区及近郊区 1984 年~2000 年 SO 2 浓度变化 0 50 100 150 200 250 300 350 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 年份 采暖期 年均值 非采暖 采暖期 年均值 非采暖 SO 2 浓度 3( / ) g Nm µ — 4 —图 1-2 1997 年 1 月~2001 年 2 月北京市区及近郊区 SO 2 的日平均浓度演变曲线 SO 2 (mg/Nm 3 ) (月份) 空气质量一级标准 空气质量二级标准 空气质量三级标准 图 1-3 北京市区及近郊区 2002 年 SO 2 浓度变化 从 2002 年 SO 2 的变化来看,SO 2 污染日主要集中在采暖季节,仍然是燃煤造成的污染,污染物浓度基本上与 2001年的水平相当。2002 年 SO 2 作为首要污染物的天数为 38 天,其中空气质量属于良(达到国家空气质量二级标准)的天数为 32 天,空气质量属于轻微污染的天数为 6 天。 但从另一方面来看,如果单独考察 SO 2 对空气质量的影响,2002 年,在采暖季节,SO 2 浓度超过国家空气质量二级标准的天数共有 45 天,也就是说尽管SO 2 作为首要污染物造成的轻微污染天数虽然只有 6 天,但还有另外 39 天里,SO 2 浓度值也高于国家空气质量二级标准。 1.2 氮氧化物污染变化趋势 北京市区及近郊区大气中 NO X 的浓度变化如图 1-4 所示。从 20 世纪 80 年代开始,随着改革开放政策的逐步实施,国民经济走上快速发展道路,能源消00.050.10.150.20.250.39 7 - 1 - 19 7 - 4 - 19 7 - 7 - 19 7 - 1 0 - 19 8 - 1 - 19 8 - 4 - 19 8 - 7 - 19 8 - 1 0 - 19 9 - 1 - 19 9 - 4 - 19 9 - 7 - 19 9 - 1 0 - 10 0 - 1 - 10 0 - 4 - 10 0 - 7 - 10 0 - 1 0 - 10 1 - 1 - 1m g / m3 — 5 —耗逐年增加,其中燃煤量也是逐年增加,导致 NO X 排放的增加,此外,北京市汽车保有量逐年增加,特别是上世纪 90年代以后,汽车保有量迅速提高,也造成汽车尾气排放的 NO X 总量增加。总体上看,1999年以前,NO X 的浓度呈现出逐年增加的趋势,采暖季节浓度最高,非采暖季节 NO X 的浓度最低。和 SO 2 的污染趋势相似,其季节性变化明显受采暖期和非采暖期影响,但不如 SO 2 在季节上相差得那么悬殊,虽然燃煤排放对大气中 NO X 的浓度有贡献,但机动车的排放是主要的污染源。对统计结果的分析表明,NO X 浓度的高值基本出现在交通繁忙的区域,相应年份的污染水平也都较高。 1998 年 NO X 的浓度值在采暖期达到历史上最高峰。在 1998年 12月份市政府开始采取紧急措施后,NO X 的污染发展趋势得到有效遏制。1999年和 2000年市区大气中氮氧化物浓度下降趋势很明显,与 1998 年相比,无论是采暖季节还是非采暖季节,NO X 造成的污染状况均有改善,燃煤排放的 NO X 对大气中 NO X的污染逐年减轻,但下降不如 SO 2 下降幅度大,NO X 的浓度值仍高于空气质量二级标准(年均值)两倍以上。 图 1-4 1981-2000 年北京城近郊区大气 NO X 年均及采暖和非采暖期浓度的年际变化 NO 2 (mg/Nm 3 ) 空气质量一级和二级标准 空气质量三级标准 ( 月份 ) 图 1-5 北京市区及近郊区 2002 年 NO 2 浓度变化 0501001502001981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999NOx浓度值(ug/m3)采暖期 年均值 非采暖采暖期 年均值 非采暖 — 6 —从 2002年 NO 2 的变化来看,NO 2 污染日也主要集中在采暖季节,与 SO 2 污染特征相似,夏季 NO 2 的污染水平最低。但总体来讲,NO 2 的浓度值较低。2002年 NO 2 作为首要污染物的天数为零。从另一方面来看,如果单独考察 NO 2 对空气质量的影响,2002 年,在采暖季节,NO 2 浓度超过空气质量二级标准的天数共有 27天,也就是说尽管 NO 2 作为首要污染物造成的污染天数虽然为零,但有27 天的 NO 2 浓度高于空气质量二级标准。 近年来,北京市夏季在 NO X 浓度相对较低的情况下光化学污染却日趋严重,其代表物 O 3 污染有所加重,并出现臭氧 4级重污染日,时均值超标的地域也有所扩大。1996 年后,O 3 小时均值超标的日数和时数逐年增加,1998 年至 1999年全市超标分别由 101天 504小时(其中城近郊区 87天 404小时)增至 119天 777小时(其中城近郊区 111 天 645 小时);2000 年最高小时均值高达3448 / g Nm µ ,超过国家二级标准一倍以上,且超过某些发达国家的报警水平。近两年虽有下降,但时均值超过3300 / g Nm µ (国家 2000年修改后的空气质量标准二级和三级均为3200 / g Nm µ )的情况也时有发生。 NO X 是 O 3 生成的引发剂,近年北京市 NO X 浓度虽较 1998 年有所下降,但污染水平仍很高。对监测数据的统计表明,2000年至 2002年规划市区直接受机动车排气影响,各环路范围交通环境的 NO 2 年均值不仅明显高于同期整体环境,而且全部超过国家二级标准的年均值。除二环外,其它环路污染均呈增长态势。 以 1999 年污染源数据为基础,已有的研究结果表明,北京市大气中的 O 3主要来源于城近郊区污染源自身的贡献,但当出现有利于污染物输送的天气时,外地污染源也将影响北京市区。大气 O 3 和 NO X 、VOCs之间存在非线性相关性,如果单独降低北京市城近郊区 NO X 排放量而不考虑 VOCs 排放量的控制,对降低大气 O 3 浓度不会有显著效果。因此,控制北京市日益严重的光化学污染不仅要控制 NO X ,也要控制 VOCs 的排放。 1.3 可吸入颗粒物污染变化趋势 图 1-6给出了北京市 1981-2000年城近郊区总悬浮颗粒物的年际变化趋势,北京市区及近郊区大气中 TSP、PM 10 浓度高居国家标准之上,至今并未出现显著下降迹象,已成为控制大气污染的关键和难点。1991~2000年。北京市区及近郊区 TSP 年均浓度在3215~370 / g Nm µ ,平均浓度为3332 / g Nm µ ,2002年 TSP年平均浓度仍高达3373 / g Nm µ ,超过国家空气质量二级标准 86.5%,超过纽约、伦敦、莫斯科等大城市 1 倍多。 总悬浮颗粒物中细粒子浓度较高,2002年 PM 10 年平均浓度为3166 / g Nm µ ,占 TSP 年均浓度的 44.5%。北京市城近郊区大气 PM 10 日均浓度演变的规律性不像 SO 2 那么强。其变化特征不受采暖期与非采暖期的明显影响,表现为常年超标。颗粒物源解析研究表明,PM 10 中,尤其是 PM 2.5 中含有高浓度、组分复杂的有机物以及硫酸盐和硝酸盐,其中有相当部分来源于 SO 2 和 NO X 的转化。大气中的 SO 2 在夏季转化的氧化速率高达 12%/小时,远比冬季 2.3%/小时高。夏季约 50%的 SO 2 快速转化成硫酸盐而生成细粒子,而冬季仅约有 20%;夏季硫 — 7 —酸盐的产生与气温高、湿度大、大气的强氧化性和非均相氧化都有关,而冬季主要是非均相转化,但因冬季采暖期 SO 2 排放量大,使冬夏季颗粒物中,硫酸盐浓度大体相当。颗粒物中硝酸盐的浓度与硫酸盐相当,夏季大气的强氧化性使大气中的(HNO 3 +NO 3 - )主要以硝酸盐的形式转变为细粒子。 北京市大气重污染日多以颗粒物为 4级或 5级的重污染出现,主要集中在秋冬季节和春季风沙季节,而一次气态污染物 SO 2 、NO 2 和 CO 均未出现 4 级或 5级的污染。北京市大气颗粒物重污染可分为以下四种类型:(1)区域性重污染,这种污染情形发生最多,主要在稳定天气形势下出现,不利于大气污染物的扩散;(2)局地性重污染,这种污染情形是指仅在北京地区发生的积累性重污染过程,偶尔发生在秋冬季节;(3)沙尘类型重污染,这种污染情形多发生在每年的 3~4 月份,主要受我国西北部地区产生的沙尘暴影响,造成的污染状况最严重;(4)特殊重污染,这种污染过程是由于在不利气象条件下,北京郊区及其周边地区污染源排放异常造成的,如大面积焚烧秸杆等。 图 1-6 北京市 1981-2000 年城近郊区总悬浮颗粒物的年际变化趋势 空气质量三级标准:0.25mg/Nm 3 空气质量二级标准:0.15mg/Nm 3 空气质量一级标准:0.05mg/Nm 3 PM 10 (mg/Nm 3 ) (月份) 图 1-7 北京市区及近郊区 2002 年 PM 10 浓度变化 图 1-7 给出了北京市 2002 年城近郊区 PM 10 的变化过程,从 2002 年 PM 10的变化来看,PM 10 常年维持在很高的水平上。2002 年 PM 10 作为首要污染物的01002003004005006001 9 8 11 9 8 21 9 8 31 9 8 41 9 8 51 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0年份T S P (u g / m 3 )年均值 采暖期 非采暖期 — 8 —天数为 304 天,其中空气质量属于良(达到空气质量二级标准)的天数为 149天,空气质量属于轻微污染的天数为 103 天,空气质量属于轻度污染的天数为33 天,空气质量属于中度污染的天数为 3 天,空气质量属于中度重污染的天数为 5天,空气质量属于严重污染的天数为 11天。由此来看,PM 10 是北京市目前的首要污染物。 2002 年 PM 10 作为首要污染物导致北京市区及近郊区空气质量低于国家二级标准的天数为 155天,SO 2 作为首要污染物导致北京市区及近郊区空气质量低于国家二级标准的天数为 6 天(均为轻微污染),CO 作为首要污染物导致北京市区及近郊区空气质量低于国家二级标准的天数为 1 天(轻微污染)。2002年北京市区及近郊区空气质量满足或优于国家二级标准的天数为 203 天,其中只有 22天空气质量优于国家二级标准。 1.4 一氧化碳污染变化趋势 近几年来,北京市区及近郊区大气中一氧化碳的浓度一直维持在较高水平上,1999 年到 2002 年 CO 的年平均浓度分别为3/ 9 . 2 Nm mg 、3/ 7 . 2 Nm mg 、3/ 6 . 2 Nm mg 和32.4 / mg Nm 。2002年 CO作为首要污染物导致北京市区及近郊区空气质量低于国家二级标准的天数只有 1天。已有的研究表明,采暖季节 CO浓度最高,1997 年,北京市区及近郊区大气中一氧化碳的浓度在非采暖季节的平均值为3/ 3 . 2 Nm mg ,而该年度采暖季节中一氧化碳浓度的平均值为3/ 4 . 4 Nm mg 。1998 年,北京市区及近郊区大气中一氧化碳的浓度在非采暖季节的平均值为3/ 6 . 2 Nm mg ,而该年度采暖季节中一氧化碳浓度的平均值为3/ 4 . 4 Nm mg ,基本上与上一年持平。对 CO的源解析表明,北京市大气中一氧化碳的 63.4%来自机动车排放,特别是非采暖期机动车排气的污染所占的比例更高,机动车排放的CO 占 80.3%。因为机动车的排放位置低,接近呼吸带和采样点,实际对环境浓度的分担率达 70%以上。 近年来北京市机动车保有量以年递增 13%左右的速度增长,1990年底为 50万辆,到 2002 年底已超过 190万辆,居于全国之首,2003年 8月超过 200万辆。由于汽车技术水平相对较低,应用排气净化技术的步伐迟缓,使目前单车污染物的排放量高于发达国家的数倍。再加上汽车维修保养差、道路建设相对滞后等,导致北京市汽车排气污染问题日益突出,汽车尾气排放的 CO 日益严重,主要街道路口和人行横道 CO 污染物全部超标。“七五”期间主要交通干道的 CO为 5.7mg/m3 ,“八五”期间达到 6.5 mg/m 3 ,增加了 14%,是国家标准的 1.6倍。1995 年北京市拥有汽车 100 多万辆,每天汽车排放一氧化碳 2200 吨。北京市 1998 年四环以内道路附近年日均浓度统计表明,一氧化碳超标率为35.0%~86.5%,四环路旁年日均浓度稳步上升的趋势非常明显。从 1998 年起,北京加大机动车污染治理力度,在全国率先提出执行欧洲Ⅰ号汽车尾气排放标准,对市场销售和在用车辆施行相应的限值。以设计乘员数不超过 6人、最大总质量不超过 2.5吨的车辆为例,其必须达到的排放标准限值为:汽油车一氧化碳 — 9 —不超过 3.16克/公里。从 2002年 8月 1日起执行国家机动车排放标准第二阶段限值(相当于欧Ⅱ标准),与欧洲Ⅰ号标准相比,欧洲Ⅱ号标准又有所提高:汽油车一氧化碳不超过 2.2 克/公里,汽油车的一氧化碳排放限值严格了 30%。 1.5 二氧化碳排放变化趋势 二氧化碳排放来自化石燃料和一些可再生能源消费,北京是能源消费量高的城市,2000年北京市能源总消费量为 4110万吨标准煤,仅次于上海,居全国第二位,与 1995 年相比增加了 500多万吨标准煤,从 1995年至 2000年,平均年增长率为 2.6%。北京市终端能源消费品种繁多,包括煤炭、焦炭、天然气、液化石油气、燃料气、煤气、电力、热力、油品及地热能、太阳能等可再生能源。北京市能源消费结构中煤占了较大比例, 2000年,北京市一次能源消费中煤的比重为 51.4%,在终端能源消费结构中,煤炭和焦炭所占的比重高,占据主导地位,还有大量的发电、供热和炼焦用煤,终端能源消费中煤炭的比重为 36%。 高比重化石燃料的燃烧导致北京市二氧化碳排放量很高。按照燃料类型和二氧化碳排放关系,计算得到北京市 1998 年和 2000 年二氧化碳排放量分别为6570 万吨和 6812 万吨(均不计外来电力)。二氧化碳的排放主要来自煤炭燃烧,1998 年和 2000 年煤燃烧排放的二氧化碳占总排放量的百分比分别为 61.3%和62.6%。二氧化碳排放的第二大来源是焦炭燃料燃烧,1998 年和 2000 年焦炭燃料燃烧排放的二氧化碳占总排放量的百分比分别为 18.3%和 16.7%。和 1998 年相比,2000 年二氧化碳的排放量提高了 3.68%。 2001 年,北京市能源消费总量提高到 4210.7 万吨标煤,煤炭消耗实物量为2675 万吨,比 2000 年煤炭消耗实物量增加 86 万吨,仅煤炭消耗造成的二氧化碳的排放量增加了近 170 万吨。 — 10 — 第二部分 北京城区及近郊区大气环境容量研究 北京市位于东经 115 o 97’~117 o 1’,北纬 39 o 72’~40 o 47’。北京地处内蒙古高原、山西黄土高原、华北平原的交接地带。地势西北高,东南低。西、北、东三面环山,东南面向广阔的平原和一望无际的大海,平原形势上象一个半封闭状态的海湾,地理学上称其为“北京湾”。 北京规划城区面积 1042 平方公里,占全市总面积的 6%,但集中了 81%的城市人口,并且三分之二的工业产值集中在规划城区内,全市总能源消费量大部分消耗在规划市区。除了能源消耗产生的热量外,由于北京城区人口稠密,汽车保有量大,同时大多数建筑物是混凝土建成的,这些建材的热传导率和热容量很高,加上建筑物对风的阻挡或减弱作用,使得城市的平均气温比郊区和农村高,从而形成城市热岛。气象因素、地形动力因素、城市热岛效应等均影响城市的大气环境容量。从规划的角度看,大气环境容量是在城市生态和大气环境不受到污染时各污染源排放的量。 2.1 北京城区及近郊区二氧化硫允许排放总量计算 根据北京市 SO 2 污染状况,SO 2 污染只出现在采暖期,而且会出现 SO 2 浓度高于空气质量二级标准的情况,如果只计算一年内允许排放的 SO 2 总量,会导致在满足该总量的条件下,采暖期 SO 2 浓度仍然超标的现象,因此本课题研究中将SO 2 污染的控制周期分别取为采暖期 120天和一年。计算了不同空气质量标准及通风系数变化时北京市规划市区内的 SO 2 允许排放总量,图 2-1给出了北京市规划市区采暖期内 SO 2 允许排放总量,图 2-2 给出了北京市规划市区一年内 SO 2允许排放总量。 万吨/年 总量控制系数 A 值 空气质量三级 空气质量二级 空气质量一级 总量控制系数 A 值 万吨/年 空气质量一级 空气质量二级 空气质量三级 图2-1 采暖期内北京市规划市区SO 2 允许排放总量 图2-2 北京市规划市区一年内SO 2 允许排放总量 值得注意的是,北京市的总量控制系数的取值范围在 4.2~5.6之间,平均值为 4.9,按照此平均值可以得到北京市规划市区在满足空气质量二级标准的条件下,采暖期内 SO 2 的允许排放总量只有 3 万吨,SO 2 的年允许排放总量为 10 万 — 11 —吨左右,远远小于近几年来 SO 2 的排放总量,2001年和 2002年全市 SO 2 排放总量均在 20 万吨左右。按照图 2-2 中所给出的允许排放总量变化趋势,北京市空气质量应该在三级。而实际上从 SO 2 浓度监测结果来看,空气质量大部分在二级,许多天数甚至满足一级空气质量。导致这种现象的主要原因是实际排放的 SO 2以高架源为主,低架源排放大约只占 15%。尽管高架源 SO 2 排放量大,但对当地的地面浓度的影响较弱,故使得当地仍能达到较好的空气质量。其次是目前给出的允许排放总量仅限于规划市区 1042平方公里范围内,因此相对于全市的排放量要小。 2.2 北京城区及近郊区氮氧化物允许排放总量计算 根据北京市 NO X 和 NO 2 污染状况,NO X 和 NO 2 污染虽然与 SO 2 污染趋势类似,但 NO X 和 NO 2 浓度变化比 SO 2 平缓,因此本课题研究中将NO X 和 NO 2 污染的控制周期取为一年。图 2-3给出了北京市规划市区一年内NO X 允许排放总量,图 2-4 给出了北京市规划市区一年内 NO 2 允许排放总量。 总量控制系数 A 值 万吨/年 空气质量三级 空气质量一级和二级 总量控制系数 A 值 万吨/年 空气质量三级 空气质量一级和二级 图 2-3 北京市规划市区一年内 NO X 允许排放总量 图 2-4 北京市规划市区一年内 NO 2 允许排放总量 当总量控制系数取为平均值 4.9时,可以得到北京市规划市区在满足空气质量二级标准的条件下,NO X 的年允许排放总量为 7.5万吨,NO 2 的年允许排放总量为 6万吨。1999年北京市城区及近郊区 NO X 排放总量达到 22.5 万吨,仅机动车造成的 NO X 排放量就达到 7.8 万吨,NO X 的年平均浓度为30.140 / mg m ,因此该年度就 NO X 污染而言空气质量低于三级。2002 年 NO 2 的年平均浓度为30.076 / mg m ,为空气质量二级标准的 1.9 倍,可见目前 NO 2 的年实际排放量远远高于允许排放总量。 2.3 北京城区及近郊区一氧化碳允许排放总量计算 一氧化碳浓度虽然在采暖期较高,但 CO主要是机动车排放造成的,本课题研究中将 CO 污染的控制周期取为一年。图 2-5 给出了北京市规划市区一年内CO 允许排放总量。从近几年来 CO 浓度的监测结果来看,CO 浓度的年平均值均小于空气质量一级和二级标准时 CO年平均浓度限值,近几年CO 浓度的年平均值,均低于二级标准的限值34.0 / mg m ,这表明 CO 的实际排放量低于允许排 — 12 —放总量,北京市 CO 的污染状况是所有污染物中最轻的。 万吨/年 总量控制系数A 值 空气质量三级 空气质量一级和二级 图 2-5 北京市规划市区一年内 CO 允许排放总量 2.4 北京城区及近郊区可吸入颗粒物允许排放总量计算 颗粒物是北京市的首要污染物,2002 年总悬浮颗粒物的年平均浓度为30.373 / mg m ,其中可吸入颗粒物 PM 10 的年平均浓度为30.166 / mg m 。国家空气质量二级标准中总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物 PM 10 的年平均浓度分别为30.2 / mg m 与30.1 / mg m ,2002年总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物分别超标 86.5%与66%,也高于空气质量三级标准的限值。五年来,总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物PM 10 的浓度变化很小,治理任务非常艰巨。 假定可吸入颗粒物 PM 10 的允许排放总量为总悬浮颗粒物的排放容量的一半。图 2-6和图 2-7给出了北京市规划市区一年内总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物PM 10 的允许排放总量。 万吨/年 总量控制系数 A 值 空气质量三级 空气质量二级 空气质量一级 万吨/年 总量控制系数 A 值 空气质量三级 空气质量二级 空气质量一级 图 2-6 北京规划市区内总悬浮颗粒物年允许排放总量 图 2-7 北京规划市区 PM 10 年允许排放总量 (不计入降尘的影响) (不计入降尘的影响) 按照北京市总量控制系数的平均值来看,当 A 值为 4.9 时,北京市城八区1999 年排放的 PM 10 总量为 10.65万吨/年,而可吸入颗粒物 PM 10 的允许排放总量为 9.4 万吨/年,可见实际排放量略高于允许排放量,因此当出现总量控制系数较小的气象条件时,会造成可吸入颗粒物超标。近年来,北京市的首要污染物主要是可吸入颗粒物,主要是本地的 PM 10 排放总量超过了允许排放量。 — 13 —第三部分 绿色奥运的空气质量 3.1 绿色奥运的主题 悉尼在 2000年奥运会上首次实践了“绿色奥运”,赢来好评如潮,奥运盛会也因承载了“环境保护”这一全球性的新使命,迸发出时代的风采,成为国际奥委会推崇的奥运新理念。北京市在申办 2008年奥运会时提出了“绿色奥运、科技奥运和人文奥运”三大主题,其中“绿色奥运”首当其冲。“绿色奥运”的基本内涵之一就是绿色能源,其二是绿色生态环境。 一.绿色能源 北京作为我国的首都,自新中国成立以来,特别是改革开放以来取得了长足发展,得到了国际社会的普遍认可。但是,北京作为一个国际化的大都市与国际先进水平相比还有很大的差距,尤其是它的环境状况令人担忧,其主要症结在于能源结构和产业结构不合理。北京是以化石能源为主的能源结构,过去能源消费中煤的比重过高,占 70%左右,年耗煤量己达 2700万吨,是世界烧煤最多的首都,而比较清洁的气体燃料仅占 5%左右。 为了承办好 2008年奥运会,北京市政府已下决心改变以煤为主的能源结构,建立市场化的优质能源供应体系,从而实现社会和经济的可持续发展。北京市计划在 2008年奥运会举办前,引进 50亿立方米天然气,提高优质能源比重,大幅度减少市区燃煤量。2007 年全市耗煤总量由 2001年的2600多万吨减少到1500万吨以下,其中市区燃煤量由 2001年的 1600万吨减少到 800万吨左右,且全部使用低硫优质煤,以减少煤烟型污染。 在机动车的污染治理方面,也和清洁能源密切相关。除了继续提高、完善北京市机动车排气污染物排放标准外。机动车用燃料也是重要的污染治理环节,要保证车用油品质量,还要鼓励使用清洁燃料车、燃料电池车、电动汽车及达到更高排放标准的车辆。到 2008年,北京市 90%的公交车辆和全部的环卫、邮政用车都将使用清洁燃料,70%的出租车为清洁能源车。 二.绿色生态环境 按照“新北京,新奥运”对生态环境的要求,北京市以“绿色奥运”为主题,将全面建设绿色生态城市。加快推进高标准的林业生态体系、高效益的林业产业体系、高水平的森林资源安全保障体系建设。到 2005年,完成三道绿色生态屏障建设,即面积一万零四百平方公里的山区绿色生态屏障、长度一千公里的平原地区绿色生态屏障和绿地超过一百平方公里的城区绿色生态屏障。山区完成宜林山地造林面积 10万公顷,山区林木覆盖率达到 70%。平原完成“五河十路”两侧 2.3万多公顷的绿化带及其它河道、道路绿色通道,完善农田林网化,郊区卫星城和中心镇达到园林城镇标准。利用一切可能的措施扩大公共绿地面积,基本上形成 500米服务半径的街区公园布局。完善市区二环和东西、南北“十字”景观轴线的两侧绿化,搞好其它城市道路、水系两侧绿化,高标准 — 14 —完成 255条主要大街的绿化改造。广泛开展立体绿化,有条件的墙体、立交桥进行垂直绿化,逐步试点并推广屋顶绿化,鼓励和引导居民绿化阳台。到 2007年,北京市的森林覆盖率要达到 50%,城市绿化覆盖率要达到 45%,城市人均绿地要达到 50 平方米。 “绿色奥运”的实施,将为一个有着一千三百万人口的大城市和十三亿人口的国家留下巨大的环境资产。北京将以满目青翠、绿茵铺地、花团锦簇展示其美丽风采。“绿色奥运”也不仅仅在于建设绿色生态环境,更重要的是,在“绿色奥运”的实践过程中,会唤起人们对自己生存的地球的保护意识,使人们认识到保护地球就是保护人类自己,是为自己创造更美好的生活环境,实现人类自身的延年益寿和健康繁衍。 3.2 实现绿色奥运空气质量的方案分析 “绿色奥运”的空气质量是一个重要的健康和环境问题,“2008 年奥运会期间,北京将会有良好的空气质量,达到国家标准和世界卫生组织指导值。同时北京市政府继续致力于提高全年的空气质量”。 空 气 质 量 国 家 二 级 标 准 的 日 平 均 限 值 分 别 为 ;32 :150/ SO g m µ ,32 :80/ NO g m µ ,3:4 / CO mg m ,310:150 / PM g m µ 。世界卫生组织指导值分别为;32 :120/ SO g m µ ,32 :150/ NO g m µ ,3:10 / CO mg m ,310:80 / PM g m µ 。 科技部专项课题《北京市大气污染控制对策研究》的结果表明,随着经济的持续发展和人民生活水平的提高,到 2008年机动车保有量和民用能源消费将有所增长,若不采取有效控制措施,必然会带来大气污染物排放量的增加,表3-1 给出了在不采取控制措施条件下 2008 年北京市规划市区大气污染物预计排放量。附录给出了 2008 年可供选择的大气污染综合防治措施。 表 3-1 北京市规划市区 2008 年大气污染物预计排放量(吨/年) PM 10 SO 2 NO X 93238 216126 228620 注:数据来源于《北京市大气污染综合防治对策研究》报告[文献 10] 从附录中所列出的控制措施来看,控制措施的力度区别主要体现在如何控制电力行业中高井电厂及冶金行业中首钢的污染排放,如果选择高井电厂及首钢全面停产,则这两家企业所产生的控制效果为 PM 10 减排 17290 吨/年、SO 2 减排 46258吨/年、NO X 减排 24900 吨/年,由此而引起的投资费用为 190.36亿元。此外第二热电厂和第三热电厂改烧天然气所产生的效果是PM 10 减排1170吨/年、SO 2 减排 7800吨/年、NO X 减排 1897吨/年,由此而引起的投资费用为 2.92亿元,运行费用为 7.95 亿元/年,此方案称为高方案。 如果选择高井电厂改烧天然气及首钢钢产量减产等综合治理措施,则这两家企业所产生的控制效果为 PM 10 减排 15178吨/年、SO 2 减排 45187吨/年、NO X减排 11796吨/年,由此而引起的投资费用为 3.45 亿元,运行费用为 20.46亿元/年。第二热电厂燃重油锅炉加装电除尘器和第三热电厂两台燃煤锅炉安装 FGD — 15 —所产生的环境效果是 PM 10 减排 435 吨/年、SO 2 减排 6600 吨/年、NO X 减排效果无,由此而引起的投资费用为 1.63亿元,运行费用为 0.15亿元/年,此方案称为低方案。总的来看,从减排效果来看,高低方案中 PM 10 减排量相差 2847吨/年,SO 2 减排量相差 2271吨/年,NO X 减排量相差 15001吨/年。高低两种方案的投资费用相差近 188 亿元,低方案的运行费用比高方案多出 12.66 亿元/年。从投资收益(减排效果)来看,显然高方案不可取。从用电安全及天然气用气量调峰角度看,高井电厂改燃用天然气也是较佳的选择,而不应停产。 对于上面所述的低方案,总的控制效果为 PM 10 减排总量为 79650吨/年、SO 2减排总量为 168449吨/年、NO X 减排总量为 90637吨/年,由此而引起的投资费用为 442.4亿元,运行费用为 71.23亿元/年。考虑到从 1998年到 2002年北京市治理大气污染的投资是 500亿元,对于经济不断发展的北京,低方案所需投资费用442.4 亿元是可以承受的。表 3-2 给出了高低两种方案的减排效果。 表 3-2 大气污染综合防治措施的减排效果 污染物 PM 10 SO 2 NO X 2008 年预计排放量(吨/年) 93238 216126 228620 低方案的减排总量(吨/年) 79650 168449 90637 低方案的减排比率 85.4% 77.9% 39.6% 实施低方案后的预计排放量(吨/年) 13588 47677 137983 高方案的减排总量(吨/年) 82497 170720 105638 高方案的减排比率 88.5% 79% 46.2% 实施高方案后的预计排放量(吨/年) 10741 45406 122982 在污染物治理的低方案中,PM 10 的减排主要靠控制扬尘污染,通过控制扬尘污染取得的减排总量是 41804 吨/年,占 PM 10 减排总量的 52.53%,其投资费用为 54 亿元,运行费用为 2.25 亿元/年。PM 10 减排的第二个主要措施是首钢的技术改造和综合治理,可以减少 PM 10 的排放 12568吨/年,占 PM 10 减排总量的15.78%。PM 10 减排的第三个主要措施是锅炉污染的控制,可以减少 PM 10 的排放 9183吨/年,占 PM 10 减排总量的 11.52%。电力行业的污染控制措施的实施可以减少 PM 10 的排放量约为 7380 吨/年,占 PM 10 减排总量的 9.26%。 在污染物治理的低方案中,SO 2 的减排主要靠电力行业的污染控制,电力行业通过安装 FGD (Flue Gas Desulfurization)和实施天然气替代可减少 SO 2 的排放量为 92100吨/年,占 SO 2 减排总量的 54.68%,其中石景山热电厂四台燃煤锅炉安装 FGD、第一热电厂两套机组安装 FGD、第三热电厂两台燃煤锅炉安装 FGD、华能全部安装 FGD 共削减 SO 2 的排放 66700 吨/年。电力行业除安装 FGD 外,高井电厂改燃用天然气可削减 SO 2 排放 25400吨/年。SO 2 减排的第二个主要措施是实施锅炉污染控制,可以减少 SO 2 的排放量约为 51667 吨/年,占 SO 2 减排总量的 30.67%。SO 2 减排的第三个主要措施是首钢的技术改造和综合治理,可以减少 SO 2 的排放量为 19787 吨/年,占 SO 2 减排总量的 11.75%。 — 16 —在污染物治理的低方案中,NO X 的减排主要靠控制机动车的污染排放,通过实施严格的排放标准、严格的油品质量控制、强化定期的检测维修制度、及清洁燃料替代可减少 NO X 的排放量为 44252 吨/年,占 NO X 减排总量的 48.82%。NO X 减排的第二个主要措施是锅炉污染控制措施,可以减少 NO X 的排放量为17435 吨/年,占 NO X 减排总量的 19.24%。NO X 减排的第三个主要措施是电力行业的污染控制,可以减少 NO X 的排放量为 13821 吨/年,占 NO X 减排总量的15.25%。NO X 减排的第四个主要措施是首钢的技术改造和综合治理,可以减少NO X 的排放量为 11322 吨/年,占 NO X 减排总量的 12.49%。 与上述污染物治理的低方案相比,高方案中 PM 10 和 SO 2 的减排效果分别提高了 3.1%和 1.1%,提高的效果较弱,差别较大的是 NO X 的减排效果,采用高方案中的治理措施使 NO X 的减排效果提高了 6.6%,主要是高井电厂停产而导致NO X 的减排量增加。 3.3 绿色奥运的空气质量 按照上述污染物治理的低方案,2008 年北京市规划市区中 PM 10 、SO 2 和 NO X的排放量分别为 13588吨/年,47677吨/年,137983吨/年。采用前面应用的总量控制的表达式,可以计算出 2008年北京市规划市区中上述各种大气污染物的浓度值,该浓度不仅和排放量有关系,还与气象条件有密切关系。 一.采用低方案控制措施时北京规划市区 PM10 浓度的预测 控制周期为一年,北京规划市区 2008 年 PM 10 的排放量 13588 吨/年为约束条件,计算得到的 2008 年北京市规划市区本地排放导致的 PM 10 的平均浓度随总量控制系数的变化如图 3-1所示。由图中可见,在大范围的总量控制系数下,2008 年由北京市规划市区本地排放而造成的 PM 10 的年平均浓度均在空气质量一级标准的限值340 g/m µ 以下,如果仅仅考虑本地排放,空气质量应该总是优。 但是上述空气质量是很难达到的,因为 PM 10 的浓度受区域性的影响,已有的研究表明,北京市目前 PM 10 的背景浓度(本底值)很高,一般为360~90 g/m µ ,背景浓度除了受本地污染源的排放影响外(清洁对照点的浓度测量值会受局地环流的影响),北京市远郊区县及周边省市也对北京市的 PM 10 浓度有影响。假定 2008 年北京市 PM 10 的背景浓度仍然为360~90 g/m µ ,考虑此背景浓度和本地 PM 10 的排放后,在假设的不同裸露地面的扬尘百分率为 0.3,2008 年北京市规划市区中 PM 10 的实际浓度由图 3-2 所示。 由图 3-2可以看出,考虑背景浓度后,北京市规划市区中 PM 10 的年平均浓度均在国家空气质量一级标准的限值340 g/m µ 以上,背景浓度占北京市规划市区中 PM 10 年平均浓度的 70%~90%。当背景浓度为360~80 g/m µ 时,在绝大多数的气象条件下,空气质量可以达到国家空气质量二级标准,只有在总量控制系数非常小的时候才超过二级空气质量标准的限值。当背景浓度为390 g/m µ 时,取北京市的总量控制系数为平均值 4.9,北京市规划市区的空气质量很难达到国 — 17 —家空气质量二级标准。 总量控制系数 A 值 PM10 的浓度 (3/ g m µ)裸露地面扬尘百分率为 0.7 裸露地面扬尘百分率为 0.3 PM10 的浓度 (3/ g m µ)总量控制系数 A 值 背景浓度 : 90 g/m µ 背景浓度 : 380 g/m µ 背景浓度 : 370 g/m µ 背景浓度 : 360 g/m µ 图3-1 北京市区2008年本地排放导致的PM10年平均浓度 图3-2 北京市区2008年实际PM10年平均浓度 二.采用低方案控制措施时北京规划市区 SO 2 浓度的预测 控制周期为一年,北京规划市区 2008年 SO 2 的排放量 47677吨/年为约束条件,计算得到的 2008 年北京市规划市区本地排放导致的 SO 2 的平均浓度随总量控制系数的变化如图 3-3所示。在有效实施 SO 2 排放控制措施后,本地污染源排放的 SO 2 所造成的 SO 2 平均浓度在很宽的总量控制系数范围内均低于国家空气质量二级标准的浓度限值360 g/m µ ,按照北京市平均的总量控制系数 4.9 来计算,本地污染源排放所造成的 SO 2 平均浓度为330 g/m µ 左右,也远远低于绿色奥运承诺的空气质量标准350 g/m µ 。若考虑 SO 2 的背景浓度值,则 2008年北京市规划市区实际 SO 2 的平均浓度要高一些,如图 3-4 所示。 总量控制系数 A 值 SO 2 的浓度 (3/ g m µ) 总量控制系数 A 值 SO 2 的浓度 (3/ g m µ) 背景浓度 : 340 g/m µ 背景浓度 : 330 g/m µ 背景浓度 : 320 g/m µ 图 3-3 北京市区 2008 年本地排放导致的 SO 2 年平均浓度 图 3-4 北京市区 2008年实际 SO 2 年平均浓度 SO 2 的背景浓度主要受周边省市的影响,从 1998年至 2000年定陵监测站的年日均值的变化来看,定陵监测站 SO 2 的浓度值比市区各监测站的 SO 2 的浓度值要低得多,1998年、1999年和 2000年定陵监测站 SO 2 的浓度值分别为335 g/m µ 、323 g/m µ 和330 g/m µ ,尽管市区中 SO 2 的浓度平均值在这三年间由3120 g/m µ 下降到372 g/m µ ,但定陵监测站 SO 2 的浓度值无明显变化,可以认为北京市 SO 2 — 18 —的背景浓度在320~40 g/m µ 之间变化。 由图 3-4 可见,在北京 SO 2 的污染治理状况较好时,北京 SO 2 的污染状况受背景浓度的影响很大,当 SO 2 的背景浓度为340 g/m µ 时,2008 年北京市规划市区的空气质量难以达到国家空气质量二级标准,当 SO 2 的背景浓度为330 g/m µ时,2008 年北京市规划市区的空气质量处于国家空气质量二级标准左右,但达不到绿色奥运所承诺的空气质量,当 SO 2 的背景浓度为320 g/m µ 时,2008 年北京市规划市区的空气质量能达到国家空气质量二级标准,并基本满足绿色奥运的空气质量。由此可见,要达到绿色奥运的空气质量,除了北京市要加大污染治理力度外,周边省市也要采用必要措施,控制大气污染物的排放。 三.采用低方案控制措施时北京规划市区 NO X 浓度的预测 NO X 污染的控制周期取为一年,北京规划市区 2008年 NO X 的排放量 137983吨/年为约束条件,计算得到的 2008年北京市规划市区本地排放导致的 NO X 的平均浓度随总量控制系数的变化如图 3-5 所示。由图中可见,2008 年北京市的空气质量很难满足国家空气质量二级标准。 总量控制系数 A 值 NO 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