2015, Vol. 7
《国家环境保护“十二五”规划》要求，到 2015年大气环境保护指标中要求 SO2和 NOx排放总量分别削减 8%和 10%，其中浙江省目标分别是 12.5%和 13.3%，高于全国平均水平。在“十一五”期间 SO2浓度下降的同时，NOx、颗粒物、 VOCs、NH3等污染物的排放量并未得到有效控制，甚至呈大幅增加的趋势，“十二五”期间以 PM2.5、O3为典型特征的区域复合型大气污染问题日益严重。仅靠单一污染物控制已难以解决日益复杂的环境问题，大气环境问题的多样化、复杂化迫切要求大气污染控制手段由单污染物控制向多污染物综合控制转变。
工业燃煤是大气主要污染物的重要来源，其中火电（热电）行业 SO2排放占比为 45%，NOx为 65%，烟（粉）尘为 50%，加之火电企业排放烟囱较高，排放的污染物可长距离传输，所以电力行业是导致区域复合型大气污染的主要因素。本文选取火电行业作为主要研究对象，对火电行业 SO2、NOx及烟尘三种污染物协同控制所产生的环境效益（ SO2、NOx、PM2.5和 PM10）进行了定量模拟与评估，分析火电行业排放控制与环境质量效益之间的关系，这对于制定、优化电力行业多污染物控制策略具有十分重要的意义。
1 模拟方法美国环保局最新开发的空气质量模拟系统 Models-3采用了 1个大气的概念，其中多尺度空气质量模式系统 CMAQ是 Models-3系统的核心模块，它在模拟过程中能将天气系统中小尺度气象过程对污染物的输送扩散转化和迁移过程的影响融为一体考虑 [11]，同时兼顾了区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响以及污染物在大气中的气相各种化学过程，包括液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对浓度分布的影响 [3, 4]。
1.1 模拟时间考虑到区域排放清单和监测资料的可获得性，本模拟研究以浙江地方排放清单为基础，结合 2010年 TRACE-P的排放数据开展研究。特选取夏、冬季的一个月份来代表季节的污染特征，全年模拟选取时段为 1月、7月两个典型月，各月模拟时间增加 7天，以消除初始条件的影响。其中模型验证环节测算 2010年 1月，将模拟结果与实测值比对，以验证模型应用的准确性。
1.2 模拟区域气象场模拟采用两层嵌套：第一层选取范围为长三角区域，以（ 118° E，32° N）为中心点，网格间距为 9km；第二层嵌套区域为浙江全省，网格间距为 3km，如图1所示。地图投影采用兰伯特（ Lambert）投影，考虑到边界效益，其中长三角范围区域格点数为 141×130，浙江省区域范围格点数为 163×175，设置原则考虑到精度与计算量兼顾。同时，污染源清单数据为覆盖浙江全省，网格间距为 3km，与气象的第二层嵌套区域一致，模拟区域范围如图1所示。
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图 1 模拟区域范围 |
采用 MM5中尺度气象场处理模式进行区域气象场模拟，由 Models-3的气象 -化学界面处理器模块 MCIP提供所模拟时段的网格化气象资料。
1.4 污染物排放清单污染物排放清单主要涵盖高架源、工业源、流动源、生活源和生物质排放源。其中，浙江全省污染物排放清单以污染源普查数据上校准得到，上海部分的污染物排放清单用上海市大气污染物排放清单的建立研究项目研究成果替代。采用 TRACE-P于 2010年建立的东亚地区污染物详细排放清单完善其他缺乏完整数据的地区 [5]。
1.5 参数设置模型选取 cb05cl_ae5_aq化学机制（气相机制与活性氯化学、第五代 CMAQ与海盐气溶胶机制，水 /云化学），采用 AERO5机制作为气溶胶反应机制，选取原则考虑到资料可得性。
2 模型验证两倍误差分析是检验环境空气质量模型结果是否准确的方法之一，计量模拟值与计算值的比值落在大于 1/2和小于 2区间的百分数。利用上述污染物排放清单，模拟了 MM5气象场作用下浙江全省 2010年环境空气污染物的浓度，与杭州市监测站点实际监测的污染物日均浓度做对比，结果如下。
2.1 SO2日均浓度如图2所示，模拟所得的 SO2日均浓度变化情况与监测值的波动基本保持一致。其中，实际监测浓度范围值为 36～ 105μg/m3，模拟值的浓度范围值为 22.9～ 139.7μg/m3。两倍误差范围为 1.8%～ 176%，87%的点落在两倍误差区间内，点较为均匀地分散在标准线的两侧，区间外的点的偏差情况也在可控范围内。模型能较好地反映实际 SO2的污染情况。
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图 2 SO2日均浓度监测值与模拟值对比与两倍误差 |
如图3所示，模拟所得的 NO2日均浓度变化情况与监测值的波动较为接近。实际监测浓度范围值为 51～ 150μg/m3，模拟值的浓度范围值为 48.4～ 151.9μg/m3，两倍误差范围为 0.9%～ 91%，100%的点落在两倍误差区间内，大部分点落在一倍到两倍区间内，表示模拟值较实际监测值偏大，但也在误差范围允许之内。模型能较好地反映实际 NO2的污染情况。
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图 3 NO2日均浓度监测值与模拟值对比与两倍误差 |
如图4所示，模拟所得的 PM10日均浓度变化情况与监测值的波动非常吻合。实际监测浓度范围值为 56～ 300μg/m3，模拟值的浓度范围值为 78.7～ 283.6μg/m3，而且曲线的变化趋势较为一致。两倍误差范围 1.6%～ 135%，90%的点落在两倍误差区间内，大部分点落在一倍到两倍区间内，表示模拟值较实际监测值偏大，但也在误差范围允许之内；区间外的点的偏差情况也在可控范围内，说明模型能较好地反映实际 PM10的污染情况。
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图 4 PM10 日均浓度监测值与模拟值对比与两倍误差 |
为进一步量化该模型的模拟能力以及在模拟区域的适用性，本研究应用标准偏差（normalized bias）和一致性指数 [6]（index of agreement）的统计方法做进一步验证。其中，标准偏差计算公式如下：
式中，N代表样本数； Xi代表模拟值； Yi代表观测值。
一致性指数的计算公式如下：
式中，
代表平均观测浓度； I代表一致性指数； I=1，则表示模拟值与观测值完全一致。
统计分析结果（表1）显示，Models-3/CMAQ对 SO2、NO2和 PM10的模拟结果与监测值的一致性指数分别为 0.72、0.82和 0.86；与监测值相比 ,模型对 SO2日均浓度模拟偏高约 10.8%，标准偏差为 15.1%；对 NO2日均浓度的模拟值偏高 26.4%，模拟结果的标准偏差为 29.9%；对 PM10日均浓度的模拟值偏高 30.3%，模拟结果的标准偏差为 38.2%。总体而言，Models-3/CMAQ对浙江全省的 SO2、NO2和 PM10浓度模拟的准确度基本达到可接受的范围。
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表 1 污染物模拟值与观测值对比统计分析结果 |
在模型验证的基础上，利用 CMAQ模型模拟 火电行业不同污染物减排情景的环境效益，减排情 景设计要求则根据《浙江省 “十二五”主要污染物 减排规划》和《火电厂大气污染物排放标准》（ GB 13223—2011）对浙江省火电行业作为特别排放限 值区域的污染物减排标准和要求分别设计三套情景 方案 [7]。
情景方案设计如下所述：① SO2、NOx协同减排情景（情景 1）；② SO2、NOx高控制协同减排情景（即燃煤电厂脱硝效率提高 5%，达到 75%，情景 2）； ③结合《长三角“十二五”重点区域大气污染联防联控规划》对浙江省火电行业 PM的减排要求和方案设计 :SO2、NOx、PM协同减排情景（情景 3）。具体减排情况如表2所示。
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表 2 污染物减排情景方案设计 |
根据浙江省 2010年污染源普查数据，全省共有 21家火电企业，其中主要污染物排放的原始量和按比例削减控制后的排放量如表3所示，削减量分别达到 29 362.44t（SO2）、77 450.87t（20%削减 NOx）、 96 813.58t（25%削减 NOx）、12 170.71t（烟尘）。
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表 3 火电行业主要污染物减排量 |
对比的污染物指标有 PM2.5、PM10、SO2和 NOx；模型模拟对比时间为 2010年 1月的 1日、10日、20日、 30日，共 4天。其中，以浙北 5市（杭州、宁波、湖州、绍兴、嘉兴）作为污染重点地区研究。
3 模拟结果 3.1 PM2.5模拟结果对比三套减排情景和原排放模式模型结果统计分析，得到浙江全省的 PM2.5浓度下降比例，如图5所示。其中重点区域 PM2.5浓度下降比例如图6所示。
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图 5 不同情景下PM2.5浓度下降比例对比 |
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图 6 不同情景下重点区域PM2.5浓度下降比例对比 |
三套方案下 PM2.5浓度下降比例分别为 0.53%、 0.55%和 0.57%，其中重点区域 PM2.5浓度下降比例分别为 4.36%、4.38%和 5.9%。NOx是形成 PM2.5的重要原因，同时火电行业的排放量较大，对于 NOx高控制减排对环境改善明显；同时，对于烟粉尘排放的协同控制能使环境空气 PM2.5改善效益加强，特别对于高污染区域来讲效益环境非常明显。
3.2 PM10模拟结果对比三套减排情景和原排放模式模型结果统计分析，得到浙江全省的 PM10浓度下降比例，如图7所示。其中重点区域 PM10浓度下降比例如图8所示。
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图 7 不同情景下PM10 下降比例对比 |
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图 8 不同情景下重点区域PM10 浓度下降比例对比 |
三套方案下 PM10浓度下降比例分别为 0.40%、 0.42%和 0.65%，重点区域 PM10浓度下降比例分别为 3.42%、5.82%和 8.16%。火电行业烟粉尘排放量庞大，是 PM10中主要一次污染的颗粒物的重要来源，对于烟粉尘排放的协同控制能使环境空气 PM10改善的效益异常显著，特别对于高污染重点区域，火电行业执行特别限制排放标准对于环境改善的效益突出。
3.3 NOx模拟结果对比由于第三套情景模式只对颗粒物因素有减排设计要求，所以只比对方案 1和方案 2。两套减排情景和 原排放模式模型结果统计分析，得到浙江全省的 NOx 浓度下降比例如图9所示。其中重点区域 NOx浓度下 降比例如图10所示。 两套方案下 NOx浓度下降比例分别为 12.4%和13.3%，重点区域 NOx浓度下降比例分别为 13.8%和 16.9%。火电厂排放的 NOx总量庞大，将燃煤电厂脱硝效率提高了 5%，排放削减了 19 362.71t，对于整体的大气环境改善明显。
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图 9 不同情景下NOx 下降比例对比 |
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图 10 不同情景下重点区域NOx 浓度下降比例对比 |
由于三套方案对于 SO2减排量无差别，所以对于 SO2减排效益分析只比对方案的全省和重点区域情况。将方案减排情景和原排放模式模型结果统计分析，得到浙江全省和重点区域的 SO2浓度下降比例，如图11所示。
SO2减排污染物下降比例平均为 11.24%，其中重点区域污染物下降比例为 14.4%。
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图 11 全省和重点区域SO2下降比例对比 |
（1）本研究采用 MM5/CMAQ的空气质量模型系统在浙江省进行本地化应用，根据基于 2010年浙江省污染物普查数据结合 TRACE-P数据制作的排放清单，对于模拟结果的准确性进行验证，其中 SO2相对误差范围位于 1.8%~176.0%，NO2相对误差范围在 0.9%~ 91.0%，PM10相对误差范围在 1.6%~ 135.0%。以上三种污染物的趋势变化与实际监测值之间也有较好的吻合，根据两倍误差分析法得到结果可信度在 87%以上。
（2）根据《浙江省“十二五”主要污染物减排规划》和新《火电厂大气污染物排放标准》等政策标准实施后，“十二五”期间浙江省内火电企业削减污染物排放量，对于主要污染物（SO2、NOx和烟尘）减排设计三套情景方案，重新制作减排后的全省污染物排放清单。
（3）减排情景模拟结果显示，SO2、NOx和烟（粉）尘协同减排对于浙江地区特别是重点区域的环境空气质量改善有着显著意义，建议各级政府严格落实本辖区的脱硫脱硝除尘项目，确保按计划完成。由于研究只对于纯火电企业估算减排效益，下一步将对于全省的热电厂以及其他污染物排放重点行业进行分批次的环境效益改善预测研究。针对《浙江省大气污 染防治行动计划》提出的，到2017 年，全省PM2.5 浓 度在2012 年基础上下降20% 以上的目标，做好政策 落实和目标实现的技术支撑工作。
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