天津市“十三五”期間大氣污染防治措施對PM2.5和CO2的協(xié)同控制效益分析*

李敏姣 李 燃 李懷明 尹立峰 張雷波 王蔭蔭 郭洪鵬

(1.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，天津 300191；2.天津環(huán)科環(huán)境規(guī)劃科技發(fā)展有限公司，天津 300191)

當(dāng)前，大氣污染和溫室氣體排放對中國高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展造成的影響日益顯著，加速空氣質(zhì)量達標(biāo)和碳排放達峰(“雙達”)進程迫在眉睫。研究表明，CO2與常規(guī)大氣污染物具有顯著或極顯著的相關(guān)性，“同根同源”的屬性使得兩者之間的協(xié)同控制具有較大潛力[1-2]。近年來，針對大氣污染控制與溫室氣體減排協(xié)同效益的研究已經(jīng)引起了學(xué)者們的關(guān)注。高慶先等[3]基于二維四象限圖構(gòu)建了大氣污染控制和溫室氣體減排協(xié)同效益評估指標(biāo)，并針對《大氣污染防治行動計劃》中能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整措施進行了協(xié)同效應(yīng)實施效果評估。賈璐宇等[4]運用排放因子法評估了《大氣污染防治行動計劃》相關(guān)政策措施在中國各省市、各部門的CO2減排效果。周穎等[5]利用能源、環(huán)境、經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型研究了水泥行業(yè)主要常規(guī)污染物和CO2之間的協(xié)同減排方式，定量計算主要常規(guī)污染物和CO2之間的減排協(xié)同度。毛顯強等[6-7]對鋼鐵和電力行業(yè)的SO2、NO2和CO2協(xié)同減排的評估方法和環(huán)境經(jīng)濟路徑進行了研究，著重分析不同技術(shù)減排措施的成本和效果。還有一些學(xué)者[8-10]對典型城市的大氣污染物和溫室氣體協(xié)同控制措施減排效果進行了核算。

目前的研究主要是從排放的角度，評估政策措施對于常規(guī)大氣污染物和溫室氣體的協(xié)同減排效果。考慮到以PM2.5為代表的大氣污染物來源復(fù)雜，既包括一次直接排放，也包括二次反應(yīng)生成，為了進一步研究政策措施對于空氣質(zhì)量的改善效果，本研究以PM2.5濃度和CO2排放為評價因子，定量評估天津市“十三五”期間大氣污染防治措施對PM2.5濃度改善效果以及對CO2的減排量，以探索空氣質(zhì)量改善和溫室氣體減排的協(xié)同路徑，為實現(xiàn)“雙達”目標(biāo)的政策措施制定提供參考。

1 研究方法

1.1 空氣質(zhì)量改善效果的計算方法

本研究的空氣質(zhì)量改善效果重點指PM2.5濃度下降值?；?015年天津市大氣污染源排放清單、“十三五”期間天津市環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒以及相繼實施的《天津市大氣污染防治行動計劃》《天津市打好污染防治攻堅戰(zhàn)攻堅計劃》中相關(guān)措施要求，對2016—2020年大氣污染源排放清單進行更新，估算“十三五”期間各項措施的大氣污染物減排量，并利用WRF-CAMx模型開展主要措施的空氣質(zhì)量改善效果評估。

有研究表明，WRF-CAMx模型能較好地模擬PM2.5的來源貢獻，可用于不同情景或措施對空氣質(zhì)量改善的影響分析[11-13]。本研究采用WRF V4.2版本中尺度氣象模型和CAMx V6.4版本空氣質(zhì)量模型進行模擬分析，WRF模型的初始輸入數(shù)據(jù)采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的6 h一次、1°×1°分辨率的FNL全球分析資料；大氣污染源排放清單中天津市周邊省市的區(qū)域污染物排放量使用清華大學(xué)MEIC排放清單中的數(shù)據(jù)，天津市采用根據(jù)本市環(huán)境統(tǒng)計和其他行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立的清單。CAMx模型模擬區(qū)域使用Lambert投影坐標(biāo)系，兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線為30°N和60°N，中心點經(jīng)緯度為(116.5°E，39.5°N)，采用3層嵌套網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率分別為27 km×27 km、9 km×9 km、3 km×3 km，對應(yīng)格點數(shù)分別為85×85、113×113、128×128，最外層(D01)模擬區(qū)域覆蓋中國東北、華北、華中、華東主要地區(qū)，次外層(D02)模擬區(qū)域覆蓋“2+26”城市(包括北京市，天津市，河北省石家莊市、唐山市、廊坊市、保定市、滄州市、衡水市、邢臺市、邯鄲市，山西省太原市、陽泉市、長治市、晉城市，山東省濟南市、淄博市、濟寧市、德州市、聊城市、濱州市、菏澤市，河南省鄭州市、開封市、安陽市、鶴壁市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濮陽市)及周邊區(qū)域，內(nèi)層(D03)模擬區(qū)域覆蓋本研究所關(guān)注的天津市以及周邊京津冀主要地區(qū)和渤海部分海域。模型選用CB05氣相化學(xué)反應(yīng)機制和CF氣溶膠方案，垂直方向共設(shè)置24個氣壓層，層間距自下而上逐漸增大。模擬時段選取2020年1、4、7、10月。

1.2 溫室氣體減排效果的計算方法

本研究的溫室氣體減排效果主要指CO2減排量?；谔旖蚴小笆濉逼陂g相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和大氣污染防治措施，估算各項措施實施前后CO2排放量的差值。計算公式見式(1)：

Ei=Ai，0×EFi，0-Ai，1×EFi，1

(1)

式中：Ei為i措施對CO2的減排量；Ai，0為i措施實施前排放源的活動水平，以標(biāo)準(zhǔn)煤計；Ai，1為i措施實施后排放源的活動水平，以標(biāo)準(zhǔn)煤計；EFi，0為i措施實施前排放源的CO2排放因子；EFi，1為i措施實施后排放源的CO2排放因子。式中各變量單位視具體情況而定。其中，相關(guān)活動水平數(shù)據(jù)來自相應(yīng)年份的天津市環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)和統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)；CO2排放因子的計算參考《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2020)、《省級溫室氣體排放清單編制指南(試行)》和國家發(fā)改委發(fā)布的24個行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南。

1.3 空氣質(zhì)量改善與溫室氣體減排協(xié)同效益的計算方法

本研究以PM2.5濃度下降比例與CO2減排比例的乘積構(gòu)建一個協(xié)同效益指數(shù)，來表征各項措施對空氣質(zhì)量改善和溫室氣體減排的協(xié)同控制效益。計算公式見式(2)：

Ii=Pi×Ci

(2)

式中：Ii為i措施對空氣質(zhì)量改善和溫室氣體減排的協(xié)同效益指數(shù)；Pi為i措施產(chǎn)生的PM2.5濃度的下降值占所有措施PM2.5濃度下降值的比例，%；Ci為i措施產(chǎn)生的CO2減排量占所有措施CO2減排量的比例，%。當(dāng)Pi>0，Ci>0，則Ii>0，表明i措施的實施可以實現(xiàn)PM2.5濃度下降和CO2減排，具有較好的協(xié)同效益，且Ii越大，協(xié)同效益越好。當(dāng)Pi>0、Ci<0或者Pi<0、Ci>0，則Ii<0，表明i措施的實施不能同時控制PM2.5和CO2，不具備協(xié)同效益。當(dāng)Pi<0，Ci<0，則Ii>0，表明i措施的實施會導(dǎo)致PM2.5濃度上升以及CO2排放量的增加，協(xié)同控制效益最差。

2 結(jié)果和分析

2.1 模型模擬結(jié)果驗證

為了進一步驗證CAMx模型的模擬結(jié)果，統(tǒng)計了2020年1、4、7、10月天津市14個國控點位PM2.5的小時濃度監(jiān)測值與模型模擬值的標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)、標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差(NME)和相關(guān)系數(shù)(計算方法見文獻[14])。從表1的驗證結(jié)果可以看出，本研究對天津市PM2.5的模擬中NMB、NME和相關(guān)系數(shù)等評價指標(biāo)的數(shù)值均與國內(nèi)外文獻報道的模擬效果相近[15-17]，在可接受范圍內(nèi)。

表1 PM2.5模擬值與監(jiān)測值的統(tǒng)計參數(shù)

2.2 “十三五”期間主要措施梳理

“十三五”期間，天津市高度重視大氣污染防治工作，深入推進《天津市大氣污染防治行動計劃》，制定實施《天津市打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年作戰(zhàn)計劃(2018—2020年)》，治污減排取得明顯成效[18]，大氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)向好，2020年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度下降至48 μg/m3，較“十二五”末下降31.4%。本研究歸納整理出天津市“十三五”期間大氣污染治理一級措施4類和二級措施27項，同時根據(jù)措施含義和數(shù)據(jù)的可獲得性，篩選出可量化的PM2.5濃度改善二級措施25項，具有CO2減排效果的二級措施12項(見表2)。

表2 “十三五”期間PM2.5濃度改善和CO2減排效果評估措施選擇1)

2.3 空氣質(zhì)量改善效果評估

2.3.1 主要大氣污染物減排量

根據(jù)本地化大氣污染源排放清單數(shù)據(jù)，2015年天津市PM10、PM2.5、SO2、NOx、VOCs等5項污染物的年排放總量分別為23.4萬、10.7萬、20.3萬、27.4萬、27.5萬t，各項污染物主要排放源占比見圖1?？梢钥闯觯潭ㄈ紵?、工藝過程源、揚塵源是天津市顆粒物的主要排放源；SO2主要來源于工藝過程源和固定燃燒源；NOx主要排放源為固定燃燒源、道路移動源和非道路移動源；VOCs主要來源于工藝過程源和溶劑使用源。

圖1 天津市2015年各項大氣污染物排放源占比情況

天津市“十三五”期間25項大氣污染治理二級措施對PM10、PM2.5、SO2、NOx和VOCs的減排量分別為8.2萬、4.4萬、5.1萬、6.4萬、6.1萬t。表3為各項措施對污染物的減排貢獻占比。結(jié)果顯示，對PM10減排貢獻率較大的措施依次為散煤治理(17.3%)、工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)(15.4%)、供熱鍋爐改燃并網(wǎng)(13.0%)、道路揚塵管控(9.1%)、無組織排放治理(8.4%)。對PM2.5減排貢獻較大的前3項措施與PM10一致，分別為散煤治理(25.6%)、工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)(13.0%)、供熱鍋爐改燃并網(wǎng)(11.0%)，另外“散亂污”整治(10.6%)、道路揚塵管控(6.8%)也發(fā)揮了較大作用。對SO2減排貢獻較大的幾項措施主要集中在治理燃煤污染和工業(yè)污染方面，分別為工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)(22.9%)、散煤治理(22.2%)、供熱鍋爐改燃并網(wǎng)(18.1%)、電力行業(yè)超低排放改造(8.2%)、“散亂污”整治(7.7%)。對NOx減排貢獻較大的幾項措施除了體現(xiàn)在燃煤和工業(yè)污染治理方面外，還包括移動源的治理，措施貢獻較大的依次為工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)(17.0%)、供熱鍋爐改燃并網(wǎng)(13.9%)、鋼鐵企業(yè)退出(13.5%)、淘汰老舊車(10.6%)、天津港煤炭轉(zhuǎn)運方式調(diào)整(5.9%)。對VOCs減排貢獻最大的是VOCs綜合治理，占比超過60%，主要得益于近600家重點工業(yè)企業(yè)完成VOCs治理升級改造或關(guān)停、石化和化工行業(yè)VOCs泄漏檢測與修復(fù)以及工業(yè)涂裝等行業(yè)原輔材料替代等。

表3 “十三五”期間各項措施對大氣污染物的減排貢獻占比

2.3.2 PM2.5改善效果

根據(jù)模擬結(jié)果，天津市“十三五”期間主要大氣污染治理措施使得PM2.5累計下降19.18 μg/m3，其中治理燃煤污染、治理工業(yè)污染、治理移動源污染、治理揚塵污染各類一級措施使PM2.5分別下降8.33、7.10、1.80、1.95 μg/m3。從各項二級措施對PM2.5的濃度改善貢獻(見圖2)來看，以2017—2019年實施的120萬戶散煤治理措施效果最顯著，使PM2.5下降3.51 μg/m3(貢獻占比18.3%)。其次是工業(yè)鍋爐和供熱鍋爐改燃并網(wǎng)，使PM2.5分別下降2.61、2.13 μg/m3(貢獻占比分別為13.6%和11.1%)。除上述3項治理燃煤污染的措施外，治理工業(yè)污染措施中的2.2萬家“散亂污”整治和3家鋼鐵大型企業(yè)退出也起到較大的作用，分別使PM2.5下降1.83、1.69 μg/m3(貢獻占比分別為9.6%和8.8%)。

圖2 “十三五”期間各項措施對PM2.5質(zhì)量濃度改善的貢獻

2.4 溫室氣體減排效果評估

根據(jù)核算，2015年天津市CO2排放總量為1.65億t，來自煤炭(含焦炭)54.4%、油品26.2%、天然氣8.2%、外調(diào)電力11.1%。從行業(yè)來看，工業(yè)部門排放占全市CO2排放總量的67.7%，其中鋼鐵、電力、化工、石化4大行業(yè)是主要排放源，占工業(yè)CO2排放量比例接近70%?！笆濉逼陂g，天津市CO2排放總量波動趨穩(wěn)。對表2中列出的12項二級措施分別計算了CO2的減排量(見圖3)，結(jié)果顯示，共實現(xiàn)CO2減排2 323.84萬t。其中散煤治理措施包括43萬戶煤改電、65萬戶煤改氣以及12萬戶集中供熱等治理措施，分別實現(xiàn)CO2減排-38.10萬、37.68萬、40.94萬t，綜合減排量為40.52萬t。值得注意的是，由于華北電網(wǎng)CO2排放因子較高(0.884 3 kg/(kW·h))，因此煤改電措施的CO2減排量為負(fù)值。工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)措施包括4 578 t/h工業(yè)鍋爐改燃、5 310 t/h工業(yè)鍋爐拆除并網(wǎng)，分別實現(xiàn)CO2減排336.91萬、497.80萬t，綜合減排量為834.71萬t。供熱鍋爐改燃并網(wǎng)措施包括7 734 t/h供熱鍋爐改燃、4 565 t/h供熱鍋爐拆除并網(wǎng)，分別實現(xiàn)CO2減排19.44萬、149.79萬t，綜合減排量為169.23萬t。清潔能源利用措施包括提高風(fēng)電、光電等可再生能源發(fā)電量(共40億kW·h)，實現(xiàn)CO2減排300.05萬t。

圖3 “十三五”期間各項措施對CO2減排的貢獻

綜合來看，“十三五”期間工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)和鋼鐵企業(yè)退出兩項措施的CO2減排效果最為明顯，分別減排834.71萬、699.31萬t。其次是清潔能源利用的CO2減排量超過了300萬t。鼓勵綠色出行和淘汰老舊車等治理移動源污染相關(guān)措施也發(fā)揮了較大作用，實現(xiàn)CO2減排量總計超過100萬t。另外，電力行業(yè)超低排放改造措施的CO2減排量為負(fù)值，是由于引風(fēng)機和增壓風(fēng)機阻力增加導(dǎo)致機組供電煤耗的增加，從而增加了CO2的排放。

2.5 空氣質(zhì)量改善和溫室氣體減排協(xié)同控制效益評估

根據(jù)協(xié)同效益指數(shù)計算結(jié)果，綜合“十三五”期間各項措施對PM2.5濃度改善和CO2減排貢獻來看(見圖4)，治理燃煤污染的措施協(xié)同效益最為明顯，其中工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)措施的協(xié)同效益指數(shù)最高，分別對PM2.5濃度改善和CO2減排貢獻占比分別為13.6%和35.9%，鍋爐燃料由煙煤換為天然氣或其他清潔能源，使常規(guī)大氣污染物和CO2排放因子均顯著降低，因此具有較好的協(xié)同效益。其次是治理工業(yè)污染的鋼鐵企業(yè)退出措施，通過化解鋼鐵過剩產(chǎn)能，實現(xiàn)大氣污染物和CO2排放總量下降，也具有較好的協(xié)同效益?？刂埔苿釉次廴镜拇胧﹨f(xié)同效益指數(shù)雖多為正，但數(shù)值相對較小，協(xié)同減排還有較大的空間。

圖4 “十三五”期間各項措施對PM2.5質(zhì)量濃度改善和CO2減排的協(xié)同效益

而治理工業(yè)污染中的電力行業(yè)超低排放改造措施雖然會明顯降低大氣污染物排放量，但由于能耗提升會增加CO2排放，協(xié)同效益指數(shù)為負(fù)，不具備協(xié)同減排效果，因此對于工業(yè)污染末端治理需要統(tǒng)籌考慮，在滿足超低排放要求的前提下，找到污染物達標(biāo)排放與節(jié)能降耗的合理平衡點，使之并行不悖。另外值得注意的是，散煤治理措施對PM2.5濃度改善的貢獻較為顯著，但是對CO2減排的效益卻不明顯，主要與區(qū)域電網(wǎng)的電力結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于火電比例較高而削弱了兩者的協(xié)同效益，這進一步凸顯電力清潔化的重要性。

3 結(jié) 語

在空氣質(zhì)量改善和碳中和大背景下，協(xié)同治理是中國深化大氣污染防治和應(yīng)對氣候變化的必然路徑。目前我國大氣污染防治管理制度相對健全，且部分措施可起到較好的碳減排協(xié)同作用。通過天津市“十三五”期間主要大氣污染治理措施對PM2.5濃度改善和CO2減排的協(xié)同效益的分析，得出以下幾點結(jié)論：

(1) “十三五”期間主要大氣污染治理措施的空氣質(zhì)量改善效果顯著，使PM2.5質(zhì)量濃度下降19.18 μg/m3。其中以散煤治理、工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)和供熱鍋爐改燃并網(wǎng)的貢獻最為明顯，分別使PM2.5濃度下降18.3%、13.6%、11.1%。

(2) 部分大氣污染治理措施對CO2的減排量為2 323.84萬t。其中以工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)、鋼鐵企業(yè)退出、清潔能源利用的CO2減排效果最為明顯，分別減排834.71萬、699.31萬、300.05萬t。

(3) “十三五”期間主要大氣污染治理措施中，以工業(yè)鍋爐改燃并網(wǎng)和鋼鐵企業(yè)退出措施對PM2.5濃度改善和CO2減排的協(xié)同效益較為顯著。散煤治理措施對PM2.5濃度改善有較大貢獻，但對CO2減排效益不明顯，主要與區(qū)域電網(wǎng)的電力結(jié)構(gòu)有關(guān)。電力行業(yè)超低排放改造措施的協(xié)同效益為負(fù)，原因在于能耗提升導(dǎo)致CO2排放增加。

值得討論的是，雖然超低排放改造由于設(shè)備電耗增加和系統(tǒng)阻力增加風(fēng)機電耗而帶來直接的CO2排放增加，但通過環(huán)保設(shè)施運行優(yōu)化、深度余熱利用改造等措施可一定程度上降低系統(tǒng)能耗從而減小增碳效應(yīng)。目前，鋼鐵行業(yè)正在加快推進超低排放改造，與電力行業(yè)不同，鋼鐵行業(yè)超低排放改造不僅是煙氣脫硫、脫硝、除塵等末端治理，而是包括有組織排放、無組織排放和運輸環(huán)節(jié)在內(nèi)的全流程超低排放改造，通過實施燒結(jié)機頭煙氣循環(huán)、清潔運輸改造等措施，抵消末端治理增加的碳排放量從而使減污降碳相協(xié)同具有一定的可能性，因此未來水泥等非電行業(yè)超低排放改造的協(xié)同效益值得進一步探討。

整體來看，“十四五”期間應(yīng)以實現(xiàn)大氣污染防治和CO2減排兩方面目標(biāo)為前提，統(tǒng)籌制定政策措施，推動改善環(huán)境質(zhì)量從注重末端治理向更加注重源頭預(yù)防轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)協(xié)同增效，做到空氣質(zhì)量改善和溫室氣體減排的雙贏。