化繁为简化繁为简——小模型解决大问题小模型解决大问题综合空气质量管理综合空气质量管理

Todd Johnson

世界银行2005 年 10 月 12 日

问题 The Problem

Problems ：在多数发展中国家，城市空气污染引起健康、生活质量和经济发展的问题

Regulators ：当须要整合政策、技术、经济和体制，制定多方面综合性政策时，管理者常常丢了头绪

Organizations ：相关机构和部门缺乏有效的协调和合作机制 Base ：基础数据缺乏、分散或不存在 Limited ：单个部门的职能和财力有限 Everyone ：模型太多，且大都复杂，数据要求高 Multi-sectoral stakeholder perspectives ：如何体现多方立场

城市化的发展………

• 每周城市人口增加 1,000,000 人• 目前已有 23 个超级城市 ( 在全球 2% 的土地上 ) – 到2015 年达 36 个 ; 2025 年 300 个城市人口过百万• 亚洲 9 个， 2015 年达 13 个

政府政府工业工业

司法司法

研究机构研究机构

国际组织国际组织

社区团体社区团体

清洁空气清洁空气

非政府组织非政府组织

媒体媒体

综合空气质量管理要素综合空气质量管理要素

污染源污染源

空气质量空气质量

影响影响

综合空气质量综合空气质量管理管理

政策方案政策方案 技术方案技术方案

目标：目标： 关注重点污染关注重点污染

物物 (( 如，小颗如，小颗粒物粒物 ))

重点污染源重点污染源 排放、环境水排放、环境水

平和环境影响平和环境影响的关系的关系

确定重点管理确定重点管理方案方案

系统分析替代系统分析替代战略战略 // 方案方案

经济方案经济方案

知识基础 气象 交通网络 机动车密度 地区 点源 人口 健康影响 管理方案、成本、效益

… 多数与空间分布有关，需要 GIS 进行充分分析

研究地区

公路网

点源和其他污染源

•••

•••

气象

排放排放

排放排放

输入 输入 • 总燃料用量 总燃料用量 – – 煤、石油、汽油、天然煤、石油、汽油、天然

气、其他替代品气、其他替代品• 工业燃料使用量工业燃料使用量• 电力需求电力需求

• 机动车数量 机动车数量 (( 车龄车龄 // 车型车型 ))

• 车行里程车行里程• 增长趋势增长趋势

• 道路网道路网

输出 输出 • 按排放源分摊按排放源分摊• 空间分布空间分布• 不同情况下的预测不同情况下的预测• 关键污染物控制关键污染物控制 // 预算预算

…… 输入扩散模型输入扩散模型

关键污染物排放估算关键污染物排放估算

研究地区

道路网

排放特征

•••

•••

• 关键污染物排放因子 关键污染物排放因子 – – PMPM1010 ，二氧化硫，氮氧，二氧化硫，氮氧化物，二氧化碳化物，二氧化碳

• 点源位置、排放量点源位置、排放量• 排放控制方案排放控制方案

排放因子 : 排放率 以类似污染源为基准 不如实际测量值准确

出版物 : 世行 URBAIR 系列出版

物 会议

EF 模型 EPA Mobile 6, VAPIS

计算 / 估算

建立排放清单汇集各类污染源排放数据 :

点源 面 源 非道路移动源

道路移动源

清单

扩散扩散

输入 输入 • 排放清单排放清单• 气象数据气象数据• 环境浓度数据环境浓度数据• 各种情况各种情况 // 方案方案• 地图地图 /GIS/GIS 信息信息

输出 输出 • 环境浓度环境浓度• 不同情况下预测值不同情况下预测值• 空间分布形式空间分布形式• 暴露水平暴露水平

…… 输入暴露模型输入暴露模型

单位： mg/m3 PM10

120.8 121 121.2 121.4 121.6 121.8 122

30.8

31

31.2

31.4

31.6

31.8

32

0

5

10

15

20

25

30

排放

环境浓度的空间分布环境浓度的空间分布

研究地区

道路网

排放特征

•••

•••

气象

扩散模型

大气模型

硫 臭氧 颗粒物 氮氧化物

地理信息系统（ GIS ）信息的使用 :网格分辨率的影响

1º x 1º

10’ x 10’ 30’’ x 30’’

.5º x .5º上海周边二氧化

硫 排放概况

北京 2000 年二氧化硫排放和源分析（自下而上的分析）

SO2 Emissions

Disbursed Boilers18%

Industrial AS16%

Power Plants48%

Boiler point8%

Industrial PS9%

Others1%

SO2 Concentrations

Disbursed Boilers41%

Industrial AS33%

Power Plants10%

Boiler point8%

Industrial PS4%

Others4%

CRAES, Beijing, 2004

成都 2002 年 PM10 来源分摊分析（自上而下的分析）

Winter Site 1

Motor Vehicles

15%

Construction Sites

9%

Coal Burning

15%

Wind Blown Dust

22%

NO35%

SO413%

Others11%

Fuel Oil Combustio

n10%

Summer Site 1

Motor Vehicles

20%

Construction Sites11%

Coal Burning23%

Wind Blown Dust13%

NO35%

SO412%

Others2%

Fuel Oil Combustion

14%

Winter Site 2

Motor Vehicles

13%

Construction Sites

6%

Coal Burning10%

Wind Blown Dust34%

NO34%

SO410%

Others15%

Fuel Oil Combustion

8%

Summer Site 2

Motor Vehicles

19%

Construction Sites

8%

Coal Burning

18%

Wind Blown Dust

16%

NO35%

SO411%

Others13%

Fuel Oil Combustio

n10%

CRAES, Beijing, 2004

上海 2000-2001 年 PM10 来源分摊分析（自上而下的分析）

SAES, Shanghai, 2004

  秋季 冬季 春季 夏季 年平均

WD 煤锅炉 3 4 4 3 4

CD 煤锅炉 7 10 8 9 9

重油锅炉 6 4 5 6 5

PP 锅炉 28 24 23 15 22

水泥窑 5 5 7 8 6

炼铁厂 6 6 8 9 7

炼焦厂 2 1 1 2 1

路面浮沉 2 2 3 3 3

移动源 17 16 19 12 16

风尘 0 0 1 2 1

海洋尘 24 28 21 31 26

AQM 管理方案类型政策：•监督•工业划区•住宅•交通管理•公共交通•非机动交通（ NMT) •土地使用

经济：•税收•补贴•定价•收费•罚款•可交易排放许可

技术：•燃油•清洁技术•末端控制•清洁生产•制度、法律•排放标准•能源效率•燃油标准

制度、法律•排放标准•能源效率•燃料标准•操作限制•检查和维护•工业守约•能力建设•环境意识

经济分析经济分析

输入 输入 • 在不同情况在不同情况 // 方方

案下对案下对健康及其健康及其他损害的估价他损害的估价

• 不同方案的成本不同方案的成本

输出 输出 • 各种方案的成本各种方案的成本 -- 效益效益

分析分析• 各种方案的净效益各种方案的净效益

…… 输入到输入到决策支持模型决策支持模型各种管理方案的经济分析各种管理方案的经济分析

$$$

Cost-Effectiveness Graph (for Selected Component)

-5

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Emission Reduction (tons/day)

Inc

rem

en

tal C

os

t ($

/to

n)

有用的工具有用的工具 普遍使用的软件 (如微软的 Excel 电子表格

等 ) 提高意识 数据管理 地理信息系统 (GIS) 和遥感 新兴科技 互联网 概要决策支持系统

遥感

•纯正数据来源•趋于低廉的价格•不断改善的分辨率•本底数据•用于道路、车辆甚至空气质量

一场严重的沙尘暴中国（ 1998 年 4 月 16 日）

案例：石家庄和长沙的酸雨和空气污染控制

分析不同硫污染控制策略对健康和农业生产率的环境影响

比较不同减少硫污染方案的成本 提出使地方实现环保目标的策略建议

提供低硫煤 强制要求市内出售的煤的含硫量小于 1% 鼓励从山西省周边地区引进更多低硫煤的项目

以天然气取代煤 气化部分中心城区中央供暖 把气体燃料在燃料组合中的比例从目前的 3% 增加到至少

10% 以小型燃煤锅炉和窑为重点

取消所有 1吨以下的燃煤锅炉 用 DHS取代 700 个用于冬季取暖的小型锅炉

脱硫 使用水幕脱硫，将循环流化床燃烧技术引入火力发电站

石家庄市方案一：控制方法

石家庄市方案一：分析结果

控制方法 减少的二氧化硫排放量（吨） 控制成本（百万元）

低硫煤 19,000 225

以天然气替代煤 13,000 513

以小型锅炉为重点 3,000 100

脱硫 1,000 150

在该方案下，城市地区达到空气二氧化硫标准的比率提高了 50%。

石家庄市方案二：分析结果

二氧化硫 SO4

(a)

114.36 114.4 114.44 114.48 114.52 114.56 114.6

Longitude

37.98

38

38.02

38.04

38.06

38.08

38.1

38.12

La

titu

de

0

10

20

30

40

50

60

70

80

(b)

114.36 114.4 114.44 114.48 114.52 114.56 114.6

Longitude

37.98

38

38.02

38.04

38.06

38.08

38.1

38.12

La

titu

de

0

4

8

12

16

20

注：假设背景浓度为 7.5 mg/m3 （ from RAINS-Asia）

低硫煤– 以市内大型点源为重点（减排量 = 2,500吨）– 市外来源（减排量 = 20,700 吨 )

大长沙地区 总人口 : 580万 城市人口 : 130万 GDP (1997) : 545亿元 2000年硫总排放量

– 200,100吨（市内来源）

Hunan Province

Changsha

Xiangtan Zhuzhou

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Changsha Xiangtan Zhuzhou

Ind-area Ind-point Dom LPS

长沙： 72,200吨湘潭： 51,200吨株洲： 76,700吨

长沙三角洲地区——基线分析

硫湿沈降 二氧化硫浓度

其中湖南省来源

Sulfur W et D eposition

111 111.5 112 112.5 113 113.5 114 114.5 115

Longitude

26

26.5

27

27.5

28

28.5

29

La

titu

de

0 . 00 . 51 . 01 . 52 . 02 . 53 . 03 . 54 . 04 . 55 . 0

g S/m2/yr

SO 2 C oncentrations

111 111.5 112 112.5 113 113.5 114 114.5 115

Longitude

26

26.5

27

27.5

28

28.5

29

La

titu

de

0

20

40

60

80

100

三市城市空气中二氧化硫变化图（ 1991~2000）

0

0. 06

0. 12

0. 18

0. 24

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

长沙株洲湘潭

三市城市空气中氮氧化物浓度变化图（ 1991~2000）

0

0. 013

0. 026

0. 039

0. 052

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

长沙株洲湘潭

三市城市降水酸度变化图（ 1991~2000）

0

1. 7

3. 4

5. 1

6. 8

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

长沙株洲湘潭

三市城市空气中酸雨频率变化图（ 1991~2000）

长株潭三市城市环境空气中酸雨频率图

0

20

40

60

80

100

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

长沙株洲湘潭

低硫煤的供给 在长沙和株洲建立煤处理中心

增加气体燃料的使用 对长沙、湘潭、株洲的天然气供应 管道液态石油气（ LPG）和空气混合物的供应（长沙） 易散性气体煤收集（湘潭 ）

燃煤锅炉和窑的排放控制 处置小型燃煤锅炉（长沙） 中型锅炉湿式除尘器（长沙） 易散性排放控制（株洲） 锅炉烟尘控制（湘潭） 水蒸气供应集中化（长沙、湘潭）

大型点源的脱硫 在株洲发电厂和湘潭肥料厂使用脱硫技术 在株洲炼制厂引进 TOPSPE 方法，将二氧化硫转化为工业用硫酸——

预计 2003年投产

长沙三角洲地区方案一：控制方法

长沙和湘潭预计减排量为 34％和 37% 由于扩大电站规模，株洲的减排量可能只有 10%

长沙三角洲地区方案一：控制方法

控制方法 二氧化硫排放减少量（吨） 控制成本（百万元）

低硫煤 8,400 330

使用气化燃料 31,600 1,635

锅炉和窑的排放控制 15,000 325

LPS脱硫 22,600 250

农业损失 = 4千万美元

石家庄市总结 石家庄的硫污染

主要来源为中央供暖锅炉和大型点源 二氧化硫最高年平均浓度为 180 µg/m3

仅对健康的影响就足以抵消当地 GDP 的约 10％ 减少硫污染预期

90％来自使用污染小的燃料——工业和电站的锅炉：低硫煤；家庭烹饪、取暖和小型工业锅炉：天然气

石家庄第十个五年计划的 预期 硫控制方案 很有可能达不到国家环保总局的空气污染标准

额外的减排 仅发电站一项就足以确保达到 TCZ 要求 将对健康的影响降低到当地 GDP 的约 0.2％ 从临近山西省调入更多低硫煤是成本—效用比最高的选择

大长沙地区总结 大长沙地区硫污染

中国酸雨的热土，以大型工业炼制厂和电站为主 大型电站和炼制厂周边地区年平均二氧化硫污染水平超过 300 µg/m3

农业损失估计为 6800万美元（ 2000年初数据） 硫减排计划

增加工业锅炉的天然气和低硫煤使用 通过工业更新改造投资减排 在株洲的（仅）一家炼制厂安装污染控制设备 通过实施第十个五年计划中的硫控制提议，大长沙地区很有希望达到

国家环保总局设置的硫减排目标。然而该地区由酸雨造成的环境损失将依然很高。

额外减排难以实现 关闭当地生产高硫煤的煤矿受到限制 由于市区旁计划中将要新建的燃煤电站

结论 空气污染对健康和经济产生严重的不良影响

在中国，空气污染可能抵消 GDP 的 5% 不同的控制方法将产生不同的净成本

规模通常影响（设备和制度）成本——大污染者 / 小污染者 系统改进和工艺更新的总成本通常比 “末端控制”低 通常“一举多得”的政策反而实施起来更容易， 成本也更低（如

增加天然气的使用） 技术方案必须和市场、制度、行政等政策手段一起使用

如果无人乘坐，或者公司经营破产，再好的现代化清洁公共汽车也对改善空气质量起不到作用

需要通过越简单越好的分析工具来辅助政策制定者了解问题的实质和解决方案

谢 谢！