我国能源与资源产业西移及产品东输对西北地区SO2排放和空气质量的影响

摘要

我国地域辽阔，各地区在资源禀赋、发展程度等方面相差较大，是世界上地区生产力发展水平区别最大的国家之一。东、中、西部之间经济发展水平差异较大，为加快西部地区的发展，我国政府于2000年开始实施西部大开发战略，将经济发展战略重点向西部转移。在国务院发布的《关于实施西部大开发若干政策措施的通知》中提出，西部大开发的重要任务之一是通过调整产业结构，提高西部地区工业化水平，加强西部地区现代化工业建设。在我国能源和矿产资源产业“稳定东部、开发西部”的能源发展战略指导下，初步形成了“西电东输”、“西气东输”等国家能源和资源产业的战略布局。在西部大开发的历史机遇和国家能源与资源产业发展的战略指导下，西北地区利用自身丰富的自然资源，集中力量发展以石油、天然气、煤炭等资源为基础的能源与资源型产业。目前，西北地区已经形成了以电力为主的能源工业，石油和天然气化工业，有色金属工业等几大支柱性产业。另外，为保障国家能源安全，我国大型能源产业的开发在今后相当长的一段时期内将持续转移到能源资源丰富的西北地区，使该地区成为保障我国21世纪能源安全的主要基地。另一方面，西北地区由于干旱少雨，土地贫瘠，植被稀少，生态环境恶劣，水资源极端缺乏，因此极其缺乏大气污染物的清除机制，是对环境污染非常敏感的区域。我国高耗能、高污染的能源与资源产业向西部转移，势必会对我国生态环境最为脆弱的西北地区造成严重的影响。因此，研究我国以能源与资源为代表的产业西移和能源与资源产品东输条件下对西北地区大气污染物排放及空气质量的影响，可为西北地区空气质量管理和减排决策提供科技支撑。　　本论文以常规大气污染物 SO2 为研究对象，基于臭氧探测仪（Ozone Monitoring Instrument，OMI）卫星遥感数据，系统评估了2005年-2015年期间全国SO2污染水平及其变化趋势，并利用曼-肯德尔（Mann-Kendall，MK）检验重点分析了SO2污染变化较大地区的时间序列突变年份，结合产业发展、SO2控制措施和环境政策分析全国SO2污染变化的原因；基于OMI卫星遥感数据，利用高斯拟合反演方法评估了西北地区两个国家级大型能源基地的SO2排放量，以及它们对本省SO2排放的贡献；利用区域间投入产出（multi-regional input-output，MRIO）模型分析研究了2002、2007和2010年我国各地区生产侧及消费侧产生的SO2排放量，以及地区间贸易隐含的SO2排放转移，尤其是西北地区能源与资源产品贸易中隐含的SO2排放以及输出去向；最后利用耦合的天气预报和大气化学模式WRF-Chem（Weather Research Forecast model with Chemistry）模拟研究了地区间贸易隐含的西北地区SO2排放对当地空气质量的影响。基于以上研究，本论文主要研究结论如下：　　（1）基于OMI卫星监测的大气边界层SO2垂直柱浓度（vertical column density，VCD）显示我国SO2浓度高值集中在京津冀及其周边的山西、山东和河南等省，其次为四川盆地、长江三角洲、珠江三角洲等地区；全国SO2垂直柱浓度 2005-2007 年呈现上升趋势，2007 年达到最大值，随后开始下降；从季节来看，冬季最高，其次为秋季，春季和夏季最低。　　（2）2005-2015年期间，我国东部、南部地区的SO2垂直柱浓度出现大范围的下降趋势，尤其是珠江三角洲下降幅度最大，年均下降率为7%，其次为华北地区（6.7%），四川盆地（6.3%）和长江三角洲地区（6%）。通过MK检验表明上述地区SO2垂直柱浓度的突变年份出现在2009-2013年期间，这些“转折点”的出现与我国实施的各项SO2减排控制政策、措施及全球金融危机密切相关。然而在同一时期，西北六省中（包括能源和资源产业集中的内蒙古），除陕西和甘肃外，其他省份的SO2垂直柱浓度都表现出上升趋势，尤其是两个“热点”地区，位于内蒙、陕西、宁夏和甘肃的相邻地区的“能源金三角”地区和乌鲁木齐—米东地区的SO2垂直柱浓度上升明显，其年均增长率分别为3.4%和1.8%，并且这两个地区SO2垂直柱浓度上升期间的突变点发生在2006-2007年间，其主要归因于这两个地区大型能源基地的建设和发展。另外，基于OMI卫星观测的SO2垂直柱浓度数据，利用高斯拟合方法对西北地区两个国家级大型能源基地的SO2排放进行反演估算的结果表明，2005-2015年期间宁夏宁东能源化工基地的SO2排放量占宁夏总排放量的25%-66%，新疆米东能源工业基地 SO2排放量占新疆总排放量的15-20%。　　（3）2002、2007和2010年，我国地区间贸易隐含的SO2排放总量达到568.2万吨、863.9万吨和 694.9万吨，分别占当年国内消费侧SO2排放总量的35.8%、45.4%和 43.9%。从区域间转移来看，京津地区、南部沿海和长江三角洲地区主要是 SO2输入地区，而我国经济相对欠发达西北和西南地区主要是 SO2输出地区。从地区间贸易隐含SO2排放转移部门来看，2002和2007年电力、热力、燃气、水的生产和供应业（以下简称电力部门）为SO2排放转移量最大的部门，分别占了当年地区间贸易隐含SO2总转移量的44.7% 和 49.6%。2010年，由于电 力部门SO2排放控制措施的加强，采矿业和重工业成为了地区间贸易隐含SO2排放转移量最大部门，占了当年地区间贸易隐含SO2总转移量的55.8%。地区间贸易隐含的电力、重工业和采矿业SO2输出地区集中在西北、西南和重工业发达的北部沿海（河北）和中部地区（河南），而输入地区主要集中在东部和南部地区。　　（4）2002、2007和2010年地区间贸易隐含的西北地区SO2净输出量分别为29.6万吨、138.4万吨和82.7万吨。2007年以来，该地区成为全国隐含SO2净输出量最大的地区。2002、2007和2010年，西北地区能源与资源消耗量大的电力部门、采矿业和重工业部门隐含 SO2输出量占西北地区隐含 SO2总排放量的24.8%，44.9%和38.7%。其中，以上年份中西北地区为满足全国的最终使用导致电力部门SO2排放总量的30.7%、50.2%和43.3%，以及西北地区采矿业和重工业部门SO2排放总量的23.3%、54.8%和43.9%输出至全国其他地区，主要输入地区为京津冀、中部地区、北部沿海、长江三角洲和东北地区。　　（5）利用耦合的天气预报和大气化学模式WRF-Chem对地区间贸易隐含的西北地区 SO2排放对当地和下游地区空气质量影响的模拟研究表明，2007 年西北地区隐含的电力、采矿业和重工业部门 SO2排放输出量对银川市的SO2浓度贡献最大，达到52.1%，其次为内蒙古东部地区（48.2%）、内蒙古西部地区（42.5%）、乌鲁木齐（34.7%）。此外，西北地区以上部门SO2输出量对下游地区的山西和北京的SO2年度浓度贡献率分别为9.6%和2.8%。2007年，西北地区隐含SO2输出最大的电力部门SO2输出量对内蒙古东部的SO2浓度贡献最大，达到33.1%，其次为内蒙古西部（18.3%）、中国东北部（17.9%）、银川（16.5%）、乌鲁木齐（14.9%）、山西（5.4%）和北京（2.6%）。

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