大规模风电开发对城市大气环境污染影响的初步研究

文／朱蓉

大规模风电开发对城市大气环境污染影响的初步研究

文／朱蓉

2005年2月《中华人民共和国可再生能源法》颁布以后，中国可再生能源开发利用快速发展，尤其是风电进入了大规模发展阶段。2006年－2009年期间，中国风电累计装机容量连续四年翻番。截止到2013年，中国风电累计装机容量91412.89MW（台湾地区除外），位居全球风电累计装机容量第一。图1给出了2000年－2013年河北省风电累计装机容量的变化，可以看出，2005年－2011年是河北省风电的高速发展期。中国陆地风能资源丰富区主要分布在东北、内蒙古、华北北部、甘肃酒泉和新疆北部，如此的资源分布特点，决定了中国风电开发 “大规模发展、集中式建设、远距离输送”的发展趋势。到2050年，中国风电装机将达到1000 GW，建设8个千万千瓦级风电基地。在这种发展形势下，大规模风电开发的生态和环境效应问题越来越受到关注。

目前有关大型风电场局地大气环境影响方面的研究工作还不是很多。美国斯坦福大学Maria通过建立风电机组叶片与大气相互作用的动量参数化关系，估算由于大型风电场建设带来的全球和区域大气能量的损失。结果表明，如果全部用风能满足全球对能源的需求，风能开发对1km以下大气层能量的损失大约0.006%－0.008%，比气溶胶污染和城市化对大气能量的损耗小一个量级。丹麦科技大学Risoe实验室Frandsen通过加大中尺度数值模式中的地表粗造度，设置了9000km2范围的大规模风电场，用数值模拟方法研究大型风电场的局地大气环境影响效应。结果表明，大型风电场下风向风速减弱的影响经过约30km－60km的距离以后就可以恢复。总之，现有的研究都是基于理论计算，大规模风电开发的环境影响效应问题还有待于深入研究。

2013年1月以来，中国中东部地区多次发生大范围、持续性的重污染天气，引起了国内外的广泛关注。国家环保部的全国空气质量统计数据表明，京津冀地区是全国大气污染的重灾区，其中又以河北南部城市最为严重，图2是2013年12月北京市、天津市和石家庄市首要大气污染物PM10污染指数日变化。为了研究京津冀大气污染是否与华北大规模风电开发有关系，本文将通过分析风电场集中建设区的地面风速长年变化和北京市、天津市和石家庄市的污染气象条件长年变化，研究风电大规模发展对局地大气扩散条件的影响。

河北北部及周边地面风速长期变化

风电机组的运转会使下风向风速减弱、湍流强度增强。为考察河北张北、承德地区以及外围的内蒙古地区高速的风电发展是否会造成下游地区较大范围内风速减弱，从而影响北京市大气污染物的扩散，本文在河北北部及周边内蒙古区域内选择了与风电场集中建设区域较近的11个气象站，另外还选择了受周边环境变化影响较小的北京密云气象站，研究1961年－2013年气象站观测风速的长年变化（图3）。从图3可以看出，1961年－2013年12个气象站10m高度年平均风速总体上都呈下降趋势。内蒙古四王子旗、化德，河北张北、怀来和乐亭的地面风速在60年代末和70年代初较长年平均明显偏高，70年代末以后风速一直趋于减弱。其他各气象站的地面风速长年代变化不是很明显，但总体上也是呈减弱的趋势。表1列出了12个气象站1961年－2013年平均地面风速的长年变率，可以看出，地面风速减弱最快的是内蒙古四王子旗和河北张北，大约每年减小0.047m/s；其次是内蒙古化德和河北乐亭，分别为0.040m/s/a和0.042m/s/a；年平均地面风速减弱最慢的是河北围场和丰宁，均为0.006m/s/a。气象站地面风速减弱的长期变化趋势形成的原因，有气候变化背景的作用，也有城市化给气象站周边环境带来的影响因素。总体来看，12个气象站地面风速的变化基本上是渐进的，没有看出有外力影响下的突变。尤其是在2006年－2010年风电开发突飞猛进期间，12个气象站均没有出现风速减弱速度加快的现象。这说明河北北部及周边内蒙古区域内目前规模的风电场建设，对整个区域的地面风速变化没有明显影响。

图1 2000年-2013年河北省风电累计装机容量变化

图2 北京市、天津市和石家庄市2013年12月PM10污染指数

京津冀地区污染气象条件的长期变化

通风量是描述大气对污染物稀释扩散能力的污染气象参数，数学表达为：

表1 12个气象站1961年-2013年平均地面风速（10m高度）的变率

即在混合层高度内，风速与高度乘积的总和，表达了大气动力与热力的综合作用对大气污染物的清除能力。式中VE表示通风量，是一个通量的概念，单位m2/s； u表示近地层风速，它随距离地面的高度而变化，单位m/s；H为混合层高度，与大气稳定度和地面风速有关，单位m。通风量大，说明大气可容纳污染物的空间大，也就是有利于污染物的扩散；通风量小，说明混合层高度低且水平风速小，大气可容纳污染物的空间小，扩散能力差，容易导致污染物聚集，造成大气污染。

采用北京市、天津市和石家庄市1961年－2013年地面观测定时资料，计算每天北京时02、08、14和20共4个时次的大气稳定度、混合层高度和通风量，然后逐一求取月平均通风量。图4为冬季（12月、1月－2月）北京市、天津市和石家庄市月平均通风量长年变化趋势，可以看出，从1961年－2013年北京市和石家庄市冬季月平均通风量都有下降的趋势；天津市从1961到上世纪80年代以前，冬季月平均通风量变化呈下降趋势，从21世纪初开始，冬季月平均通风量变化呈上升趋势。此外，石家庄市大气对污染物的稀释扩散能力明显比北京市和天津市差。在通风量总体降低的变化趋势下，如果城市建设规模、人口、机动车以及燃煤消耗等都还在不断增长，当大气污染物排放达到或超出大气环境容量时，城市空气质量就会对气象条件高度敏感。只要连续两三天出现不利扩散天气条件，大气污染物就在空中聚集，通过二次化学反应生成更多的细粒子，这之后天气条件有小的好转，也不足以清除已聚集的大气污染物，持续数天的霾就是这样发生的，直到一次强冷空气过境或出现有效降水，才能彻底将污染物清除。从图4可以看出，在2006年－2010年河北北部风电高速发展期间，北京市、天津市和石家庄市的通风量变化没有出现明显加快减弱的现象，说明目前河北北部风电开发对京津冀地区的重污染天气的形成没有构成影响。

国家气候中心研究得到的京津冀重污染天气的气候学成因还有：冬季降水日数明显减少；不仅地面风速减小，高空风速也在减小；对流层底层垂直逆温增强；相对湿度长年变化也呈减小的趋势，造成雾日数减少、霾日数增加。

京津冀地区大气污染排放

图4 北京市、天津市和石家庄市1961年-2013年冬季通风量长年变化

表2 河北省2006年-2012年二氧化硫、氮氧化物和烟（粉）尘排放总量和排名

表2为河北省2006年－2012年二氧化硫、氮氧化物和烟（粉）尘排放总量和在全国各省市中的排名，表中数据出自国家环保部环境统计年报（http://zls.mep.gov.cn/hjtj/ nb/2012tjnb/201312/t20131225_265552. htm）。可以看出，河北省三种主要大气污染物的排放量一直位于前列，2006年－2012年期间，二氧化硫排放量有明显减少，但年排放总量仍在120万吨以上；2011年－2012年氮氧化物和烟（粉）尘排放量有大幅度增长，氮氧化物排放量超过170万吨，烟（粉）尘排放量超过120万吨，均位于全国第一位。

根据国家环保部中国机动车污染防治年报（http://wfs.mep.gov.cn/ dq/jdc/zh/index.htm），2012年全国汽车保有量前五位的省份依次为广东、山东、江苏、浙江和河北；“黄标车”保有量前五位的省份依次为广东、山东、河北、河南和江苏。2011年－2013年，河北省机动车氮氧化物和颗粒物排放量均位于全国第一，氮氧化物年排放总量50万吨－60万吨，颗粒物年排放总量5万吨－6万吨；河北省一氧化碳和碳氢化合物排放量均位于全国第二，一氧化碳年排放总量250万吨－260万吨，碳氢化合物年排放总量30万吨－35万吨。

2014年3月8日在十二届全国人大二次会议记者会上，国家环保部副部长吴晓青在回答中外记者提问时指出，京津冀、珠三角、长三角，单位面积的污染物排放强度是全国平均水平的5倍。三大区域占全国国土面积的8%，但是却消耗了全国煤炭的43%，其中以京津冀为最大。同样在这个区域，生产了占全国55%的钢铁、40%的水泥、52%的汽柴油，这些地方主要污染物的排放量占了全国排放量的30%。

综上所述，河北省各种大气污染物的工业排放量和机动车排放量都位于全国前列、或是首位。尤其是2011年以后，氮氧化物和颗粒物或烟（粉）尘的排放量稳居全国第一位。因此，造成京津冀地区重污染天气的第一要素应该是过量的大气污染排放，相比之下，风电开发的大气污染环境影响微不足道。

结论

通过分析河北北部及周边内蒙古风电开发区域内的近53年气象站10m高度风速长年变化规律，以及近53年北京市、天津市和石家庄市通风量的长年变化规律，可以认为，到目前为止河北北部风电开发对京津冀大气污染扩散条件没有明显影响。近3年以来，京津冀地区的主要大气污染物排放量居全国首位，是导致京津冀灰霾天气频频发生的根本原因。正如国家环保部副部长吴晓青所说，重污染天气的形成，污染物排放量大是根本原因，不利于扩散的气象条件是直接原因，区域污染和本地污染的叠加是重要的因素。因此，就现阶段的持续时间长且覆盖范围大的重污染天气来说，风电开发的大气污染环境影响可以忽略不计。

(作者单位：国家气候中心)