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文摘 本论文一宜昌市大气环境容量及污染防治研究是按照国家环保总局环办 2 0 0 3 1 号文“国家环境保护总局办公厅关于大气污染防治重点城市限期达标工作 的通知”要求开展的课题研究,该通知要求全国1 1 3 个重点城市都要进行大气环境容 量测算,开展环境质量全面达标工作。本课题的完成对于切实摸清宜昌市中心城区大 气环境容量和污染物总量控制指标的分配,指导宜昌市工业结构的优化布局,调整城 市能源结构和交通格局,减少酸雨频率和降低酸雨强度,为各级领导部门决策、设计、 环境管理提供科学依据具有重要意义,为即将开展的“十五”环境保护工作和宜昌 市创建国家环境保护模范城市奠定基础。 通过大量废气污染源及其污染物调查,摸清了全市污染源分布、主要结构特点, 弄清了近四年( 2 0 0 0 2 0 0 3 年) 污染物排放情况及其变化规律,客观地分析了宜昌市 城市环境空气污染成因、存在的主要环境问题及发展趋势;应用系统分析的方法和通 过建立数学模型,采用三轴风速仪和平衡球实测大气扩散参数,划分气象区块和气象 台站数据相关性分析等技术处理,采用预测值与观测值之比、概率模式有效性的预测 值与观测值之比、线性相关性分析、符合度d 并结合均方误差4 种模式有效性检验方 法,给出了宜昌市城市空气质量一污染源一气象条件之间的输入响应关系;以a p 值法宏观总量控制量为限定条件之一,综合宜昌市近期和远期经济发展规划、城市发 展战略、城市工业布局、城市能源结构调整以及宜昌市城市功能区划等因素,提出了 四种城市空气污染控制方案,采用线性规划法和多种源削减方案分别计算出了不同控 制方案下的大气环境容量,详细分析了每一种控制方案的现实意义、实旌的可能性及 不足之处,最终优选出一种“以人为本”、顺应宜昌市城市经济、社会发展需要,符 合宜昌市实际发展要求的首选方案“综合整治+ 分片清洁能源替代+ 天然气普及方 案”,该方案s 0 2 最终环境容量为1 8 2 0 0 6 9 吨,在a p 值法理想环境容量2 2 8 1 0 吨范 围内,从容量利用角度考虑并不是最理想的,但中心城区真正实现了环境空气质量的 改善;为实现控制方案,提出了六大空气污染控制任务,并拟定了重点污染源综合整 治、天然气接入和液化气整治洁净燃料工程、建设高污染燃料禁燃区、空气环境自动 l 一 茎堡三壁查堂旦箜堂查墨婴圭堂垡堡塞 监测系统、重污染源搬迁、扬尘污染控制、治理机动车尾气等7 类4 5 项改善空气质 量等重点工程,工程总投资1 3 4 3 亿元。 本人既是宜昌市大气环境容量及污染防治研究课题的第一技术负责人也是总 负责人。本课题的主要创新点包括: ( 1 ) 首次采用大量数据详细、客观、全面地分析了宜昌市城市污染源结构、城 市环境空气污染现状以及环境空气污染成因,剖析了城市能源体系、城市交通、城市 资源和城市结构方面存在的问题。 ( 2 ) 考虑到宜昌市位于长江沿岸,城市呈狭长型布置,主导风向与城市走向趋 于平行,且城区最东端的犹亭区位于城市的上风向,是宜昌市的工业区,与宜昌市气 象站所处地理环境有较大差异。本次工作期间采用两种方法对局地流场特征进行了分 析,一是采用b a r e s 插值法分析了中尺度平均流场分布情况,其二是采用平衡球轨迹 法分析了局地流场及烟流轴线高度层流场特征。 ( 3 ) 由于宜昌地区和本次研究范围下垫面特殊,没有较成熟的大气扩散参数可 供选择,本论文研究期间做了大气扩散实验,对3 0 m 以下污染源大气扩散参数采用 三轴风速仪测定和大于3 0 m 污染源大气扩散参数采用平衡球观测计算,拟合了适宜 宜昌市城区的大气扩散参数。并结合国标值g b 厂r 1 3 2 0 1 9 l 参数选择及提级方案,提 出了宜昌市城区扩散参数选取及提级方案:对高架源,5 0 0 m 以内按国标值向不稳定 方向提一级,5 0 0 m 以外按国标值向不稳定方向提半级;对低架源,1 0 0 0 m 以内向不 稳定方向提一级半,1 0 0 0 m 以外向不稳定方向提一级。 ( 4 ) 在系统分析的基础上,首次给出了宜昌市城区大气污染物排放与环境保护 目标之间的输入响应关系。 ( 5 ) 采用a p 值法和系统分析方法科学测算了区域大气环境容量,提出了顺应 宜昌市城市建设、经济和社会发展需要的“以人为本”目标控制总量,并分配到了源; 在“控源”途径上,利用总量控制和容量控制相结合、结构调整和技术改造相结合、 清洁能源替代和强化监管手段相结合的综合防治手段,操作性强、针对性强,最大限 度地实现经济发展和环境保护的良性循环,真正实现城市的可持续发展。 关键词:容量总量控制系统分析方法对策措施 a b s t r a c t a b s t r a c t a m b i e n ta i rc a p a c “ya i l dp o l l u t i o nc o l l t l o lo fy i c h a n gc i t yi ss n l d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i i l gt ot h en o 1c i r c u l a ro f 2 0 0 3i s s u c db yb l l r e a uo fs t a t ee i i r o 姗e n t a lp r o t e c t i o n a d f n i l l i s 眦i o 扎w m c hs a y s :e a c ho ft 1 1 e11 3m 8 i o fc i t i e si f lc 1 i n as h o u 】dw o r ko u tm e 锄b i e n ta i rc a p a c i t ys e p 删e l ya n di t sa i rq u a l i t ys h o u l dc o m p l e t e l ym e e t st l l er e l a t e d n a t i o n a la n dl o c a ls 恤d a r d s t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h i sp 印e rh a sh i p 蛳yt h e o r e t i ca n d p r a c t i c a ls i 嘶f i c a n c ea sf 0 l l o w s :m ed i s t r i b u t i o no f 锄b i e n ta i r 唧a c i t ya n dm ei n d e xo f t o t a la m o u mc o n t r o li nc e n 删c i t yc a nb ed i s t i i l c t l yk n o w n ,w h a t sm o r e ,i t sag r o o d g u i d e l i n e st oh o wt oo 口t i m i z et l l ei n d l l s 订i a ls 仃u c t l l r ea n dh o wt oa d i u s tt r a m c 趾de 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l e m sa i l dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fa m b i e n ta i rp o l l u t i o n a r eo b i e c t i v e l ya n a l y z e d t h ei n p u t o u t p u tr e s p o n s er e l a t i o n s h i po f 锄b i e n ta i rq u a l i t y a i r p o l l 砸o ns o u r c e s - m e t c o r o l o g i cc o n d m o n si ss e tu pt l l :r o u 曲s y s t e m sa i l a l y s i sm e m o d s 、 m a t l l e m a t i c a lm o d e j 、a e r j a ld i s p e r s i o np a l a m e t e rm e a s u r e db yt 量l r e e a x i sa n 锄o s c o p ea n d b a l a i l c e - b a u 、m e t e o r o l o g i cz o n e 、c o r r e l a t i o na n a l y s i so f m e t e o r o l o g i cc o n 出t i o nm e 船州 b ym e t e o r o g i cs t a t i o n s 锄d4w a y so fv a l i d i 蚵d e t e c t i o nm e m o d s ( t l l er a t i oo ff o r e c a s tv a l u e t oo b s e n ,a t i o nv a l u e 、m t i oo ff o r e c 私tv a l u et oo b s e r v 砒i o nv a l u eo fp r o b a b i l i 乜rm o d c v a l i d i t y 、l j n e a rc o r r e l a t i o na t l a l y s i s 、c o n f o f n l 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i t ya r e s t u d i e do u t ,i n c l u d i n gk e yp o l l u t i o ns o u r c e st r e a t m e n t 、s u b s t i t u t ea sc l e a ne n e r g y 、 b u i i d i n gh i g h p o i l u t i o nf i l e if o r b i d d e na r e a 、a i ra u t o m o i l i t o rs y s t e m 、r e h o l l s i n go fk e y p o u 埘o ns o u r c e s 、t h ec o n t r 0 1o f d u s t 、订即吡n e mo f v e h i c l ee m i s s i o n sa n ds oo n ,a n dm e 一 武汉工程大学同等学力人员硕士学位论文 g r o s s i n v e s t n l e n to f t h i sp r o j e c ti s1 3 4 3b i l l i o ny u a n ia mi nc h a r g eo f “sp 州e c ta n da l s ot l l ec h i e ft c c l l i l i c i a l l t h ei n a i ni 1 1 i l o v a t i o n so f t 1 1 i s p a p e ra r e 船f o l l o w s : ( 1 ) t h ep a p e ro b j e c t i v e l ya n dm u n d l ya l l a l y z e st h es 佻c t l l r eo fp o l l 砸0 ns o u r c e s 、 t h ep r e s e n ts i t i l a t i o no fa i rp o l l 埘o na n dt h ec a u s eo fa i rp o l l u t i o ni n c h 吼gc i t y , m e a 聃d l i l e 锄l y z e s 也ep r o b l e m so ne n e r g y 、昀f f 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本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名嘻以 坷年】工月jo 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定, 即:我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密以 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名爱“l 枷。r 年i 硐l o 日 指导教师签名:刍、i 舌致 h 广年蜩jj 日 1 1 研究背景 第一章导论 ( 1 ) 国家总体战略部署 “十五”期间,国家制定了大气污染防治重点城市划定方案,并划定了1 1 3 个 大气污染防治重点城市,包括各直辖市、省会城市、沿海开放城市、重点旅游城市以 及经济特区城市、目前大气环境质量超标但有望在2 0 0 5 年达标的城市和一些急需加强 保护的文化、旅游城市等共1 1 3 个。作为世界上最大的水电城市、三峡库区重要的旅 游城市以及酸雨频率居高不下的宜昌市被列为此次大气污染防治熏点城市之一。要实 施对大气环境的有效控制和监督管理,基础工作之一就是要确定区域所具有的环境容 量,因此,国家环保总局于2 0 0 3 年1 月6 日以环办 2 0 0 3 1 号文“国家环境保护总 局办公厅关于大气污染防治重点城市限期达标工作的通知”对重点城市开展大气环境 容量测算工作做出了具体部署。 2 0 0 3 年9 月,国家环保总局根据“十六大”提出的全面建设小康社会的总体目标, 国家环境保护“十五”规划中明确提出“到2 0 0 5 年,使1 1 3 个重点城市环境质量率先 得到明显改善”的要求,决定在1 1 3 个环境保护重点城市中开展环境质量全面达标工 作。对于城市环境空气质量,明确提出了以保障空气污染排放和环境空气质量达标为 基本目标,以“控源”为主要途径,重点关注主要污染源及主要污染物,利用总量控 制和容量控制相结合、结构调整和技术改造相结合的综合防治手段,最大限度地实现 经济发展和环境保护的良性循环,真j 下实现城市的可持续发展。 ( 2 ) 宜昌市城市可持续发展的客观需要 随着三峡工程的建设,宜昌市迎来了第三次经济振兴的良好机遇、处于城市转型 和结构调整的关键时期。由过去单一的“工业强市”到目前同时提出的“三产兴城”、 “科教兴市”发展理念,进一步完善城市功能区划,调整城市及产业结构,走新型工 业化道路1 1 2 1 。 新的一轮城市规划修编确定宜昌市城市定位为:世界著名的水电能源基地和旅游 墓竖三里查堂旦竺堂垄墨堡主兰堡垒兰 一 一一 名城,长江中上游的中心城市之一,湖北省域副中心城市。城市将具备作为依托三峡 及水电的世界著名旅游城市职能,作为世界著名的水电能源基地城市职能,作为长江 中上游区域的交通及流通中心职能,作为长江中上游区域的重要制造业基地职能,作 为湖北省域副中心城市职能,作为市域政治、经济、文化、信息中心职能”j 。 在城市功能结构上:市中心区按照建设水电旅游名城的目标和“拓宽骨架、完善 功能、突出特色、提高水平”的要求,高起点规划、建设和管理城市。构筑以市中心 区为中心,以长江、宜黄高速公路和沪蓉高速公路、焦枝铁路、沿江铁路等水陆交通 干线为依托的城镇群,形成以高速通道相连、成片绿地相间、市中心区和卫星城镇共 同发展的格局,建设最适宜人类居住的山水旅游城市。目前宜昌开发区和犹亭开发区 合并、正是经济技术开发区的优化与整合的有力步骤【4 5 】。 在产业结构上,全市产业结构战略性调整按照巩固加强第一产业、调整优化第二 产业、突破性发展第三产业的总体要求,以市场为导向,以增强市场开拓能力和竞争 力为目标,在发展中推进结构调整,在结构调整中保持快速发展,重点建设“六大工 业优势产业”、“五大服务业区域中心”,促进三次产业协调发展【4 j 。 宜昌市城市功能和产业结构的转型,对城市环境有更高的要求,城市环境功能也 将随着调整,也必将带动城市能源结构的重大转变,因此,确定科学的环境容量,切 实摸清宜昌市中心城区大气环境理论容量以及各污染源总量控制负荷指标的分配,实 施科学、公正的污染物排放总量控制,指导宜昌市工业结构的优化布局,调整城市能 源结构,减少酸雨频率和降低酸雨强度,改善宜昌市城市大气环境质量,指导城市可 持续发展具有重要意义。 1 2 课题研究的必要性 ( 1 ) 宜昌市城市规划与城市发展现状矛盾同益突出,城市环境规划已不适应并阻 碍了可持续发展。 现行的宜昌市环境保护规划于1 9 9 8 年经宜昌市人民政府批准实施,其城市体系及 工业发展规划为:中心城区工业向轻型化、技术密集型转化,原污染严重的化工、医 药、造纸、水泥等行业逐步迁出中心区;伍家岗区以发展纺织、轻工为特色的工业企 一 导论 业,兼营冶金、化工等;万寿桥形成发展多门类的综合工业地带,以技术改造为主; 宜昌经济技术开发区以发展电子、精细化工、生物工程、食品等技术密集型工业企业; 犹亭作为宜昌市新开辟的工业基地,南部以化工、机械、建材工业为主,北部发展通 讯、电子、生物等无污染工业;江南点军及艾家镇主要发展地方小型工业,包括农副 产品加工和移民安罱项目等【5 1 。2 0 0 0 年年底前,宜昌市在实施“一控双达标”和城市 环境综合治理工作中,将中心城区污染较重的化工、水泥等6 6 家企业搬迁出了中心区, 经过近几年的发展;伍家岗区纺织、轻工业发展迅速,宜昌经济技术开发区也逐步形 成了电子、生物工程、食品等技术密集型工业企业;犹亭在化工、机械、建材行业和 通讯、电子等领域取得飞速发展;江南点军及艾家镇主要发展地方小型工业,包括农 副产品加工和移民安置项目等【6 】。 但中心城区主要医药、造纸等污染大户依然存在;万寿桥工业企业逐步减少,正 形成为轻工、住宅为主的生括小区;江南点军区除发展地方小型工业、农副产品加工 外,部分高能耗企业也正在崛起。而区域和城市环境规划并没有随着工业用地发展格 局相应变化,制约了区域和城市的发展。 ( 2 ) 能源结构发生了重大变化,高污染燃料消耗和交通车保有量逐年递增,城市 环境空气污染类型发生了转变。 宜昌市的能源结构以煤、电、液化石油气和石油为主。以2 0 0 3 年为例,全市能源 消费情况为:原煤4 3 6 5 1 2 3 t ,洗精煤2 4 7 7 8 6 t ,焦炭5 9 0 3 4 t ,燃料油1 2 5 3 9 9 c ,汽油4 9 7 5 t , 煤油1 3 0 3 t ,柴油1 5 0 4 0 t ,液化石油气1 0 4 1 2 t ,热力6 7 3 0 8 8 7 g j ,电力4 9 8 7 3 0 万k w _ h 。 2 0 0 3 年宜昌市的能源产量为;发电量2 9 4 7 9 亿k w h ,原煤1 2 3 万t ,焦炭1 7 6 万t 左 右。除电能以外,其它能源存在很大缺口,煤炭、石油和液化石油气均须从外地购入, 且城市能源消费结构不合理,除部分居民用液化石油气外,工业和公共建筑基本上以 原煤为主,能源热效率低。根据宜昌市统计局2 0 0 3 年城区居民能耗使用情况调查【7 j , 5 4 的住户使用管道煤气,4 3 的用户使用液化石油气,只有3 的居民使用燃煤,其 中管道煤气使用范围局限在城区伍家岗区、西陵区和宜昌市经济技术开发区,而位于 城市南端的猿亭区使用液化石油气和煤炭作为生活燃料。与“九五”初期的1 9 9 6 年相 比,除柴油、汽油消耗量有所下降外,其它能源消费均有较大幅度增加,其中原煤增 长1 6 7 倍,燃料油增长1 7 2 倍,煤油增长1 1 9 倍,液化石油气增长o 3 4 倍,热力增 武汉工程大学同等学力人员硕士学位论文 长1 4 2 倍,电力增长o 7 2 倍。 近年来,宜昌市城市交通发展迅速,1 9 9 6 年城区各类交通车辆保有量为1 5 3 9 6 辆, 其中客车总数7 1 9 9 辆、货车总数8 1 9 7 辆,年汽油和柴油消耗总量约2 3 5 0 0 t ;到2 0 0 3 年,宜昌市城区各类交通车辆保有量达到2 2 1 0 9 辆,其中客车1 0 1 6 l 辆、货车1 1 0 6 3 辆、其它车辆8 8 5 辆,年汽油和柴油消耗总量约3 4 0 1 4 t 【 。根据不同机动车常态下污染 物排放系数估算,2 0 0 3 年机动车尾气污染物排放量分别为n o x4 9 4 0 妇、c o5 0 7 9 0 “a 、 t h c6 0 4 0 妇。参考最近几年北京市、广州市、上海市、济南市和重庆市对城区道路大 气环境的研究成果,机动车辆尾气对城区道路环境质量的污染分担率n 0 x 在2 2 s 6 3 之间、c o 在7 6 9 6 之间、t h c 在3 6 6 9 2 0 之间,其中重庆市分担率n o x 为8 6 3 、 c o 为8 5 8 、h c 为3 6 6 ,宜昌市交通道路等级、主干道车流量、路面状况等与重 庆市类似,而宜昌市交通主干道之间间距小,区域车流密度相对较高,对局地环境空 气的污染贡献较大。从近年来城区环境空气污染负荷的估算结果以及污染源来源分析, 机动车尾气越来越成为城区不可忽视的重要污染源。 由于能源结构的限制,宜昌市城市大气污染以煤烟型为主。2 0 0 3 年,宜昌市中心 城区s 0 2 和烟尘排放量分别为1 9 8 0 9 吨和7 0 8 l 万吨1 8 】占全市总量的3 1 5 和1 6 , 其中生活污染源中s 0 2 和烟尘排放量分别为2 1 6 2 吨和4 5 1 万吨,分别仅占总排放量的 1 0 9 1 ( s 0 2 ) 和6 3 6 ( 烟尘) 。工业废气污染是全市环境空气的主要污染因素。 目前,国务院提出的“川气东输”构想一长输管线天然气工程“忠汉”线正在实 施中,预计2 0 0 4 年底通气,宣昌市中心城区是该气源的用户之一。到2 0 0 8 年,该工 程气化人口达到3 9 2 8 万人,折合1 1 8 4 万户,使城区居民气化率达到5 3 ,设计供气 规模2 9 8 1 0 4 m 3 d ( 9 5 5 1 9 万m 3 a ) ,其中居民用户2 9 9 0 5 万m 3 a ,公共建筑用户9 2 7 1 万m 3 a ,小工业用户3 4 0 3 0 万m 3 ,a ,c n g 汽车1 7 2 4 0 万m 3 a ,单元采暖等5 0 7 4 万 m 3 a ( 9 l o j 。由于天然气污染少、热值高、易于输送,是城市燃气中最理想的气源,可以 预见,该工程实施后,必将推动宜昌市能源结构更大、更深入的革新,对促进全方位 的发展起到重要作用。 ( 3 ) 长期以来我国实行的是计划总量,不能真正反映区域实际容量和污染水平。 1 9 9 3 年,国家环保局提出污染控制“从单纯浓度控制向浓度控制与总量控制相结 合转变【1 1 ,1 2 】;1 9 9 5 年1 0 月2 4 日,国家环保局提出了全国主要污染物排放总量控 j 4 p _ 。 导论 制思路框架,要求到2 0 0 0 年要把污染物排放量冻结在1 9 9 5 年的水平,同时要根据不 同时期、不同地区的情况,制定相应的控制指标咀及排放总量控制指标体系和管理办 法。然而,“九五”、“十五”期间各地执行的污染物排放总量没有与区域环境容量紧密 结合,控制总量只是1 9 9 5 年底各企业污染物达标( 或非达标) 排放量,并不是真正意 义上的区域环境容量,目前核发的排污许可证及污染物排放总量指标仍然只是“计划 总量”指标的延续,更不可能与区域环境质量相匹配。 ( 4 ) 目前实施的环境管理是基于“浓度”控制为核心的管理体系,总量控制管理 并没有发挥同浓度控制管理相一致的双刃剑作用【1 3 1 。 在过去十几年时间内,中国的污染控制战略主要是依靠污染物浓度排放标准,即 通过控制污染物的排放浓度来实施环境政策和环境管理。浓度控制需要的脏测设备简 单、实施管理方便、对管理人员水平要求不高,适合中国经济发展的实际状况,对控 制污染起了相当重要的作用。 例如排放标准主要是浓度标准;排污费是依据排放污染物的浓度为基准征收的: 环境监测也主要是监测排放污染物的浓度水平。浓度标准是为控制各个污染源的排放 而制定的,没有和环境中的污染物浓度( 污染物排放量) 相联系,因而不能保证环境质量 水平;浓度标准没有考虑污染源的处理能力,使得按浓度排放标准削减污染物排放量 时,在污染源之间削减成本分布可能不合理,为了达到同样的排放标准,有些企业费 用过高,有些过低;浓度标准也没有和环境容量相联系,在某些地区,如果环境容量 未被充分利用,按照排放标准管理污染源的排放,就会过度处理,造成自然资源的浪 费。由于正在执行的“计划总量”与环境质量之间没有必然的对应关系,且实施总量 监控必须的技术装备还不完善,因此,总量控制实质上没有发挥应有的作用。 在管理功能上,中国实行的八项制度同总煮控制都有不同程度的联系【1 2 】,其中以 总量控制为核心的只有排污收费制度和排污许可证制度,因此,在总量控制还不完善 的今天,总量控制主要为排污收费提供了支撑;反过来,通过排污收费的筹资功能为 实施总量控制提供了必要的资金支持,通过排污收费的激励功能也为实施总量控制提 供了政策手段。 武汉丁程大学同等学力人员硕士学位论文 1 3 课题研究的重要意义 ( 1 ) 该研究课题的完成对于切实摸清宜昌市中心城区大气环境理论容量、受纳区 域容许纳污量、控制区域容许排污量以及各污染源总量控制负荷指标的分配,实施科 学、公正的污染物排放总量控制,指导宜昌市工业结

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