典型燃煤电厂大气污染物沉降对周边水源地的影响及贡献研究.pdf
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1、引文格式:蔡春霞,贾晓丹,鲍国臣,等.典型燃煤电厂大气污染物沉降对周边水源地的影响及贡献研究J.西北地质,2024,57(1):6472.DOI:10.12401/j.nwg.2023128Citation:CAI Chunxia,JIA Xiaodan,BAO Guochen,et al.Impact and Contribution of Atmospheric Pollutant Depositionfrom a Typical Power Plant on Surrounding Water SourcesJ.Northwestern Geology,2024,57(1):6472.D
2、OI:10.12401/j.nwg.2023128典型燃煤电厂大气污染物沉降对周边水源地的影响及贡献研究蔡春霞1,贾晓丹2,*,鲍国臣1,曹竞心1,黄博雅1,王忠臣1(1.北京国寰环境技术有限责任公司,北京 100012;2.中国地质调查局西安地质调查中心/西北地质科技创新中心,陕西 西安710119)摘要:为揭示燃煤电厂大气污染物排放对周边水环境的影响,以典型燃煤电厂为研究对象,分析了 20082020 年电厂大气污染物(烟尘、SO2、NOx、NH3和颗粒物重金属)及电厂周边典型水库的水质,并估算了电厂大气污染物排放与水库水质的相关性及其对水库水体中硫化物、氮氧化物和重金属的贡献。结果显示,
3、20082020 年电厂烟尘、SO2、NOx和重金属(Hg、Cu、Zn、As、Cd、Cr 和 Pb)的排放量整体呈下降趋势,20152020 年 NH3的排放量呈波动状态;20082020 年黄壁庄水库入口和中心处的水质均达到地表水环境质量标准(GB 3838-2002)II 类水质标准以上,水库入口和中心处水体中的重金属含量与电厂烟尘重金属排放量呈显著相关。CALPUFF 模型结果显示,该燃煤电厂排放的 SO2、SO42、NOx、HNO3、NH3、Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 沉降到黄壁庄水库水面进入水中转化生成的水污染物 SO42、HNO3、NH3-N、Hg、As、Cd、Cr6
4、+、Cu、Pb 和 Zn 贡献浓度分别为3.35103 mg/L、5.86103 mg/L、5.88104 mg/L、3.73107 mg/L、1.32105 mg/L、7.461010 mg/L、7.56107 mg/L、2.16107 mg/L、9.48108 mg/L 和 8.66106 mg/L,各项污染物的占标率的大小排序为 HgNH3-NHNO3AsCr6+SO42PbZnCuCd。关键词:燃煤电厂;大气污染物;重金属元素;污染贡献中图分类号:X773文献标志码:A文章编号:1009-6248(2024)01-0064-09Impact and Contribution of At
5、mospheric Pollutant Deposition froma Typical Power Plant on Surrounding Water SourcesCAI Chunxia1,JIA Xiaodan2,*,BAO Guochen1,CAO Jingxin1,HUANG Boya1,WANG Zhongchen1(1.Beijing Guohuan Environmental Technology Co.Ltd,Beijing 100012,China;2.Xian Center of China Geological Survey/Northwest China Cente
6、r for Geoscience Innovation,Xian 710119,Shaanxi,China)Abstract:To reveal the impact of atmospheric pollutant emissions from coal-fired power plants on the sur-rounding water environment,a typical coal-fired power plant was used as a research object to analyze the atmo-spheric pollutants(soot,SO2,NOx
7、,NH3 and heavy metals in particulate matter)of the power plant and the water 收稿日期:2023-02-01;修回日期:2023-07-07;责任编辑:吕鹏瑞作者简介:蔡春霞(1980),女,硕士,高级工程师,研究方向为环境影响评价。Email:。*通讯作者:贾晓丹(1979),女,硕士,高级工程师,研究方向为环境资源评价与保护。Email:。第 57 卷 第 1 期西 北 地 质Vol.57No.12024 年(总 233 期)NORTHWESTERN GEOLOGY2024(Sum233)quality of ty
8、pical reservoirs around the power plant from 2008 to 2020.The correlation between atmosphericpollutant emissions from power plants and reservoir water quality and their contributions to sulfide,nitrogen ox-ide,and heavy metals in reservoir waterbodies were estimated.The results showed that the emiss
9、ions of soot,SO2,NOx and heavy metals(Hg,Cu,Zn,As,Cd,Cr and Pb)from the power plant showed an overall decreasingtrend from 2008 to 2020,while the emissions of NH3 fluctuated from 2015 to 2020.From 2008 to 2020,the wa-ter quality at the entrance and centre of the reservoir all met the Environmental Q
10、uality Standard for Surface Wa-ter(GB3838-2002).The heavy metal contents in the water at the entrance and centre of the reservoir were signif-icantly correlated with the heavy metal emissions from the power plant.The results of CALPUFF model showedthat water pollutants SO42,HNO3,NH3-N,Hg,As,Cd,Cr6+,
11、Cu,Pb,and Zn,which were transformed by SO2,SO42,NOx,HNO3,NH3,Hg,As,Cd,Cr,Cu,Pb,Zn deposited into the water surface of the reservoir from thepower plant,contributed to the concentration of 3.35103 mg/L,5.86103 mg/L,5.88104 mg/L,3.73107 mg/L,1.32105 mg/L,7.461010 mg/L,7.56107 mg/L,2.16107 mg/L,9.48108
12、 mg/L,8.66106 mg/L,respectively.The order of proportion of various pollutants to standard was Hg NH3-N HNO3 AsCr6+SO42PbZnCuCd.Keywords:coal-fired power plant;atmospheric pollutant;heavy metal element;pollution contribution中国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国,尽管能源结构在不断调整,燃煤消耗逐年减少,但燃煤仍是现阶段的主要能源,2022 年中国煤炭消费量占能源消费总量的
13、56.2%(国家统计局,2023)。电力和热力生产是燃煤消费的最主要渠道之一,燃煤电厂的主要污染物包括 SO2、NOx、烟等,可导致区域大气环境污染和酸雨等(徐钢等,2016;王永英,2019)。此外,燃煤电厂生产过程中也会释放一定含量的重金属(如 As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg 等)(车凯等,2022;顾晨等,2022),这些污染物一般会吸附于颗粒物并随之以沉降的方式进入河、湖、渠、库等地表水环境以及农田、林地等土壤环境,进而可能引起水体、土壤等污染问题,从而破坏水体和土壤生态系统平衡(郝素华等,2022;曹佰迪等,2022;蒋起保等,2022)。因此,燃煤电厂也是影响区域生态环境的重点
14、固定污染源。对于水环境而言,电厂燃煤过程中排放的 SO2、NOx等污染物可影响水体中的硫化物、硝酸盐、氨氮等指标的含量,颗粒物沉降至水体中的重金属含量也可能加重水体中重金属的含量(潘莎等,2019)。黄壁庄水库是一座以防洪为主,兼顾城市用水、灌溉、发电等综合利用的大(I)型水利枢纽工程,是海河流域河北段的重要控制性工程。同时,该水库承担着区域农业灌溉用水的任务,也是河北省重要的大型水库型水源地(王瑶等,2020)。黄壁庄水库是岗南水库向南水北调应急供水的唯一途径,其对于城市供水安全具有举足轻重的作用(康文忠,2022)。为了保护黄壁庄水库饮用水水源地,石家庄市先后出台了多项文件和政策以明确石家
15、庄黄壁庄水库饮用水水源保护区的保护级别、范围和水质保护目标。本研究中的燃煤电厂位于黄壁庄水库西侧约 2km,区域主导风向的上风向。本研究聚焦于某典型燃煤电厂相关大气污染物对于黄壁庄水库的沉降贡献,通过调查“源”的排放强度和“受体”的水环境质量,厘清并分析电厂大气污染物沉降与黄壁庄水库相关污染物的响应关系和累积效应,为科学判定燃煤电厂大气沉降入库污染负荷和影响程度提供支撑依据。1研究区概况 1.1燃煤电厂概况该燃煤电厂始建于 20 世纪 90 年代,电厂现有4330 MW 和 2600 MW 机组,总装机容量合计 2 520MW,是当地电网装机容量最大的火力发电厂之一,亦是河北省内重要的电源支撑
16、点之一。1.2水库概况黄壁庄水库位于石家庄市西部鹿泉区黄壁庄村附近的滹沱河干流上,水面面积约为 4 094 万 m2,集水面积约 23 030 km2。库区流域范围属于温带季风气候,太阳辐射季节性变化显著,地面高低气压活动频繁,四季分明,夏秋多雨,年内降水主要集中在 79 月份,占年总降水量的 70%80%。区内多年平均降水量第 1 期蔡春霞等:典型燃煤电厂大气污染物沉降对周边水源地的影响及贡献研究65 484.4 mm,最 大 降 水 量 1 211.0 mm,最 小 降 水 量220.0 mm。黄壁庄水库汇水范围内海拔 1 000 m 左右,水源地保护区制高点为驼梁山,海拔 2 281 m
17、。黄壁庄水库上游区域主要植被类型为经济林、农田耕地、草场草地、灌木丛等(董文鹏等,2022)。黄壁庄主要入库河流为滹沱河(岗黄区间段)与冶河。黄壁庄水库位于岗南水库下游,岗南水库下泄水量经滹沱河(岗黄区间)入黄壁庄水库,因此岗南水库是黄壁庄水库的重要水源补给。冶河长 39.4 km,上游有绵河和甘陶河两条支流,其中仅绵河常年有水,两条支流于北横口处汇合。黄壁庄水库的主要流域汇水范围包括滹沱河、冶河、牧马河、绵河、清水河、乌河、松溪河、阳武河、云中河、永兴河、龙华河、南甸河、温河、桃河、南川河、甘陶河。研究区位置见图 1。01.53.0 km黄壁庄水库范围N图1研究区位置图Fig.1The lo
18、cation of the study area 2材料与方法 2.1样品采集与测试对 20082020 年黄壁庄水库入口和中心监测点位的水质进行逐月监测,主要监测指标包括 pH 值、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、挥发酚、总磷、化学需氧量、阴离子洗涤剂、石油类、硫化物、铜、锌、总氰化物、氟化物、总砷、总汞、六价铬、总铅、总镉和硒等 21 项,主要的测试方法以 X 射线荧光光谱法(XRF)、原子荧光光谱法(AFS)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)为主。燃煤电厂污染物排放数据来自 20082020 年在线监测数据,数据来源符合固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测技
19、术规范(HJ75-2017)和固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法(HJ76-2017)。2.2相关性分析由于 Spearman 相关分析模型对数据条件的要求较低,适用范围较广,可满足数据条件(周永江等,2020)。因此,相关性分析首先采用 SPSS 22 软件中的 Spearman 相关分析模型对电厂排放大气污染物总量与对应黄壁庄水库水质指标进行相关性分析,具体计算公式如下:=16d2in(n21)(1)式中:为相关系数,di为两个随机变量的第 i 个取值的差值,即 di=XiYi,1in;n 为样本容量。若 介于 01 之间,则变量间存在正相关关系;若
20、 介于10 之间,则变量间存在负相关关系。的绝对值越接近 1,表明变量之间的相关性越强。2.3CALPUFF 模型由于该燃煤电厂排放的大气污染物 SO2、NO2进入大气后转化成中间污染物硫酸盐和硝酸盐,因此本次预测需模拟中间产物硫酸盐、硝酸盐沉降量(于洋,2012;冯紫艳,2013);结合本次模拟干湿沉降及预测范围(城市尺度)等预测特征,故选择 CALPUFF 模型。CALPUFF 模拟系统包括诊断风场模型 CALMET、高斯 烟 团 扩 散 模型 CALPUFF 和 后 处 理 软 件 CAL-POST 等 3 部分。CALMET 利用质量守衡原理对风场进行诊断,输出包括逐时风场、混合层高度
21、、大气稳定度(PGT 分类)、微气象参数等;CALPUFF 模式可运用于静风、复杂地形等非定常条件;CALPOST 为计算结果后处理软件,对 CALPUFF 计算的浓度进行时间分配处理,并计算出干(湿)沉降通量、能见度等(卢燕宇等,2017)。CALPUFF 基本原理为高斯烟团模式,利用在取样时间内进行积分的方法来节约计算时间,输出主要包括地面和各指定点的污染浓度;烟团分裂利用采样函数方法对烟团的空间轨迹、浓度分布进行描述;烟云抬升采用 Briggs 抬升公式(浮力和动量抬升),考虑稳定层结中部分烟云穿透,过渡烟云抬升等因素(邹伟等,2010)。2.4贡献浓度计算 2.4.1污染物大气沉降-水
22、体转化系数假设水库垂直上空大气中的污染物在整个水体为均匀分布,则大气沉降的污染物通量转换到水体中的浓度 CT可按如下公式计算:66西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2024 年CT=FtSwT/V(2)式中,CT(mg/L)为大气沉降的污染物通量转换到水体中的浓度;Ft(mg/(m2d)为总沉降通量;Sw(km2)为水域面积;V(m3)为水库库容;Tn(无量纲)为转换系数,按照大气污染物与水污染物分子量折算,n 为 SO2、NO2、NH3、重金属(Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn)等。2.4.2污染物土壤-水体转化系数依据对浙江省老虎滩水库流域的研究建立的源头溪流一维水质
23、模型(金树权,2008),并以此为基础建立了入河系数多目标优化模型。水质模型见下式。Le=ni=1qieknj=1lj+Lnkl(1ekl)+CbQekl(1ekl)(3)式中,Le为段末污染物月平均输入负荷(kg/mon);k 为单位河段污染物平均综合降解系数(1/km);l 为河段总长度(km);li为第 i 个点源污染排放口离河流段末的长度(km);qi为第 i 个点源污染物月排放量(kg/mon);Ln为流域内面源污染物月入河量(kg);Cb为污染物环境背景浓度(mg/L),Qe为河流月累计流量(m3/mon)。本研究只考虑面源污染项 Ln/kl*(1ekl)。根据该研究建立的模型,面
24、源污染物输入负荷受污染物综合降解系数和面源污染物入河量的影响(宋保平等,2013)。本研究按沉降到黄壁庄水库补给河流全部汇水区域的污染物经地表径流、补给方式全部进入黄壁庄水库考虑,忽略水污染物在迁移过程中的衰减。3结果与讨论 3.1大气沉降污染物排放状况根据河北省地方标准燃煤电厂大气污染物排放标准(DB 13/2209-2015)和地表水环境质量标准(GB 3838-2002),以常见的燃煤电厂大气污染物为主要指标,结合地表水环境和燃煤中均包含的重金属元素(王毓秀等,2019),通过烟尘、SO2、NOx、NH3、Hg、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr 等排放量明确大气沉降污染物的排放状况。电
25、厂污染物排放数据采用在线监测系统监测数据。20082020 年该电厂的烟尘、SO2、NOx、NH3、Hg、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr 年均排放量(图 2)分别为 1 271.00 t/a、4 649.81 t/a、11 411.30 t/a、68.50 t/a、0.21 t/a、0.22 t/a、4.86 t/a、0.15 t/a、1.27 kg/a、0.42 t/a、0.07 t/a,电厂的烟尘排放量在 2009 年之后逐年降低,SO2和 NOx排放量在 20122017 年有所降低,20082020 年电厂烟尘、SO2和 NOx的排放量整体呈下降趋势,20152020 年 NH3的
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