典型燃煤電廠大氣污染物沉降對周邊水源地的影響及貢獻研究

蔡春霞，賈曉丹，鮑國臣，曹競心，黃博雅，王忠臣

（1.北京國寰環境技術有限責任公司，北京 100012；2.中國地質調查局西安地質調查中心/ 西北地質科技創新中心，陜西 西安 710119）

中國作為世界上最大的煤炭生產國和消費國，盡管能源結構在不斷調整，燃煤消耗逐年減少，但燃煤仍是現階段的主要能源，2022 年中國煤炭消費量占能源消費總量的56.2%（國家統計局，2023）。電力和熱力生產是燃煤消費的最主要渠道之一，燃煤電廠的主要污染物包括SO2、NOx、煙等，可導致區域大氣環境污染和酸雨等（徐鋼等，2016；王永英，2019）。此外，燃煤電廠生產過程中也會釋放一定含量的重金屬（如As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg 等）（車凱等，2022；顧晨等，2022），這些污染物一般會吸附于顆粒物并隨之以沉降的方式進入河、湖、渠、庫等地表水環境以及農田、林地等土壤環境，進而可能引起水體、土壤等污染問題，從而破壞水體和土壤生態系統平衡（郝素華等，2022；曹佰迪等，2022；蔣起保等，2022）。因此，燃煤電廠也是影響區域生態環境的重點固定污染源。對于水環境而言，電廠燃煤過程中排放的SO2、NOx等污染物可影響水體中的硫化物、硝酸鹽、氨氮等指標的含量，顆粒物沉降至水體中的重金屬含量也可能加重水體中重金屬的含量（潘莎等，2019）。

黃壁莊水庫是一座以防洪為主，兼顧城市用水、灌溉、發電等綜合利用的大（I）型水利樞紐工程，是海河流域河北段的重要控制性工程。同時，該水庫承擔著區域農業灌溉用水的任務，也是河北省重要的大型水庫型水源地（王瑤等，2020）。黃壁莊水庫是崗南水庫向南水北調應急供水的唯一途徑，其對于城市供水安全具有舉足輕重的作用（康文忠，2022）。為了保護黃壁莊水庫飲用水水源地，石家莊市先后出臺了多項文件和政策以明確石家莊黃壁莊水庫飲用水水源保護區的保護級別、范圍和水質保護目標。本研究中的燃煤電廠位于黃壁莊水庫西側約2km，區域主導風向的上風向。

本研究聚焦于某典型燃煤電廠相關大氣污染物對于黃壁莊水庫的沉降貢獻，通過調查“源”的排放強度和“受體”的水環境質量，厘清并分析電廠大氣污染物沉降與黃壁莊水庫相關污染物的響應關系和累積效應，為科學判定燃煤電廠大氣沉降入庫污染負荷和影響程度提供支撐依據。

1 研究區概況

1.1 燃煤電廠概況

該燃煤電廠始建于20 世紀90 年代，電廠現有4×330 MW 和2×600 MW 機組，總裝機容量合計2 520 MW，是當地電網裝機容量最大的火力發電廠之一，亦是河北省內重要的電源支撐點之一。

1.2 水庫概況

黃壁莊水庫位于石家莊市西部鹿泉區黃壁莊村附近的滹沱河干流上，水面面積約為4 094 萬m2，集水面積約23 030 km2。庫區流域范圍屬于溫帶季風氣候，太陽輻射季節性變化顯著，地面高低氣壓活動頻繁，四季分明，夏秋多雨，年內降水主要集中在7～9 月份，占年總降水量的70%～80%。區內多年平均降水量484.4 mm，最大降水量1 211.0 mm，最小降水量220.0 mm。黃壁莊水庫匯水范圍內海拔1 000 m 左右，水源地保護區制高點為駝梁山，海拔2 281 m。黃壁莊水庫上游區域主要植被類型為經濟林、農田耕地、草場草地、灌木叢等（董文鵬等，2022）。黃壁莊主要入庫河流為滹沱河（崗黃區間段）與冶河。黃壁莊水庫位于崗南水庫下游，崗南水庫下泄水量經滹沱河（崗黃區間）入黃壁莊水庫，因此崗南水庫是黃壁莊水庫的重要水源補給。冶河長39.4 km，上游有綿河和甘陶河兩條支流，其中僅綿河常年有水，兩條支流于北橫口處匯合。黃壁莊水庫的主要流域匯水范圍包括滹沱河、冶河、牧馬河、綿河、清水河、烏河、松溪河、陽武河、云中河、永興河、龍華河、南甸河、溫河、桃河、南川河、甘陶河。研究區位置見圖1。

圖1 研究區位置圖Fig.1 The location of the study area

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

對2008～2020 年黃壁莊水庫入口和中心監測點位的水質進行逐月監測，主要監測指標包括pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、揮發酚、總磷、化學需氧量、陰離子洗滌劑、石油類、硫化物、銅、鋅、總氰化物、氟化物、總砷、總汞、六價鉻、總鉛、總鎘和硒等21 項，主要的測試方法以X 射線熒光光譜法（XRF）、原子熒光光譜法（AFS）和電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）為主。

燃煤電廠污染物排放數據來自2008～2020 年在線監測數據，數據來源符合《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續監測技術規范》（HJ75-2017）和《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續監測系統技術要求及檢測方法》（HJ76-2017）。

2.2 相關性分析

由于Spearman 相關分析模型對數據條件的要求較低，適用范圍較廣，可滿足數據條件（周永江等，2020）。因此，相關性分析首先采用SPSS 22 軟件中的Spearman 相關分析模型對電廠排放大氣污染物總量與對應黃壁莊水庫水質指標進行相關性分析，具體計算公式如下：

式中：ρ 為相關系數，di為兩個隨機變量的第i個取值的差值，即di=Xi-Yi，1≤i≤n；n為樣本容量。若ρ介于0～1 之間，則變量間存在正相關關系；若ρ 介于-1～0 之間，則變量間存在負相關關系。ρ 的絕對值越接近1，表明變量之間的相關性越強。

2.3 CALPUFF 模型

由于該燃煤電廠排放的大氣污染物SO2、NO2進入大氣后轉化成中間污染物硫酸鹽和硝酸鹽，因此本次預測需模擬中間產物硫酸鹽、硝酸鹽沉降量（于洋，2012；馮紫艷，2013）；結合本次模擬干濕沉降及預測范圍（城市尺度）等預測特征，故選擇CALPUFF 模型。CALPUFF 模擬系統包括診斷風場模型CALMET、高斯煙團擴散模型CALPUFF 和后處理軟件CALPOST 等3 部分。CALMET 利用質量守衡原理對風場進行診斷，輸出包括逐時風場、混合層高度、大氣穩定度（PGT 分類）、微氣象參數等；CALPUFF 模式可運用于靜風、復雜地形等非定常條件；CALPOST 為計算結果后處理軟件，對CALPUFF 計算的濃度進行時間分配處理，并計算出干（濕）沉降通量、能見度等（盧燕宇等，2017）。

CALPUFF 基本原理為高斯煙團模式，利用在取樣時間內進行積分的方法來節約計算時間，輸出主要包括地面和各指定點的污染濃度；煙團分裂利用采樣函數方法對煙團的空間軌跡、濃度分布進行描述；煙云抬升采用Briggs 抬升公式（浮力和動量抬升），考慮穩定層結中部分煙云穿透，過渡煙云抬升等因素（鄒偉等，2010）。

2.4 貢獻濃度計算

2.4.1 污染物大氣沉降-水體轉化系數

假設水庫垂直上空大氣中的污染物在整個水體為均勻分布，則大氣沉降的污染物通量轉換到水體中的濃度CT可按如下公式計算：

式中，CT（mg/L）為大氣沉降的污染物通量轉換到水體中的濃度；Ft（mg/（m2·d））為總沉降通量；Sw（km2）為水域面積；V（m3）為水庫庫容；Tn（無量綱）為轉換系數，按照大氣污染物與水污染物分子量折算，n 為SO2、NO2、NH3、重金屬（Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn）等。

2.4.2 污染物土壤-水體轉化系數

依據對浙江省老虎灘水庫流域的研究建立的源頭溪流一維水質模型（金樹權，2008），并以此為基礎建立了入河系數多目標優化模型。水質模型見下式。

式中，Le為段末污染物月平均輸入負荷（kg/mon）；k為單位河段污染物平均綜合降解系數（1/km）；l為河段總長度（km）；li為第i 個點源污染排放口離河流段末的長度（km）；qi為第i 個點源污染物月排放量（kg/mon）；Ln為流域內面源污染物月入河量（kg）；Cb為污染物環境背景濃度（mg/L），Qe為河流月累計流量（m3/mon）。

本研究只考慮面源污染項Ln/kl*（1-e-kl）。根據該研究建立的模型，面源污染物輸入負荷受污染物綜合降解系數和面源污染物入河量的影響（宋保平等，2013）。本研究按沉降到黃壁莊水庫補給河流全部匯水區域的污染物經地表徑流、補給方式全部進入黃壁莊水庫考慮，忽略水污染物在遷移過程中的衰減。

3 結果與討論

3.1 大氣沉降污染物排放狀況

根據河北省地方標準《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB 13/2209-2015）和《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002），以常見的燃煤電廠大氣污染物為主要指標，結合地表水環境和燃煤中均包含的重金屬元素（王毓秀等，2019），通過煙塵、SO2、NOx、NH3、Hg、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr 等排放量明確大氣沉降污染物的排放狀況。電廠污染物排放數據采用在線監測系統監測數據。2008～2020 年該電廠的煙塵、SO2、NOx、NH3、Hg、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr 年均排放量（圖2）分別為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，電廠的煙塵排放量在2009 年之后逐年降低，SO2和NOx排放量在2012～2017 年有所降低，2008～2020 年電廠煙塵、SO2和NOx的排放量整體呈下降趨勢，2015～2020 年NH3的排放量呈波動狀態。電廠Cu、Zn、As、Cd、Cr 和Pb 的排放量均于2009 年達到峰值之后逐年下降，Hg 排放量于2009 年達到峰值后，呈現總體下降的趨勢，2011 年、2016～2017 年和2020 年出現了略微回升，但整體削減量可觀（圖3）。2015 年電廠通過加裝濕式電除塵器完成了煙氣“超低排放”改造，煙塵排放量得到大量削減（煙塵排放削減量為2 292.6 t/a）；此外，2015 年起煙氣中重金屬（Cu、Zn、As、Cd、Cr 和Pb）排放量也出現了明顯下降。2000 年之后，國家在煤行業采取的一系列措施在SO2、NOx和PM2.5排放量的減排等方面均取得了一定的成效，全國煤電行業SO2和NOx的排放量由千萬噸級降至百萬噸級（顧晨等，2022）。

圖2 2008～2020 年燃煤電廠大氣污染物（煙塵、SO2、NOx、NH3、Hg、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr）排放量統計圖Fig.2 Emissions of soot,SO2,NOx,NH3,Hg,Cu,Zn,As,Cd,Pb and Cr from power plants from 2008 to 2020

圖3 2008～2020 年燃煤電廠大氣污染物排放量變化圖Fig.3 Change in emissions of atmospheric pollutants from power plants from 2008 to 2020

3.2 地表水水質情況

2008～2020 年黃壁莊水庫入口和中心處的21 項水質監測指標中，高錳酸鹽指數、氨氮、TP、COD 和Cu 等5 項指標達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）II 類水質標準，其余16 項水質指標均可達到I類水質標準（圖4）。黃壁莊水庫入口處的高錳酸鹽指數僅在2019 年達到I 類水質標準，其余年份均為II 類水質標準；中心處的高錳酸鹽指數在2008～2017 年達到II 類水質標準，2018～2020 年可達I 類水質標準，黃壁莊水庫入口和中心處的NH3-N 在2009 年、2015年和2017 年達到II 類水質標準，其余年份均達到I 類水質標準。除黃壁莊入口和中心處2010 年的TP 達到I 類水質標準外，各點位其余年份的TP 均達到II類水質標準。各監測點位的COD 僅2008 年為II 類水質標準，2009～2020 年均達到I 類水質標準。2009年黃壁莊水庫中心處Cu、Zn、Cd、Pb 和Hg 濃度達到了峰值，分別為0.02 mg/L、0.02 mg/L、0.000 05 mg/L、0.000 5 mg/L 和0.000 04 mg/L，除Cu 滿足II 類水質標準外，其余重金屬濃度均滿足I 類水質標準。其中，Zn、Cd、Pb 和Hg 濃度遠低于《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）規定分析方法的檢出限（分別為0.05 mg/L、0.001 mg/L、0.01 mg/L 和0.000 05 mg/L），即2009～2020 年黃壁莊水庫中心水體中Zn、Cd、Pb 和Hg 的濃度處于極低的水平并呈持續降低趨勢。2013 年起，黃壁莊水庫水體中Cu 濃度均未超過0.002 5 mg/L，滿足I 類水質標準，且遠低于《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）規定分析方法的最低檢出限0.001 mg/L，2013 年之后水體Cu 含量亦呈現整體持續降低的趨勢，水質持續轉好。

圖4 2008～2020 年黃壁莊水庫入口和中心處的水質統計圖Fig.4 Water quality at the entrance and centre of the reservoir from 2008 to 2020

3.3 電廠排放與水源地水質狀況相關性分析

以燃煤電廠排放的典型大氣污染物為基礎，同時結合該電廠燃煤成分、燃煤煙塵中的化學組分和《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中涉及的水質因子（王毓秀等，2016），采用Spearman 相關性分析方法對電廠排放的大氣污染與水庫對應水質指之間的關系進行分析（圖5）。相關性分析結果顯示，黃壁莊水庫入口處水體重金屬（Hg、As、Pb、Cd、Cr6+、Cu、Zn）和電廠排放的大多數煙塵重金屬Hg、As、Pb、Cr6+、Zn 之間呈顯著相關性（p＜0.05），其中水庫入口處水體中Hg 與電廠煙塵其他重金屬呈顯著負相關；電廠排放煙塵中Cd 和Cu 與水庫入口處水體中重金屬基本無顯著相關性。黃壁莊水庫中心處水體重金屬（Hg、As、Pb、Cd、Cr6+、Cu、Zn）和電廠排放的大多數煙塵重金屬Hg、As、Pb、Cd、Cu、Zn 之間呈顯著相關性（p＜0.05），其中水庫中心處水體中Hg 與電廠煙塵其他重金屬呈顯著負相關；電廠排放煙塵中Cr6+與水庫中心處水體中重金屬基本無顯著相關性。然而，2016年起黃壁莊水庫中Zn 和Pb 濃度出現了略微回升，電廠煙塵重金屬的排放量仍在下降，即電廠煙塵重金屬的排放對黃壁莊水庫水質的影響可能有所降低。已有研究顯示，燃煤電廠周邊河流中的重金屬含量隨著樣點與電廠距離的增加而減?。ɡ钚竦?，2022），因此，燃煤電廠雖在一定程度上可影響周邊水體中重金屬的含量，但在本研究中影響較小。

圖5 燃煤電廠大氣污染物和庫區水質的相關性分析圖Fig.5 Correlation analysis of atmospheric pollutants of power plants and water quality in reservoirs

3.4 電廠大氣沉降對水源地的影響預測

采用CALPUFF 模型對該電廠排放的大氣污染物在黃壁莊水庫的沉降量進行分析，結果顯示，因該電廠大氣污染物排放導致的黃壁莊水庫中水體SO2、SO42-、NOx、NO3-、NH3、Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn沉降量分別為955.48 kg/a、81.23 kg/a、1.87 t/a、119.49 kg/a、151.11 kg/a、173.00 g/a、6.14 kg/a、0.35 g/a、351.00 g/a、100.00 g/a、44.00 g/a、4.02 kg/a；電廠排放的大氣污染物沉降到補給源（崗南水庫、滹沱河、冶河、牧馬河、綿河、清水河、烏河、松溪河、陽武河、云中河、永興河、龍華河、南甸河、溫河、桃河、南川河、甘陶河等）水體中的SO2、SO42-、NOx、NO3-、NH3、Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 總沉降量分別為4.51 t/a、638.53 kg/a、3.70 t/a、1.19 t/a、575.22 kg/a、604.00 g/a、21.41 kg/a、1.65 g/a、1.22 kg/a、348.00 g/a、154.00 g/a、14.03 kg/a；電廠排放大氣污染物沉降到補給源周邊陸域的SO2、SO42-、NOx、NO3-、NH3、Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 總沉降量分別為87.49 t/a、16.49 t/a、67.12 t/a、22.71 t/a、10.37 t/a、10.85 kg/a、384.91 kg/a、22.00 g/a、22.02 kg/a、6.27 kg/a、2.77 kg/a、252.26 kg/a。黃壁莊水庫水面、補給源水面與陸域-水體沉降量的SO2、SO42-、NOx、NO3-、NH3、Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 總沉降量為22.97 t/a、4.02 t/a、18.99 t/a、5.85 t/a、2.79 t/a、2.95 kg/a、104.53 kg/a、6.00 g/a、5.98 kg/a、1.70 kg/a、752.00 g/a、68.50 kg/a。

該電廠排放污染物轉化為水污染物的指標率見圖6。排放的SO2、SO42-、NOx、NO3、NH3、Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 沉降到黃壁莊水庫水體中轉化生成的水污染物SO42-、HNO3-、NH3-N、Hg、As、Cd、Cr6+、Cu、Pb、Zn 貢獻濃度分別為3.35×10-3mg/L、5.86×10-3mg/L、5.88×10-4mg/L、3.73×10-7mg/L、1.32×10-5mg/L、7.46×10-10mg/L、7.56×10-7mg/L、2.16×10-7mg/L、9.48×10-8mg/L、8.66×10-6mg/L，其濃度占標率分別為1.34×10-3%、5.86×10-2%、0.12%、0.75%、2.65×10-2%、1.49×10-5%、1.51×10-3%、2.16×10-5%、9.48×10-4%、8.66×10-4%，各項污染物的占標率的大小排序為Hg ＞NH3-N＞HNO3＞As＞Cr6+＞SO42-＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd，均滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中II 類標準限值要求。電廠排放的污染物沉降到黃壁莊水庫水面、補給源水面以及陸域的污染物最終進入水庫中轉化生成的水污染物SO42-、HNO3-、NH3-N、Hg、As、Cd、Cr6+、Cu、Pb、Zn 貢獻濃度分別為3.11×10-2mg/L、2.62×10-2mg/L、3.91×10-3mg/L、2.27×10-6mg/L、8.03×10-5mg/L、4.88×10-9mg/L、4.60×10-6mg/L、1.31×10-6mg/L、5.78×10-7mg/L、5.27×10-5mg/L，濃度占標率分別為0.01%、0.26%、0.78%、4.53%、0.16%、9.76×10-5%、9.19×10-3%、1.31×10-4%、5.78×10-3%、5.27×10-3%，各項污染物的占標率的大小排序為Hg ＞NH3-N＞HNO3＞As＞SO42-＞Cr6+＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd，各污染物濃度均滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中Ⅱ類標準限值要求。已有研究結果表明，燃煤電廠生產過程中排放的含Hg 廢氣和粉塵是環境中Hg 的重要來源，也是導致周邊水體中Hg 含量較高的一個原因（劉瑞平等，2017；李昌鑫等，2020；劉昭等，2021）。電廠排放的Hg 及其化合物直接沉降到黃壁莊水庫水體以及沉降到黃壁莊水庫水面、補給源水面和陸域最終間接進入水庫中轉化生成的水污染物Hg 在各水污染物中濃度占標率最高，但分別為0.75%和4.53%，水平極低，表明電廠排放的Hg 對黃壁莊水庫水質的影響很小。

4 結論

（1）2008～2020 年該燃煤電廠的大氣污染物（如煙塵、SO2、NOx、重金屬等）排放量整體呈降低趨勢，在此期間，黃壁莊水庫的水質均滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中Ⅱ類及以上水體限值要求，大部分水質指標達到了I 類標準。

（2）相關性分析結果證明了電廠排放煙塵中的重金屬Hg、As、Pb 和水庫入口處、中心處水體中對應重金屬含量之間有顯著相關性，Cd 和Cu 與水庫入口處水體中對應重金屬基本無顯著相關性，Cr6+與水庫中心處水體中對應重金屬基本無顯著相關性。

（3）電廠排放的大氣污染物直接沉降到黃壁莊水庫水體后轉化生成的各水污染物中對水庫水質影響最大的污染物是Hg 及其化合物，其進入水體轉化生成的水污染物Hg 的濃度占標率在各水污染物中最大，但也僅為0.75%，水平極低，對水庫水質的影響很小。