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              環保科技創新助力污染防治攻堅戰

                 日期:2019-08-27     來源:中國環境報    瀏覽:5    評論:0    

                氣候變化與可持續發展

                中國科學院院士 秦大河

                氣候系統包括5個圈層,即大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈。氣候系統與環境關系密切,保護環境就等于保護氣候系統。2015年12月12日巴黎氣候大會達成人類歷史上第一個全球減排協定《巴黎協定》,提出到本世紀末要把全球氣溫升幅控制在2℃以內,并向1.5℃的目標努力。

                聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)是由聯合國世界氣象組織和科學家團體組成,IPCC成立以來,共進行了5次評估報告,第六次評估正在進行中。2014年11月在丹麥首都哥本哈根發布的IPCC第五次評估報告的《綜合報告》給出了3個結論。一是人類對氣候系統的影響是明顯的,指人類生產生活排放的各種氣體對氣候造成的污染。二是人類對氣候的干擾越大,面臨的風險就越高,受到的影響也更加廣泛和不可逆。三是可以采取措施限制氣候變化,建立一個更加繁榮、可持續的未來。

                五大圈層的變化就是氣候的變化,不管是從空間尺度看(全球尺度、半球尺度、洋盆尺度),還是從時間尺度看(1750年以來),氣候變暖的趨勢都沒有變化。

                在大氣圈方面,IPCC第五次評估報告《綜合報告》指出,過去的3個連續十年暖于1850年以來的任何一個十年,我們相信2011年-2020年還會維持這個水平,甚至更高。

                2019年3月28日,世界氣象組織(WMO)發布題為《WMO 2018年全球氣候狀況聲明》,指出全球變暖仍在加速,創紀錄的溫室氣體濃度將全球溫度推向越來越危險的水平,氣候變化的社會經濟影響正在加劇。2017年末,全球二氧化碳濃度為405.5ppm,是工業化前的146%,是過去80萬年以來的最高值,可能是過去400萬年以來的最高值。2018年,全球平均氣溫比1850-1900年高了0.99℃,這是有紀錄以來第4個溫暖的年份,僅次于發生了超級厄爾尼諾的2015年、2016年和2017年。2018年春夏,歐洲普遍遭遇異常炎熱和干旱。世界氣象組織認為,極端天氣頻發與溫室氣體排放導致的氣候變化有關。

                再來看水圈,1993年-2018年,全球海平面的上升速度在加快,海洋吸收了溫室氣體捕獲的90%以上能量,2018年是海洋熱含量達有記錄以來最高值年,海洋生態系統受到巨大影響。

                在冰凍圈方面,2018年北極海冰范圍遠低于平均值,最低值是9月中旬,低到545萬平方公里,比平均水平低28%。北極海冰的總面積減少了2/3,冰量大大減少,美國冰雪數據中心的學者提出了“死亡漩渦”這個詞,即海冰覆蓋范圍正在呈螺旋狀下滑,一旦越過臨界點便無可挽回。

                那么,造成以上現象的原因是什么?溫室效應起了很重要的作用。最新全球溫度記錄顯示地球大氣所積累的碳正在破壞氣候系統穩定性,碳排放速度超出科學界預期。根據溫室效應造成的原因看,我們做了一個估算,1750年-2011年期間,化石燃料和水泥生產釋放到大氣中的二氧化碳排放量為375GtC。2011年,中國國內生產總值約占全球10%,但是一次能源消費總量達到了34.8億噸標準煤,約占全球能源消費總量的20%。不過我們的碳排放在2014年之后有所減少。

                未來,21世紀末及其后全球變暖取決于二氧化碳累計排放,如果把1861-1880年以來的人為二氧化碳累積排放控制在1000GtC,人類有66%的可能在2100年將溫升控制在2℃(相對1861-1880年)之內;同時,考慮到短壽命周期的溫室氣體和其他化合物的影響,我們還需要把1000GtC降到790GtC。但是,到2018年(從1870年起計),人類已累計排放了585GtC,我們到2040年怎么辦?這是擺在全人類面前的重大課題。

                2019年8月8日,IPCC發布了《氣候變化與陸地》特別報告,指出陸地是人類賴以生存的支柱,提供糧食、淡水、林產品、生態系統服務。目前面臨的壓力很大,大約1/3的陸地有不同程度的退化。此外,農業用地增加和毀林也是氣候變化的重要驅動之一。

                第五次評估有一個特點,就是要求融合多學科和跨學科交叉,同時要整合氣候變化分析,以解決問題為導向,圍繞如何實現全球氣溫升幅控制在1.5℃的目標,以及聯合國2030年可持續發展目標。1.5℃的目標和2℃之間的差別非常大,比如說熱浪事件,如果差0.5℃,次數和強度要增加2.5倍,還會造成海平面上升的差別,珊瑚生態系統也會受到影響。

                我們不僅要關心科學問題,還要關心管理問題、社會問題,以及氣候變化對人類的安全、生計、文化、沖突和移民之間的相互作用。我們應當堅持低碳發展、綠色發展,踐行可持續發展的理念,共同采取行動應對氣候變化。

                實現煤炭開采與礦區生態安全協調發展

                中國工程院院士 王雙明

                在我國,煤炭的主體能源地位在短期內是難以改變的。我國能源資源稟賦是缺油少氣相對富煤,2016年公布了國家煤炭資源儲量情況,根據這個資料及按照現在的規模,石油可以維持17.5年的時間。天然氣剩余可采5.4萬億立方米,可維持39年的時間,煤炭量查明15980億噸,可維持160年。我國能源消費結構以煤為主體,長期未變。1978年-2017年,煤炭消費占比平均下降僅0.25%,2018年煤炭消費占比下降1.2%,但銷售量增加了1%。2018年油氣的消費占18.9%,對外依存度達到71%。可以設想一下,每年有這么多要靠進口,對國家安全隱患會產生重大影響。

                在燃煤發電方面,低成本超低排放技術取得突破。比如,三河電廠改造后,4臺機組的排放遠遠低于燃氣發電機組的大氣污染物排放標準,而且發電成本僅為天然氣發電成本的1/2。

                在煤制油技術方面,煤間接液化實現了規模化工業生產。2016年12月,神華寧煤集團年400萬噸煤炭間接液化項目在寧夏開工建設。從煤制油來看,油品質量高,使用領域廣,可以用于航空領域噴氣燃料、航天領域火箭煤油等。煤炭直接制油的油品在噴氣燃料完成首次試飛并取得圓滿成功,標志著中國在煤基燃料研究領域已經進入世界領先水平。而且間接液化油品能有效降低城市空氣污染。

                綜上所述,對于我國的煤炭發展,可以得出這樣的結論:資源總量相對豐富,加工利用技術成熟,綠色低碳,煤炭資源經濟安全、清潔高效、儲運便利,主動權可牢牢掌握在自己手里。

                中國工程院有50多名能源方面的院士和100多名能源方面的專家進行了研究,提出了推動能源生產和消費革命戰略研究三步走的理念。2020年以前是能源結構優化期,到2030年是能源變革期,煤炭消費占比將達到50%以上。到2050年是能源革命定型期,這時候煤炭仍然是我國能源資源的老大,這個地位是改變不了的。

                全球煤炭消費目前尚處轉型上升通道,煤炭消費峰值大概在2040年才能出現。美國能源發展重點是頁巖氣,我們對煤的注意力不要分散,要做好煤炭這篇文章,煤炭作為我國主要能源的地位和作用是難以改變的。

                開發西部煤炭是保障國家能源安全的重大需求。煤炭資源是西多東少,東部趨于枯竭,西南地區的云貴川三省自己管自己。鄂爾多斯盆地有2.5萬億噸,對保障煤炭安全有重要作用。從煤炭資源來看,山清水秀的地方煤炭資源就很少,資源富集區主要是位于沙漠黃土廣覆蓋區。煤炭大量開采以后容易出現地表開裂塌陷,地表植被受損,草本退化,喬木枯死。我們對開采兩年、5年、10年的地區進行了對比,煤炭開采以后在第二年度地表土壤的影響最明顯,到第5年會得到初步改善,第10年得到明顯改善,但是仍然達不到被開采以前的狀況。

                西部煤炭開發和生態環境保護矛盾尖銳。保障國家能源安全必須開發西部煤炭,煤炭開采必然產生采動損害,如何實現煤炭開發與生態環境保護協同推進是關鍵。

                對此,我們提出了一個理念,以煤水空間組合特征研究為基礎,以采動地質條件變化分區為途徑,以減損地質工程為支撐,以防止隔水巖組破壞為目標,以保護生態水位為核心,實現采煤與生態環境保護協調發展。研究煤水空間組合特征,就要研究含水層、隔水層、土層厚度變化大,地形坡向與巖層產狀相反,隔水巖組總體呈鍥狀體。隨著厚度的增加,生態保護的作用也越來越強。這是采空區和沒有開采地區地質的變化特點,從土上可以看出,隔水層在沒有擾動的情況下是越來越小,在采空區達到這個位置以后,隔水層就被破壞掉。

                通過這些揭示了這樣一個變化規律,按采動隔水性變化分區,可以分為隔水性穩定區、隔水性變化區、隔水性損害區、隔水性無水區,現在無論采取哪一種采動方式,隔水層都會被破壞。針對這些地質類型,提出了一個綠色開采的理念,即減沉、減損、保水、防崩。穩定區采取減沉開采,大型特大型礦井采取綜采或綜采放頂的方式,可以實現高產高效,防控水位上升。變化區采用減損開采,通過分層限高或隔水層工程加固,防控隔水下降。損害區采用保水開采,富水區充填開采,防止損害。無水區是防崩塌開采。

                通過工程實踐,大型煤礦限高分層開采,中小型煤礦進行局部充填開采,這兩個都取得了比較好的實踐效果,取得了理想的成果。

                開發西部煤炭是保障國家能源安全的重大需求,實現煤炭開采與礦區生態安全協調發展,是我國西部煤炭資源開發必須破解的重大科學問題。西部水資源匱乏,生態環境脆弱,煤炭開采必須做到生態環境保護優先,隔水巖組保護是生態環境保護的基礎,生態水位保護是生態環境保護的核心。以開采地質條件分區為手段,以保護生態水位為核心的采煤保水技術,可以實現對生態環境的良好保護。

                藍天保衛戰:進程與展望

                中國工程院院士 賀克斌

                我分3個方面進行報告。

                一,治理進程。

                說到藍天保衛戰,有兩個大的政府行動,一是“大氣十條”,二是藍天保衛戰三年行動計劃。可以看到,這6年多的時間我們做了大量的事情,包括工業污染治理、產業結構調整、能源結構優化、機動車統籌、面源治理等。

                可以看到一些典型的例子,比如煤電超低排放,從20世紀70年代的技術水準,經過幾十年的發展,目前二氧化硫隨著技術的推進已經達到了全世界最嚴格的標準。2016年開始,當年全國49%的火電完成超低排放改造,2017年累計到了71%,2018年累計達到了80%,2020年完成百分之百,可以有序達到指標。

                在非電工業超低排放領域,比如鋼鐵、水泥,技術指標也已經達到了國際水準技術支撐的體系。機動車從2000年前后的國一開始現在已經到了國六,氮氧化物從國一到國五,排放指標已經非常低了,現在進入到國六,在排放指標上與美國、日本、歐洲可以比擬,有一些指標甚至更低。

                從減排效果可以看到,全國污染物的排放總量迅速下降。僅2013年到2017年,二氧化硫減排約60%,PM2.5減排約33%,長三角、珠三角也是相似的發展態勢。全國三大區污染物濃度平均下降30%-40%,衛星反演上可以看到東部地區6年時間下降了38%。

                從2013年到2018年的衛星圖形可以看到,污染物通過減排后,主要大氣污染物排放量顯著降低。最近6年時間,二氧化硫是非常典型的例子。2006年之前排放量快速上升,隨著總量控制和霧霾治理,二氧化硫排放量急劇下降。2017年火電的二氧化硫排放量是1991年的1/7。美國宇航局衛星顯示,中國和印度的二氧化硫排放情況對比,中國在這些年中二氧化硫下降非常明顯,印度上升非常明顯。在1993年,中國超過美國成為當時世界上排放二氧化硫最多的國家。而在2016年,印度已經超過中國,成為二氧化硫排放第一大國。

                同時,在酸雨治理上也有明顯的進步,現在酸雨面積在國土面積的5%以下。過去6年中,重污染明顯緩解,京津冀地區13個城市PM2.5污染顯著改善,這個趨勢也得到了老百姓的認可。

                二,動因分析。

                內因是排放,外因是氣象。關于排放,在過去幾十年中,我們經歷了污染物快速增長和逐漸下降的過程。通過對京津冀及周邊28個城市的排放分布、排放特征,以及28個城市形成的京津冀地區觀測信息的大量分析,在世界范圍內形成了最集中的衛星和地面移動的綜合分析,把國內主要單位以及國內外的優勢集中起來形成結果,未來的預報水平有了明顯的提升。

                當我們前面獲得了一些成績之后,有人提出了質疑。是不是氣象條件變好了,造成這幾年的效果,并不一定是節能減排。以北京為例,5年的變化氣象貢獻在12%,2017和2018這兩年的變化氣象貢獻也小于30%,主要是北京的減排和周邊地區減排的結果,這些減排始終保持在70%-90%的貢獻,都是靠人做到的。

                有人講是不是因為經濟放緩了,才有這樣的成績?答案是否定的。如果沒有減排,在經濟中高速繼續發展的情況下,污染物排放的情況不容樂觀。由于這些年采取了措施,大部分污染物呈現了下降的趨勢,這樣至少穩住了增量,因此,大量的減排工作是核心。

                PM2.5減排改善幅度為40%,其中,末端減排約占40%,產業結構調整約占17%,能源結構調整約占20%。我們經常說“雙散”的治理在最終完成任務上發揮了非常重要的作用。貢獻最大的是燃煤鍋爐整治、工業提升改造等。“散亂污”企業和散煤治理從2016年開始發力,2017年到2018年見效,主要集中在京津冀地區。

                三,未來展望。

                治理進程是明顯的,科技支撐是實實在在的,這是最關鍵的貢獻,里面有很強的科技在支撐著我們的工作。現在很多地方都在曬藍天,有人甚至講大氣的問題基本上就這樣了,國家是有辦法的。我現在給大家說一下未來展望,還遠遠沒有到慶功的時候,未來的路還很長。

                我們以PM2.5的狀況來看,全國338個城市的平均濃度,2017年的數據是43微克/立方米,美國主要城市2016年的平均值是7.8,歐洲是15左右。2018年我們進步到了39,但是和歐美國家相比還是有明顯的差距,現行國家標準我們是35,還有很多城市沒有達到。美國現在達到了10,歐洲達到15,其中還有很大的差距。從臭氧也可以看到,特別是8小時的平均數據已經明顯高于美國、日本、歐洲的數值,所以PM2.5還要大幅度下降,這是大氣面臨的兩個最明顯的挑戰。

                根本問題還是地面的排放,以2016年和2017年的數據來看,根據美國、中國、歐盟來進行對比,因為這3個國家和地區的面積體量接近。五大污染物的排放量,中國是歐盟、美國之和的兩倍到5倍。美國的排放量集中在東西海岸,中國的排放量集中在東部。如果按照每平方公里的強度來看,我們比5倍還要高。如果再集中在京津冀地區會更高一些,所以減排是硬道理,還是要繼續減排。

                減排要形成一定的協同,大量的科學證明我們要協同進行。2016年到2017年可以看到,二氧化硫的排放量有所減少,氮氧化物也有所減少。和其他污染物相比,VOC要配合氮氧化物的減少,所以它們的協同減排力度是未來最重要的挑戰。從2010年到2017年這7年時間中,主要的氮氧化物下降是靠火電廠的超低排放,下降的幅度總是不理想。VOC有上升的因素,下降的僅僅是在民用和工業里做了一些工作。但下降的量太少,增加的量多,形成了略有凈增的局面,未來這方面是要進行破局。

                VOC排放有一些地方是收窄的,但有一些方面在大量增加。如果分析它對臭氧生成潛力最大的這30種主要的VOC物種,可以看到貢獻最大的隱患還在。烯烴、芳香烴是主要物種。如果把芳香烴單獨拿出來,從1990年開始,從38漲到了99。2010年之后我們有了一些治理措施,還是漲得快減得少。現在要拿到減排量,把中高速社會經濟發展產生的增量,拿掉一部分存量,才能形成所謂的減排量。這個過程是非常辛苦的,所以在其他污染物上實現是非常難的。

                VOC不僅是臭氧的前提物,還是PM2.5的前提物,越來越多的證據證明,秋冬季PM2.5高是由于有機物的成分和VOC關聯。可以看到它的貢獻從1990年占21%已經到了目前的64%。現在把這兩個合起來,看臭氧和二次有機氣溶膠,未來需要進行重點的研究和控制。看看它是從什么行業來的,都有什么樣的治理方法。

                未來會怎么樣?未來到底什么時候能把環境治理好?

                第一步是打贏藍天保衛戰。至少要達到現行的國家標準。現在看到的國家標準從“十三五”開始算起,將近要用15年的時間。珠三角會短一年,京津冀要到2035年才可能實現,所以還有很長的路。

                未來不僅僅是盯著VOC和臭氧,藍天保衛戰里PM2.5和臭氧協同作戰治理,治霾與低碳發展協同。同時還簽了一批國際公約,比如國際汞公約等,這些都是非常規大氣污染物,會成為未來藍天保衛戰里越來越重要的任務。要把這些做好,就要持續提升大氣復合污染防治科學技術水平,環境工作者責無旁貸。

                利用地球大數據服務可持續發展目標實現

                中國科學院院士 郭華東

                我講3方面內容。

                第一,從科學大數據到地球大數據。

                近年來我們一直在做科學大數據的概念研究。大數據時代的到來把地球數據研究推向了一個新的高度,形成了新一代數據平臺。

                我在國際科技數據委員會(CODATA)做了幾年的主席。2014年我們召開了一個會議,就是CODATA大數據與科學發現。不僅是CODATA,還有其他的國際組織聯合在一起,大家都深刻認識到大數據確實能為科學發現帶來新的東西。會議有幾個產出,其中一個產出就是提出了大數據服務國際科學計劃的聲明,這個聲明有7項建議和4項行動綱領。可以概括為大數據、大科學、大發現。此外,在CODATA成立45周年時也達成了共識,大數據本身能帶來科學方法的創新,能夠讓它持續走向科學發現的路徑,數據密集型科學與發現將成為最終和最美麗的一個方向。

                科學大數據和很多的數據有不同的特征,包括外部特征和內部特征。數據、數據體、數據速率可以分析外部特征,從它的高度計算復雜性、不可重復性、不確定性、高維特性來闡述內部特征。2013年之前我們做大數據分析的時候,印度在國際上比我們做得要活躍,但后來不一樣了。國家將大數據列為國家戰略,促進大數據發展行動綱要文件特別提出了構建大數據國家重大基礎設施、發展科學大數據應用服務中心等內容。

                大數據為科學研究帶來了新的方法論,大數據正在催生人們用全新的模式實現科學發現,地球大數據正在成為認識地球的新鑰匙。

                第二,地球大數據科學工程專項。

                按照國務院第105次常務會議精神,中國科學院設立了地球大數據科學工程,用更高項目和成果的支持形成一個數字地球科學平臺。成果有幾個走向:一是服務決策支持;二是服務科學發現;三是實施技術創新;四是實施知識傳播。專項要建立一個國際地球大數據科學中心,有3個核心的構成:一是地球大數據的基礎設施;二是地球大數據學科驅動平臺;三是服務政府高層的決策支持系統,這是目標和方向。

                第三,地球大數據促進可持續發展。

                聯合國的可持續發展目標之一就是要實現全球的大數據發展,讓聯合國的成員國和利益相關方協同合作,用可持續的方式來進行生產和消費,讓人和自然實現和諧相處。為實現這個目標,經過長期的研究提出了17個大目標、169個具體目標,同時還有230多個指標。這些目標和指標實現起來要用15年的時間。放眼看全球,這17個目標里面可以分為20多個指標。一是有方法、有數據;二是有方法、無數據;三是無數據、無方法。193個成員國怎么做是最大的挑戰。現在是數據缺失、技術方法缺失,所以聯合國提出來一個技術促進機制,目標就是用技術來帶動、驅動、支撐實現這些工作。

                2015年9月聯合國大會通過了這個驅動機制,機制有3個平臺:一是跨領域小組;二是平臺技術創新會議;三是網上平臺。

                我們已經做了一些工作,17個目標全部做了一些分解。在科學分析基礎之上有六大目標,分成3個尺度來做:一是全球尺度;二是“一帶一路”尺度;三是國家尺度。比如,我們研究發現,中亞五國的地表水變化整體上是減少的趨勢。還研究分析了“一帶一路”1500個城市的變化、“一帶一路”國家氣候變化中災害的指標監測與分析、中國近海典型的營養化評估,以及利用數字大數據服務全球生物的退化等問題。

                利用地球大數據促進可持續發展,這是中國為聯合國目標做出的巨大貢獻,我們應該一起向前推進。

                (記者劉蔚、宋楊整理,未經審閱,標題為編者所加)

               
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