龚安保 卓莹莹 姜文文 许观明 刘厚凤

( 1) 山东省生态环境规划研究院，250101，济南； 2) 山东师范大学地理与环境学院，250385，济南 )

1 引 言

近年来，大气污染成为我国突出的环境问题.大气污染不仅影响民众健康，而且对人类的生产生活造成了不可忽略的影响[1].山东省空气质量问题严峻且为大气污染防治重点地区，2016年PM2.5浓度超标天数110天，占总天数的30.1%，PM10浓度超标天数94天，占总天数的25.8%.2017年上半年，山东省PM2.5、PM10平均浓度是国家二级标准的1.9倍和1.7倍，济南、济宁、淄博、菏泽、德州、聊城、滨州7个大气污染传输通道城市PM2.5平均浓度是国家二级标准的2.2倍.

研究表明，燃煤是空气污染的重要影响因素，燃煤排放的硫氧化物(SO2)、粉尘及二次无机气溶胶(如硫酸盐、硝酸盐)是影响北京、天津、济南等城市空气质量的主导因素[2,3].尤其在冬季采暖期，由于燃煤导致的大气污染物排放的增加，在静稳天气状态下，极易形成区域尺度的重污染.

《“十三五”生态环境保护规划》明确指出，重点城市实施天然气替代煤炭工程，推进电力替代煤炭，大幅减少冬季散煤使用量，北京、天津、河北、山东、河南五省(市)，在“十三五”期间煤炭消费总量要下降10%左右[4].在煤改气(电)工程快速推进下，与之密切相关的能源供给、财政补贴、居民负担、环境效益等问题逐渐受到关注.

关于煤改气(电)工程的环境效益，很多研究者做了相应的探究.Corvalan等[5]应用基于排放因子的排放估算量化研究智利圣地亚哥地区天然气减少固定燃烧源排放的潜力.Kadian等[6]采用LEAP模型对德里民用部门的总能耗和相关排放进行建模分析.Chen等[7]从能源可持续性和减排量的角度对煤改气(电)政策的影响进行定量评估.宗亚楠等[8]采用情景分析法评价燃煤源排放控制措施的污染物减排效益.祝婕等[9]运用MM5/CALPUFF模型对主要污染物减排环境效益进行模拟预测.赵丽莉等[10]、程继夏等[11]通过大气环境监测数据对煤改气工程对大气环境的影响进行分析.薛亦峰等[12]采用排放因子法估算燃煤控制对大气污染物减排的影响，并采用ADMS-Urban进行空气质量模拟.上述研究表明，控制燃煤能有效地减少污染物的排放，有利于改善大气环境，但未涉及对控制燃煤带来的综合效益的研究，在目前已有研究中尚没有对山东省煤改气(电)工程的相关研究.

通过对比煤改气(电)工程实施前后主要污染物浓度的空间变化，阐述该工程带来的环境效益.同时，对煤改气(电)工程的经济效益和社会效益进行了评估.基于上述研究，为农村地区能源消费结构的进一步调整提出合理化建议，为其它地区煤改气(电)工程的开展提供实践经验.

2 数据来源及研究方法

2.1资料来源使用的2016-2017年环境空气质量监测数据来源于生态环境部全国城市空气质量实时发布平台.同时通过发放覆盖全省范围的850份问卷进行相关问题调查.

2.2研究方法

2.2.1 数学统计方法 利用数学统计方法对数据作初步处理，根据处理结果做出相应的分析，为后续处理提供方向性指导.

首先，对问卷调查得到的调查数据进行效度检验，剔除不合理数据，并将其按地市进行分类处理.然后，对初步整合处理后的数据进行求和或求均运算，例如，煤改气(电)工程实施后居民的每月天然气(电)消耗量、煤改气(电)工程实施前居民煤炭消耗量等数据，在按地市分类逐个处理基础上，将各地市作为一个整体进行分析处理.最后，对煤改气(电)工程改造的用户量、居民的满意程度等问题，进行数量与分布情况统计.

2.2.2 数据空间分布处理方法-克里金插值法 运用克里金插值法对煤改气(电)前后污染变化空间分布规律进行分析.克里金插值法是一种无偏最优的线性估值方法[13]，是结合已知数据信息的属性和待插点(或块)信息的位置和空间相关性，来估计待插点(或块)属性的方法，主要运用于处理结构性与随机性并存的空间分布数据.该方法与反比距离加权法相比，有精度大误差小的优点，优化了反比距离加权法的效果.

2.3调查问卷设计采用问卷调查法对山东省十七地市的居民能源消费情况进行调查.通过调研，能够全面了解研究区居民的能源消费现状、推行现状以及居民接受度及建议等，以便对煤改气(电)工程推行所带来的社会效益与经济效益进行准确的分析及评估.本次调查问卷由六部分共60道小题组成，主要包括家庭基本情况，住房保温条件，能源使用类型及用途、使用量、费用等，冬季采暖的方式、时间、面积和费用等，煤改气(电)的推行情况，居民的意见建议等.

在不同类型居住区中随机抽取调查对象，包括已经完成煤改气(电)改造的和未进行改造的、住房材料及保温条件差异明显的、家庭经济条件差异明显的、利用天然气壁挂炉等方式进行煤改气取暖的家庭、利用空气源热泵等方式进行煤改电取暖的家庭用户.调查范围覆盖山东省十七个地市的农村区域.

2.3.1 家庭基本情况及家庭住房保温条件 家庭基本情况主要包括家庭常住人口及年收入等.通过分析能源消费支出在家庭收入中的占比，对煤改气(电)工程实施后居民的消费状况、承受能力、经济负担做出评估，分析不同消费水平的居民对该工程的接受程度，以探究其中的效益与利弊.

对农村居民住房的建筑节能及保暖情况进行调查，通过保暖条件与取暖费用的对比来探究建筑节能条件的重要性，用于分析政府补贴的方向和项目的合理性，以提出调整建议，尽可能减轻居民的经济负担.

2.3.2 能源使用现状及冬季采暖现状 通过调查居民能源使用种类、用途、使用量、费用等情况，分析能源使用类型、能源消费水平、取暖方式、取暖费用等，评估煤改气(电)产生的社会效益与经济效益.

2.3.3 居民的意见反馈 通过分析居民在自身利益引导下的主观反馈及建议，分析居民对煤改气(电)改造工程的接受度，评估煤改气(电)改造工程的社会效益，对工程的进一步实施提供参考建议.

3 调查问卷统计分析

3.1调研基本情况

3.1.1 山东省农村居民能源消费特点 根据问卷调查结果，山东省农村居民消耗的能源主要是电、煤、液化气及秸秆，其中，电主要用于照明、做饭，液化气主要用于做饭，煤炭主要用于冬季取暖.从取暖方式上看，山东省内约有60.0%的农村居民利用煤炭燃烧取暖，其中散煤占煤炭使用量的 75.3%；7.2%的居民用天然气进行取暖.

3.1.2 煤改气(电)工程实施具体情况 问卷调查结果显示，山东省大约有19.4%的农村居民实施了煤改气(电)，其中煤改气占86.7%，煤改电占13.3%.目前，居民冬季采暖方式如图1所示，以分散燃煤取暖为主，集中取暖、电力取暖、天然气取暖等方式为辅.

图1 山东省居民冬季采暖方式及比例

3.2居民对煤改气(电)接受度及建议目前，山东省煤改气(电)的普及度不高，大部分居民仍采用燃煤取暖.因涉及相关管道及设备的安装，改造过程中花费较大，68.8%的调查居民认为改造之后取暖费用增加，因此多地政府也采取相应的取暖补贴政策来减轻居民的负担.已实施煤改气工程的居民区中，约有96.0%的居民认为天然气供应还是比较稳定的，仅有很少部分人认为天然气供应不稳定.

问卷调查中，大部分居民提出的建议有以下三个方面∶一是在煤改气(电)工程竣工后，配备运行服务人员，能够及时解决使用过程中遇到的问题及疑惑；二是政府加大补贴力度或降低天然气的价格，以降低居民的经济负担；三是加大宣传力度，让居民更全面地了解改造的原因以及改造后在环境质量及居住环境方面的改善和提升.

4 煤改气(电)环境效益评估

实施煤改气(电)工程能够有效地改善环境空气质量.在农村地区，冬季采暖仍然以燃煤为主.煤改气采暖可以较为显著降低燃烧所产生的SO2、NOx、颗粒物，对CO也有一定的减排效果[14].使用煤改电进行采暖，以户均燃煤量为1 t计算，每年可减少排放6.9×105t CO2、2.24×103t SO2、1.95×103t NOx，对污染物减排、改善环境空气质量具有积极作用[15].

4.1山东省主要污染物空气质量浓度变化趋势分析2016、2017年山东省主要污染物年均浓度对比如图2(a)所示，2017年SO2浓度较2016年相比，同比下降41.7%，变化最为显著；2017年颗粒物PM2.5与PM10浓度较2016年相比，分别同比下降15.8%、10.1%；2017年与2016年相比，NO2浓度无变化，均为38 μg/m3.2016、2017年山东省冬季主要污染物平均浓度(图2(b))与年均浓度(图2(a))相比均升高，但2017年冬季SO2、NO2、PM10、PM2.5平均浓度与2016年相比均有所下降.

图2 2016、2017年山东省主要污染物年均(a)及冬季浓度(b)对比图

煤改气(电)工程实施以来，主要污染物浓度大体上呈下降趋势，其中SO2浓度下降最为明显.大气中NO2主要来源于燃煤及机动车尾气，煤改气(电)工程虽然能有效减少NO2的排放，但随着机动车保有量的增加，在煤改气(电)工程实施后仍有大量NO2排放，因此2017年较2016年相比，NO2浓度无明显变化.2017年与2016年相比，冬季污染物平均浓度也呈降低趋势.

4.2不同区域主要污染物变化分析选取山东省主要污染物浓度波动情况不同的四个典型城市进行具体分析(图3).研究发现，四个典型城市煤改气(电)工程实施后，主要污染物浓度呈不同降低趋势，其中SO2浓度降幅最大，这与天然气及电力替代燃煤集中供暖对不同污染物减排效果不同有关[14,15]；但NO2浓度在滨州市出现不降反升的现象，在枣庄市无变化，在聊城市和威海市虽有下降但降幅不大，这与机动车排放NO2有关[16].

图3 2016、2017年山东省典型城市主要污染物年均浓度对比图

4.3主要污染物浓度空间对比分析

4.3.1 SO2如图4所示，与2016年相比，2017年全省SO2浓度下降明显，主要集中在德州、聊城、滨州、东营、济南、淄博、莱芜、泰安、济宁、菏泽、枣庄十一个地市，其中，淄博市、济宁市和济南市分别下降20 μg/m3、16 μg/m3和15 μg/m3，这不仅得益于煤改气(电)工程，还与这些区域采取的其他二氧化硫减排措施影响有关.

图4 2016年、2017年山东省SO2浓度空间分布

4.3.2 NO2如图5所示，与2016年相比，2017年全省NO2浓度明显变化，以淄博市为中心的地区以及山东半岛部分地区NO2浓度有一定的下降，但下降幅度不大，淄博市、威海市和烟台市分别下降6 μg/m3、3 μg/m3、3 μg/m3.

图5 2016年、2017年山东省NO2浓度空间分布

4.3.3 PM10如图6所示，2016-2017年PM10浓度整体较高，2017年较2016年降幅最大的区域集中在鲁西地区，德州市降幅最大，为18 μg/m3，其次聊城市和济宁市均下降16 μg/m3.

图6 2016年、2017年山东省PM10浓度空间分布

4.3.4 PM2.5如图7所示，与2016年相比，2017年全省PM2.5浓度呈整体下降趋势.有七个地市降幅大于等于10 μg/m3，集中在鲁西和鲁中地区，其中济宁市同比降低19 μg/m3.

图7 2016年、2017年山东省PM2.5浓度空间分布

4.4污染物浓度变化情况其他影响因素山东省2017年主要污染物浓度较2016年下降，除受到煤改气(电)工程带来能源结构改善的影响外，主要污染物的变化还受到以下因素的影响.

1) 机动车尾气排放的氮氧化物，是大气氮氧化物的重要来源[17].山东省2012-2017年民用汽车保有量以平均每年154.3 万辆[18]的速度增长，成为NO2浓度没有显著降低的重要因素.

2) 化肥施加进入土壤后，经复杂生物化学反应，如微生物的反硝化作用，厌氧氨氧化作用等生成氮氧化物释放进入大气，会增加大气中NO2的浓度.近五年来，全省农用化肥施用折纯量降低19.8×105t[18]，成为NO2浓度降低的因素之一.

3) 焚烧秸秆产生的烟雾中含有SO2、NOx、CO以及烟尘等污染物.山东省建立了完善的秸秆转化利用机制， 2016年全省农作物秸秆综合利用率达到87.7%，重点区域达到90.0%以上，秸秆焚烧大幅减少，是2017年较2016年SO2及其他颗粒物浓度降低的因素之一.

4) 2012-2016年全省城市绿地面积分别为1.763×105ha、1.936×105ha、2.052×105ha、2.135×105ha、2.258×105ha[18]，以平均每年大约1.23×104ha的速度增长，植物对污染物的吸收对大气的自净能力起到一定的增强作用.

5) 除本地污染物的贡献以外，区域大气污染物的传输对污染物浓度的变化也会有一定影响.以SO2为例(表1)，京津冀大气污染物排放量的持续显著减少，对山东省大气污染物浓度降低有一定推动作用.

表1 2012-2016年京津冀地区SO2排放量 单位：t

5 煤改气(电)经济效益和社会效益评估

5.1煤改气(电)经济效益

5.1.1 煤改气(电)居民层面的经济效益评估 问卷调查结果显示，山东省煤改气(电)工程过程中居民的支出主要包括煤改气(电)设备的购买、安装费用以及居民每月的气(电)费用.设备的购置及安装平均每户花费5 000元，占总费用的43.2%，其余部分由政府补贴.

实施煤改气(电)前居民冬季烧煤取暖的费用约为1 400～2 000元/户，实施煤改气(电)后冬季取暖的费用补贴前约为3 600～5 200元/户，后者是前者的2～4倍.

受当地经济发展和基础设施建设水平的制约，煤改气(电)的推广效果并不理想.在调研过程中发现，山东省煤改气的主要途径是安装天然气壁挂炉，煤改电的主要途径是安装蓄能式散热器.由于山东省不同地市实施的煤改气(电)政策有所差异，一些家庭中，由于经济承受能力有限，天然气壁挂炉和蓄能式散热器使用率不高.其次，由于一些农村地区相对偏远，天然气资源无法覆盖，需要建立天然气站、铺设天然气管道和电缆线路，当地政府财政无力承担，导致大部分地区无法实施煤改气(电)工程.

5.1.2 煤改气(电)社会层面的经济效益评估 煤改气(电)工程社会支出主要包括煤改气(电)过程中(指设备购买及安装)政府补贴以及改造之后冬季采暖期政府对取暖费用的补贴.根据山东省煤改气(电)工程改造成本调查发现，前者平均费用为2 840 元，后者平均费用为1 110 元，分别占总购买及安装费用和冬季取暖总费用的56.8 %和28.9 %.进行煤改气(电)的居民，在当前政府对取暖费用的补贴下，采暖季平均需支付约为2 490～4 090元的费用，仍高于燃煤取暖.政府虽采取相应补贴政策来减轻居民的负担，但部分地区补贴力度仍不够.

除此之外，煤改气(电)工程促进了农村地区能源结构优化，据调查显示，现已有约19.4 %的居民进行煤改气(电)，节省了一定的煤炭消费量.2017年山东省天然气出现供需不平衡的状况[19]，导致天然气价格出现短暂浮动.提高天然气开发力度，加强天然气网的建设，能有效的缓解天然气供需不平衡的问题.

5.2煤改气(电)社会效益

5.2.1 居民对煤改气(电)工程的接受度 居民对煤改气(电)工程的认可度较高.通过问卷调查发现，82.7 %的居民表示支持煤改气(电)工程，该工程不仅能够减少污染物排放，有效解决燃烧散煤所带来的环境污染，而且能够明显改善居民生活条件和环境，为农村地区发展提供清洁能源供应.

5.2.2 煤改气(电)工程其他社会效益 煤改气(电)工程能够有效促进社会经济的发展，为社会提供更多的就业岗位.第一，煤改气(电)工程实施前期需要进行设备改造，能够推动相关设备行业的发展；第二，实施过程中推动天然气利用的普及以及电力行业的发展；第三，煤改气(电)工程发展成熟后，能提供一定的就业岗位，缓解当地的就业压力；第四，当地环境质量的改善有利于旅游业和第三产业的发展，助力当地经济高质量发展.

6 结 论

1) 煤改气(电)工程对改善山东省大气环境质量有一定促进作用，尤其是能够显著降低SO2浓度，但受其他因素影响，对NO2浓度下降无明显作用.煤改气(电)工程对鲁中、鲁西地区空气质量的改善具有显著的影响.

2) 煤改气(电)工程有利于优化农村地区能源消费结构，能够带来一定的经济效益，同时也存在建设成本和运行成本较高的弊端.

3) 大部分居民支持煤改气(电)工程的实施，但对供气的稳定性提出担忧.