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美国大气污染治理的“杀手锏”

2013-03-01  zjhzjzc

美国大气污染治理的“杀手锏”

2012-9-14

沈昕一 

 
治理后的城市

空气污染不仅是现阶段中国面临的一个棘手问题,也曾是欧美发达国家历史上一张灰蒙蒙的照片。比如美国就曾经历过严重的大气污染。第二次世界大战以后,美国的工业及交通业迅猛发展,化石能源消耗量激增,但几乎没有相应的环境法规来管控,大气污染十分严重,震惊世界的八大公害事件中就有两件——1948年美国多诺拉烟雾事件、20世纪50年代美国洛杉矶光化学烟雾事件——发生在当时的美国。自1970年美国环保局成立并开始采用强有力的国家法律来控制大气污染到现在,大气环境状况得到了很大的改善。美国治理大气污染的经验值得我们借鉴,其中重要经验之一就是大气污染治理的区域机制。

区域环境管理机制

区域环境管理机制就是在区域范围内建立起统一的管理机构,对区域内的环境问题进行全盘整合式管理。从操作方式上,这一机制主要通过区域环境自主管理和区域合作两种方式。而大气污染治理区域机制即是区域环境管理机制中的一种。

美国的区域环境管理框架。

美国环保局将全美划分成了十个大的地理区域,并根据这样的划分建立了十家区域办公室来进行管理。这十个区域以地理和社会经济区域为蓝本,像缝纫机一样将不同的州拼接在了一起,进行统一管理。这样,各区域办公室便能针对污染问题充分灵活地与各州合作,尝试许多新办法。但单纯联邦环保局与地区办公室这样的组织架构并不意味着区域机制的立即形成,美国也是通过处理一些重大的区域性乃至国家性的大气污染问题,在实践中摸索而形成这样的机制。

20世纪中期,洛杉矶城市群的区域污染问题严重,近地面臭氧(大气臭氧是导致光化学烟雾的主要污染物)污染尤其突出,并导致了恶名昭彰的洛杉矶烟雾事件。于是在1976年,加州建立了控制该区域空气污染的政府实体机构——南海岸区域空气质量管理区(SCAQMD),通过该管理区将城市空气污染治理提高到了城市群治理的层面上。根据职责描述,该机构有权进行立法、执法、监督、处罚,并通过强制执行手段和监控、技术改进、宣传教育等相结合的方式协调开展工作。SCAQMD通过制订并推行空气质量管理计划,并借助排污许可、检查、监测、信息公开与公众参与等方式实现减排目标,保障了南海岸的空气质量达标。一系列的措施很快就看到了成果,洛杉矶作为当时美国污染最严重的城市之一,在以上措施和制度实行后,尽管人口数量和汽车保有量都在逐步上升,但该地区的空气质量却持续的改善,到90年代初期,臭氧的最高浓度水平降低到20世纪50年代的1 /3以下,而此时的机动车数量却是当年的4倍多。

在洛杉矶城市群空气污染治理的20年间,根据治理经验,以及低层大气中的臭氧传输特性与大气复合型污染的研究成果,美国环保局发现,臭氧还需要通过更广范围的区域合作机制来解决。

1990年,《清洁空气法案》修正案的通过正式宣告了臭氧传输区域的诞生,同时臭氧污染严重的东北部缅因州、弗吉尼亚州与哥伦比亚区联合建立了管理机构“臭氧传输协会(Ozone Transport CommissionOTC)”。该机构由各州代表以及环保局成员组成,制定了区域挥发性有机物,氮氧化物减排目标并督促实施。其后又组建了臭氧传输评估组织,在1998年制订了旨在减少近地面臭氧区域传输及污染的计划,并在2003年开始执行氮氧化物的州实施计划,实施范围包括美国东部22个州和哥伦比亚地区,后来还纳入了加拿大东部各省,明确要求在考虑区域影响的基础上控制臭氧污染。19972004年,美国东部地区氮氧化物排放削减了25%;夏季受控区电厂的排放量与实施该政策之前的2000年相比,降低了50%;在东部绝大多数地区,臭氧削减量增加了一倍多。正是因为建立、制定了这些机构和计划后,对污染控制区域内各州的具体污染源进行定点检测,并分享数据,联动治理,所以才有了这样显著的成果。

美国在实施区域治理机制方面已经有了将近40年的经验,这套机制已经产生了一些可量化的成绩。如下图所示,在19802010年间,美国的国内生产总值增加了127%,机动车行驶里程数增加了96%,能源消费量增加了25%,美国人口增加了36%,但同期主要的六大大气污染物排放量却降低了67%  

 

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美国国内生产总值、机动车行驶里程数、人口、能源消费量、二氧化碳排放量增加量与六大主要污染物排放量减少量比较

启示

中国环境管理行政单元是以省级进行划分的,而这样的管理机制在具体的操作过程中暴露出了许多问题。比如导致地方政府各自为政,并催生了许多地方保护主义,整体环境保护首要目标被忽略;各自为营的行政管理也不利于地区之间环境保护工作的协调开展,不利于科学研究、技术成果的共享和传播。实现环境管理从局地到区域的转变应是中国环境管理制度变革的方向之一。

当前,中国的大范围区域性大气污染问题已经十分严重,在传统的三项污染物(二氧化硫、二氧化氮、PM10)未能有效降低的情况下,以臭氧和PM2.5为代表的二次污染物浓度水平也正在快速上升,区域能见度持续下降。中国现在的大气细粒子污染已经远远高于世界卫生组织200610月发布的《全球空气质量指南》中PM2.5年平均浓度10微克/立方米,以及美国大气质量标准中PM2.5年平均浓度15微克/立方米的限值。颗粒物浓度的增加是灰霾产生的主要内在因素,在不利的气象条件下,以PM2.5污染为代表的区域性重灰霾持续时间可长达510天,严重时,区域重污染时段PM2.5甚至超世界卫生组织指导值几倍到十几倍。因PM2.5导致的区域性大气污染程度之重,在世界范围内都是少见的,西方国家经历过的重大空气污染事件在我国大范围历史重演的苗头已经显现。而由于区域经济发展的不平衡,中国几个最棘手的大气污染问题也出现在相对分离的地形区,例如珠江三角洲地区,京津唐地区以及长江三角洲地区,跨省界污染正是在这里形成的。

全国大面积持续产生的严重灰霾天气,已经把以臭氧和PM2.5为代表的区域性大气污染问题推进了公众的视线里,随着一次次灰霾天气的产生,对健康的担忧、对治理的呼吁之声也越来越高。大气空气污染控制和削减将是中国要长期面临的一项艰巨任务,这项任务不仅要完成,更要加快步伐高质量的完成。在发展经济的同时,环境成本以及公民健康不能被牺牲掉。我们的政府在稳步推进经济、民生的同时,也应借鉴发达国家的经验,尽早实施大气污染区域防控机制,减少煤炭等化石能源的消耗,并做到有效监督,有力监管,真正地把经济发展搞上去,把环境污染降下来。(作者是绿色和平气候与能源项目主任

附录1

1948年美国多诺拉烟雾事件 

工厂的废气排放是巨大的污染源 

多诺拉是美国宾夕法尼亚州的一个小镇,位于匹兹堡市南边3O公里处,有居民1.4万多人。多诺拉镇座落在一个马蹄形河湾内侧,两边高约120米的山丘把小镇夹在山谷中。多诺拉镇是硫酸厂、钢铁厂、炼锌厂的集中地,多年来,这些工厂的烟囱不断地向空中喷烟吐雾,以致多诺拉镇的居民们对空气中的怪味都习以为常了。

19481O2631日,持续的雾天使多诺拉镇看上去格外昏暗。气候潮湿寒冷,天空阴云密布,一丝风都没有,空气失去了上下的垂直移动,出现逆温现象。在这种死风状态下,工厂的烟囱却没有停止排放,就像要冲破凝住了的大气层一样,不停地喷吐着烟雾。

两天过去了,天气没有变化,只是大气中的烟雾越来越厚重,工厂排出的大量烟雾被封闭在山谷中。空气中散发着刺鼻的二氧化硫(SO2)气味,令人作呕。空气能见度极低,除了烟囱之外,工厂都消失在烟雾中。

随之而来的是小镇中60O0人突然发病,症状为眼病、咽喉痛、流鼻涕、咳嗽、头痛、四肢乏倦、胸闷、呕吐、腹泻等,其中有20人很快死亡。死者年龄多在65岁以上,大都原来就患有心脏病或呼吸系统疾病,情况和当年的马斯河谷事件相似。

这次的烟雾事件发生的主要原因,是由于小镇上的工厂排放的含有二氧化硫等有毒有害物质的气体及金属微粒在气候反常的情况下聚集在山谷中积存不散,这些毒害物质附着在悬浮颗粒物上,严重污染了大气。人们在短时间内大量吸入这些有毒害的气体,引起各种症状,以致暴病成灾。

多诺拉烟雾事件和193012月的比利时马斯河谷烟雾事件,及多次发生的伦敦烟雾事件、1959年墨西哥的波萨里卡事件一样,都是由于工业排放烟雾造成的大气污染公害事件。

大气中的污染物主要来自煤、石油等燃料的燃烧,以及汽车等交通工具在行驶中排放的有害物质。全世界每年排入大气的有害气体总量为56亿吨,其中一氧化碳(CO2.7亿吨,二氧化碳(CO21.46亿吨,碳氢化合物(CH0.88亿吨,二氧化氮(NO20.53亿吨。美国每年因大气污染死亡人数达5.3万多人,其中仅纽约市就有1万多人。大气污染能引起各种呼吸系统疾病,由于城市燃煤煤烟的排放,城市居民肺部煤粉尘沉积程度比农村居民严重得多。

以下是当时的媒体记载的情形:

1027日早晨,烟雾覆盖着多诺拉。气候潮湿寒冷,阴云密布,地面处于死风状态,整个这一天和第二天就这样笼罩在烟雾之中,而且烟雾越来越稠厚,几乎是凝结成一块。在午后视线也仅仅能看到街的对面,除了烟囱之外,工厂都消失在烟雾中。空气开始使人作呕,甚至有种怪味。这是二氧化硫的刺激性气味。那天每个外出的人都明显感觉到这一点,但并没有引起警觉。二氧化硫的气味是在燃煤和熔炼矿物时放出的,在多诺拉的每次雾期中都有这种污染物,只是这一次看来比平常更为严重些。

多诺拉是美国宾夕法尼亚州匹兹堡市南边30公里处的一个工业小城镇,居民约14000人。城镇座落在孟农加希拉河的一个马蹄形河湾内侧。沿河是狭长平原地,两边有高约120米、坡度为10%的山岳。多诺拉镇与韦布斯特镇隔河相对,形成一个河谷工业地带。

在多诺拉的狭长平原上有很多工厂,其中有三个大厂,即钢铁厂、硫酸厂和炼锌厂。从远处看,只见这些工厂的烟囱。长期以来,这些烟囱一直在将烟喷到大气中去。这里的居民们和对大多数城市的居民一样,幸运的是风通常将污染物混入相当厚的大气层,被污染的空气总是顺风扩散到很远的地方。

年复一年,宾夕法尼亚州的居民已对烟习惯了。但并非一向如此,一些老年人还能记起年青时坐在家的后门口,可以清清楚楚地看到三四十公里外的山顶。这种能见度过去是常见的,现在已经不是这样了。随着大城市匹兹堡和邻近城镇的发展,工厂也随之而发展,于是空气失去了它的洁净。住家和办公楼的烟囱冒出的烟,数量不断增加的小汽车和大卡车的排气管冒出的烟,都使空气失去透明度。四周残存的一点景色,也被蒙上了一层薄幕。

空气污染对健康的影响还比能见度降低要严重得多。每吸进一口空气,都带有千千万万个讨厌物质的微粒。科学家创造了“气溶胶”这样一个词来表示空气中这些固体或液态的微粒。最大的气溶胶截留在鼻子或喉咙里,一些稍小点的出入肺部畅行无阻,但其余的则附着在肺叶里了。年复一年,附着物增厚扩大。人们受到重污染空气侵袭的肺部就渐渐不知不觉地变弱,这为患严重疾病在创造条件。

19481026日,一高压区移过宾夕法尼亚州西部的上空,并且在紧跟着的5天之内一直保持不动。在最低的600米的大气层内,风力十分微弱,大多数时间为静风状态,只是在短时间之内风力有微小的增高。大气处于“热稳定”状态,空气很少有上下的垂直移动。

地处山谷底部的多诺拉,比周围地势低约120米。在19481026日到31日间,逆温覆盖了山谷。根据测风和气象气球的报告,城市上空的逆温帽在极少的时间里比300米还低。这样,排出的烟大量地封闭在山谷内壁和逆温顶部之间。

接近地面的空气非常湿润,在夜间形成了雾,而且在宾夕法尼亚州西部某些低洼地区整天都不散。

美国联邦公共卫生局会同州卫生局在事件发生后两个月内进行了调查,结果如下:5天之内,空气污染积累到了极为严重的程度。事件发生期间,多诺拉发病人数共5911人,初期症状是呼吸道、眼、鼻、喉感到不适。轻患者占居民总数的15.5%,症状是眼痛、喉痛、流鼻涕、干咳、头痛、肢体酸乏;中度患者占16.8%,症状是痰咳、胸闷、呕吐、腹泻;重患者占10.4%,症状是综合的,各种症状中咳嗽是最普遍的,占33.1%;其次是喉痛,占23.1%;胸闷占21.5%。调查证明,发病率和严重程度同性别、职业无关而同年龄有关。患者年龄在65岁以上的超过60%。死亡17人,年龄介于52岁和84岁之间,平均65岁。患者大都是在发病的第三天死亡的。死者有一个共同点,即原来都患有心脏或呼吸系统疾患。尸体解剖记录证明死者肺部都有急剧刺激引起的变化,如血管扩张出血、水肿、支气管炎含脓。慢性心血管病是一个突出的迹象,证明对促成心脏病患者死亡有重要影响。

在事件发生当时虽来作环境监测,但可推断二氧化硫浓度大概在0.52.0μL/L,并存在明显尘粒。所以有人认为二氧化硫同金属元素和某些化合和物反应生成的“金属”硫酸铵是主要致害物。看来,二氧化硫及其氧化作用的产物同大气中尘粒的结合是致害的关键因素。

美国洛杉矶光化学烟雾事件 

  

光化学烟雾笼罩的洛杉矶

洛杉矶,是美国西部太平洋沿岸的一个海滨城市,前面临海,背后靠山。原先风光优美,常年阳光明媚,一年只有几天下雨,气候温和。美国电影中心——好莱坞就设在它的西北郊区。洛杉矶南郊约100公里处的圣克利门蒂是美国西部白宫。

但是,自从1936年在洛杉矶开发石油以来,特别是二次世界大战后,洛杉矶的飞机制造和军事工业迅速发展,洛杉矶已成为美国西部地区的重要海港,工商业的发达程度仅次于纽约和芝加哥,是美国的第三大城市。随着工业发展和人口剧增,洛杉矶在20世纪40年代初就有汽车250万辆,每天消耗汽油1600万升。到70年代,汽车增加到400多万辆。市内高速公路纵横交错,占全市面积的30%,每条公路通行的汽车每天达16.8万次。由于汽车漏油、汽油挥发、不完全燃烧和汽车排气,每天向城市上空排放大量石油烃废气、一氧化碳、氧化氮和铅烟(当时所用汽车为含四乙基铅的汽油)。这些排放物,在阳光的作用下,特别是在5月份至10月份的夏季和早秋季节的强烈阳光作用下,发生光化学反应,生成淡蓝色光化学烟雾。这种烟雾中含有臭氧、氧化氮、乙醛和其他氧化剂,滞留市区久久不散。

从地形来说,洛杉矶地处太平洋沿岸的一个口袋形地带之中,只有西面临海,其他三面环山,形成一个直径约50千米的盆地,空气在水平方向流动缓慢。。虽然在海上有相当强劲的通常都是从西北方吹来的地面风,但此风并不穿过海岸线。在海岸附近和沿着近乎是东西走向的海岸线上吹的是西风或西南风,而且风力弱小。这些风将城市上空的空气推向山岳封锁线。

还有另一个因素促使逆温层的形成。沿着加利福尼亚洲海岸向南方和东方流动的是一股大洋流,名叫加利福尼亚潮流。在春季和初夏,这股海水较冷。来自太平洋上空的比较温暖的空气,越过海岸向洛杉矶地区移动,经过这一寒冷水面上空后变冷。这就出现了接近地面的空气变冷,同时高空的空气由于下沉运动而变暖的态势,于是便形成了洛杉矶上空强大的持久性的逆温层。每年约有300 天从西海岸到夏威夷群岛的北太平洋上空出现逆温层,它们犹如帽子一样封盖了地面的空气,并使大气污染物不能上升到越过山脉的高度。

洛杉矶的光化学烟雾在这种特殊的气象条件下,扩散不开,停止在市内,毒化空气形成污染。在一天里,由上午910点钟开始形成烟雾,一氧化氮浓度增加,其浓度在10ppm以下就可积蓄臭氧。到下午2点左右,臭氧浓度达到高峰,氧化氮浓度减少。然后随太阳西下,烟雾也逐渐消失,这些现象是光化学烟雾在环境中的典型特点。

40年代初开始,人们就发现这座城市一改以往的温柔,变得“疯狂”起来。每年从夏季至早秋,只要是晴朗的日子,城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾,使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红,咽喉疼痛,呼吸憋闷、头昏、头痛。1943年以后,烟雾更加肆虐,每年5月至10月期间经常出现烟雾几天不散的严重污染。以致远离城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死,柑橘减产。前后经过七八年,到50年代,人们才发现洛杉矶烟雾是由汽车排放物造成的。仅19501951年,美国因大气污染造成的损失就达15亿美元。19559月,由于大气污染和高温,使烟雾的浓度高达0.65pPm。在两天里,因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上的老人达四百余人,为平时的三倍多。许多人眼睛痛、头痛、呼吸困难。从50年代开始,洛杉矶当地政府每天向居民发出光化学烟雾预报和警报。光化学烟雾中的氧化剂以臭氧为主,所以常以臭氧浓度高低作为警报的依据。19551970年,洛杉矶曾发出臭氧浓度的一级警报80次,每年平均5次,其中1970年高达9次,约有75%以上的市民患上了红眼病。1979917日,洛杉矶大气保护局发出了“烟雾紧急通告第二号”,当时空气中臭氧含量已经超过了0.35ppm,几乎达到了“危险点”。洛杉矶已经失去了它美丽舒适的环境,有了“美国的烟雾城”称号。这就是最早出现的新型大气污染事件——光化学烟雾污染事件。

洛杉矶烟雾,主要是刺激眼、喉、鼻,引起眼病、喉头炎及不同程度的头痛。在严重情况下,也会造成死亡事件。烟雾还能造成家畜患病,妨碍农作物及植物的生长,使橡胶制品老化,材料和建筑物受腐蚀而损坏。光化学烟雾还使大气浑浊,降低大气能见度,影响汽车、飞机安全运行,造成车祸、飞机坠落事件增多。

对于40年代洛杉矶烟雾产生的原因,并不是很快就能搞清楚的。开始认为是空气中二氧化硫导致洛杉矶的居民患病。但在减少各工业部门(包括石油精炼)的二氧化硫排放量后,并未收到预期的效果。后来发现,石油挥发物(碳氢化合物)同二氧化氮或空气中的其他成份一起,在阳光(紫外线)作用下,会产生一种有刺激性的有机化合物,这就是洛杉矶烟雾。但是,由于没有弄清大气中碳氢化合物究竟从何而来,尽管当地烟雾控制部门立即采取措施,防止石油提炼厂储油罐石油挥发物的挥发,然而仍未获得预期效果。最后,经进一步探索,才认识到当时的250万辆各种型号的汽车,每天消耗1600 万升汽油,由于汽车汽化器的汽化率低,使得每天有1000多吨碳氢化合物进入大气。

由汽车尾气和工业废气排放造成的光化学烟雾,一般发生在湿度低、气温在2432℃度的夏季晴天的中午或午后。汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮(NO2)被排放到大气中后,在强烈的阳光紫外线照射下,会吸收太阳光所具有的能量。这些物质的分子在吸收了太阳光的能量后,会变得不稳定起来,原有的化学链遭到破坏,形成新的物质。这种化学反应被称为光化学反应,其产物为含剧毒的光化学烟雾。这时才真正搞清楚了产生洛杉矶烟雾的原因。

饱受光化学烟雾折磨的洛杉矶市民于1947年划定了一个空气污染控制区,专门研究污染物的性质和它们的来源,探讨如何才能改变现状。汽车仍在不断地增多,美国政府对此感到头痛,连尼克松总统都沮丧地说“汽车是最大的在气污染源”。

后来,195212月的一次光化学烟雾中,洛杉矶市的65岁以上的老人又死亡400人。

光化学烟雾可以说是工业发达、汽车拥挤的大城市的一个隐患。5O年代以来,世界上很多城市都不断发生过光化学烟雾事件。光化学烟雾的形成机理十分复杂,其主要污染物来自汽车尾气。因此,目前人们主要在改善城市交通结构、改进汽车燃料、安装汽车排气系统催化装置等方面做着积极的努力,以防患于未然。(20世纪环境警示录》)(人民网 20011128

 

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