港口营运期PM2.5环境影响评价方法研究

杨 柳，徐洪磊

（交通运输部规划研究院环境资源所，北京 100028）

港口内各类污染源的颗粒物排放是港口城市大气颗粒物污染的重要来源之一［1—3］。对我国港口大气颗粒物污染的研究显示，2006年天津港运输船舶进出港和在港期间可吸入颗粒物（PM10）排放量约为190t［4］；2006年珠江三角洲船舶活动的PM10排放量约为2 281.5t，占非道路移动源排放总量的50.5%［5］；2007年香港远洋船舶的PM10排放量约为1 035t，占香港PM10排放总量的16%［6］；2010年上海港船舶进出港和在港期间排放的细颗粒物（PM2.5）约为3 700t，占上海市PM2.5排放总量的5.3%［1］。目前我国50%以上港口货物吞吐量由分布在京津冀、长三角、珠三角等大气颗粒物重污染区域的港口完成［7］，因此控制港口PM2.5排放对开展重点区域大气污染防治具有重要的意义。

规划和建设项目环境影响评价是预测港口污染物排放影响、指导污染防治工作的有效手段。依据《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2—2008），在《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）实施后PM2.5应作为一种常规污染物纳入大气环境影响评价。截至2013年底，我国25个沿海主要港口中有23个、28个内河主要港口中有22个已经开始实施新的环境空气质量标准，2016年新标准将在全国实施。可见，从大气污染防治工作需要和环境评价法规要求来看，当前港口总体规划和建设项目环境评价必须对营运期PM2.5污染排放及其影响进行分析、预测和说明。然而国内尚没有对港口营运期各类作业活动PM2.5排放特征进行系统监测，受到基础数据匮乏、工作经验不足等因素影响，目前港口营运期PM2.5环境影响评价尚处于起步阶段，存在着许多亟待解决的问题。鉴于此，本文在参考国内外港口大气颗粒物污染防治研究的基础上，结合我国港口总体规划及建设项目环境影响评价的工作要求，探索了港口营运期PM2.5环境影响评价的技术要点和方法，以期为我国港口总体规划和建设项目环境影响评价的顺利开展提供经验和建议。

1 港口PM2.5排放分析

1.1 港口PM2.5排放源调查

根据我国沿海和内河典型港口调研，港口营运期一次颗粒物排放源可分为两类，即扬尘和燃油尾气颗粒物。前者包括散货堆场扬尘、装卸作业过程中扬尘和港内道路扬尘等；后者包括运输船舶进出港及在港期间主机、辅机和锅炉尾气排放，港口机械设备发动机尾气排放，港内工作船发动机尾气排放以及集疏运车辆发动机尾气排放等。随着我国《环境空气质量标准》的修订，港口环境影响评价中表征大气颗粒物污染状况的评价因子由TSP（总悬浮颗粒物）、PM10变更为PM10和PM2.5，因此本文按照《港口建设项目环境影响评价规范》（JTS 105-1—2011）的要求，并参照国内外相关文献对各种颗粒物排放源的粒径分布情况进行分析。

扬尘颗粒物的粒径分布与散货种类及散货颗粒粒径有关［8］。一般煤场堆煤中30μm 以下粒子的质量分数约为0.275%［9］，相应煤场码头环境空气中PM10占TSP质量浓度的82%，而粒径小于2μm的仅占48%［10］；粮食立筒库中的粮食伴生粉尘粒度主要在70μm 以下，其中小于5μm 的粉尘在总粉尘量中约占6.33%，5～15μm 的粉尘在总粉尘量中约占22.91%［11］。这些研究表明，在扬尘颗粒物的粒径分布中PM10所占比例显著高于PM2.5，因此应以PM10作为港口扬尘颗粒物污染的主要评价因子。由于粒径小于2.5μm 的扬尘粒子在PM10环境影响评价中已经有所反映，因此在PM2.5环境影响评价中可不作为重点研究内容。

港口范围内燃油尾气颗粒物的来源较为复杂，目前我国港口环境评价对这部分颗粒物的关注极少。美国国家环保署（EPA）对2000年以来美国23个港口污染物排放清单的核算结果进行统计，结果发现港口内海船／深水船舶、货物装卸设备、港内工作船、重型卡车和火车机车的颗粒物排放的平均分担率分别为51%、18%、14%、12%和5%［12］。美 国圣佩德罗湾港区（洛杉矶港和长滩港）的相关研究显示，远洋轮船、货物装卸设备、港内工作船、重型卡车和火车机车对港区内柴油颗粒物排放的分担率分别为59%、14%、11%、10%和6%［13］。国际上对船舶发动机尾气颗粒物粒径分布研究较少，部分研究显示：船舶正常航行时，主机尾气中PM2.5占PM10浓度（质量浓度，下同）的比例平均为72%，辅机尾气中PM2.5占PM10浓度的比例平均为76%［14］；船舶进出港时，辅机尾气中PM2.5约占PM10浓度的78%和总颗粒物浓度的70%［15］。在大型港口机械设备尾气中PM2.5比例更高，达到PM10浓度的96%和总颗粒物浓度的77%［16］。重型卡车发动机尾气中PM2.5占总颗粒物浓度的比例则高达80%～95%［17］。因此，将港口范围内船舶、港口机械、集疏运车辆等燃油颗粒物排放作为PM2.5环境影响评价的主要污染源，既符合其粒径分布规律，也便于与PM10环境影响评价区别开来，可全面且有所侧重地覆盖港口内各类大气颗粒物污染排放源。

1.2 港口PM2.5排放量计算方法

参考国外港口污染物排放清单编制方法［12，18］，结合我国部分船舶大气污染物排放研究案例，并根据数据参数的可获得性，将港口内船舶、机械和车辆的PM2.5排放量采用“自下而上”的计算方法，其基本原理可表示为

式中：E 为PM2.5的排放量（g）；MCR 为发动机的额定功率（kW）；t为发动机运转时间（h）；EF 为对应于发动机的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］。

1.2.1 运输船舶PM2.5排放量计算

运输船舶在港口范围内的活动较为复杂，可大致分为航道巡航、进出港、装卸和停泊等4种工况。不同工况下船舶主机、辅机和锅炉的运行状况不同，需要分别进行尾气排放量计算，具体计算方法详见文献［1］，计算所需的各项基础数据及其来源列于表1。

表1 运输船舶PM2.5排放量计算的基础数据及其来源Table 1 Data for the estimation of PM2.5emission from transport vessels

受到研究条件限制，目前国内尚未对海运船舶发动机PM2.5排放因子进行系统测定，表2 列出了美国国家环保署（EPA）2009年发布的海运船舶发动机PM2.5排放因子［12］。我国海运船舶建造技术水平与国外差异不大，尽管在油品质量、船舶管理等方面存在一定区别，但在环境评价阶段仍可参照表2进行海运船舶PM2.5排放量估算。

我国内河船舶的尾气污染物控制技术与国外相比较为落后，其PM2.5排放因子可参考国内研究者在京杭运河上测得的数据（见表3），该研究显示内河船舶发动机尾气颗粒物的粒径均在2.5μm 以下［19］。

1.2.2 机械设备排放量计量

港口机械主要包括码头牵引车、吊车、叉车、起重机、装载机、卷扬机等装卸设备。在建设项目环境评价阶段，可依据项目的工程可行性研究报告获取码头装卸工艺和装卸设备的详细资料；在港口总体规划环境评价阶段，港口机械设备的配备情况尚不明确，可采用类比分析法并参考同类同等规模已建港口的情况进行估算；装卸设备的年均使用时间与港口货物吞吐量有关，需通过对港口主管部门的调研确定。但应注意的是，港口机械设备的燃料使用情况，如使用LNG 或电力设备不应纳入源强计算。

表2 海运船舶发动机PM2.5排放因子［12］Table 2 PM2.5emission factors for ocean-going vessel engines［12］

表3 内河船舶发动机PM2.5排放因子［19］Table 3 PM2.5emission factors for inland vessel engines［19］

国内研究测得轮式装载机PM 排放因子约为1.48g／kg-fuel，显著高于国外同类机械［20］。在没有实测数据的情况下，可以采用《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ、Ⅱ阶段）》（GB 20891—2007）中规定的颗粒物排放限值（见表4）代替港口机械排放因子。

1.2.3 工作船舶排放量计算

港口内的工作船舶包括拖船、顶推船、渡船、挖泥船等。对于现状港区，工作船舶的保有量和活动情况可通过港口主管部门获得；对于规划港区，可以通过同类同等规模现状港区的对比得到。美国EPA 的工作船舶发动机PM2.5排放因子见表5［21］。由于工作船舶活动水平与运输船舶的航次有关，在港口环境评价中若无法通过调研或类比分析获得相关资料，可按照运输船舶PM2.5排放量的一定百分比大致估算工作船舶PM2.5的排放量。参考美国EPA 相关报告，工作船舶PM2.5排放量约为运输船舶的20%～30%［12］。

表4 非道路移动机械柴油机尾气PM 排放限值Table 4 Limits for PM from diesel engine exhaust of non-road mobile machinery

表5 港口内工作船舶PM2.5排放因子Table 5 PM2.5emission factors for harbor vessel engines

1.2.4 集疏运车辆排放量计算

港口集疏运车辆包括重型卡车和火车机车。目前我国港口陆上集疏运方式以公路运输为主，如武汉港规划公路集疏运量为铁路的9倍，枣庄港规划公路集疏运量为铁路的11倍，因此在环境评价中应以公路集疏运的重型卡车尾气排放为重点。我国出台了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691—2005），也开展了多项重型卡车尾气PM2.5排放研 究［22—27］，得到的 重型卡 车尾气PM2.5排放限值和排放因子详见表6和表7。

表6 重型卡车尾气PM2.5排放限值Table 6 Limits for PM2.5from heavy duty truck exhaust

表7 重型卡车尾气PM2.5排放因子Table 7 PM2.5emission factors for heavy duty truck exhaust

在环境评价中，通过公路集疏运量、单车载重量、港内道路长度等可以推算出重型卡车在评价范围内的年行驶里程，因此使用单位行驶里程的排放因子数据进行计算较为便捷。在这种情况下，重型卡车尾气PM2.5排放量的计算公式如下：

式中：M 为重型卡车年行驶里程（km）；EFM为单位行驶里程的PM2.5排放因子（g／km）。

2 港口PM2.5环境影响预测

一项在纽约市开展的研究认为船舶排放对Elizabeth 港周边大气PM2.5浓度的贡献约为4.8%［2］。俄勒冈西北部频繁的船舶活动也被认为对该州西南部地区大气PM2.5浓度有所贡献［28］。据文献报道，船舶一次排放对香港环境空气PM2.5浓度的分担率约为19%，由船舶排放生成的二次PM2.5对环境浓度的贡献约为6%［3］。基于颗粒物迁移扩散规律的浓度预测是评价港口各类PM2.5排放对周边环境影响的基础。在PM2.5环境影响预测中，气象观测资料调查与分析、地形数据收集、预测情景设定、计算点选取等步骤与PM10环境影响预测相同，在此仅对预测模式选取和污染源计算清单进行讨论。

2.1 预测模式的选取

《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2—2008）推荐的港口PM2.5环境影响预测模式包括AEROMODE 模 式、ADMS 模式和CALPUFF 模式，其适用条件和数据要求见表8［29-31］。

《港口建设项目环境影响评价规范》（JTS 105-1—2011）规定，评价的陆域范围应包括港区和配套建设的疏港公路、铁路专用线及环境保护目标。根据《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2—2008），港区内各排放源的大气环境影响评价最大范围为以排放源为中心，半径25km 的圆形区域或边长50km 的矩形区域；疏港公路、铁路专用线的评价范围为线源中心两侧各200m。从实际评价工作需要和港口规划建设项目的实际情况来看，PM2.5环境影响的评价范围多小于50km，在此范围内PM2.5排放源的主要类型包括线源和面源，其中线源（如船舶、集疏运车辆等）的排放量显著高于面源。因此，ADMS模式对于港口营运期的PM2.5环境影响预测较为适用。

表8 预测模式的一般适用条件和数据要求Table 8 Applicability of recommended models

2.2 污染源计算清单

2.2.1 面源排放速率的计算

多数装有柴油发动机的港口机械在作业期间并不固定在某一点位，而是根据货物装船和卸船需要在码头前沿移动，其尾气管排放高度通常低于15 m。按照《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2—2008），此类在一定区域范围内以低矮密集的方式自地面或近地面的高度排放污染物的源应属于面源，可按照无组织排放进行环境影响评价。该面源的几何尺寸为码头前沿区域的设计尺寸，由面源源强和面源几何尺寸可按下式计算面源的排放速率：

式中：vE为港口机械面源排放速率［g／（m2·s）］；MCRi为第i种机械设备的额定功率（kW）；EFi为第i 种机械设备的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；mi为第i种机械设备的数量；A 为码头前沿区域面积（m2）；n为港口机械种类。

按照式（3）计算得到码头前沿区域全部机械满负荷运转的排放速率，符合环境影响评价要求。

船舶在装卸作业及港内停泊期间，辅机和锅炉产生的排放均发生在码头前沿水域，可按照无组织排放面源进行处理。该面源的几何尺寸为码头前沿水域的设计尺寸，船舶在码头前沿水域的面源排放速率可按下式计算：

式中：vH为船舶在码头前沿水域的面源排放速率［g／（m2·s）］；MCRa为船舶辅机的额定功率（kW）；EFa为船舶辅机的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；MCRb为船舶锅炉的额定功率（kW）；EFb为船舶锅炉的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；n 为码头泊位数；A 为码头前沿区域的面积（m2）。

在环境影响评价中可采用运输船舶中辅机功率最大的船型为代表船型，按照式（4）计算得到全部泊位均有船舶作业时码头前沿水域的面源排放速率，符合环境影响评价要求。

2.2.2 线源排放速率的计算

各类船舶在航道内的尾气排放和重型卡车在疏港公路上的尾气排放符合《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2—2008）中“污染物由移动源构成线状排放”的定义，应属于线源。重型卡车尾气PM2.5排放速率的计算方法详见导则及文献［32］，船舶航行的线源排放速率的计算公式如下：

式中：vC为船舶航行的线源排放速率［g／（m·s）］；MCRp为船舶主机的额定功率（kW）；EFp为船舶主机的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；F 为航道内的船舶流量（艘／h）；v 为船舶在航道内航行的平均速度（km／h）。

在环境影响评价中可采用运输船舶中主机功率最大的船型为代表船型，按照式（5）计算得到船舶主机满负荷工作情况下的排放速率，符合环境评价要求。

3 结论

港口营运期PM2.5污染的排放源包括运输船舶尾气、工作船舶尾气、港口机械尾气、集疏运车辆尾气、散货堆场扬尘、装卸过程扬尘和道路扬尘。根据不同排放源的颗粒物粒径分布特征，运输船舶、工作船舶、港口机械和集疏运车辆的尾气排放应作为港口营运期PM2.5环境影响评价的重点内容。本文在参考国外港口排放清单编制方法的基础上，结合文献调研给出了各类污染源的PM2.5排放因子，建立了“自下而上”的港口营运期PM2.5排放量估算方法，并根据我国港口规划和建设项目环境评价工作经验，选取ADMS模式作为港口营运期PM2.5环境影响预测的模式，从而建立了各类污染源排放速率的计算方法。

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