船舶尾气排放对葛洲坝大气灰霾的影响初探

张兆年++谭颖喆++饶少林++张文娟

摘要：指出了目前对灰霾来源的研究中，对船舶尾气的研究目前正起步。采用目前国内最先进的在线单颗粒气溶胶质谱仪SPAMS0525对葛洲坝船闸处的细颗粒物PM2.5来源进行了解析监测，结合船舶污染物排放量的核算，得出了船舶尾气排放对灰霾形成有较大影响，贡献率约占7%的结论。

关键词：港口城市；船舶排放；灰霾；来源解析

中图分类号：X823

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10000103

1 引言

灰霾是大量环境空气污染物在不利扩散降解的气象条件下形成的一种空气污染。在中国气象局《地面气象观测规范》中，霾天气的定义是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色。

近年来，随着工业发展和城市化进程加快，大气污染严重，灰霾频发，对灰霾污染过程的特征和来源的相应研究也逐渐增多[1～8]。形成灰霾污染的大气颗粒物来源主要来源于燃煤废气、工业工艺废气、建筑施工与道路交通扬尘、移动源、生物质燃烧废气与农业面源、二次无机源等。目前在灰霾污染来源研究中，针对移动源的研究以机动车尾气为主，而对于排放气态和颗粒态污染物在移动源中占有重要比例的船舶尾气则研究很少。宜昌市是一个港口城市，举世闻名的三峡大坝和葛洲坝位于宜昌市，随着国家西部大开发战略的稳步推进、长江黄金水道作用的充分发挥，近年来过闸需求稳步增长，加上目前我国港口船舶污染控制不论是法律法规还是管理技术、控制水平方面均与国外发达港口城市相比存在较大的差距，船舶排放废气带来的空气污染问题不容忽视。如图1中激光雷达扫描结果显示[9，10]， 2015年4月2日凌晨1点，宜昌市长江水域停靠的船舶因柴油发电机产生污染，造成江面上空出现了一个个球状的污染团，浓度较高，可以完全阻挡激光的透过，且随着空气流动向城区扩散。

笔者利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（Single Particle Aerosol Mass Spectrometer， SPAMS）针对宜昌市船舶污染对灰霾污染的贡献进行了初步探讨，并结合排放清单数据进行了估算验证，结果对于进一步了解宜昌市船舶污染现状具有积极意义，并且可为制定相应的控制对策提供科学依据和数据基础。

图1 宜昌江面船舶停靠点上空激光雷达扫测

2 研究方法

2.1 监测站点和时间

为量化船舶污染的影响，于2015年7月分别在葛洲坝船闸处及远离葛洲坝船闸同一个功能区的夷陵子站对细颗粒物（PM2.5）开展监测，并进行了来源解析。

葛洲坝点位观测时间为2015年7月8～13日，历时5 d，期间为多云天气，时均AQI最高值达到106，为轻度污染水平，PM2.5最高为79 μg/m3，超过国家二级浓度限值；夷陵子站观测时间为2015年7月17日，由于条件所限，历时1 d，期间天气也为多云，天气条件与葛洲坝点位观测期间类似，AQI最高值达到103，为轻度污染水平，PM2.5最高为76 μg/m3。两个站点的地理位置分布如图2所示，夷陵子站位于葛洲坝东北方向直线距离5 km左右。

2.2 监测方法

灰霾成因复杂，短时期千变万化，在线单颗粒气溶胶质谱仪能瞬时获取大气颗粒物的化学组成和粒径大小，跟踪各类污染源对形成灰霾的贡献率，迅速查找形成灰霾的主导污染源。为此利用广州禾信仪器股份有限公司生产的SPAMS0525型单颗粒飞行时间质谱仪对细颗粒物（PM2.5）进行来源解析工作[11，12]，探讨船舶污染对灰霾形成的贡献率。

图2 葛洲坝和夷陵子站点位分布

Li 等[13] 曾对SPAMS 的工作原理进行了详细的阐述：气溶胶颗粒通过空气动力学透镜聚焦进入真空系统，在测径区由双激光测径，同时触发电离激光对被测径颗粒进行精确电离，最后由双极飞行时间质量分析器实现對气溶胶颗粒化学组分的检测。样品采集期间，环境空气经PM2.5切割头切割后直接进入SPAMS 分析。

2.3 数据处理

采集到的数据使用禾信公司开发的CoCo软件包在Matlab平台上进行处理。依照《大气颗粒物来源解析技术指南》，结合宜昌市的能源结构，参照前期在宜昌市建立的大气颗粒物污染源谱库，利用各类污染源质谱特征中的示踪离子对采集到的颗粒数据进行搜索，主要将将宜昌市细颗粒物（PM2.5）污染来源归结为七大类，分别为扬尘、生物质燃烧、机动车与船舶尾气、燃煤、工业工艺（非燃烧产生的颗粒）、二次无机源和其他。

3 结果与讨论

3.1 单颗粒质谱法解析船舶影响

图3为监测期间两点位的颗粒物来源分析图。a图为夷陵点位颗粒物源解析结果，监测期间夷陵监测点位首要污染源为扬尘源（25.3%），其次是机动车与船舶尾气源（22.9%），第三为燃煤源（20.7%）；b图为葛洲坝点位源解析结果，与夷陵点位不同，监测期间葛洲坝点位首要污染源为机动车与船舶尾气源（30.2%），其次是扬尘源（23.1%），第三为燃煤源（17.4%）。对比两个源解析结果，发现两点位除机动车与船舶尾气占比差异较大外，其余各源占比接近，排序也基本保持一致。这与当地实际情况较为相符：葛洲坝点位和夷陵点位直线距离仅为5 km左右，除葛洲坝点位船闸处有大量过往船舶外，周边其他污染源分布情况基本相同。且夷陵点位监测当日，风向以东南风为主，基本受不到来自葛洲坝的船舶尾气影响。因此，二者之间机动车与船舶尾气贡献率的差异，可以大致认为是由两测点之间船舶尾气贡献率的差异所致。

由监测结果可知，葛洲坝点位机动车与船舶尾气对细颗粒物PM2.5的贡献率比夷陵点位高7.3%，由此可见船舶尾气排放对葛洲坝点位大气颗粒物的贡献率约为7.3%。

图3 两点位颗粒物来源分析结果

3.2 污染源排放清单法验证

污染源排放清单能准确定量出各类空气污染源对形成灰霾的贡献率，而船舶大气污染物排放没有相应的标准，当前也没有开展日常的排污申报监测，基本上无船舶大气污染物排放量数据，研究中采用物料衡算方法近似估算。

目前，我国船用燃料消耗中有60%～65%为船用燃料油，少量用轻柴油（普通柴油）。根据《船用燃料油》（GB/T 17411-2012）标准，目前，我国的船用燃料油硫含量在1%～3.5%（10000～35000 mg/L），是国四柴油（含硫量50 mg/L）的200～700倍。据调查，一般每万吨船舶以10 km/h行驶，一小时耗油400 kg，一般船只过葛洲坝船闸需3 h，而在城区航行和等待过闸需10 h以上，等待过程中均以燃油发电。为了研究该课题，笔者专门调查了过往船只，估算出平均每万吨船舶在宜昌城区航行与过闸一般需耗油3000 kg。据长江三峡通航管理局统计，2015年葛洲坝、三峡船闸客货通过量达到1.196亿t。据此计算，过往宜昌船只在城区耗油约3.6万t。按船用燃料油硫含量2%计算，燃油中硫燃烧后均以SO2形式排放，由物料衡算得该SO2年排放量1440 t。据宜昌市环保局统计，2015年宜昌市城区二氧化硫排放量20000 t，则过往宜昌船只二氧化硫排放量占宜昌市城区7.2%。船舶排放的其他废气污染物排放量占全市城区空气污染物总量的比例难以估算，但二氧化硫作为典型的空气污染物，基本能反映空气污染源总体贡献率[8，12]。

4 结论

在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS0525）监测解析结果表明，船舶污染对葛洲坝点位灰霾的贡献率约为7.3%；污染清单分析表明，过往宜昌船只废气污染物排放量约占宜昌市城区的7.2%；排污清单法和源解析法两种方法得到的船舶污染对灰霾的贡献率十分一致，由此可见，宜昌市船舶污染对闸口附近灰霾形成有较大的影响，贡献率约占7%。

参考文献：

[1]吴 兑，毕雪岩，邓雪娇，等. 珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究[J].气象学报，2006，64（4）：510～517.

[2]吴 兑.关于霾与雾的区别和灰霾天气预警的讨论[J].气象，2005，31（4）：3～7.

[3]付曉辉，肖 刚，姜玉印，等.近53年宜昌市霾的演变特征及气象因子诊断[J].长江流域资源与环境，2010，19（2）：164～168.