北京首都国际机场离场地面污染物排放量估算

杨芮

摘 要：为了分析北京首都机场周围地面航班污染物的排放量，文章采用了标准起飞着陆循环（LTO）的油耗排放模型。并对其中滑行阶段的排放量计算进行了修正，结合ICAO发动机排放数据库（Engine emission data bank）和中国民航局下发的适航报告规定以及北京首都国际机场的CDM放行数据得到场面实际污染物排放量。考虑实际滑行时间，提高了地面航空器污染物排放量的计算精度，得出了更为适合北京机场的讨论数据。为促进机场地面节能减排，改善机场周遭环境质量提出了研究的角度。对首都机场来说，LTO循环模型的滑行阶段过程中HC的排放量超出了实际排放量的62.06%，CO的排放量超出了实际的62.67%，NOX的排放量超出了实际排放的60.91%。

关键词：场面滑行；污染物排放；排放修正

中图分类号：V231.25 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0012-04

Abstract： In order to analyze the emission of pollutants from ground flights around Beijing Capital International Airport， the fuel consumption and emission model of standard Landing and Take-Off （LTO） cycle is adopted in this paper. And the calculation of the emissions in the gliding phase is corrected. Combined with the ICAO engine emission data bank and China Civil Aviation Administration issued airworthiness report regulations and Beijing Capital International Airport's CDM release data to obtain the scene actual pollutant emissions. Considering the actual taxiing time， the calculation accuracy of pollutant emission from ground aircraft is improved， and the discussion data which is more suitable for the Airport are obtained. In order to promote the airport ground energy conservation and emission reduction and improve the environmental quality around the airport， this paper puts forward the research point of view. For the Capital Airport， the HC emissions in the sliding phase of the LTO cycle model exceed the actual emissions by 62.06%， the emissions of CO exceed the actual emissions by 62.67%， and the emissions of NOX exceed the actual emissions by 60.91%.

Keywords： surface taxiing； pollutant discharge； emission correction

1 背景

由于機场附近住宅开发量的增加和商业航空旅行的持续增长，机场周围的空气污染已经成为政府和居民热议焦点。Scott Fruin团队发现，洛杉矶机场周围区域来自航空器的污染水平大幅提高，来自汽车排放的污染还不到颗粒物总量的5%，调查区域颗粒物浓度相当于174英里至491英里高速公路交通所产生的颗粒物[1]。航空器排放出众多高浓度污染物，例如排出的热汽冷却凝固后形成极细颗粒，可被人体吸入肺部，甚至能够进入血液循环，在血管中形成氧化压力，诱发炎症，从而引起动脉粥样硬化或动脉堵塞，特别是对患有心肺功能疾患、哮喘病的人群而言，还会导致其身体健康状况发生其他各种恶化。大型飞机以及机舱仅排放的颗粒物就能扩散至机场周边10英里的范围。研究人员指出全球各大机场附近居民的健康都受到了严重危害。

随着人们环保意识的增强，相关管理部门正在制定更为严格的技术标准，以便减少飞机的噪声和污染排放。国际航空届也采取措施减少航空器排放。国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）发布了多项指导材料和技术文件，旨在解决飞机排放的污染物对当地空气质量的不良影响，条款涉及液体燃料排放、烟雾以及喷气发动机的主要排放污染物例如碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）和一氧化碳（CO）。ICAO 附件16《环境保护》中，规定了飞机发动机排放标准和噪声标准[2]。ICAO发布的2016环境报告中指出，2010年，全球民航共消耗142百万吨燃油，排放了4.48亿吨二氧化碳，预计到2040年，燃油消耗会增加2.8-3.9倍；2050年会增加4至6倍，二氧化碳排放也将成倍增长。在全球变暖的大背景下，航空碳排放必将引起更大的社会关注[3]。因此，全面开展航空减排技术研究，势在必行。

现有研究中，分航空巡航和机场起降阶段估算飞机排放。航路巡航阶段研究包括：Pejovic等根据空中交通流量数据，整体估算了英国航空器污染物排放程度[4]；Gauss等研究了NOX排放对大气环境质量影响[5]；魏志强、王超对航班飞行各阶段污染物排放进行了整体估算（2010）[6]；孙见忠考虑了航空器发动机性能退化后，估算了航班污染物排放量（2012）[7]。ICAO文件中，将航班从空中降落至机场至再次起飞到高空整个工作过程定义为LTO（Landing Take-off Cycle）循环，包括进近、滑行、起飞和爬升等四个过程。根据这一定义，Tsilingiridis对Greek机场的污染物排放量进行了整体估算[8]；Harshad Khadilkar建立了航空器地面

燃油消耗模型，结合运行数据发现，滑行时间、加速是影响滑行油耗的重要因素[9]；夏卿对中国民航各机场飞机的污染物排放量进行了整体估算（2008）[10]。

ICAO定义的LTO循环虽然覆盖了飞机地面运行的各个阶段，但忽略了机型、滑行距离、滑行时间等可能对燃油消耗带来重大影响的多个因素，仅是对实际情况一种理想平均。本文将尝试从实际运行数据出发，更为精确的计算机场排放。

2 航空器排放计算模型

当研究航班的污染物排放时，我们可以从航班的发动机着手。通过不同型号的发动机的排放系数不同可以计算航班在不同LTO子工作过程中的污染物排放。本文主要分析滑行阶段污染物排放量[11]，主要影响因素包括：（1）机型，飞机型号以及其对应的发动机型号、数量；（2）发动机型号，不同发动机燃油燃烧效率及对应的排放物不同；（3）排放污染物类型及对应的排放系数；（4）发动机工作模式，滑行阶段发动机通常采用空档模式；（5）滑出时间。

按照ICAO定义的LTO循环，安装两台Trent 772发动机的空客A330发动机工作模式及排放如表1所示。其中烟雾数是技术人员使用过滤器对参考发动机排放的废气样品进行评定的一个无量纲的量化烟雾排放水平的值，由0至100代表烟雾排放量逐渐变大。

从表中可以看出，滑行阶段污染物排放量远远大于其他阶段，值得重点关注。如前所述，ICAO定义的LTO循环中，按照固定的滑行时间计算滑行排放，没有考虑航班滑行时间的巨大差异。本文将考虑实际滑行时间，提高排放计算精度。

飞机地面滑行阶段，机型、发动机型號、发动机工作模式、排放污染物类型及排放系数可以看作定值。地面滑行排放量E可以表示为：

E=？撞i？撞jEij （1）

Eij=Ti×FBi×EIij（2）

其中：Ti表示航空器i滑行时间，FBi表示飞机i燃油消耗系数，EIij表示飞机i排放污染物j的排放系数。

我国民航主要使用空客、波音系列飞机，相同机型对应发动机型号不尽相同。如A320-200机型配备的发动机型号就有4种。民航局适航部门下发的民用航空器及航空发动机型号书写指南提供了各机型配备的发动机型号，如表2所示。

由ICAO发动机排放数据库中查得各类发动机燃油消耗率及各类污染物排放系数值，按照每种机型对应的多个发动机种类的排放系数进行加权平均，计算得某机型的航班平均燃油消耗率和污染物排放系数，如表3所示。

机场滑行时间可以从空管的协同决策系统中采集。2014年2月，北京首都国际机场航班滑行数据如表4所示。

表4中，撤挡轮时间与实际起飞时间之间差值，就是地面滑行时间。

3 滑行排放计算

2014年02月01日至05月31日止共120天内，北京首都国际机场离场航班地面滑行阶段的污染物排放量得到结果如图1所示。

从图中可以看出，从早上6点开始污染物排放量急剧增大，并一直保持在较大的数值，直到晚21时下降。长时间处于较高的排放状态中。将式（1）计算结果与ICAO定义的标准排放量模型进行对比，如表5。

对北京首都机场来说，由于ICAO的LTO模型定义标准滑行时间（26分钟）与实际滑行时间相差较大，实际排放量也因此远小于标准值，这也证明了本文研究的重要性。

4 结束语

本文在理想平均的国际标准LTO循环的基础之上，对其中的滑行阶段的污染物排放进行了修正，采用北京首都机场2014年02月实际的地面滑行污染物排放量来进行讨论。由计算结果可知，飞机在滑行模式下污染物的排放量长时间处于较高的状态下。因此，从环境的观点出发，机场可以对跑道流量等因素进行调控，控制跑道的流量来达到节能减排的目的，改善机场周边空气环境质量。

参考文献：

[1]N Hudda， T Gould， K Hartin，etal. Emission from an international airport increase particle number concentrations 4-fold at 10km downwind[J]. Environmental Science & Technology， 2014，48（12）：6628.

[2]ICAO. Environmental Protection Annex 16[R]. 1993.

[3]ICAO. Environmental Report 2016 Aviation and Climate Change[R]. 2016.

[4]PEJOVIC T，NOLAND R B，WILLIAMS V，etal. Estimates of UK CO2 emissions from aviation using air traffic date[J]. Climatic Change，2008，88（3/4）：367-384.

[5]GAUSS M，ISAKSENISA，LEEDS，etal. Impact of aircraft NOX emissions on the atmosphere-tradeoffs to reduce the impact[J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2006，6（6）：1529-1548.

[6]魏志强，王超.航班飞行各阶段污染物排放量估算方法[J].交通运输工程学报，2010，10（6）：48-52.

[7]孙见忠，左洪福，刘鹏鹏，等.航空发动机污染物排放量估算[J].交通运输工程学报，2012，12（2）：53-61.

[8]TSILINGIRIDIS G. Aircraft air pollution emissions in Greek airports[J]. Global NEST，2009，11（4）：528-534.

[9]Harshad Khadilkar. Estimation of Aircraft Taxi-out Fuel Burn using Flight Data Recorder Archives. Transportation Research Part D Transport & Environment ，2012，17（7）：532-537.

[10]夏卿，左洪福，杨军利.中国民航机场飞机起飞着陆（LTO）循环排放量估算[J].环境科学学报，2008，28（7）：1469-1474.

[11]陈林.我国航空运输LTO阶段和巡航阶段排放量测算与预测[J].北京交通大学学报（社会科学版），2013，12（4）：27-33.