绿色港口建设中港区大气污染物排放研究综述

2021-08-27贺林林焦钰褀

重庆交通大学学报(自然科学版) 2021年8期

贺林林，焦钰褀，贾瑞，梁越

(1. 重庆交通大学河海学院，重庆 400074； 2. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；3. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

0 引言

2019年我国集装箱吞吐量超百万标箱的港口共有27个，其中7个位居世界十大港口之列。港口贸易在带来良好经济效益同时，船舶运输活动和装卸设备作业造成的大气污染也日益严重。为改善港口环境，国际港口界提出了绿色港口的发展理念，美国洛杉矶港、长滩港，澳大利亚悉尼港，荷兰鹿特丹港等纷纷采取行动贯彻该发展理念，并取得了显著成效，使得西方国家绿色港口建设走在世界前列[1]。我国在绿色港口建设还处于起步阶段，目前相关研究成果较少。因此，有必要对我国港口区域大气污染物排放特征进行研究，为制定港口大气污染物防治政策、评估船舶排放控制区治理成效提供支撑。

在归纳分析现有文献基础上，笔者首先总结了港口施工期和运营期大气污染物来源；然后为系统阐述港口大气污染物排放清单，介绍了主要污染物检测方法，并总结了港口主要排放源清单编制方法；进而归纳了港口运输船舶大气污染物排放的时空分布特征，定性分析了港作机械及集疏运车辆的排放特征；为比较不同年份不同地区船舶大气污染物排放特征，同时评估同一地区船舶减排成效，提出了港口船舶大气污染因子概念和表达式；最后分析了我国针对港口大气污染物排放的研究现状并指出目前排放清单研究中的现存问题。

1 港口大气污染源及主要污染物

大气污染物源解析技术是对大气中污染物来源进行定性或定量研究的技术，排放清单法则是源解析技术最有效方法[2]。排放清单完整性包含了排放源完整性和污染物种类的齐备性，因此在研究港口大气污染物排放时，首先需准确捕捉港口大气排放源及污染物。

对于不同类型港口，以及在港口发展的不同阶段，港口大气污染物排放源和主要污染物存在差异。杨秀妍[3]总结了施工期和运营期散货码头、集装箱码头和石化码头的大气污染物排放源和主要污染物，见表1。

表1 港口主要大气污染物及污染源Table 1 Main air pollutants and pollution sources of the port

需要指出的是，港口施工期产生的大气污染通常容易被忽略。施工过程中施工材料堆存、装卸、拆包、搅拌，及施工机械行驶均会产生大量粉尘，除此之外，施工机械尾气排放也是施工期主要污染源之一。据环保部统计2018年非道路移动源排放数据显示：工程机械碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量分别为28.9×104t、175.3×104t、11.4×104t，在非道路移动源排放总量中的占比如图1。从图1中可看出：碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)占比分别为44.5%和34.2%，工程机械是最主要的HC 和NOx非道路排放源。由此可见，港口施工过程中大气污染必须引起重视。

图1 2018年非道路移动源HC、NOx、PM排放量Fig. 1 Non-road mobile sources HC, NOx, PM emissions in 2018

港口运营期间，不同类型港口主要大气污染源有所差异。散货码头大气污染主要来自于翻车机房、皮带机输送、存储、装船等过程产生的扬尘，但这种污染表现为面源污染特性，扩散规律不强，因此仅对距离港区较近的居民生活有影响[4]。集装箱港区内排放源众多，具体包括：集装箱船、装卸桥、正面吊、集装箱拖车和轮胎式起重机等。不同类型污染源及运行工况对大气污染物排放量贡献也有所不同，研究过程中通常采用大气污染物排放分担率进行表达。研究表明：在系泊工况下，集装箱船和散货船对各类大气污染物分担率均较高[5-9]，港作机械中集装箱装卸桥和集装箱拖车的大气污染物排放分担率较高[10-11]。

2 港口大气污染物排放清单编制

大气污染物排放清单指各种排放源在一定时间跨度和空间区域内向大气中排放大气污染物数量的集合[2]。可靠的排放清单能为大气污染物防治政策制定、治理成效评估提供有力的数据支撑。港口大气污染物排放源众多，主要包括运输船舶、港作机械及集疏运车辆，相应的大气污染物排放清单编制方法不尽相同。

2.1 港口主要大气污染物监测方法

合适的大气污染物监测方法是获取可靠的港口大气污染物排放清单保障。为此，王甲智等[12]参照我国相关环境监测技术标准和规范，介绍了港口大气环境中气态和蒸汽态污染物、颗粒物及污染组成的监测方法。笔者通过总结，将现有港口主要大气污染物监测方法归纳如表2。

表2 港口主要大气污染物检测方法Table 2 Detection methods of main air pollutants of port

目前大气监测设备主要分为两种，一种是点式空气质量自动检测系统，用于港区内定点检测空气质量和污染物浓度。张庆华等[13]指出，目前国内使用的点式空气质量自动检测系统采用荧光发光法、物理仪器法、非色散红外吸收法及β射线吸收法可检测主要的大气污染参数，是可靠的检测方法。另一种则是可用于实时监测移动源在行驶过程中气态、固态颗粒污染物排放情况的车载尾气分析仪(portable emission measurement system, PEMS)，该设备由监测气态污染物浓度的SEMTECH-DS和监测颗粒物浓度的ELPI两部分组成，是目前用于研究移动源排放特征行之有效方法。

2.2 港口船舶排放清单编制方法

目前，国际上船舶排放清单编制方法主要包括两种：基于燃料消耗量的自上而下的计算方法[14-17]与基于船舶自动识别系统(automatic identification system, AIS)的自下而上的动力法[18-21]。欧盟环境部(European Environment Agency, EEA)、美国洛杉矶港、长滩港等基于以上方法和理论编制了一系列港口大气污染物排放清单报告，并在实践过程中优化了排放清单编制方法[22-24]。

国内学者陆续开展了相关的研究工作。CHEN Dongsheng等[25]对2016年以前国内港口船舶大气污染物排放清单研究成果进行了总结。在此基础上，笔者通过搜集归纳相关文献，对近几年相关研究成果进行补充，如表3。

表3 船舶大气污染物排放清单编制方法及主要研究内容(2018—2020)Table 3 Compilation method and main research contents of ship air pollutant emission inventory (2018—2020)

已有研究成果表明：燃料消耗法和动力法作为目前编制船舶大气污染物排放清单切实可行的方法，仍存在如下问题：

1)燃料消耗法计算过程中数据的全面性和准确性有待考证。内河船舶大气污染物排放清单通常采用燃料消耗法编制，燃料消耗量作为计算中一个重要参数常采用调查和估算方式获取，调查过程中数据遗漏和估算过程中产生误差均会影响排放清单的可靠性；

2)燃料消耗法在运距内采用统一的排放因子，但根据内河船舶排放特征，不同工况下船舶污染物排放速率和排放量有很大差异，因此采用燃料消耗估算排放量与实际情况有出入；

3)动力法目前仅适用于沿海、远洋船舶大气污染物排放清单的编制，对于内河船舶，该方法有局限性。动力法主要是基于AIS系统，分工况、分船型估算船舶大气污染物排放量，因此计算排放量更符合实际情况。但该方法对船舶安装AIS系统有要求，内河中由于AIS基站存在覆盖范围不全面、船舶上行信号受阻、地形建筑物遮挡信号、AIS系统受大气无线电干扰等问题，限制了动力法在内河中的应用[34]；

4)动力法计算过程中的负荷因子和排放因子多借鉴国外标准，缺乏本土化的排放因子和船舶发动机负荷因子。

除了以上两种方法，学者们还提出了编制船舶大气污染物排放清单的其他方法。如：刘静等[35]采用基于GIS地理信息系统EnviMan复合源大气扩散模型的解析法；A.MIOLA等[36]提出了混合法；宋亚楠[37]采用基于PEMS测算排放因子的燃料消耗法；HUANG Liang等[38]提出了基于实时航迹数据的船舶排放动态计算方法等。

2.3 港作机械及集疏运车辆排放清单编制方法

除运输船舶外，港作机械和集疏运车辆对港口大气污染物排放量的贡献也不容忽视。目前国内针对港作机械及集疏运车辆排放清单编制方法的研究有限，笔者将国内现有研究成果总结于表4。

表4 港作机械及集疏运车辆排放清单编制方法Table 4 Cargo handling equipment and heavy-duty vehicle emissioninventory compilation methodologies

由表4可知，已有的编制方法主要分为两类：燃料消耗法和基于发动机活动的动力法。笔者将其编制过程及其特点总结如下：

1)基于发动机活动的动力法。该方法通过综合考虑机械的燃料种类、发动机类型、使用时间和劣化率(集疏运车辆为车辆保有量)确定排放因子，然后采用自下而上的动力法编制排放清单。该方法参考文献[23]排放清单的编制方法，该理论较成熟，但编制过程中需要大量的调研统计数据，目前国内对于港作机械及集疏运车辆信息采集制度还不完善，故采用该方法编制排放清单工作量和难度较大；

2)燃料消耗法。该方法是基于各类污染物排放因子和燃料消耗量确定大气污染物排放量。燃料消耗法编制排放清单关键是确定大气污染物排放因子，已有研究大多是基于现有规范或参考已有研究成果获取。付明亮等[42]通过采用PEMS实时监测确定工程机械的排放因子，该方法可为提高燃料消耗法估算港作机械及集疏运车辆排放清单的准确性提供参考。

需要指出的是，目前国内已编制的大气污染物排放清单均仅考虑单独港口大气污染物排放源，缺乏包含运输船舶、港作机械及集疏运车辆等主要排放源完整港口大气污染物排放清单。因此，亟待对目前大气污染物排放清单进行改进，在编制过程中需涵盖港口主要的大气污染物排放源，从而保证港口大气污染物排放清单完整性。

3 港口大气污染物排放特征

港口运输船舶、港作机械和集疏运车辆作为主要的港口大气污染物排放源，研究分析其排放特性有助于对港口大气污染排放进行高效防治。笔者通过分析归纳已有研究成果，对内河及沿海港口主要排放源排放特征进行总结。

3.1 港口船舶大气污染物排放特征

与道路移动源相比[43-44]，港口船舶大气污染物排放具有如下特征：① 港口船舶大气污染物排放量时间分布特征明显，具体包括：短时间尺度范围内不同运行工况下的船舶大气污染物排放量不同；长时间尺度范围内，一年中大气污染物排放量也会有所差异。② 港口大气污染物排放量空间分布不均，存在明显的排放强度集中区域。

笔者将分别对港口船舶大气污染物排放时间、空间分布特性分别进行介绍。

3.1.1 时间分布特征

船舶航行过程可分为不同工况：巡航、低速巡航、机动操控(包括进港、出港)、靠泊和锚泊等工况。不同工况下船舶航速度、发动机负荷、排气温度和进气量均会影响污染物排放速率和排放量。

笔者通过分析总结文献[9, 29, 45]，并结合文献[45]典型工况下CO、HC、NOx及PM瞬时排放特征(图2)，得到港口船舶大气污染物排放量短时间内的分布特征。

图2 典型工况下CO、HC、NOx及PM瞬时排放特征Fig. 2 Real-time emission characteristics of CO, HC, NOx and PM in typical conditions

1)进、出港工况下，污染物瞬时排放速率剧烈波动，且出港工况下，大气污染物排放速率达到峰值。其原因为：船舶迅速调整位置，促使发动机负荷、进气量均发生波动，此时燃料不能充分燃烧，以大气污染物的形式排出；此外，出港工况下，船舶经历冷启动阶段，此时内燃机温度较低，燃料不容易汽化燃烧，更易生成废气排出。

2)巡航工况下，NOx的排放量最大，高于进、出港工况。其原因是：巡航工况下，发动机高负荷运转，供氧量充足，内燃机温度和排气温度均较高，有利于NOx的产生。

3)每种工况下，PM的粒径分布都具有双峰值特性。这主要是由于不同工况内燃机温度不同，从而使得颗粒物分别以挥发性物质、未充分燃烧的液态碳氢为主的聚集态颗粒(出港工况)、吸附了柴油裂解产物的凝聚态颗粒(进港、巡航工况)形式存在。

4)沿海港口船舶不同航行工况下染物排放总量顺序依次为：巡航>低速巡航>停泊>机动操作>锚泊。文献[7]研究结果与王坚等[8]和吕建华等[29]稍有出入，其原因在于后者研究范围均小于前者，计算巡航时间较短，从而造成停泊时的排放量大于巡航状态下。内河船舶与沿海港口船舶规律相似，但停泊和锚泊时排放量很小。

此外，相关学者对我国港口船舶大气污染物排放量长时间内分布特征进行了相关研究[7-9, 30]。研究表明：2月份港口大气污染物排放量最低，沿海港口9—11月份间排放量达到峰值，内河港口排放峰值则出现在3—6月份。进一步分析可知：港口大气污染物排放量时间分布特征受地理位置、水流、气候、经济发展情况等诸多因素影响，其中水流条件是影响内河港口大气污染物排放的关键。

3.1.2 空间分布特征

对沿海港口船舶大气污染物排放量空间分布特性研究，目前主要采用AIS监测的船舶航行轨迹和排放清单数据，建立格网化污染物排放数据库，进而利用ArcGIS技术进行可视化处理得到排放强度集中区域[8, 28]。研究表明：沿海港口船舶排放强度集中区域位于距港口12(n mile)范围内[6-7]，其原因在于船舶行驶至该区域时，航速低、耗时久、辅机和锅炉负荷因子高、燃料燃烧不充分，从而导致排放量增大。内河港口船舶大气污染物排放强度集中区域则主要分布于船舶往来频繁河段[9,30]。

需要指出的是，以上结论均为港口船舶大气污染物排放量时空分布特征，港口大气污染源众多，除船舶外，港作机械的排放量也不容忽视[10-11]。因此，在研究港口大气污染物排放量时空分布特征时，还需考虑港作机械对分布特性产生的影响。

3.2 港作机械及集疏运车辆大气污染物排放特征

港作机械及集疏运车辆作为港区内主要排放源，目前研究成果有限，笔者仅对其排放特性进行定性归纳。

1)港作机械及集疏运车辆大气污染物排放量相对排序为：NOx>CO>HC>PM>SOx，NOx仍是港口大气污染物中排放量最大的污染物；此外，港作机械与集疏运车辆是港口CO和HC最主要的排放源。

2)港作机械中，岸桥和集装箱拖车对港口大气污染物排放分担率较高。

3)港作机械由于受其装卸功能限制，排放强度集中区域主要位于港口前沿及堆场内。集疏运车辆由于承担着港区与腹地之间的运输任务，排放区域较分散，其排放量大小取决于边界条件选取，强度集中区域还需进一步研究。

研究港口大气污染物排放时间分布特性是建立排放预测模型的基础，空间分布特征研究则有利于明确港口排放集中区域，开展区域专项治理。根据不同污染源特性，有针对性的制定大气污染物防治政策，开展港口大气污染物专项治理活动，可提高港口大气污染物治理成效。

4 国内港口大气污染物排放现状

4.1 港口船舶大气污染因子Ps

港口吞吐量通常定义为一年间经由水运输入、输出港区并经过装卸作业的货物总量[46]。港口完成货物吞吐过程会涉及船舶运输、港作机械装卸、集疏运车辆运输等多个装卸过程，该过程中船舶、港作机械、集疏运车辆均会排放大量的大气污染物。由于目前国内针对港作机械排放及集疏运车辆排放成果较少，因此笔者仅对港口完成货物吞吐所产生的船舶大气污染物排放特性进行研究。

为比较不同年份不同地区船舶大气污染物排放特征，同时评估同一地区船舶减排成效，笔者定义单因子参数Ps。该参数表示港口每完成亿万吨级货物吞吐量须承担的万吨级船舶大气污染物排放量，且为比较不同规模港口船舶大气污染物排放特性，统一为单位面积或单位岸线长度排放量。此外为便于表示将参数扩大108倍，将该单因子参数定义为港口船舶大气污染因子，其计算如式(1)：

(1)

式中：Ps为港口船舶大气污染因子，km-2/km-1；Es为大气污染物排放量，104t；Qp为港口吞吐量，108t；As为船舶排放研究区域面积或研究区域岸线长度，km2/km。

根据笔者定义的港口船舶大气污染因子Ps，结合国内编制的大气污染物排放清单及设立的船舶排放控制区，选取几个典型港口和河段，绘制出表5和图3，据此分析这些地区船舶大气污染物排放特征。

表5 国内典型港口及河段船舶大气污染物排放清单Table 5 Emission inventory of air pollutants from ships in typical ports and river sections in China

图3 我国典型港口及河段船舶大气污染因子分布Fig. 3 Distribution of ship air pollution factors in typical ports andriver sections in China

1)上海港作为长江三角洲地区代表型港口，与渤海湾的天津港、珠江三角洲的深圳港相比，其吞吐量较大，船舶大气污染物总排放量也较大，但每完成单位货物吞吐量须承担的船舶大气污染物排放量较少，也即Ps较小，说明港口控制船舶排放能力较强。

2)2017年长江江苏段内河港口船舶大气污染物排放总量较2014年有所增加，但Ps值相对较低，说明控制船舶排放能力增强，减排成效明显。

3)内河港口船舶大气污染物排放总量较大，Ps值偏高，因此需提高船舶排放控制能力。

4.2 国内港口大气污染物排放研究现状

我国于2015年将珠三角、长三角、环渤海水域设定为船舶排放控制区，又于2018年11月进一步将排放控制区扩大到全国沿海12(n mile)及海南水域、长江干线(云南水富至江苏浏河口)和西江干线(广西南宁至广东肇庆)的内河通航水域。

笔者通过统计整理，将我国已开展港口船舶、港作机械及集疏运车辆大气污染物排放研究的地区和港口绘制于图4。

图4 我国已开展港口大气污染物排放研究的地区和主要港口Fig. 4 The areas and main ports in which the research on theemission of air pollutants from ports has been carried out in China

由图4可知：我国沿海地区港口针对大气污染物排放已经开展了一定研究工作，并得到了较高重视；相比之下，内河港口大气污染物排放研究极少，且集中于长江江苏段。表5表明：内河船舶大气污染物排放量较大，必须引起重视；此外，沿海地区大气污染物排放清单尚存在更新不及时不连续问题，这将会严重影响对港口废气排放预测。