煤炭港口环境管理决策关键技术

田序伟　殷彤　尉子璇　邓志鹏

【摘 要】 为解决煤炭中转港口的煤炭粉尘污染问题，基于港口无组织扬尘的发生和抑制机理、港区及周边粉尘污染物溯源模型，以及环境管理与决策平台设计，对港口粉尘污染溯源关键技术进行了分析，提出煤炭港口粉尘污染溯源及环境管理决策的实施方案。本文可为全面掌握港区大气污染物来源及空间分布情况，精准定位污染位置，甄别区域污染贡献量，提升港口大气污染物监测、控制、管理的信息化、智能化水平起到指导作用。

【关键词】 煤炭粉尘；无组织扬尘；抑制机理；污染物溯源

0 引 言

近年来，随着海洋运输业的发展，港口大气污染问题已成为人们越来越关注的问题。21世纪以来，我国大力发展港口建设，港口不断向大型化、专业化、综合化方向发展。港口的建设运营带动了我国经济的发展，同时造成的环境污染问题已逐渐引起社会的关注和主管部门的重视，将其纳入了影响港口科学、健康、可持续发展的重要因素之一。

由于港口的综合功能属性，港口各种作业和船舶在港口停留都可能对港口环境产生不同类型的污染，如水污染、大气污染和噪声污染，其中大气污染是防治难度最大的污染源之一。港口大气污染主要由港口散货作业扬尘、船舶尾气排放、港区炼化企业排放等产生。有专家指出，港口和船舶污染已成为继机动车尾气污染、工业企业排放之后第三大大气污染来源。

我国港口多集中在珠三角、长三角和环渤海等城市群密集、人口稠密地区，港口大气污染给港口周边城市带来了巨大的生态环境危害；因此，加强港口环境污染监测治理，特别是港口大气污染监测与治理刻不容缓。

港口大气污染主要来自港口区域固定污染源和移动污染源。固定污染源包括煤炭、矿粉等干散货的装船卸船作业，以及煤炭和干散货堆场的自然扬尘，污染物主要为可吸入颗粒物PM2.5、PM10、总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulate，TSP）等颗粒。各类码头泊位空气污染物的排放源、特征污染物及发生量不尽相同，大气污染问题和防治对策与不同码头类型及周边环境密切相关，具有特殊性。目前，我国港口对于煤炭等干散货装卸储运过程的扬尘污染，采用半封闭环保型料棚，或防风抑尘网配合喷淋系统、干雾抑尘等方式，尽量减少装卸、堆存和转运过程中的扬尘。

半封闭环保型料棚抑尘效果好，但造价高昂。目前，干散货港口主要采用防风抑尘网配合喷淋系统的环保工艺，在经济性和环保性2个方面较为均衡，具有较高性价比，但使用此工艺须有严格的环境监测手段和相关的环境分析能力，才能保证符合相关环保要求。

1 港口大气粉尘监测研究现状

洪文俊等[1]指出，我国港口大气环境监测工作存在监测能力整体水平较低、监测手段落后、数据分析和环境预警能力欠缺等问题，并提出通过建立港区空气质量在线监测系统，对污染物的排放特征及时进行联动分析，评估水运行业污染源排放对区域空气质量的影响程度；裴成磊等[2]首次使用传感器法微型站与标准站相结合的方式对在广州黄埔老港区周边开展了环境空气自动监测；张雪晶等[3]在传统空气质量监测手段基础上，综合分析单颗粒质谱源解析、高密度网格监测、3D激光雷达监测、移动式空气质量监测站、车载颗粒物监测等先进的监测技术的优缺点，探讨了适合当前大气污染溯源监测方法。

国内港口也开展了大气粉尘污染监测研究和防治实践，如秦皇岛港煤炭专业化码头、黄骅港煤炭下水码头、张家港煤炭码头等，均采用防风抑尘网配合喷淋系统的环保工艺。近年来，在越来越严格的环保政策要求下，各科研院所和相关单位纷纷开展抑尘机理和控制技术相关研究。如华能太仓港务有限公司研发了散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置；秦皇岛港股份有限公司自主研發了港口煤炭转运全流程智能化降尘抑尘系统；神华黄骅港研发了堆场自然扬尘网格化监测方法和雨帘式喷洒水系统，取得了较好的粉尘防治效果。

国内针对港口大气污染防治研究还存在不足，主要是以下几点：

（1） 对于港口大气污染监测能力建设尚未进行系统研究，不能适应新形势下的环保需要；

（2） 环境监测能力整合水平较低，监测的深度和广度未能跟上形势发展的需求；

（3） 监测手段较为落后，监测时效性不高，频次较低，监测未常态化，对港口扬尘和船舶排放的即时反应能力较薄弱；

（4） 数据分析和预警能力欠缺，对污染特征分析和潜力挖掘，以及环境管理和趋势研判支撑有限。

针对上述问题，本文从港口粉尘污染溯源的角度，探索港口粉尘污染溯源及环境管理决策关键技术，提出港口粉尘污染溯源及环境管理决策方案设计，为港口粉尘溯源及环境治理提供技术支持。

2 港口粉尘污染溯源关键技术分析

通过煤炭堆场无组织扬尘机理研究，构建堆场粉尘污染溯源模型，在煤炭港口关键位置布设大气颗粒物监测激光雷达、局部粉尘在线监测、精准气象监测等系统，开发煤炭中转港口粉尘污染溯源及环境管理决策系统软件平台，形成一整套环境管理决策智能化管控技术。

2.1 煤炭港口无组织扬尘产生和抑制机理研究

通过现场调研和多维度大气颗粒物监测实验，开展无组织扬尘产生及抑制机理研究，发现煤炭港口起尘主要环节和因素，对比不同抑尘方法，提出合理的抑尘方案。

2.2 煤炭港口粉尘污染溯源算法模型研究

采用多种大气污染物智能监测技术，通过现场实验、模型实验，研发建立大气颗粒物空间分布不稳定变化的跟踪溯源模型，用以解析港区粉尘来源，精准定位起尘位置，甄别区域粉尘贡献量，为粉尘治理提供可行的路径。

粉尘污染溯源计算模型是研究的核心，是基于多维度云监测大数据的反算模型，对港口粉尘污染进行溯源计算。粉尘污染精准溯源计算模型包括数据监测模块、信息处理模块和可视化协同决策模块。

监测模块包括大气物理流场监测，用于为信息处理模块提供输入数据。大气物理流场监测采用基于激光扫描雷达、网格化多点监测和高精度气象监测组网组成的多维度云监测。

信息处理模块包括大气物理流场计算模块、源解析模型、地理信息系统。大气物理流场计算模块定性定量描述大气污染物从排放源到被检测点所经历的全过程；源解析模型用于分析环境污染物监测数据并对污染物进行定性和定量源解析；地理信息系统用于处理区域、分辨率、地形地貌、建筑物和路况信息。

可视化协同决策模块用于可视化展示物理来源回溯、生成综合溯源结论和自动报告。

2.3 煤炭港口多维度大气污染云监测技术研究

采用“1+N云监测技术”实现煤炭港口多维度粉尘高精度监测和感知，1即大气颗粒物激光扫描雷达监测系统，N包括多个局部粉尘在线监测终端系统、气象精细化监测系统和无人机巡航监控系统。通过以上多维系统协同运行采集，实时获取港区范围内及周边区域煤炭粉尘空间分布的准确位置、颗粒物类型和质量浓度等数据，以便准确掌握煤炭粉尘对周边环境的影响程度。

大气颗粒物监测激光雷达采用波长532 nm线偏振激光对大气颗粒物进行遥感探测。雷达通过对垂直和水平偏振信号的探测，解析大气消光系数、退偏振比廓线、边界层高度、光学厚度等参数，可获取大气颗粒物时空分布特征、污染层时空变化、颗粒物输送和沉降等信息，如图1和图2所示。

在对港口大气污染网格化在线监测中，要根据港口地形、作业方式等，对港口大气污染监测区域进行科学的网格划分，每个网格部署一台空气质量在线监测仪，在线连续进行PM2.5、PM10、TSP、二氧化氮、一氧化碳、二氧化硫、臭氧等指标的监测，数据可实时传输到系统云监测中心。

精细化气象监测系统采用一体式气象监测站，实时在线连续监测，监测指标包括风速、风向、大气温度、大气湿度等，数据可实时传输到系统云监测中心。监测数据可用于环境管理的气象要素判定，也可用于配合大气物理流场计算模型的研究。

2.4 粉尘污染溯源及环境管理决策软件平台研发

粉尘污染溯源及环境管理决策软件平台，主要包括港口大气污染监测大数据分析模块、港口大气污染监测预警报警模块、港口大气污染时空演变分析模块、港口大气污染协同管理与决策模块，如图3所示。

2.4.1 港口大气污染监测大数据分析模块

该模块是实现对港口大气污染实时监测显示功能和大数据分析功能，包括港口大气污染实时地图（监测点位地图、污染源分布图）、实时监测数据查看（站点实时数据查看）、港口大气污染数据多维度统计分析（固定污染源、移动污染源占比，各监测指标统计指数）、区域污染贡献柱状图。

2.4.2 港口大气污染监测预警报警模块

该模块是实现对港口大气污染监测智能化预警功能，根据多维度云监测感知网络历史监测数据和实时监测数据，系统自动研判各监测指标是否符合国家相关要求，发生数据超标，系统智能响应并进行预警或报警。

2.4.3 港口大气污染时空演变分析模块

该模块是实现对港口大气污染时空演变分析功能，包括港口公司内部、外部大气污染物产生、输送和污染溯源分析，污染物来源分析，环境数据动态云图，环境质量变化预测等，并利用时空地理信息系统技术进行效果呈现。

2.4.4 港口大气污染协同管理与决策模块

该模块是实现对港口大气污染协同管理与决策支撑功能，包括污染源定位、边界污染浓度控制、污染范围扩散分析、重点污染区域排名等。

3 粉尘污染溯源及环境管理决策实施方案设计

本实施方案分为以下4个步骤，路线图如图4所示。

（1） 通过现场调研和监测实验，开展煤炭港口无组织扬尘产生和抑制机理研究，找到港口起尘主要环节和因素；针对不同抑尘方法进行比对验证，找到适合煤炭中转码头的抑尘方案。

（2） 通过现场实验和模型实验对大气污染物进行智能化监测，构建大气颗粒物空间分布不稳定变化的跟踪溯源模型；找到港区粉尘来源，确定起尘精确位置，甄别区域粉尘贡献度。

（3） 组建由大气颗粒物激光扫描雷达监测系统、局部粉尘在线监测系统、气象精细化监测系统和无人机巡航监控系统组成的“1+N”式的煤炭港口多维度大气污染云监测体系，全面开展大气环境监测实验。

（4） 开发一套粉尘污染溯源及环境管理决策软件平台，实现港口大气污染多维度云监测数据分析显示、港口大气污染溯源计算与可视化展示、港口大气污染监测预警与演变趋势研判，最终实现对煤炭中转港口的环境管理与决策支持。

4 结 语

本文对煤炭港口粉尘污染溯源及环境管控技术进行分析，针对港口大气污染溯源关键技术，从粉尘无组织扬尘产生和抑制机理、污染溯源模型算法和多维度大气污染云监测技术3个方面，构建了系统性的港口污染溯源监测体系；设计了粉尘污染溯源及环境管理决策软件平台的架构及功能模块，并给出了具体的实施方案。本研究成果可以为港口搭建粉尘在线监测治理平台提供技术参考，为行业主管单位、企业等进行安全生产、环境监测提供支持，为港口生态文明建设作出贡献。

参考文献：

[1] 洪文俊，董文杰，赵桃桃，等. 浅谈加强港口大气环境监测能力建设研究[J]. 中国水运（下半月），2018（7）：106-107.

[2] 裴成磊，王宇骏，陈彦宁，等. 广州市港口环境空气自动监测的构建及实现[J]. 分析仪器，2019（2）：94-100.

[3] 張雪晶. 关于大气污染溯源监测的探索和思考[J]. 科学技术创新，2019（29）：61-62.