基于ICAO起降模型的中國機場飛機排污計算研究

宋利生

（中國東方航空股份有限公司，上海 201299）

19世紀70年代以來商用噴氣機交通運輸的大幅增加，引起了人們對于飛機和機場污染物排放的更多地關注。不同于大多數的運輸方式，飛機會在不同高度行駛很長的距離，產生的排放會對當地空氣質量和區(qū)域及國際環(huán)境產生潛在的影響。

主要研究影響當地空氣質量的3種主要氣體污染物HC、CO和NOx，其它污染物如SO2由于航空燃油質量的不斷提高含硫量也越來越低，對空氣質量的影響與其它排放源相比很小，所以不予以研究。而CO2和由水蒸氣引起的凝結尾跡主要是在高空引起氣候的變化，也不予以研究。

1 ICAO發(fā)動機排放物計算方法分析

飛機在機場的全部活動可用起降循環(huán)LTO（landing and take-off）來描述，是指飛機離開登機口到回到登機口的一個過程。它可概括為4個階段：滑行、起飛、爬升和進近，不包括巡航階段。每個階段的時間取決于具體操作，通過計算飛機在機場所有LTO循環(huán)的排放即可算出飛機在機場的總排放量。ICAO規(guī)定的標準LTO循環(huán)，將起降循環(huán)劃分為4個階段，如表1所示，它定義LTO上限為從地表到大氣邊界層頂部高度915 m（3 000 ft）的地方，如圖1所示。

圖1 ICAO標準LTO循環(huán)模型Fig.1 ICAO reference LTO cycle model

ICAO在其發(fā)布的關于機場空氣質量指導的文件（airport air quality guidance manual）中介紹了3種計算機場飛機排放的方法：

表1 ICAO標準LTO循環(huán)各階段推力設置和時間Tab.1 Power setting and time of ICAO reference LTO cycle

1）簡單方法 是最簡單的方法，需要最少的數據，但計算結果不精確。

2）高級方法 提高了精度，需要飛機類型，EI計算和TIM。

3）精密方法 精密的方法不使用LTO認證數據和TIM，而是利用實際的飛機運行數據。在許多情況下，這種方法需要使用一些對公眾不公開的數據和模型，操作難度較大。

3種方法由簡到密，主要是數據來源上的差別。前兩種方法使用的是ICAO規(guī)定的標準起降循環(huán)LTO模型。精密方法使用的是飛機實際起降循環(huán)，因各個階段所耗用的時間及燃油量無法確定，所以在計算上沒有可操作性，需要由企業(yè)單獨建立數據庫加以統(tǒng)計。現重點介紹第2種方法。計算公式為

其中：Eij為j型飛機在一個LTO循環(huán)內的i污染物的總排放量；EIjk為j型飛機某型發(fā)動機工作在k模式下污染物i的排放因子（g/kg）；FFjk為j型飛機某發(fā)動機工作在k模式下的燃油消耗率；TIMjk為j型飛機k模式所消耗的時間；NEj為j型飛機發(fā)動機的臺數。

計算出每一機型/發(fā)動機組合的單個LTO的排放后，乘以這一機型/發(fā)動機組合的在這個機場的LTO循環(huán)數，再對所有的飛機發(fā)動機組合求和就等于這個機場飛機總的污染物排放量。

ICAO沒有給出SOx的排放認證，然而SOx又是含硫燃料的必然產物。美環(huán)保署EPA對航空燃油的含硫量進行一項調查，結果顯示平均每消耗1 kg燃油約產生1 g的SOx即EI（SOx）=1 g/kg。不能過度依賴這個平均值，但可以用來進行一個排放評估。

2 機場排放物計算方法和應用計算

2.1 計算方法

考慮到中國民航以1周為周期的航班時刻特征（不考慮臨時航班的變化）以及航空公司飛機與發(fā)動機匹配情況的復雜以及數據來源的匱乏，在排放因子上采用與ICAO不同的方法，即根據每一型飛機所選裝的各種發(fā)動機的比例計算其平均排放因子進行計算。計算分以下幾個步驟：

1）搜集所要研究機場的1周的航班信息；

2）搜集該機場各航空公司的機隊配置信息（飛機／發(fā)動機匹配數據）；

3）查詢ICAO飛機發(fā)動機排放數據庫（ICAOaircraft engine emissions databank），計算各型號飛機的各個工作狀態(tài)的平均排放因子；

4）計算各機場污染物總排放量。

飛機污染氣體排放總量計算公式為

其中：Eij為一個LTO循環(huán)j型飛機的i污染物的排放總量，LTOj為j型飛機在機場1周的LTO循環(huán)數。

其中：A為某航空公司j型飛機的總架數，NEj為j型飛機發(fā)動機的臺數；Kn為配n型發(fā)動機的j型飛機的架數；Fjnk為n型發(fā)動機在k模式下的燃油消耗率。

其中：EIink為n型發(fā)動機在k模式下的i污染物排放因子，可由ICAO排放數據庫獲得（ICAO aircraft engine emissions databank）；Kn為n型發(fā)動機的j型飛機架數。

2.2 中國機場飛機發(fā)動機排放物計算分析

由于國外航空公司數據的匱乏，僅列舉幾個國外航班較少的中型機場進行計算，以保證結果的盡量準確。在搜集整理了中國主要航空公司的機隊配置信息的基礎上，計算了中國主要航空公司各種機型一個LTO循環(huán)的污染物排放量，再根據機場1周的航班計劃計算總排放量。飛機發(fā)動機的排放數據如表2所示。

經計算得出深圳等4個機場2009年幾種污染物的年排放量（t）及LTO數（周），如表3所示。

從圖2和圖3可看出排放量與飛機的起降循環(huán)成正比關系，其中NOx為主要排放污染物，所占比例均超過50%，是影響機場周圍空氣質量的主要污染物，歐洲一些發(fā)達國家的機場專門建立了針對NOx的的收費制度，對此應引起足夠重視。

表2 ICAO飛機發(fā)動機的排放數據Tab.2 ICAO engine exhaust emissions data bank

表3 4機場2009年污染物年排放量Tab.3 Four airports’total exhaust emissions in 2009

圖2 污染物排放量比較Fig.2 Emission comparison of four airports

圖3 機場飛機起降次數比較Fig.3 LTO number comparison of four airports

2.3 結果精度分析

中國民航航班一般根據客流特點劃分為冬春季和夏秋季航班，而且存在臨時變動的情況，按1周來計算會給計算結果帶來一定的誤差。研究采用ICAO標準LTO循環(huán)，它已規(guī)定好飛機起降循環(huán)的各個模式的時間和推力設置，而實際情況各個模式的時間及油耗并不確定，這給計算結果帶來了一定的不確定性，并且由于航空公司飛機/發(fā)動機具體配置信息的無法抓取，而此處采用了飛機一個LTO的平均排放數據，也給計算結果造成了一定的偏離。要想準確地計算機場飛機的排放量涉及數據很多，但如果運用本方法對機場飛機的排放量進行一個總體評估分析，如構成、發(fā)展趨勢、對比等，仍具有一定的現實意義。

3 常用機場減排措施

中國民航在航空減排方面，因無強制性量化減排指標，政策上主要是按照《中國應對氣候變化國家方案》中規(guī)定“采用節(jié)油機型，提高載運率、客座率和運輸周轉能力，提高燃油效率，降低油耗”，并按照國際民航組織倡導的各項措施，重點倡導機場、航空公司節(jié)約能源消耗。目前國際上常用的減排措施分為三種：技術措施、運營措施和基于市場的措施。

技術措施主要是指淘汰老舊機型，使用新型的飛機及發(fā)動機等。如波音公司最新研制的B787型客機，其整機在復合材料的使用上達到了史無前例的80%，相比同尺寸飛機更輕更省油，污染氣體排放量減少了約20%。除此之外，新型可替代燃料的使用也是目前技術手段減排中的重要手段。技術手段的減排措施也是最直接最有效的減排方法，但對于航空公司來說，在這方面需要花費的開支巨大。

運營措施可以說是目前國際上主要的減排手段，要減少排放就要對排放源進行控制。如地面支持設備的更新?lián)Q代，減少高排放設備的使用，盡量使用低排或零排的電力車輛?？刂茩C場的交通方式，減少燃油汽車和巴士的數量和使用，盡量使用電力驅動的交通運輸車輛。使用新的空中交通管理系統(tǒng)，如CNS/ATM的使用，可以優(yōu)化飛行路線，減少飛行時間，有效地減少了飛機的排放。飛機使用單發(fā)滑行至跑道，或使用拖車拉至跑道可有效減少飛機在機場的排放。飛機使用低功率起飛，一般飛機起飛都是全功率，而飛機的排放往往在這個時候達到最高，在保證安全起飛的情況下，適當地減少起飛功率可以實現減排。中國民航部門可以在這方面制定相應的措施加以指導。

基于市場的措施，主要是針對飛機在機場污染物排放的收費，如飛機起降收費，針對某些污染物的收費等，歐洲一些發(fā)達國家已逐漸建立起飛機在機場排放的收費管理制度。如瑞士的蘇黎世國際機場，制定了飛機的起降收費制度，制定了針對NOx的收費制度。這些制度既可為保證機場周圍空氣質量的治理獲取一定的經費，也可在一定程度上促進航空公司不斷改進機型，提升運營管理措施來降低飛機在機場的排放開支。

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