船舶尾氣排放對(duì)葛洲壩大氣灰霾的影響初探

張兆年++譚穎喆++饒少林++張文娟

摘要：指出了目前對(duì)灰霾來(lái)源的研究中，對(duì)船舶尾氣的研究目前正起步。采用目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀SPAMS0525對(duì)葛洲壩船閘處的細(xì)顆粒物PM2.5來(lái)源進(jìn)行了解析監(jiān)測(cè)，結(jié)合船舶污染物排放量的核算，得出了船舶尾氣排放對(duì)灰霾形成有較大影響，貢獻(xiàn)率約占7%的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：港口城市；船舶排放；灰霾；來(lái)源解析

中圖分類號(hào)：X823

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10000103

1 引言

灰霾是大量環(huán)境空氣污染物在不利擴(kuò)散降解的氣象條件下形成的一種空氣污染。在中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中，霾天氣的定義是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍有混濁現(xiàn)象，使遠(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍(lán)色。

近年來(lái)，隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，大氣污染嚴(yán)重，灰霾頻發(fā)，對(duì)灰霾污染過程的特征和來(lái)源的相應(yīng)研究也逐漸增多[1～8]。形成灰霾污染的大氣顆粒物來(lái)源主要來(lái)源于燃煤廢氣、工業(yè)工藝廢氣、建筑施工與道路交通揚(yáng)塵、移動(dòng)源、生物質(zhì)燃燒廢氣與農(nóng)業(yè)面源、二次無(wú)機(jī)源等。目前在灰霾污染來(lái)源研究中，針對(duì)移動(dòng)源的研究以機(jī)動(dòng)車尾氣為主，而對(duì)于排放氣態(tài)和顆粒態(tài)污染物在移動(dòng)源中占有重要比例的船舶尾氣則研究很少。宜昌市是一個(gè)港口城市，舉世聞名的三峽大壩和葛洲壩位于宜昌市，隨著國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)、長(zhǎng)江黃金水道作用的充分發(fā)揮，近年來(lái)過閘需求穩(wěn)步增長(zhǎng)，加上目前我國(guó)港口船舶污染控制不論是法律法規(guī)還是管理技術(shù)、控制水平方面均與國(guó)外發(fā)達(dá)港口城市相比存在較大的差距，船舶排放廢氣帶來(lái)的空氣污染問題不容忽視。如圖1中激光雷達(dá)掃描結(jié)果顯示[9，10]， 2015年4月2日凌晨1點(diǎn)，宜昌市長(zhǎng)江水域停靠的船舶因柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生污染，造成江面上空出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)球狀的污染團(tuán)，濃度較高，可以完全阻擋激光的透過，且隨著空氣流動(dòng)向城區(qū)擴(kuò)散。

筆者利用單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（Single Particle Aerosol Mass Spectrometer， SPAMS）針對(duì)宜昌市船舶污染對(duì)灰霾污染的貢獻(xiàn)進(jìn)行了初步探討，并結(jié)合排放清單數(shù)據(jù)進(jìn)行了估算驗(yàn)證，結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步了解宜昌市船舶污染現(xiàn)狀具有積極意義，并且可為制定相應(yīng)的控制對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 宜昌江面船舶?？奎c(diǎn)上空激光雷達(dá)掃測(cè)

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和時(shí)間

為量化船舶污染的影響，于2015年7月分別在葛洲壩船閘處及遠(yuǎn)離葛洲壩船閘同一個(gè)功能區(qū)的夷陵子站對(duì)細(xì)顆粒物（PM2.5）開展監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行了來(lái)源解析。

葛洲壩點(diǎn)位觀測(cè)時(shí)間為2015年7月8～13日，歷時(shí)5 d，期間為多云天氣，時(shí)均AQI最高值達(dá)到106，為輕度污染水平，PM2.5最高為79 μg/m3，超過國(guó)家二級(jí)濃度限值；夷陵子站觀測(cè)時(shí)間為2015年7月17日，由于條件所限，歷時(shí)1 d，期間天氣也為多云，天氣條件與葛洲壩點(diǎn)位觀測(cè)期間類似，AQI最高值達(dá)到103，為輕度污染水平，PM2.5最高為76 μg/m3。兩個(gè)站點(diǎn)的地理位置分布如圖2所示，夷陵子站位于葛洲壩東北方向直線距離5 km左右。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

灰霾成因復(fù)雜，短時(shí)期千變?nèi)f化，在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀能瞬時(shí)獲取大氣顆粒物的化學(xué)組成和粒徑大小，跟蹤各類污染源對(duì)形成灰霾的貢獻(xiàn)率，迅速查找形成灰霾的主導(dǎo)污染源。為此利用廣州禾信儀器股份有限公司生產(chǎn)的SPAMS0525型單顆粒飛行時(shí)間質(zhì)譜儀對(duì)細(xì)顆粒物（PM2.5）進(jìn)行來(lái)源解析工作[11，12]，探討船舶污染對(duì)灰霾形成的貢獻(xiàn)率。

圖2 葛洲壩和夷陵子站點(diǎn)位分布

Li 等[13] 曾對(duì)SPAMS 的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述：氣溶膠顆粒通過空氣動(dòng)力學(xué)透鏡聚焦進(jìn)入真空系統(tǒng)，在測(cè)徑區(qū)由雙激光測(cè)徑，同時(shí)觸發(fā)電離激光對(duì)被測(cè)徑顆粒進(jìn)行精確電離，最后由雙極飛行時(shí)間質(zhì)量分析器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠顆?；瘜W(xué)組分的檢測(cè)。樣品采集期間，環(huán)境空氣經(jīng)PM2.5切割頭切割后直接進(jìn)入SPAMS 分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采集到的數(shù)據(jù)使用禾信公司開發(fā)的CoCo軟件包在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行處理。依照《大氣顆粒物來(lái)源解析技術(shù)指南》，結(jié)合宜昌市的能源結(jié)構(gòu)，參照前期在宜昌市建立的大氣顆粒物污染源譜庫(kù)，利用各類污染源質(zhì)譜特征中的示蹤離子對(duì)采集到的顆粒數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，主要將將宜昌市細(xì)顆粒物（PM2.5）污染來(lái)源歸結(jié)為七大類，分別為揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、機(jī)動(dòng)車與船舶尾氣、燃煤、工業(yè)工藝（非燃燒產(chǎn)生的顆粒）、二次無(wú)機(jī)源和其他。

3 結(jié)果與討論

3.1 單顆粒質(zhì)譜法解析船舶影響

圖3為監(jiān)測(cè)期間兩點(diǎn)位的顆粒物來(lái)源分析圖。a圖為夷陵點(diǎn)位顆粒物源解析結(jié)果，監(jiān)測(cè)期間夷陵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位首要污染源為揚(yáng)塵源（25.3%），其次是機(jī)動(dòng)車與船舶尾氣源（22.9%），第三為燃煤源（20.7%）；b圖為葛洲壩點(diǎn)位源解析結(jié)果，與夷陵點(diǎn)位不同，監(jiān)測(cè)期間葛洲壩點(diǎn)位首要污染源為機(jī)動(dòng)車與船舶尾氣源（30.2%），其次是揚(yáng)塵源（23.1%），第三為燃煤源（17.4%）。對(duì)比兩個(gè)源解析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)位除機(jī)動(dòng)車與船舶尾氣占比差異較大外，其余各源占比接近，排序也基本保持一致。這與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況較為相符：葛洲壩點(diǎn)位和夷陵點(diǎn)位直線距離僅為5 km左右，除葛洲壩點(diǎn)位船閘處有大量過往船舶外，周邊其他污染源分布情況基本相同。且夷陵點(diǎn)位監(jiān)測(cè)當(dāng)日，風(fēng)向以東南風(fēng)為主，基本受不到來(lái)自葛洲壩的船舶尾氣影響。因此，二者之間機(jī)動(dòng)車與船舶尾氣貢獻(xiàn)率的差異，可以大致認(rèn)為是由兩測(cè)點(diǎn)之間船舶尾氣貢獻(xiàn)率的差異所致。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，葛洲壩點(diǎn)位機(jī)動(dòng)車與船舶尾氣對(duì)細(xì)顆粒物PM2.5的貢獻(xiàn)率比夷陵點(diǎn)位高7.3%，由此可見船舶尾氣排放對(duì)葛洲壩點(diǎn)位大氣顆粒物的貢獻(xiàn)率約為7.3%。

圖3 兩點(diǎn)位顆粒物來(lái)源分析結(jié)果

3.2 污染源排放清單法驗(yàn)證

污染源排放清單能準(zhǔn)確定量出各類空氣污染源對(duì)形成灰霾的貢獻(xiàn)率，而船舶大氣污染物排放沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前也沒有開展日常的排污申報(bào)監(jiān)測(cè)，基本上無(wú)船舶大氣污染物排放量數(shù)據(jù)，研究中采用物料衡算方法近似估算。

目前，我國(guó)船用燃料消耗中有60%～65%為船用燃料油，少量用輕柴油（普通柴油）。根據(jù)《船用燃料油》（GB/T 17411-2012）標(biāo)準(zhǔn)，目前，我國(guó)的船用燃料油硫含量在1%～3.5%（10000～35000 mg/L），是國(guó)四柴油（含硫量50 mg/L）的200～700倍。據(jù)調(diào)查，一般每萬(wàn)噸船舶以10 km/h行駛，一小時(shí)耗油400 kg，一般船只過葛洲壩船閘需3 h，而在城區(qū)航行和等待過閘需10 h以上，等待過程中均以燃油發(fā)電。為了研究該課題，筆者專門調(diào)查了過往船只，估算出平均每萬(wàn)噸船舶在宜昌城區(qū)航行與過閘一般需耗油3000 kg。據(jù)長(zhǎng)江三峽通航管理局統(tǒng)計(jì)，2015年葛洲壩、三峽船閘客貨通過量達(dá)到1.196億t。據(jù)此計(jì)算，過往宜昌船只在城區(qū)耗油約3.6萬(wàn)t。按船用燃料油硫含量2%計(jì)算，燃油中硫燃燒后均以SO2形式排放，由物料衡算得該SO2年排放量1440 t。據(jù)宜昌市環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，2015年宜昌市城區(qū)二氧化硫排放量20000 t，則過往宜昌船只二氧化硫排放量占宜昌市城區(qū)7.2%。船舶排放的其他廢氣污染物排放量占全市城區(qū)空氣污染物總量的比例難以估算，但二氧化硫作為典型的空氣污染物，基本能反映空氣污染源總體貢獻(xiàn)率[8，12]。

4 結(jié)論

在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS0525）監(jiān)測(cè)解析結(jié)果表明，船舶污染對(duì)葛洲壩點(diǎn)位灰霾的貢獻(xiàn)率約為7.3%；污染清單分析表明，過往宜昌船只廢氣污染物排放量約占宜昌市城區(qū)的7.2%；排污清單法和源解析法兩種方法得到的船舶污染對(duì)灰霾的貢獻(xiàn)率十分一致，由此可見，宜昌市船舶污染對(duì)閘口附近灰霾形成有較大的影響，貢獻(xiàn)率約占7%。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳 兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等. 珠江三角洲大氣灰霾導(dǎo)致能見度下降問題研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2006，64（4）：510～517.

[2]吳 兌.關(guān)于霾與霧的區(qū)別和灰霾天氣預(yù)警的討論[J].氣象，2005，31（4）：3～7.

[3]付曉輝，肖 剛，姜玉印，等.近53年宜昌市霾的演變特征及氣象因子診斷[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2010，19（2）：164～168.