成都雙流國際機場大氣污染物排放清單與時空分布特征

周子航，陸成偉，譚欽文，鄧 也，白苑冰

1.成都市環(huán)境保護科學(xué)研究院，成都市大氣科研重點實驗室，四川 成都 610072 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065 3.成都市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 成都 610011

隨著科技和經(jīng)濟發(fā)展，航空運輸日益成為人們?nèi)粘＝?jīng)濟生活中最重要的交通運輸方式之一，同時中國航空運輸業(yè)高速發(fā)展，對世界航空運輸市場影響日益增加。根據(jù)國際民用航空組織(ICAO)發(fā)布的2013年環(huán)境報告[1]，全球民用航空2005年約排放630 Mt CO2，約占所有人為排放量的2%～3%，NOx排放量約占人為排放量的3%，飛機對環(huán)境和氣候的影響，主要源于其在平流層和對流層交界處的排放，國外研究建立了飛機巡航過程中發(fā)動機大氣污染物排放的物理化學(xué)轉(zhuǎn)化機制模型[1-9]。機場大氣污染物排放清單作為人為源排放清單的一部分，在國內(nèi)外逐漸被重視和研究，UNAL等[10]采用多尺度空氣質(zhì)量模式(CMAQ)模型對亞特蘭大國際機場環(huán)境影響進行模擬。黃清鳳等[11]基于標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸(LTO)循環(huán)數(shù)據(jù)建立了廣州白云國際機場排放清單。徐冉等[12]使用ICAO推薦方法，基于LTO循環(huán)數(shù)據(jù)建立了首都國際機場排放清單。目前國內(nèi)機場污染物排放研究處于起步階段，且大部分聚焦于北京、上海、廣州等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，沒有針對西部地區(qū)機場的相關(guān)研究。同時，上述機場排放研究均僅針對飛機LTO循環(huán)，沒有涉及到機場地勤等重要污染源。另外，城市尺度的大氣污染物排放清單作為科學(xué)管理的重要支撐，其高時空分辨率顯得越發(fā)重要，國內(nèi)機場排放研究通常局限于大氣污染物排放量的計算，少有考慮其時空分布。

本文通過收集成都雙流國際機場全年逐日航班和地面保障設(shè)備數(shù)據(jù)，基于機場空氣質(zhì)量手冊計算方法(Airport air quality manual，簡稱“ICAO手冊”)[13]，對成都雙流國際機場的飛機LTO循環(huán)排放因子進行了本地化，采用自下而上的排放清單構(gòu)建方法，計算了包括飛機LTO循環(huán)和地面保障設(shè)備的大氣污染物排放量。根據(jù)進出港航班時間分布、機場跑道分布、地面保障設(shè)備的活動區(qū)域等，建立了高時空分辨率的機場大氣污染物排放清單。該清單作為人為源大氣污染物排放清單的重要組成，應(yīng)用于空氣質(zhì)量模型的預(yù)警預(yù)報和控制對策等研究中。

1 實驗部分

1.1 研究范圍和對象

成都雙流國際機場位于成都市西南郊，距市中心16 km。機場共有2條平行跑道、2座航站樓，候機面積50萬m2，可滿足旅客年吞吐量5 000萬人次需求。截至2016年12月，成都雙流國際機場已開通航線270條，是中國中西部地區(qū)最大的航空樞紐港，2016年旅客吞吐量4 603.9萬人次，居中西部機場第一，全國前四。

本文研究范圍為成都雙流國際機場，研究對象包括飛機發(fā)動機(僅指商業(yè)飛機，飛機發(fā)動機排放源主要分為商業(yè)飛機、軍用飛機和通用飛機，由于軍用飛機涉及保密，通用飛機活動水平數(shù)據(jù)不易獲取，暫僅研究商業(yè)飛機的發(fā)動機排放)、機場地勤和機場固定源3部分。研究的大氣污染物包括CO、VOCs、NOx、PM10、PM2.5、SO2。

1.2 估算方法

1.2.1 機場大氣污染物排放量計算方法

計算方法基于ICAO手冊，機場大氣污染物排放量為飛機發(fā)動機、機場地勤、機場固定源污染物排放量的加和，即：

Ei=Ei,a+Ei,g+Ei,s

(1)

式中:i為污染物類型;Ei為機場i污染物的排放總量,t;Ei,a為飛機發(fā)動機i污染物的排放總量,t;Ei,g為機場地勤i污染物的排放總量，t；Ei,s為機場固定源i污染物的排放總量，t。

1.2.2 飛機發(fā)動機污染物排放

采用ICAO規(guī)定的LTO循環(huán)描述飛機在近地面的整個活動過程(圖1)，水平地面至915 m高度為涉及飛機LTO循環(huán)排放的高度范圍。1個LTO循環(huán)包括進近、滑行和地面慢車、起飛、爬升4個工作模式。其中，各模式的時間和發(fā)動機推力設(shè)置如下：進近4.0 min，推力30%；滑行和地面慢車26 min(進場為7 min，出場為19 min)，推力7%；起飛0.7 min，推力100%；爬升2.2 min，推力85%。

圖1 ICAO手冊排放認證LTO循環(huán)Fig.1 Illustration of ICAO emissions certification procedure in the LTO cycle

飛機發(fā)動機在與機場相關(guān)的排放源中占主導(dǎo)地位。飛機發(fā)動機主要指用于提供飛機向前動力的主發(fā)動機(Aircraft Main Engine)，以及其他沒有替代來源的輔助動力裝置(APU)。因此，飛機發(fā)動機排放計算分成2部分進行，主要使用ICAO手冊方法。

1.2.2.1 飛機主發(fā)動機排放計算

飛機主發(fā)動機排放主要與3個參數(shù)相關(guān)：狀態(tài)時間(TIM)、主發(fā)動機排放因子(EI)、主發(fā)動機燃料消耗量。TIM即前文中4種不同飛機發(fā)動機推力設(shè)置下的模式時間，以min為單位。EI為某指定發(fā)動機單位燃料消耗量下的污染物排放量，ICAO發(fā)布的主發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫(EEDB)[14]提供了各類飛機發(fā)動機按照發(fā)動機排放認證制度，在4種不同工作模式下的污染物排放指數(shù)和燃料消耗量。飛機主發(fā)動機NOx、HC、CO排放計算方法如下：

Ei=∑TIMj×60×FFj×EIij

(2)

式中:i為污染物類型；j為狀態(tài)類型，TIMj為j狀態(tài)的運行時間，min；FFj為j狀態(tài)的燃料消耗量，kg/s；EIij為i污染物在j狀態(tài)下每使用1 kg燃料的排放因子，g/kg。

而對于PM10，則采用一次近似(FOA)方法計算，F(xiàn)OA方法和數(shù)據(jù)由航空環(huán)境保護委員會(CAEP)提供和更新。具體計算方法和參數(shù)可查閱ICAO手冊中附錄D部分內(nèi)容。

1.2.2.2 飛機APU排放計算

飛機APU通常為小型渦輪發(fā)動機，在飛機主發(fā)動機關(guān)閉后，APU為飛機設(shè)備照明和通風(fēng)提供電力和壓縮空氣，亦用來為飛機主發(fā)動機的啟動提供動力，商用飛機通常都有APU[15]。由于APU排放測試未納入認證制度，ICAO沒有提供公開排放數(shù)據(jù)，因此采用ICAO給出的估算方法，對APU制造商提供的數(shù)據(jù)進行了平均處理。飛機APU排放計算方法如下：

Ei=T×EFi

(3)

式中：i為污染物類型；Ei為i污染物的排放量；T為APU持續(xù)運行時間，長途運輸機型T取75 min，短途運輸機型T取45 min；EFi為i污染物的排放因子，g。長途運輸機型EFi為每75 min造成的i污染物排放量，短途運輸機型EFi為每45 min造成的i污染物排放量。具體計算參數(shù)可查閱ICAO手冊中表3-A1-3部分內(nèi)容。

1.2.3 機場地勤排放

機場地勤在飛機停航或維護時是重要的機場相關(guān)排放源，主要用于提供地勤服務(wù)的設(shè)施類型和數(shù)量，取決于飛機型號和類型。

1.2.3.1 地面保障設(shè)備(GSE)

GSE是機場為?？匡w機提供相關(guān)服務(wù)的設(shè)備，GSE的類型、數(shù)量和運行狀態(tài)主要由飛機類型、停靠區(qū)域、飛行狀態(tài)等決定，并通常運行于飛機?？繀^(qū)域。GSE包括地面動力裝置、空調(diào)機組、飛機空氣渦輪起動機、窄/寬體飛機牽引車、乘客登機梯、傳送帶車、裝貨機、拖車、給養(yǎng)車、加油車、儲油罐車、擺渡車等。

在獲取GSE類型、燃料用量、設(shè)備功率和運行時間等參數(shù)后，通過《非道路移動污染源排放清單編制技術(shù)指南計算方法》[16]進行計算。

1.2.3.2 機場控制區(qū)移動源(AVT)

AVT通行于機場周界內(nèi)的限制區(qū)道路，與GSE僅服務(wù)于飛機停靠區(qū)域不同。因此，AVT不包括GSE和機場陸側(cè)移動源，僅指道路機動車(載貨汽車、載客汽車、摩托車等)。可使用IVE機動車排放模型對機動車大氣污染物排放量進行計算，該模型利用內(nèi)嵌的基礎(chǔ)排放因子和相應(yīng)修正系數(shù)的計算，最終得出不同技術(shù)水平機動車的修正后排放因子[17]，同時該模型適于發(fā)展中國家使用[18]。

1.2.3.3 飛機加油

機場在飛機加油過程中，一般采用機坪管線加油方式或罐式加油車加油方式。這2種加油方式，均會在加油過程中造成油氣揮發(fā)，加油過程中HC排放計算公式和參數(shù)可查閱ICAO手冊附錄3。

1.2.3.4 除冰劑使用

近期（10月 29日-11月 2日），中國化肥批發(fā)價格綜合指數(shù)持穩(wěn)運行。11月5日中國化肥批發(fā)價格綜合指數(shù)（CFCI）為2319.29點，環(huán)比下跌5.52點，跌幅為0.24%；同比上漲317.21點，漲幅為15.84%；比基期下跌59.58點，跌幅為2.50%。

飛機和機場設(shè)施由于使用由丙二醇、乙二醇等物質(zhì)組成的除冰劑，會導(dǎo)致有機成分的排放。機場除冰劑造成的HC排放計算公式、參數(shù)見ICAO手冊附錄2。

1.2.4 機場固定源污染物排放

1.2.4.1 鍋爐、加熱裝置、發(fā)電機和焚燒設(shè)備

鍋爐、加熱裝置、發(fā)電機和焚燒設(shè)備是燃料、廢棄物等燃燒過程造成的排放，參照《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊》方法計算。

1.2.4.2 機場維修服務(wù)

大型機場的飛機維修服務(wù)一般由商業(yè)航空公司或其他服務(wù)商提供，機身噴涂作業(yè)會有HC排放。同時，建筑、跑道、滑行道、停機坪、瀝青修復(fù)等涂料或有機溶劑使用中亦會排放HC。機場維修服務(wù)造成的HC排放計算見ICAO手冊附錄3。

1.2.4.3 機場油庫

機場存儲和運輸大量航空煤油(Jet-A、jet kerosene、JP-4等)、航空汽油和機動車用油等燃料，在油品存儲和運輸過程中會排放VOCs。對于儲罐存儲過程中造成的VOCs揮發(fā)，使用美國環(huán)保署開發(fā)的Tanks4.0.9 d模型[19-20]和相應(yīng)公式[21]計算。油品運輸過程造成的排放使用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)[22-23]、AP-42排放因子庫[24]中方法計算。

部分機場開展應(yīng)急消防演練時，使用柴油、航空煤油等作為火焰模擬發(fā)生器的燃料，會生成大量顆粒物、VOCs等大氣污染物。機場消防演練造成的污染物排放計算見ICAO手冊附錄3。

1.3 活動水平的獲取和處理方法及飛機發(fā)動機排放因子的確定

使用Python語言，結(jié)合urllib2庫，在成都雙流國際機場官方網(wǎng)站上獲取航班號、始發(fā)地、目的地等詳細航班信息，數(shù)據(jù)獲取程序開源自由傳播，可以通過訪問https://github.com/Chengwei-Lu/dynaLTO獲取。GSE活動水平數(shù)據(jù)由成都雙流國際機場提供，主要包括平臺車和牽引車等車輛設(shè)備的數(shù)量、功率、排放標(biāo)準(zhǔn)、燃油類型、年使用小時等排放計算所需數(shù)據(jù)。其他活動水平數(shù)據(jù)未能獲取，沒有納入計算。

將航班信息數(shù)據(jù)整理為LTO循環(huán)數(shù)據(jù)，航空器型號按航空公司進行分類。同時從參考資料[25]和文獻[15]中整理出國內(nèi)各航空公司航空器型號及其發(fā)動機構(gòu)成情況，建立航空器型號和EEDB發(fā)動機型號映射關(guān)系(主要包括52種發(fā)動機)，對各航空公司同一機型的不同發(fā)動機組成進行加權(quán)計算，再結(jié)合所獲取LTO循環(huán)數(shù)據(jù)，最后使用公式2計算出適用于成都雙流國際機場的飛機發(fā)動機排放因子，見表1。

表1 飛機發(fā)動機排放因子*Table 1 Emission factors for aircraft engine g/LTO

注：“*”表示僅列出LTO循環(huán)數(shù)最大的10個航空器型號；“**” 指《非道路移動源排放清單編制技術(shù)指南》中民航運輸飛機的PM2.5排放因子與PM10排放因子之比為0.98，研究以0.98為兩者固定比值，由PM10排放因子推算出PM2.5排放因子。

1.4 排放清單時空分配方法

為滿足大氣污染源控制和空氣質(zhì)量模擬預(yù)測研究的需要，基于成都雙流國際機場實際情況和空氣質(zhì)量數(shù)值模型[26](本文基于CMAQ模式的SMOKE排放清單處理模式)輸入數(shù)據(jù)的要求，完成排放清單時空分配。

空間分配采用基于GIS的計算方法將污染源的排放量分配到對應(yīng)的網(wǎng)格中[27]：將污染源視作面源，分為進近跑道排放、進近滑行跑道排放、怠速排放(包括APU排放和GSE排放)、起飛滑行跑道排放、起飛跑道排放和爬升排放共6個區(qū)域，并在GIS底圖中建立地理范圍；然后基于上述區(qū)域排放特征，分配相應(yīng)污染物排放量；最后利用建立的0.1 km×0.1 km(機場分辨率要求較高，1 km×1 km網(wǎng)格不適用)網(wǎng)格完成污染物排放量網(wǎng)格化工作。

時間分配則通過對進出港航班信息數(shù)據(jù)分別進行逐時統(tǒng)計分析，獲取全年平均逐時LTO循環(huán)數(shù)(航班進港或出港均視作0.5次LTO循環(huán))，完成成都雙流國際機場LTO循環(huán)時間分配。由于計算中涉及到的各污染源污染物排放都是緊密圍繞航班進出港產(chǎn)生的，排放規(guī)律較為一致，因此統(tǒng)一使用LTO循環(huán)數(shù)的小時變化對機場大氣污染物排放量進行時間分配。

2 結(jié)果與討論

2.1 活動水平分析

2015年6月—2016年6月期間，成都雙流國際機場LTO循環(huán)數(shù)為237 654次，空中客車、波音飛機分別占77%、21%，其余為龐巴迪、巴西航空和其他公司的飛機，機型構(gòu)成見圖2。

圖2 成都雙流國際機場機型構(gòu)成Fig.2 Composition of Chengdu Shuangliu International Airport′s airplane model

由圖2可見，機型主要為A320、A321、A319、B738等,其中，長途運輸機型LTO循環(huán)數(shù)為2 757次，短途運輸機型LTO循環(huán)數(shù)為234 897次；寬體飛機LTO循環(huán)數(shù)為32 980次，窄體飛機LTO循環(huán)數(shù)為204 674次。

從LTO循環(huán)數(shù)日變化來看，10月下旬—11月中旬和元旦前后有較為明顯的下降，其余日期變化幅度較小，這是由于國慶和元旦等節(jié)假日后成都市人口流動大幅下降，客運和貨運航班數(shù)量銳減，LTO循環(huán)數(shù)日變化構(gòu)成見圖3。

圖3 成都雙流國際機場LTO循環(huán)數(shù)日變化Fig.3 Diurnal variation of Chengdu Shuangliu International Airport′s LTO cycles

獲取的GSE活動水平數(shù)據(jù)如表2所示。機場共計使用GSE設(shè)備128臺，排放標(biāo)準(zhǔn)主要為國三標(biāo)準(zhǔn)，少量為國二標(biāo)準(zhǔn)，燃料類型全部為柴油，日均使用時間約為1.4～12 h。

表2 GSE活動水平數(shù)據(jù)

2.2 機場大氣污染物排放量分析

成都雙流國際機場CO、VOCs、NOx、PM10、PM2.5、SO2排放量分別為1 169.2、134.2、2 108.7、28.1、27.3、252.8 t，主要包括飛機發(fā)動機和機場地勤2個排放源，其中機場地勤僅考慮GSE設(shè)備排放，見表3。飛機發(fā)動機的主發(fā)動機排放為機場主要排放源，分別占上述污染物總排放量的88%、84%、89%、64%、65%、50%，由于滑行和地面慢車模式持續(xù)時間最長(約占總模式時間的79%)，所以其污染物排放量較大。

2.3 排放清單時空分布特征

2.3.1 空間分布特征

飛機發(fā)動機作為線源排放，GSE作為面源排放，因此污染物排放分布較為均勻且和跑道分布相關(guān)性較高：CO、VOCs排放主要分布于滑行跑道，分別占總排放量的93%、95%，這是由于飛機發(fā)動機處于低推力狀態(tài)，燃燒不充分，導(dǎo)致CO、VOCs大量排放，隨著推力大幅上升，在起飛和爬升階段，CO、VOCs排放量大幅下降，其排放比例下降至2%以下；NOx排放主要位于起飛和爬升跑道，分別占總排放量的27%、51%，這是由于高推力狀態(tài)下燃料充分燃燒使NOx排放顯著升高；PM10、PM2.5、SO2排放主要源于柴油燃料使用，因此主要位于停機坪和滑行跑道等怠速區(qū)域，同時也是GSE的主要工作區(qū)域。污染物排放空間分布見圖4。

表3 成都雙流國際機場大氣污染物排放量Table 3 Air pollutants emission for Chengdu Shuangliu International Airport t

2.3.2 時間分布特征

進出港航班從06:00開始增多且在09:00以前主要以出港航班為主，直至23:00運輸高峰結(jié)束后，進出港航班尤其是出港航班大幅減少，進港航班開始占據(jù)主導(dǎo)。機場大氣污染物排放量按LTO循環(huán)數(shù)小時變化進行時間分配，00:00—05:00、06:00—11:00、12:00—17:00和18:00—23:00各時段大氣污染物排放量分別占日均排放量的7%、33%、33%、29%，除凌晨時段由于航班較少排放量較低外，其他時段排放量較為平均。機場大氣污染物排放量時間分布見圖5。

圖5 成都雙流國際機場大氣污染物排放量時間分布Fig.5 Temporal distribution of air pollutants emission in Chengdu Shuangliu International Airport

2.4 不確定性分析

大氣污染物源排放清單由于活動水平數(shù)據(jù)缺失、排放因子的選擇等因素，必然存在著不確定性[28]，不確定性分析方法主要包括定性分析方法和定量分析方法[27]，本文采用定性分析方法。

LTO循環(huán)數(shù)據(jù)從官方網(wǎng)站獲取，GSE活動水平數(shù)據(jù)由官方提供，均較為可靠。飛機發(fā)動機排放因子基于各航空公司航空器型號及其發(fā)動機構(gòu)成情況進行推算，因未獲得各航空公司航空器型號的真實發(fā)動機構(gòu)成，導(dǎo)致建立的航空器型號和EEDB發(fā)動機型號映射關(guān)系存在一定的不確定性，最終造成飛機發(fā)動機排放因子存在一定誤差。同時由于估算采用的ICAO排放因子主要在海平面靜態(tài)條件和7%、30%、85%、100%額定推力設(shè)置下測試，可能與飛機實際飛行狀態(tài)并不相同[12]。GSE采用文獻[16]排放因子，由于其僅對非道路移動源的功率做了分類，沒有對類型進行細分，因此存在一定不確定性。空間分配基于污染源排放特征，其中飛機發(fā)動機排放根據(jù)跑道分配，不確定性較小。GSE采用面源分配而不是以工作路徑為主的線源，進一步加大清單的不確定性。

3 結(jié)論

1)2015年6月—2016年6月期間，成都雙流國際機場LTO循環(huán)數(shù)為237 654次，以空中客車和波音公司的飛機為主，成都雙流國際機場CO、VOCs、NOx、PM10、PM2.5、SO2排放量分別為1 169.2、134.2、2 108.7、28.1、27.3、252.8 t，其中飛機主發(fā)動機為主要排放源。

2)僅收集到LTO和GSE活動水平數(shù)據(jù)，AVT和固定源等的缺失，影響了機場排放清單的完整性。

3)因只考慮飛機發(fā)動機和GSE面源排放，污染物排放分布和跑道類型相關(guān)性較高。對于GSE排放污染物的空間分配應(yīng)基于其工作路徑以線源為主。

4)活動水平數(shù)據(jù)可靠性較高，排放因子存在一定不確定性。航空公司航空器型號和EEDB發(fā)動機型號映射關(guān)系和GSE排放因子有待進一步本地化。

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