航空器排放對機(jī)場區(qū)域環(huán)境PM2.5 濃度的影響

王 維，武文飛

（中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津 300300）

隨著中國民用機(jī)場數(shù)量增多、運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量加大，航空器運(yùn)行對機(jī)場及其周邊區(qū)域大氣環(huán)境造成的影響日趨顯著。目前，航空器排放對PM2.5影響的相關(guān)研究可歸納為3 類：①通過現(xiàn)有的規(guī)章要求或大數(shù)據(jù)分析獲取航空器在不同階段的運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫相關(guān)參數(shù)及機(jī)型數(shù)據(jù)對航空器PM2.5排放量進(jìn)行計(jì)算[1-3]；②結(jié)合大氣環(huán)境及飛行參數(shù)的具體影響，修正國際民航組織（ICAO）提供的標(biāo)準(zhǔn)排放量模型中的相關(guān)參數(shù)，更為精確地計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)排量[4-6]；③通過航空器運(yùn)行的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)模型建立排放模型[7-8]。

現(xiàn)有研究大多以實(shí)現(xiàn)排放量的準(zhǔn)確計(jì)算為目的，在航空器排放對PM2.5濃度影響及削減措施兩方面并無太多分析論證。因此，通過建立航空器污染物排放模型，并結(jié)合具體案例分析，提出有助于削減航空器排放對大氣環(huán)境PM2.5濃度影響的措施和建議具有實(shí)際意義。

1 航空器排放所致PM2.5 成因分析

1.1 一次PM2.5 產(chǎn)生機(jī)理

現(xiàn)代民航運(yùn)輸機(jī)一般采用渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高溫主燃區(qū)（即燃油噴嘴附近）一定范圍內(nèi)的油霧濃度較高，致使旋流器導(dǎo)入的空氣與噴嘴噴出的油霧不能以最佳狀態(tài)混合；同時(shí)旋流器產(chǎn)生的回流區(qū)將高溫燃?xì)庠俅螏Щ氐絿娮旄浇?，使得這一區(qū)域未能燃燒的油霧轉(zhuǎn)化為煙霧顆粒。這些煙霧顆粒流經(jīng)主燃區(qū)和摻混區(qū)時(shí)大部分被氧化，未被氧化的碳煙顆粒將會(huì)被排出燃燒室，形成一次PM2.5。

1.2 PM2.5 前體物產(chǎn)生機(jī)理

PM2.5前體物包括氮氧化合物、硫氧化物[9-10]。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的硫化物和氮氧化物會(huì)通過光化學(xué)氧化作用在高溫下形成相應(yīng)的硫酸鹽、硝酸鹽溶液微滴，其蒸發(fā)后形成鹽粒質(zhì)點(diǎn)即二次PM2.5[11-13]。

2 建立排放模型

既往研究中，一般通過標(biāo)準(zhǔn)的著陸-起飛循環(huán)（LTO, landing and take off cycle）來描述航空器在機(jī)場及其周邊區(qū)域的活動(dòng)。LTO循環(huán)包括4 個(gè)階段：航空器滑出、起飛、改平和進(jìn)近。

根據(jù)航空器飛行性能和空氣動(dòng)力學(xué)原理，可得出航空器LTO 各階段用時(shí)，即

標(biāo)準(zhǔn)起飛用時(shí)為

標(biāo)準(zhǔn)著陸用時(shí)為

其中：VL為起飛離地時(shí)速度；VT為著陸接地時(shí)速度；為某時(shí)段平均速度；VA為著陸階段15 m 進(jìn)場高度時(shí)的速度；P 為航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力；Δp 為起飛階段的剩余推力值；G 為航空器自身重力值；K 為升阻比；f 為摩擦系數(shù)；g 為重力加速度。

改平階段用時(shí)為

其中：EG為航空器單位重量所代表的能量值[1]；EG1和EG2分別為改平前和改平后航空器單位重量所代表的能量值；Vmax*為動(dòng)態(tài)修正上升率[1]。

基于上述時(shí)間計(jì)算方法，可建立單LTO 循環(huán)的排放模型為

其中：x 為航空排放器污染物類型；y 為所處LTO 階段（滑出、起飛、改平、進(jìn)近）；Ex，y為某階段某種污染物排量。

某階段某種污染物的排量為

其中：m 為航空器類型；n 為m 型航空器的發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)；s 為LTO 循環(huán)數(shù)；F 為燃油消耗率；E 為排放指數(shù)；t為LTO 特定階段的持續(xù)時(shí)間。

同一機(jī)型可能裝備燃油消耗率不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過加權(quán)平均計(jì)算某階段某航空器燃油消耗率Fm，y為

其中：N 為m 類航空器發(fā)動(dòng)機(jī)總數(shù)；Z 為發(fā)動(dòng)機(jī)類型；LZ為當(dāng)前類型航空器安裝的Z 型發(fā)動(dòng)機(jī)總數(shù)；FZ，x，y為該階段該型航空器Z 型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，可查閱發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫確定。

需要指出的是，發(fā)動(dòng)機(jī)直接排放的一次PM2.5狀態(tài)較為穩(wěn)定。氮氧化物由于存在多種穩(wěn)定的無機(jī)鹽類型，穩(wěn)態(tài)化合價(jià)不易確定，所以模型以直接計(jì)算出的氮氧化物排量進(jìn)行分析。ICAO 提供的發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫中并未包含硫氧化物排放指數(shù)。根據(jù)含硫無機(jī)鹽顆粒形成機(jī)理，通過確定4 價(jià)硫變?yōu)? 價(jià)硫的轉(zhuǎn)化率ε，來確定SO2轉(zhuǎn)化為顆粒物的排放指數(shù)。

航空燃油含硫量因批次不同會(huì)發(fā)生變化。ICAO給出的典型航空燃油含硫量為0.005%～0.068%，國際平均值為0.03%。在未提供具體的航空燃油含硫量時(shí)，推薦使用0.068%計(jì)算。研究表明，4 價(jià)硫與6 價(jià)硫之間的轉(zhuǎn)化率ε 會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同而發(fā)生非線性變化，ICAO 推薦的ε 取值范圍為0.5%～3.5%，一般取2.4%。據(jù)此，硫化物排放指數(shù)為

其中：FSC 為燃油含硫量，未做具體說明時(shí)取0.068%；ε 為4 價(jià)硫與6 價(jià)硫之間的轉(zhuǎn)化率；MS6為硫酸根分子量，取96；MS為硫元素分子量，取32。

3 案例分析

以大連機(jī)場為例，利用上述模型計(jì)算出排放清單并借助EDMS 軟件，模擬分析該機(jī)場航空器排放對機(jī)場區(qū)域PM2.5濃度的影響。

查詢2017年大連機(jī)場航空器主要類型及起降架次。將LTO 循環(huán)進(jìn)一步分為進(jìn)港（進(jìn)近、滑入）、出港（開車、滑出、起飛）和改平。利用所建排放模型計(jì)算該年度機(jī)場航空器運(yùn)行所產(chǎn)生的一次PM2.5及PM2.5前體物（氮氧化物、硫氧化物）排量，如表1 所示。

3.1 一次PM2.5 的影響

大連機(jī)場2017年全年航空器運(yùn)行產(chǎn)生一次PM2.5為3.982 t，PM2.5前體物氮氧化物、硫氧化物排量分別為947.402 t、50.284 t。

根據(jù)2017年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，大連市年均PM2.5濃度值為32.56 μg/m3。由于對流層大氣的垂直混合作用強(qiáng)，是影響PM2.5濃度的主要大氣層，所以取溫帶對流層高度均值10 km 為市區(qū)監(jiān)測高度，根據(jù)大連市區(qū)面積（約248 km2）可算出2017年大連市區(qū)產(chǎn)生的PM2.5總量為80.75 t。由此可知，航空器運(yùn)行產(chǎn)成的一次PM2.5約占市區(qū)PM2.5總量的4.8%，其對大連市區(qū)PM2.5濃度的影響不容忽視。

表1 2017年度大連機(jī)場航空器PM2.5 排量Tab.1 Aircraft PM2.5 emission from Dalian airport in 2017

由表1 可知，各類航空器的LTO 循環(huán)中，出港階段直接生成的PM2.5占總排放量的50%以上。繁忙機(jī)場在滑出階段由于機(jī)場地面交通擁塞等原因會(huì)造成航空器發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)較多的慢車、怠速狀態(tài)，由于非額定工況的燃油不完全燃燒造成污染物排出增多；而起飛階段發(fā)動(dòng)機(jī)推力為100%額定推力狀態(tài)，此時(shí)燃燒室噴油嘴完全打開，造成小部分燃油不完全燃燒，形成“黑煙”，導(dǎo)致出港階段產(chǎn)生的一次PM2.5在LTO 循環(huán)內(nèi)占比較大。

由于進(jìn)近階段航空器主要以勢能換動(dòng)能方式維持飛行，航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力僅為額定推力的30%，故該階段污染物排放占比較低。

3.2 二次PM2.5 的影響

由于PM2.5前體物轉(zhuǎn)化為PM2.5的轉(zhuǎn)換率與空氣擴(kuò)散速率、溫度、濕度、風(fēng)速等多種氣象及地理?xiàng)l件相關(guān)，為準(zhǔn)確反應(yīng)大連機(jī)場PM2.5二次生成的轉(zhuǎn)換率，根據(jù)大連市氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各月份PM2.5日均濃度與硫氧化物、氮氧化物日均濃度之間的關(guān)系。大連市2017年P(guān)M2.5相關(guān)污染物日均濃度統(tǒng)計(jì)值如表2 所示。

表2 大連市PM2.5 相關(guān)污染物日均濃度值Tab.2 Daily average concentration of PM2.5 related pollutants in Dalian μg·m-3

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，通過擬合可得PM2.5日均濃度值與硫氧化物、氮氧化物日均濃度值的關(guān)系為

其中：z 為PM2.5日均濃度值；x 為硫氧化物日均濃度值；y 為氮氧化物日均濃度值。

擬合相關(guān)系數(shù)r2=0.779 9，可較好地?cái)M合PM2.5濃度與氮氧化物、硫氧化物濃度之間的關(guān)系。

LTO 循環(huán)一般在約450 m 高度進(jìn)入航路，標(biāo)準(zhǔn)直線離場程序梯度為3.3%，保護(hù)區(qū)在跑道端單側(cè)寬度150 m，外邊界以27%的擴(kuò)散率向外擴(kuò)散。所以，航空器進(jìn)入航路高度時(shí)與跑道端的水平距離約為13 500 m，保護(hù)區(qū)寬度為3 795 m?，F(xiàn)確定以跑道兩端的中點(diǎn)為起點(diǎn)，向跑道中心線延長線及兩側(cè)分別延長13 500 m、3 795 m，高450 m 為機(jī)場航空器LTO 循環(huán)影響的研究區(qū)域。

由表1 計(jì)算數(shù)據(jù)，2017年大連機(jī)場PM2.5前體物氮氧化物、硫氧化物排量分別為947.369 t、50.25 t，則航空器排放導(dǎo)致的氮氧化物日均濃度為1.05 μg/m3，硫氧化物的日均濃度為0.06 μg/m3。利用式（8）可計(jì)算得到由航空器排放產(chǎn)生的PM2.5前體物轉(zhuǎn)換的PM2.5濃度為8.88 μg/m3。可見在航空器LTO 循環(huán)影響范圍內(nèi)，2017年大連機(jī)場航空器運(yùn)行產(chǎn)生的二次PM2.5為0.93 t，為一次PM2.5排量的23.6%。所以，航空器產(chǎn)生的一次PM2.5是對機(jī)場及周邊區(qū)域PM2.5濃度影響最大的污染物，同時(shí)由PM2.5前體物二次生成的PM2.5排量也不容忽視。

4 航空器PM2.5 排放消減措施

4.1 提高地面滑行效率

提高航空器地面滑行效率，一是減少滑行距離、二是減少滑行等待時(shí)間。這需要在機(jī)場跑滑系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、航空器地面調(diào)度指揮方面采取各種優(yōu)化措施。ICAO 給出的標(biāo)準(zhǔn)LTO 循環(huán)總耗時(shí)為32.9 min，地面滑行及等待耗時(shí)為26 min，占整個(gè)滑行時(shí)間79%。所以，優(yōu)化地面滑行路徑，盡可能減少?zèng)_突點(diǎn)、排隊(duì)時(shí)間對縮短出港耗時(shí)進(jìn)而消減航空器PM2.5排放非常有效。

滑行時(shí)間為26 min 和20 min 條件下，PM2.5（一次PM2.5及PM2.5前體物總量）排量對比如表3 所示。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，不同機(jī)型由于載重能力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)、機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量等因素的不同，PM2.5排放量變化也有所差異，但均隨滑行時(shí)間減少呈下降趨勢。所以，減少地面滑行時(shí)間可以削減航空器的PM2.5排量。

表3 不同滑行時(shí)間條件下各類機(jī)型PM2.5 排量對比Tab.3 PM2.5 emission comparison among different types of aircrafts under different taxiing durations

4.2 優(yōu)化機(jī)型組合

由表1 可知，不同類型航空器在相同的LTO 循環(huán)中產(chǎn)生的PM2.5及其前體物會(huì)有所不同。所以，選用低排放機(jī)型對減少機(jī)場PM2.5有一定成效。

根據(jù)不同機(jī)型的PM2.5及其前體物排放量，在保證運(yùn)力的前提下以更多低排放機(jī)型代替高污染機(jī)型來實(shí)現(xiàn)機(jī)場及周邊區(qū)域PM2.5濃度的下降。根據(jù)單次LTO 循環(huán)各機(jī)型PM2.5的排量，適當(dāng)降低排量較大機(jī)型占比，并提高小排量機(jī)型占比，各機(jī)型調(diào)整狀況及不同機(jī)型組合情況下的PM2.5排量如表4 所示。

表4 不同機(jī)型組合下PM2.5 排量對比Tab.4 PM2.5 emission comparison under different aircraft combinations

調(diào)整后PM2.5總排量為963.412 t（PM2.5前體物及一次PM2.5之和），較調(diào)整機(jī)型前降低了3.8%?？梢?，通過降低PM2.5排放較高的機(jī)型占比，增加低排量機(jī)型比重，可以有效降低PM2.5排放。

4.3 調(diào)整進(jìn)近下滑角

通過調(diào)整進(jìn)近下滑角、縮短航空器最后進(jìn)近階段的時(shí)間，同樣具有PM2.5減排效果。不同下滑角下降著陸時(shí)的PM2.5排量情況對比如，表5 所示。

表5 不同下滑角條件下PM2.5 排量對比Tab.5 PM2.5 emission comparison under different gliding angles

可見，當(dāng)下滑角減小時(shí)，雖然直接排放的PM2.5并未減少，但PM2.5前體物（氮氧化物、硫氧化物）排量存在一定程度的降低，使得最終的PM2.5排放總量有所減少。

5 結(jié)語

通過建立航空器PM2.5排放模型及大連機(jī)場航空器PM2.5排放清單，分析了航空器運(yùn)行對機(jī)場區(qū)域環(huán)境PM2.5濃度的影響，并從地面運(yùn)行及飛行程序兩方面提出了有效減排的措施建議。

1）出港階段在整個(gè)LTO 循環(huán)過程中PM2.5排放占比最大，且超過50%。不同機(jī)型的PM2.5排量存在較大差異。

2）PM2.5前體物產(chǎn)生的二次顆粒物少于一次PM2.5排量。在機(jī)場區(qū)域環(huán)境中，直接排放的一次PM2.5對PM2.5濃度影響最大。

3）提高地面滑行效率，減少滑行時(shí)間；調(diào)整機(jī)型組合，保證運(yùn)力的同時(shí)盡可能采用排量較小的機(jī)型；調(diào)整進(jìn)近下滑角，縮短進(jìn)近用時(shí)，以上3 種方式均可以不同程度地減少航空器的PM2.5排量。