中國民航飛機大氣污染物排放測算及預測分析

費文鵬，熊羚利，歐陽斌，卞雪航，宋國華

(1.北京交通大學交通運輸學院，北京100044；2.交通運輸部科學研究院，北京100029；3.中國民航工程咨詢有限公司，北京100621)

0 引言

民航飛機對大氣污染的影響日益加劇，大氣污染物排放測算及預測是評估大氣污染、制定污染防控措施及相關(guān)法規(guī)的基礎(chǔ)[1].民航飛機大氣污染物排放測算一般分為LTO循環(huán)階段和巡航階段，LTO循環(huán)階段污染物排放只包括機場附近區(qū)域的排放，范圍為地表到大氣邊界層頂部3000 ft內(nèi)，LTO循環(huán)外為巡航階段.我國已有研究工作主要關(guān)注飛機LTO循環(huán)內(nèi)的機場附近污染物排放[2]和巡航階段的NOx等污染物排放測算問題[3-4]，對民航飛機生產(chǎn)全過程的污染物排放測算研究較少[5-6]，鮮有對我國民航飛機大氣污染物排放未來發(fā)展趨勢的研究[7].從已有對我國民航飛機污染物排放總量的研究來看，排放測算多采用燃油消耗總量和平均排放因子，未考慮機型、發(fā)動機型號、發(fā)動機工作模式等因素的影響，測算結(jié)果存在機理上的誤差[5].因此，本文基于ICAO發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫，結(jié)合我國民航飛行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用LTO循環(huán)法和油流量法，測算并預測我國民航飛機大氣污染物的排放情況，擬為我國大氣污染評估、污染防控措施及相關(guān)法規(guī)的制定提供參考.

1 模型與方法

1.1 數(shù)據(jù)說明

采用數(shù)據(jù)均來自官方統(tǒng)計：油耗率、CO/HC/NOx排放因子數(shù)據(jù)來自于ICAO發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫(Engine Emission Data Bank)，民航飛機總飛行時間、LTO循環(huán)數(shù)、機型分擔數(shù)據(jù)來自于中國民用航空局發(fā)布的《從統(tǒng)計看民航》，各機型發(fā)動機數(shù)量、機型對應(yīng)發(fā)動機型號來自于ICAO機型庫，國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)數(shù)據(jù)來自于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報.油耗率、排放因子演變趨勢分析以ICAO發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，分周期統(tǒng)計分析.ICAO排放數(shù)據(jù)庫提供了1975—2017年的各類發(fā)動機油耗排放測試數(shù)據(jù)，以1980年以前作為一個統(tǒng)計周期，1980年后每5年為一個周期對油耗排放數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計，如CO在1980年的排放因子以1980—1985年期間所有類型發(fā)動機的CO排放平均值代表.油耗率演變趨勢考慮了發(fā)動機額定功率，以單位額定功率下的油耗率代表油耗水平.

1.2 計算原理

僅對我國航空公司飛機起飛到降落全過程的氣體污染物排放進行測算，污染物種類包括SO2、HC、CO、NOx和細顆粒物(PM10、PM2.5)，計算方法如圖1所示.污染物SO2、HC、CO、NOx的測算，采用國際通用的油流量法.細顆粒物測算分為兩階段，LTO循環(huán)階段污染物排放采用生態(tài)環(huán)境部提供的測算方法及參數(shù)[8]，LTO循環(huán)包括4個工作模式，即起飛、爬升、進近和滑行；LTO循環(huán)之外為巡航模式，該階段采用平均排放率乘以飛行時間測算.飛行生產(chǎn)過程中排放影響因素包括：機型(飛機/發(fā)動機匹配狀況、發(fā)動機個數(shù))，發(fā)動機型號，發(fā)動機工作模式，不同模式下油耗率、排放因子及運行時間.

圖1 污染物排放測算及預測技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap of calculation and prediction for pollutant emissions

1.3 計算方法

(1)排放計算方法.

污染物SO2、HC、CO、NOx排放測算采用國際通用的油流量法，ICAO提供了航空發(fā)動機標準大氣環(huán)境下的CO、HC和NOx排放因子數(shù)據(jù)，劉高恩等認為SO2排放因子取1 g/kg.據(jù)此，我國民航飛機SO2、CO、HC和NOx的排放計算公式為

式中：Em為m污染物的年度排放總量(t)；m為污染物類型(含SO2、HC、CO、NOx)；Fm,i,j為j機型i模式下m污染物的排放因子(g/kg)；i為發(fā)動機工作模式，包括起飛、爬升、進近、滑行和巡航；j為機型，包含A380、B747等30多種機型；Ri,j代表j機型i模式下油耗率(kg/s)；Ti,j為j機型i模式下運行時間(h).

民航飛機細顆粒物排放計算公式為

式中：EPM為PM年度排放量(t)；FPM為細顆粒物排放因子，采用生態(tài)環(huán)境部給出的參考值，即FPM2.5=0.53kg/LTO，F(xiàn)PM10=0.54kg/LTO；NLTO為LTO循環(huán)數(shù)；TLTO為單個LTO循環(huán)時間(h)；TC為巡航時間(h).

(2)飛機油耗率計算方法.

飛機油耗率由該機型對應(yīng)的發(fā)動機數(shù)量、發(fā)動機型號、發(fā)動機工作模式?jīng)Q定，依據(jù)ICAO機型庫實現(xiàn)機型與發(fā)動機型號、數(shù)量的匹配，得到不同機型不同工作模式下的油耗率為

式中：Nj,k為j機型發(fā)動機k的數(shù)量；Ri,k為k發(fā)動機i模式下油耗率(kg/s).LTO循環(huán)內(nèi)各工作模式下的油耗率和排放因子從ICAO排放數(shù)據(jù)庫提取，巡航模式油耗率和排放因子采用70%推力設(shè)置下的數(shù)值[5]，采用拉格朗日插值法確定.

(3)各機型各工作模式下飛行時間計算方法.

各機型各工作模式下飛行時間缺乏統(tǒng)計數(shù)據(jù)支撐，計算污染物排放時需要對總飛行時間進行拆分和匹配.標準LTO循環(huán)內(nèi)各工作模式持續(xù)時間分別為：起飛0.7 min，爬升2.2 min，進近4 min，滑行26 min，則各機型各工作模式下飛行時間為

式中：Ti為模式i總飛行時間(h)；TLTO,i為單個LTO循環(huán)內(nèi)模式i飛行時間；TC為巡航模式下總飛行時間(h)；T為我國民航飛機總飛行時間(h)；Pj為j機型分擔率；TC,j為機型j巡航模式下飛行時間(h).

1.4 預測方法

(1)基于改進KAYA公式的排放預測.

KAYA公式常用來分解低碳經(jīng)濟的內(nèi)涵，模型認為排放受到人口、人均GDP、單位GDP能源消耗量和單位能耗排放量的影響.由于我國污染物排放缺乏有效監(jiān)測手段，能耗數(shù)據(jù)獲取方式多為典型企業(yè)調(diào)查和填報，數(shù)據(jù)可靠度受人為因素干擾較大，而民航飛行時間統(tǒng)計手段和制度已經(jīng)較為健全，統(tǒng)計數(shù)據(jù)具有更大的參考價值.研究發(fā)現(xiàn)，民航飛行時間與GDP存在正相關(guān)關(guān)系，改進KAYA公式來預測民航飛機污染物排放，即

式中：Gtotal為GDP值(109元)，總飛行時間T是關(guān)于Gtotal的函數(shù)(h)；R為油耗率(kg/s)；F為排放因子(g/kg).

(2)GDP發(fā)展趨勢分析.

研究發(fā)現(xiàn)，民航飛行時間與GDP呈正相關(guān)關(guān)系，通過經(jīng)濟增長規(guī)律分析可預測民航飛行時間.經(jīng)濟增長規(guī)律可用生長曲線來描述，基于1970—2018年我國GDP統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖2所示，采用Origin軟件進行參數(shù)估計，以普華永道對我國2030年GDP預測作為控制點，采用Logistic生長曲線對我國經(jīng)濟增長規(guī)律進行擬合，并據(jù)此預測未來走勢，得到

式中：Y為年份，以1970年為擬合曲線的“0”點.

(3)飛行時間與GDP相關(guān)性分析.

研究發(fā)現(xiàn)，我國民航飛行時間與GDP之間存在線性相關(guān)關(guān)系，PEARSON相關(guān)系數(shù)達0.997 3，擬合得到

圖2 GDP演變趨勢Fig.2 Development trend of GDP

(4)油耗率演變趨勢分析.

以5年為間隔，對1975年以來單位額定功率下的油耗率分段整合分析，如圖3所示，觀察發(fā)現(xiàn)，單位額定功率下的油耗率逐漸降低，如1975年起飛模式下單位額定功率油耗率為44.67 kg/s，2015年該值下降到26.97 kg/s.

圖3 單位動力下的油耗率演變趨勢Fig.3 Development of fuel consumption rate per unit power

通過PEARSON相關(guān)系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，不同模式單位額定功率下的油耗率與時間相關(guān)系數(shù)分別達到-0.94、-0.94、-0.91、-0.85，負相關(guān)性較強，以負指數(shù)函數(shù)擬合，則不同模式單位額定功率下油耗率分別為

式中：rTO、rCO、rApp、rIdle分別為起飛、爬升、進近和滑行模式單位額定功率下的油耗率(kg/(s·kN)).數(shù)據(jù)擬合時以1975年為“0”點，下同.

(5)排放因子演變趨勢分析.

SO2和細顆粒物排放因子演變趨勢缺乏數(shù)據(jù)支撐，以固定參考值進行計算.分析HC和CO排放因子演變趨勢發(fā)現(xiàn)，HC和CO排放因子均呈下降趨勢，不同模式下PEARSON相關(guān)系數(shù)分別達到-0.77、-0.91、-0.86、-0.76和 -0.90、-0.93、-0.74、-0.87，負相關(guān)性較強，采用負指數(shù)函數(shù)分別擬合HC和CO不同模式下排放因子演變規(guī)律，參數(shù)如表1所示.

由圖4可知，NOx排放因子自1975年以來處于穩(wěn)定波動態(tài)勢，尤其起飛和爬升模式下PEARSON相關(guān)系數(shù)僅為0.35和0.24，故認為NOx排放因子在未來一段時間內(nèi)將繼續(xù)維持穩(wěn)定波動狀態(tài).采用1975年以來平均值進行計算，起飛、爬升、進近和滑行模式下NOx排放因子分別為30.24，23.10，9.46，4.17 g/kg.

表1 排放因子演變趨勢參數(shù)估計Table 1 Parameter estimation of development trend of emission factor

2 結(jié)果與討論

2.1 燃油消耗

由圖5可知，我國民航總飛行時間從1970年32.66萬h增長到2018年1 153.52萬h，并將繼續(xù)增長，但增速放緩，2050年預計達到2 808.27萬h.民航燃油消耗從1975年的307萬t增長到2018年的6 280萬t，增長超過20倍，年均增長率45.25%，巡航模式油耗量占比超過90%.未來我國民航燃油消耗先增長后下降，預計2040年達到峰值，油耗量達11 826萬t，達峰之后年均下降率為0.22%，2050年油耗量為11 563萬t.

圖4 NOx排放因子變化趨勢Fig.4 Development trend of NOxemission factor

2.2 污染物排放

由圖6可知，1975—1990年，我國民航飛機HC排放緩慢下降，由1975年的9 087 t下降到1990年的7 131 t，主要原因是油耗率和排放因子下降的影響高于民航飛行時間增長影響.1990—2010年，HC排放快速增長，2010年達到峰值15 433 t.2010年之后，HC年度排放量持續(xù)下降，預計2050年下降為1 230 t.從HC排放的模式分布來看，HC排放集中在滑行和巡航模式，滑行模式下平均占比為58.01%，巡航模式下平均占比為39.36%.

圖5 1975—2050年我國民航飛機燃油消耗Fig.5 Fuel consumption of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

圖6 1975—2050年我國民航飛機HC排放Fig.6 HC emission of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

由圖7可知，1975—1990年，我國民航飛機CO排放緩慢下降，由1975年的16 487 t下降到1990年的15 879 t，主要原因是油耗率和CO排放因子下降的影響高于民航飛行時間增長影響；1990年后，CO排放快速增長，預計2025年達到峰值141 038 t；2025年后，CO排放下降，預計2050年將下降到86 191 t.從CO排放的模式分布來看，CO排放集中在滑行和巡航模式，滑行模式下平均占比為46.72%，巡航模式下平均占比為50.29%.

圖7 1975—2050年我國民航飛機CO排放Fig.7 CO emission of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

由圖8可知，1975年以來，我國民航飛機NOx、SO2排放先增長后下降.NOx和SO2排放分別由1975年的6.09萬t和0.31萬t增長到峰值235.35萬t和11.83萬t，將在2040年達到峰值.細顆粒物排放持續(xù)上升，PM2.5、PM10排放分別由1975年的337 t、344 t增長到2050年的27 143 t、27655 t.

圖8 1975—2050年我國民航飛機NOx/SO2/PM排放Fig.8 NOx,SO2and PM emission of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

2.3 污染物排放強度

由圖9可知，1975年以來，我國民航排放強度逐年下降(排放強度指單位噸公里排放量)，降速先快后慢.1975—2018年，HC排放強度由38.06 g/(t·km)降至 0.11 g/(t·km)，年均下降0.84 g/(t·km)；CO排放強度由69.04 g/(t·km)降至0.72 g/(t·km)，年均下降1.52 g/(t·km)；NOx排放強度由25.52 g/(t·km)降至1.04 g/(t·km)，年均下降 0.54 g/(t·km)；SO2排放強度由 12.84 g/(t·km)降至 0.52 g/(t·km)，年均下降0.27 g/(t·km)；PM10排放強度由1.44 g/(t·km)降至0.09 g/(t·km)，年均下降0.03 g/(t·km).

2.4 結(jié)果誤差分析

基于國際通用的油流量法及LTO循環(huán)法對我國民航飛機HC、CO、NOx、SO2和細顆粒物的排放進行了測算及預測，測算結(jié)果對于制定污染物排放控制措施具有一定的指導意義，由于民航飛機污染物排放缺乏官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以定性的誤差分析為主，選取典型因素進行定量分析.由于民航飛機污染物排放影響因素眾多，測算方法仍然具有一定局限性，測算及預測結(jié)果與實際排放數(shù)據(jù)存在一定誤差.

采用的排放因子數(shù)據(jù)是ICAO在標準大氣環(huán)境下的測試結(jié)果，未考慮溫度、大氣壓強變化等影響.溫度低于標準溫度時，實際油耗率高于標準大氣環(huán)境下的油耗率，實際污染物CO/HC/NOx的排放因子低于標準大氣環(huán)境下的排放因子，將導致油耗和SO2的測算結(jié)果偏低，而CO/HC/NOx的排放測算需要進一步定量分析才能確定.氣壓高于標準大氣壓時，實際油耗率高于標準大氣環(huán)境下的油耗率，實際污染物CO/HC/NOx的排放因子低于標準大氣環(huán)境下的排放因子，將導致油耗和SO2的測算結(jié)果偏高，對CO/HC/NOx的排放影響需要進一步定量分析才能確定.

圖9 1975—2018年我國民航飛機污染物排放強度Fig.9 Emission intensities of pollutant of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2018

排放預測中，未考慮機型機構(gòu)優(yōu)化影響，隨著未來機型結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，低能耗、低污染機型占比將逐步提高，核能、天然氣等新能源、清潔能源不斷推廣應(yīng)用，將導致油耗和污染物排放的預測結(jié)果偏高.

另外，機場運行管理技術(shù)不斷優(yōu)化，如滑行時采用單發(fā)動機、減推力起飛等技術(shù)應(yīng)用，均會對排放測算產(chǎn)生影響，但由于數(shù)據(jù)獲取的局限性及量化分析的可行性，本文在排放測算中未考慮此類管理技術(shù)應(yīng)用的影響.減推力起飛時，輸出功率低，單位功率下的油耗率低，CO/HC排放因子增大，NOx排放因子降低，SO2排放因子不受影響，減推力起飛將導致油耗率、SO2和NOx的測算結(jié)果偏高，對CO/HC排放影響需要進一步定量分析才能確定.

以滑行時所有飛機均采用單發(fā)動機為例，分析其對測算結(jié)果的定量影響，如圖10所示.飛機滑行采用單發(fā)動機時，能耗、HC、CO、NOx和SO2均出現(xiàn)降低的情況，HC排放幅度平均達到30.91%，CO下降幅度平均達到24.09%，能耗平均降低僅1.85%，NOx和SO2降低幅度分別為0.47%和1.80%.

圖10 測算結(jié)果誤差分析Fig.10 Error analysis of calculation and prediction results

3 結(jié)論

本文基于國際通用的油流量法及LTO循環(huán)法，依托ICAO數(shù)據(jù)庫、中國民用航空局等官方數(shù)據(jù)，對1975—2018年期間我國民航飛機HC、CO、NOx、SO2和細顆粒物排放進行了測算，并預測了2050年前我國民航飛機燃油消耗及污染物排放情況.從燃油消耗來看，我國民航飛機2018年油耗量達6 280萬t，年均增長率45.25%，巡航模式下油耗占比維持在90%以上.未來我國民航飛機油耗仍將持續(xù)增長，但增速放緩，預計2040年達到峰值11 826萬t.從排放來看，我國民航飛機HC排放已在2010年達到峰值15 433 t，CO排放預計將在2025年達到峰值141 038 t，HC排放在滑行和巡航模式的占比為58.01%、39.36%，CO排放為46.72%、50.29%.NOx和SO2排放預計將在2040年分別達到峰值235.35萬t和11.83萬t.PM2.5和PM10排放持續(xù)增長，預計2050年將分別達到27 143 t和27 656 t.從排放強度來看，我國民航飛機大氣污染物排放強度逐年下降，NOx下降幅度在各污染物中最高，年均下降5.44 g/(t·km)，細顆粒物下降幅度最低，其中PM10年均下降0.03 g/(t·km).