基于無人機平臺的干散貨港區(qū)PM2.5分布規(guī)律研究*

刁昶皓 封學軍 張 艷 馬 賽 周云鵬

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

PM2.5在大氣中含量較少，但其對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與PM10相比，PM2.5粒徑小，富含大量有毒、有害物質(zhì)且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。目前中國港口大氣總懸浮顆粒物(TSP)濃度普遍超標，部分老港區(qū)中心地帶月均降塵量達到400 t/km2；有些港口的降塵量占所在城市全部降塵量的50%以上，構成較嚴重的空氣污染問題[1]。干散貨碼頭(特別是煤炭和礦石碼頭)區(qū)域空氣中顆粒物含量較高，對港口工作人員身體健康有著極大的影響，同時對港口所在城市的空氣質(zhì)量也存在著巨大威脅[2]。

目前，歐美等西方發(fā)達國家針對港區(qū)空氣質(zhì)量方面開展了大量工作，如美國洛杉磯—長灘兩港聯(lián)合實施“圣佩羅灣潔凈空氣行動計劃”、紐約—新澤西兩港聯(lián)合實施“潔凈空氣措施和港口空氣管理計劃”、荷蘭鹿特丹港實施“里吉蒙地區(qū)空氣質(zhì)量行動項目”、澳大利亞悉尼港實施“綠色港口指南”[3-4]等，這些計劃的實施在很大程度上改善了港口大氣環(huán)境質(zhì)量，而國內(nèi)港區(qū)大氣防治工作還在起步階段。傳統(tǒng)的港區(qū)大氣污染監(jiān)測通常借助固定監(jiān)測站點開展近地面大氣污染研究，缺乏對港區(qū)空氣中污染物垂直分布特征的觀測，目前已有較多學者對城市近地層空氣中PM2.5等污染物的垂直分布特征展開研究[5-7]，皆采用在城市高層建筑物的不同高度懸掛檢測儀的方法，但港區(qū)內(nèi)基本上不存在超百米的建筑物，傳統(tǒng)監(jiān)測方案并不可行。

無人機具有視域廣、靈活機動、飛行高度可控、定點與巡航相結合等特點，已在許多領域得到廣泛應用[8-12]。本研究嘗試通過無人機搭載微型空氣質(zhì)量檢測器對連云港港區(qū)內(nèi)PM2.5進行空間分布規(guī)律研究，有效解決固定監(jiān)測站的數(shù)據(jù)缺失問題，研究PM2.5等大氣污染物的垂直分布、垂直擴散及區(qū)域性輸送特征，為評估抑塵措施的抑塵效果、建立模型、區(qū)域空氣質(zhì)量評估和預測提供技術支撐。

1 技術方案

1.1 監(jiān)測區(qū)域與監(jiān)測點選擇

連云港港地處中國沿海中部的海州灣西南岸、江蘇省的東北端，主要港區(qū)位于北緯34°44′，東經(jīng)119°27′。港口北倚長6 km的東西連島，南靠巍峨的云臺山，東臨太平洋，西部為臨港產(chǎn)業(yè)集中區(qū)。連云港港被譽為新亞歐大陸橋東橋頭堡和新絲綢之路東端起點，是中國中西部地區(qū)最便捷、最經(jīng)濟的出海口。研究其干散貨港區(qū)揚塵分布規(guī)律特別是PM2.5空間分布規(guī)律，對連云港港打造“綠色港口”具有重要指導意義。

考慮到無人機飛行的安全性和測量數(shù)據(jù)的精準性，通過對港區(qū)地形、地面設施、天氣情況的調(diào)查和綜合分析，選擇旗臺干散貨港區(qū)作為監(jiān)測場地。在港區(qū)的典型污染源設置4個監(jiān)測點，利用無人機開展PM2.5濃度檢測，監(jiān)測點位置見圖1。

1—碼頭前沿作業(yè)區(qū)；2—堆場傳送帶；3—堆料機下風向30 m；4—堆料機下風向50 m圖1 監(jiān)測點位置Fig.1 Position of monitoring point

《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》規(guī)定，無人機飛行至120 m以上需征得相關部門同意，因此，此次監(jiān)測過程無人機最高飛行至120 m。無人機攜帶污染物檢測設備在污染源處垂直上升，檢測設備每5 s測得一組數(shù)據(jù)，從而得到大氣污染物PM2.5在不同高度的濃度分布。

1.2 監(jiān)測概況

1.2.1 監(jiān)測場地及天氣情況

干散貨港區(qū)的主要貨種為皮爾巴拉混合礦(PB粉)，卸貨作業(yè)流程為橋式卸船機卸料至皮帶機，經(jīng)皮帶機傳輸?shù)蕉蚜蠙C，然后進入堆場堆垛。港區(qū)目前已基本做到對堆場的全覆蓋，并且有完善的噴淋系統(tǒng)，每天定時對所有堆場進行噴淋，在此次無人機監(jiān)測試驗時，該港區(qū)堆場已完成噴淋，但港區(qū)周圍未布置防風抑塵網(wǎng)。

監(jiān)測當天連云港天氣晴轉(zhuǎn)多云，風向為東南風轉(zhuǎn)東風，風力1～2級。連云港市區(qū)4個監(jiān)測站測得的PM2.5平均值為32 μg/m3，作為港區(qū)PM2.5背景濃度。

1.2.2 設備情況

此次試驗選用QLY-XJ6型環(huán)保無人機搭載QLY-QT14型空氣質(zhì)量檢測儀，連同地面控制站構建檢測平臺?？諝赓|(zhì)量檢測儀可實時檢測環(huán)境中溫度、濕度和CO2、PM2.5、PM1.0、PM10等指標濃度，支持數(shù)據(jù)存儲、設備系統(tǒng)設置、編輯賬戶信息、結合地圖查看飛行軌跡、進行產(chǎn)品傳感器的添加和刪除等操作，還可將數(shù)據(jù)導出進行后續(xù)處理。第三方檢測中心多次對檢測儀中PM2.5傳感器的校準結果顯示，PM2.5傳感器的相對誤差在5%左右，這表明該檢測儀的檢測結果具有較高可信度。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 PM2.5的垂直分布規(guī)律與原因分析

2.1.1 監(jiān)測點1

因碼頭前沿工作區(qū)的橋式抓斗卸船機為鐵質(zhì)結構，易形成電磁波干擾，無人機距離過近會影響其飛行穩(wěn)定和安全，從而影響數(shù)據(jù)的準確性，所以監(jiān)測點1設在卸船機下風向50 m處。監(jiān)測時共有4臺橋式抓斗卸船機同時工作，將船中PB粉轉(zhuǎn)移至傳送帶上。該區(qū)域的污染源有兩個，即卸船機作業(yè)揚塵和未完全封閉的皮帶機傳輸過程揚塵。經(jīng)實地踏勘，抓斗式卸船機作業(yè)的高度區(qū)間約為5～20 m，皮帶機高度約為5 m，無人機從地面起飛，飛行高度設置為120 m。

監(jiān)測點1的PM2.5垂直分布規(guī)律見圖2。由圖2可見，監(jiān)測點1處PM2.5垂直方向的平均質(zhì)量濃度為37 μg/m3；PM2.5在0～120 m高度只有一個峰值，出現(xiàn)在距地面50 m處，為77 μg/m3，次高值位于距地面30 m處，為50 μg/m3，最低值位于距地面20 m處，為22 μg/m3；總體看來，PM2.5濃度在距地面0～50 m高度內(nèi)波動較為明顯，超過65 m后PM2.5變化相對較小。

圖2 監(jiān)測點1的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.2 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 1

2.1.2 監(jiān)測點2

監(jiān)測點2設置在碼頭后方堆場中的傳送帶旁，位于港區(qū)作業(yè)集中區(qū)，該處作業(yè)源多且復雜，包括傳送帶、周圍堆場和正在作業(yè)的堆料機。傳送帶高約2 m，堆料機作業(yè)高度約為6 m。受到上述復合排放源、粒子特性、氣象條件等多種因素的影響，該監(jiān)測點PM2.5的空間分布規(guī)律較一般氣態(tài)污染物復雜。由于該監(jiān)測點位于港區(qū)后方堆場內(nèi)部，為保障無人機的安全起飛，操控無人機從港區(qū)道路地面起飛，無人機在傳送帶附近上空懸停(高度約5 m)并開始檢測，由于監(jiān)測期間70 m以上高空有鳥群經(jīng)過，考慮到無人機安全，設定飛行高度為70 m。監(jiān)測點2的PM2.5垂直分布規(guī)律見圖3。結果顯示，監(jiān)測點2垂直方向PM2.5平均質(zhì)量濃度為62 μg/m3，隨著無人機爬升，PM2.5濃度迅速增加，在20 m處達到最大值110 μg/m3，此后迅速降至40～60 μg/m3。

圖3 監(jiān)測點2的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.3 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 2

2.1.3 監(jiān)測點3

監(jiān)測點3位于堆場內(nèi)部正在作業(yè)的堆料機下風向30 m處，污染源為正在作業(yè)的堆料機和周圍堆場，堆場高度約為5 m。由于近地面作業(yè)揚塵較大，為保證檢測的精準度，從距地面20 m處開始操控無人機爬升，監(jiān)測點3的PM2.5垂直分布規(guī)律見圖4。結果顯示，監(jiān)測點3垂直方向的PM2.5平均質(zhì)量濃度為37 μg/m3，距地面20～40 m處為低濃度振蕩區(qū)(PM2.5在25～30 μg/m3)，40 m后PM2.5質(zhì)量濃度迅速上升，于45 m處達到次高值52 μg/m3，短暫回落后PM2.5繼續(xù)迅速增加，并于60 m處達到峰值62 μg/m3，此后大幅回落，在30～40 μg/m3波動，PM2.5最低值出現(xiàn)在距地面30 m處，為25 μg/m3。

圖4 監(jiān)測點3的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.4 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 3

2.1.4 監(jiān)測點4

監(jiān)測點4位于堆場內(nèi)部正在作業(yè)的堆料機下風向50 m處，為方便與監(jiān)測點3結果對比，此次無人機飛行的初始高度也設為距地面20 m。監(jiān)測點4的PM2.5垂直分布規(guī)律見圖5?？梢钥闯?，監(jiān)測點4垂直方向的PM2.5平均值為39 μg/m3，飛行過程中出現(xiàn)了3個波峰，分別為距地面40、60、115 m處，PM2.5分別為62、60、56 μg/m3；PM2.5最低值出現(xiàn)在距地面90 m處，為20 μg/m3。

2.1.5 垂直方向PM2.5濃度變化的原因

監(jiān)測點1位于抓斗式卸船機的下風向50 m處，PM2.5在距地面50 m附近形成高濃度區(qū)域；PM2.5在距地面0～50 m波動較明顯，原因可能在于作業(yè)機械的高度(距地面5～20 m)不斷變化，即抓斗作業(yè)導致的粉塵污染不是由固定高度產(chǎn)生，且抓斗作業(yè)的間歇性導致在此范圍內(nèi)PM2.5濃度波動明顯。

圖5 監(jiān)測點4的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.5 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 4

監(jiān)測點2在港區(qū)內(nèi)污染最嚴重，是由開放式傳送帶和監(jiān)測區(qū)域附近正在作業(yè)堆料機的共同作用導致，因此該監(jiān)測點平均濃度比其他監(jiān)測點高出約40%。傳送帶作業(yè)產(chǎn)生的PM2.5在20 m高度附近聚集，從而產(chǎn)生高濃度現(xiàn)象。此后，高濃度的PM2.5開始向低濃度擴散，導致距地面30 m內(nèi)的PM2.5濃度波動較為明顯，距地面10～25 m為該監(jiān)測點的高濃度區(qū)域。

由于監(jiān)測點3位于堆場內(nèi)部，PM2.5濃度受傳送帶的影響較監(jiān)測點2小，所以除高濃度區(qū)域(40～65 m)外，PM2.5濃度波動并不明顯，且監(jiān)測點3的平均濃度低于監(jiān)測點2。而監(jiān)測點3高濃度區(qū)域的出現(xiàn)，主要與堆料機自身高度有關。

監(jiān)測點4在垂直方向的PM2.5濃度總體波動明顯，但平均濃度較低，原因在于該監(jiān)測點距離正在作業(yè)的堆料機較遠，受到堆場內(nèi)作業(yè)的影響較小，監(jiān)測點4的主要污染源為堆場的地面揚塵，距地面35～65 m為該監(jiān)測點的高濃度區(qū)域。

2.2 PM2.5的水平分布規(guī)律

為考察同一污染源所產(chǎn)生的PM2.5在水平方向上的變化規(guī)律，對監(jiān)測點3與監(jiān)測點4的PM2.5進行水平分布規(guī)律分析。結果顯示，監(jiān)測點3與監(jiān)測點4的PM2.5分布規(guī)律基本一致，監(jiān)測點4的PM2.5平均濃度比監(jiān)測點3高5.4%，說明隨著與污染源水平距離的增加，20～70 m高度的PM2.5濃度有增長趨勢。PM2.5的高濃度區(qū)域也由40～65 m擴展為35～65 m，說明隨著與污染源水平距離的增加，高濃度區(qū)域的范圍有擴大的趨勢。

2.3 相關性分析

采用Pearson相關系數(shù)法分析各監(jiān)測點溫度、濕度、CO2、PM2.5、高度的相關關系。相關系數(shù)的絕對值越大，表示相關度越強，相關系數(shù)的判斷標準見表1。

表1 相關系數(shù)判斷標準

4個監(jiān)測點各項指標間相關性分析結果分別見表2至表5。可以看出，監(jiān)測點1處PM2.5與其他因素間均為極弱相關，說明卸船作業(yè)是PM2.5產(chǎn)生的主要原因，因此在碼頭前沿作業(yè)區(qū)需要增加抑塵措施，從源頭減少揚塵的產(chǎn)生；監(jiān)測點2處PM2.5濃度較高且與其他4項指標相關性都達到中等程度相關，這是因為該監(jiān)測點的污染源為開放式傳送帶和正在作業(yè)的堆料機，周圍堆場也對PM2.5濃度有一定的貢獻，污染源情況復雜且污染嚴重，因此需要對開放式傳送帶這一作業(yè)流程進行綜合整治；監(jiān)測點3處PM2.5與濕度、CO2相關性較高，說明在堆場作業(yè)時需要增加灑水等抑塵措施，并且使用清潔能源車輛；監(jiān)測點4處PM2.5與CO2的相關性極弱，與溫度、濕度和高度的相關性較弱，這與該監(jiān)測點的地理位置有關。監(jiān)測點4位于堆場內(nèi)部，受到港作機械排放的CO2影響很小，堆場內(nèi)小規(guī)模的作業(yè)對PM2.5濃度影響較弱，因此堆場內(nèi)部PM2.5濃度主要受堆場地面揚塵的影響。

表2 監(jiān)測點1的相關性分析結果

表3 監(jiān)測點2的相關性分析結果

表4 監(jiān)測點3的相關性分析結果

表5 監(jiān)測點4的相關性分析結果

3 結 語

(1) 使用無人機檢測平臺可有效采集干散貨港區(qū)0～120 m高度的PM2.5等污染物濃度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)港區(qū)內(nèi)部粉塵污染物的空間分布規(guī)律分析，為港區(qū)粉塵總量估算、治理措施等提供數(shù)據(jù)支持。

(2) 港區(qū)堆場內(nèi)作業(yè)源上方10～25 m處易形成PM2.5高濃度區(qū)域，隨著與污染源水平距離的增加，PM2.5濃度在距地面20～70 m有增長的趨勢，而PM2.5高濃度區(qū)域的范圍也有擴大趨勢。

(3) 碼頭前沿作業(yè)區(qū)的PM2.5濃度與溫度、濕度、CO2濃度、高度等4項指標相關性不大，卸船作業(yè)是PM2.5產(chǎn)生的主要原因；傳送帶處的復雜作業(yè)情況導致各項數(shù)據(jù)之間都有較高的相關性，是高濃度PM2.5產(chǎn)生的根本原因，證明港區(qū)皮帶機廊道全封閉的重要性；監(jiān)測點3中PM2.5濃度與濕度和CO2濃度相關性較高，表明在堆場內(nèi)部采取抑塵措施時，需要控制灑水量及采用清潔能源車輛等；監(jiān)測點4處的PM2.5濃度受到溫度、濕度、高度和CO2濃度的影響較小，表明堆場揚塵是主要污染源，應對堆場進行覆蓋和噴淋從而達到抑塵目的。