廈門船舶控制區(qū)(綠色港口)大氣污染物減排成效評估*

王 堅(jiān) 黃 厔 陳森陽 劉艷英

(廈門市環(huán)境科學(xué)研究院，福建 廈門 361021)

近年來，隨著航運(yùn)運(yùn)輸量的日益增長，船舶排放帶來的大氣污染引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。由于船舶大多處于近?；蚪逗叫袪顟B(tài)，這些船舶排放的大氣污染物隨著海陸風(fēng)，能夠大范圍地向陸地區(qū)域輸送并進(jìn)一步反應(yīng)，對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害，同時導(dǎo)致不可忽視的氣候變化效應(yīng)[4-7]。

我國自2015年在珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)區(qū)域設(shè)立三個船舶大氣污染物排放控制區(qū)以來，船舶大氣污染物減排取得了明顯成效，相比2015年同期，2018年1～10月上述三個排放控制區(qū)的船舶硫氧化物排放量減少了16萬噸、顆粒物排放量減少了1.7萬噸。2019年1月1日起，新版《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》正式實(shí)施，我國沿海和內(nèi)河主要通航水域全面納入排放控制管理，降低了船舶硫氧化物、氮氧化物、顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物等大氣污染物的排放，持續(xù)改善沿海和內(nèi)河港口城市空氣質(zhì)量[8]。

在2018年由亞太港口服務(wù)組織(APSN)主辦、新加坡海事及港務(wù)管理局承辦的港口互聯(lián)互通論壇上，共有9個港口獲得“綠色港口”稱號，廈門遠(yuǎn)海集裝箱碼頭和廈門海潤集裝箱碼頭位列其中(這兩個碼頭均屬于海滄港區(qū))。2016年以來，廈門港的岸電建設(shè)覆蓋港口的90%、位于全國前列，特別是隨著2019年年底廈門港新一代綠色生態(tài)型港口建設(shè)暨示范項(xiàng)目啟動，全國首批商用化純電動集裝箱牽引車在廈門正式投用，標(biāo)志著廈門港綠色生態(tài)型港口建設(shè)將再上新臺階，繼續(xù)走在全國前列。本研究根據(jù)廈門船舶控制區(qū)大氣污染物排放特征及綠色港口建設(shè)情況，核算大氣污染物減排量；分析船舶控制區(qū)大氣污染物排放對市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，并定量評估綠色港口減排成效，以期為進(jìn)一步控制船舶大氣污染和綠色港口建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

本文以廈門市船舶控制區(qū)(包括東渡、海滄、招銀、翔安、五通港區(qū))為研究區(qū)域，以2018年為基準(zhǔn)年，通過對綠色港口建設(shè)、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和港區(qū)堆場、機(jī)動車通行等情況的實(shí)地調(diào)查，獲得開展綠色港口減排評估所需的各種信息。

1.1 研究資料分析

1.1.1 港區(qū)大氣污染物排放特征

港區(qū)大氣污染源包括船舶、港作機(jī)械、港區(qū)內(nèi)貨車、集裝箱拖車、港區(qū)油品儲存運(yùn)輸源等排放的大氣污染物及裝卸、風(fēng)蝕、道路和堆場揚(yáng)塵等。除船舶外，其余污染源的排放因子采用《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》《揚(yáng)塵源顆粒物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》《道路機(jī)動車大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》[9]《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊》[10]的相應(yīng)指標(biāo)，并進(jìn)行本地化處理(表1)。

表1 廈門市港區(qū)大氣污染物排放因子

根據(jù)2018年港區(qū)閘口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，東渡港區(qū)全年貨車通過量1435185輛，區(qū)域內(nèi)平均行駛里程3km，堆場貨物為煤炭；海滄港區(qū)全年貨車通過量4276278輛，區(qū)域內(nèi)平均行駛里程1.5km，堆場貨物為煤炭、鐵礦石和砂石料；招銀港區(qū)已經(jīng)成為我國東南沿海最大的糧食、進(jìn)口木材集散地，其港區(qū)揚(yáng)塵主要來自機(jī)動車；翔安港區(qū)以散雜貨為主，堆場總面積為473800m2；五通港區(qū)為客運(yùn)港區(qū)，沒有堆場，港區(qū)內(nèi)無運(yùn)營機(jī)動車，船舶控制區(qū)港作機(jī)械總耗油為4351.27t。各大氣污染源的排放量，按相應(yīng)技術(shù)指南進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算(表2)。

表2 2018年廈門船舶控制區(qū)污染物排放情況 單位：t·a-1

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，廈門船舶控制區(qū)2018年污染物排放總量為17683t，以船舶大氣污染物排放量為最大，占92.8%；各污染物中以NOx的排放量最大，占60.2%，其次是SO2，占15.9%，然后是CO，占10.6%；在PM10的排放中，揚(yáng)塵占比最大，達(dá)61.2%，體現(xiàn)了港區(qū)揚(yáng)塵對船舶控制區(qū)PM10排放的重要貢獻(xiàn)。

1.1.2 港區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量狀況

2016年10月，廈門市生態(tài)環(huán)境局在東渡港區(qū)和海滄港區(qū)分別建立1個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位(圖1)，用于監(jiān)控港口大氣污染物排放對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。

圖1 廈門市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位分布

對2016年以來港區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，日變化呈現(xiàn)單峰值的污染物(SO2、CO、O3、PM10、PM2.5)，其峰值出現(xiàn)時間均處于進(jìn)出港船舶污染物排放高峰期[10]，并比市區(qū)推遲1～2小時；NO2則呈現(xiàn)雙峰值，最大峰值出現(xiàn)在21時左右，各污染物的日變化規(guī)律與港區(qū)作業(yè)、進(jìn)出港船舶大氣污染物排放及大氣擴(kuò)散規(guī)律密切相關(guān)；同時，SO2、NO2、PM2.5均在3月份出現(xiàn)峰值與船舶污染物排放的峰值一致[11]，表明該時段船舶排放的污染物對港區(qū)的空氣質(zhì)量影響較明顯，而PM10在4月、10月和12月出現(xiàn)峰值，表明港區(qū)揚(yáng)塵對其貢獻(xiàn)大于船舶排放的污染物。與2017年相比，2018年廈門船舶控制區(qū)內(nèi)東渡和海滄港區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量均有所改善；其中，東渡與海滄港區(qū)綜合指數(shù)分別下降10.8%和15.0%(市區(qū)下降1.5%)，下降幅度高于市區(qū)平均水平(表3)，特別是海滄港區(qū)的綜合指數(shù)已與市區(qū)平均綜合指數(shù)接近。

表3 環(huán)境空氣中各污染物濃度年際變化情況

1.1.3 綠色港口建設(shè)情況

來自于廈門市港口局和廈門港務(wù)控股集團(tuán)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年，廈門港的岸電建設(shè)已位居全國前列，雖然海滄和東渡港區(qū)的岸電建設(shè)已成規(guī)模，但岸電的使用并不理想，至2018年共接泊55艘次，用電117.58萬kWh(表4)。港作機(jī)械使用清潔能源的改造工作比岸電建設(shè)來得更早，并提前報(bào)廢了113臺集裝箱拖車(表5)。

表4 2016年以來港區(qū)岸電建設(shè)及使用情況

表5 2018年港作機(jī)械及能源消耗情況

1.2 綠色港口減排成效評估方法

本文采用有別于國內(nèi)常規(guī)的單純污染源減排量估算或數(shù)據(jù)模擬的方式進(jìn)行減排成效評估的做法，在強(qiáng)調(diào)污染源減排準(zhǔn)確度的情況下，對照港區(qū)環(huán)境質(zhì)量的改善程度，應(yīng)用擴(kuò)散模式模擬驗(yàn)證的方法，開展廈門船舶控制區(qū)(綠色港口)減排成效評估。

2 結(jié)果與討論

2.1 綠色港口減排核算

根據(jù)港作機(jī)械油改電過程的柴油消耗變化情況，核算2018年廈門港作機(jī)械電力替代減少燃油5664 t，集裝箱拖車更新113輛按機(jī)動車排放因子[9]的變化核算，船舶岸電使用按相應(yīng)船舶停泊狀態(tài)的輔機(jī)、鍋爐排放清單[11]核算，拖輪油品提升燃油含硫量由0.5%下降至0.008%，裝箱和油船目前使用硫含量為1.5%的重油改變?yōu)橥２磿r間使用含硫量為0.5%的輕質(zhì)柴油，其他船舶由使用硫含量為1.5%的重柴油改變?yōu)楹叫腥^程使用含硫量為0.5%的輕質(zhì)柴油的污染物減排，根據(jù)燃油修正因子(表6)進(jìn)行減排量核算。表6顯示，CO排放因子不隨油品質(zhì)量的提升而改變，但宋軍太[13]在一臺360kW 渦輪增壓中冷柴油機(jī)上開展不同燃油燃燒尾氣排放試驗(yàn)，試驗(yàn)燃油為0#柴油和國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)180cSt/50℃殘?jiān)停l(fā)現(xiàn)在負(fù)荷為50%時殘?jiān)麮O的排放是柴油的1.78倍，負(fù)荷為25%時殘?jiān)麮O的排放是柴油的2.57倍，本文參照這一試驗(yàn)結(jié)果對集裝箱和油船進(jìn)行CO的減排核算。宋軍太[13]的研究還表明，油品提升在船舶停泊和較低負(fù)荷狀態(tài)時NOx的排放有所下降，本文也參照這一試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行NOx的減排核算。對照《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》(交海發(fā)〔2018〕168號)NOx控制規(guī)定、國內(nèi)部分城市船舶排放因子[13-16]和本地船舶排放因子[11]的實(shí)際情況，需對廈門船舶控制區(qū)內(nèi)2015年3月1日及之后建造的額定凈功率大于2000kW的內(nèi)貿(mào)船舶，按《防止船舶造成空氣污染規(guī)則(MARPOL)》中第Ⅱ階段NOx排放限值進(jìn)行減排核算，并計(jì)算各污染物減排量占船舶控制區(qū)污染物排放總量的比例(表7)。

表6 燃油修正因子[12]

表7 2018年綠色港口大氣污染物減排情況 單位:/t·a-1

2.2 基于擴(kuò)散模式的船舶污染物排放影響研究

2.2.1 船舶污染物排放對市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響模擬

AERMOD模型是20世紀(jì)90年代中后期美國環(huán)保局和美國氣象學(xué)會聯(lián)合開發(fā)的一種大氣擴(kuò)散模型,它采用了最新的大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論,替代ISC(Industrial Source Complex)模型成為新一代法規(guī)模型。國內(nèi)對該模型的適用性進(jìn)行研究并與其他相似模型進(jìn)行對比[17-19]，該模型已被列入我國環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境(HJ/T2.2-2008)推薦模型之一，并得到廣泛應(yīng)用[20-22]。

AERMOD模型也應(yīng)用于空間格局研究及區(qū)域空氣質(zhì)量影響預(yù)測[23-24]，取得良好效果。伯鑫等人[25]采用AERMOD擴(kuò)散模式預(yù)測分析焦?fàn)t排放PAHS共13種污染物在大氣中遷移擴(kuò)散情況，并將AERMOD模式應(yīng)用于健康風(fēng)險(xiǎn)評價中[26]，該模式還應(yīng)用于評估高速公路交通源PM2.5等污染物的濃度分布[27]，為道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。基于該模型的廣泛應(yīng)用，本研究的模擬結(jié)果將更具有實(shí)用性。

本文在已建立的廈門船舶大氣污染源排放清單的網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，疊加進(jìn)出港區(qū)機(jī)動車和港作機(jī)械的排放、港區(qū)揚(yáng)塵等數(shù)據(jù)，形成大氣污染源網(wǎng)格化數(shù)據(jù)庫，并利用AERMOD模型系統(tǒng)中的面源模式，輸入廈門市邊界層氣象條件，綜合考慮海滄港區(qū)及東渡港區(qū)的局地氣象因素(大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速等差異)，分別計(jì)算2018年船舶控制區(qū)內(nèi)各類型污染源排放對廈門市區(qū)3個國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位(洪文、湖里中學(xué)、鼓浪嶼)的年平均濃度貢獻(xiàn)值，然后求取市區(qū)平均值，計(jì)算廈門船舶控制區(qū)污染源排放對市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率(模擬值與市區(qū)年平均監(jiān)測濃度的比值)。計(jì)算結(jié)果表明(表8)，船舶控制區(qū)排放的SO2對市區(qū)環(huán)境空氣中的SO2年平均濃度貢獻(xiàn)最大，達(dá)到60.0%，其次是NO2，CO的貢獻(xiàn)最小，僅為6.7%。

表8 AERMOD模型模擬結(jié)果

2.2.2 船舶污染物排放對港區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的變化模擬

鑒于SO2的減排效果最明顯(表7)，而且對市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)最大(表8)，同時港區(qū)環(huán)境空氣中CO的濃度下降幅度最大(表3)，故本文利用AERMOD模型分別模擬計(jì)算2017年和2018年港區(qū)CO、SO2排放對東渡、海滄港區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位的濃度貢獻(xiàn)(表9)，用于驗(yàn)證評估方法的合理性。模擬結(jié)果表明，與2017年相比，2018年東渡與海滄港區(qū)SO2模擬濃度平均下降37.0%，CO模擬濃度平均下降30.0%。

表9 模擬貢獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果

2.3 減排成效評估

廈門船舶控制區(qū)2018年綠色港口大氣污染物減排核算結(jié)果表明，SO2的減排量占控制區(qū)內(nèi)SO2排放總量的34.6%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區(qū)環(huán)境空氣中的SO2年平均濃度分別下降25.0%和46.2%(平均下降34.5%)與模擬平均濃度值的下降幅度37.0%相近，同時市區(qū)環(huán)境空氣中的SO2年平均濃度也下降了18.2%，與國內(nèi)其他船舶控制區(qū)SO2的環(huán)境濃度變化情況一致[28]，也驗(yàn)證了本研究提出的船舶控制區(qū)排放的SO2對市區(qū)環(huán)境空氣中的SO2年平均濃度貢獻(xiàn)為60.0%的準(zhǔn)確性，可見港區(qū)SO2減排效果顯著。污染物CO的減排量占控制區(qū)內(nèi)CO排放總量的28.9%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區(qū)環(huán)境空氣中的CO年平均濃度分別下降了46.2%和57.1%(平均下降51.9%)，與模擬和減排結(jié)果相差較大，表明港區(qū)CO年平均濃度的下降存在其它影響因素，綜合考慮2018年市區(qū)環(huán)境空氣中CO年平均濃度略有上升的事實(shí)，給出港區(qū)CO減排取得一定效果的評估結(jié)論。PM10、PM2.5的減排量占控制區(qū)內(nèi)顆粒物排放總量分別為17.4%和26.2%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區(qū)環(huán)境空氣中的PM10、PM2.5年平均濃度分別平均下降了8.2%和12.2%，港區(qū)顆粒物減排取得了一定成效；HC的減排量占控制區(qū)內(nèi)HC排放總量的18.2%；在市區(qū)環(huán)境空氣中O3濃度上升的情況下，港區(qū)O3濃度呈現(xiàn)下降，表明港區(qū)HC的減排對遏制O3的生成有效，港區(qū)HC減排取得一定成效；NOx的減排量占控制區(qū)內(nèi)NOx排放總量的8.5%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區(qū)環(huán)境空氣中的NO2年平均濃度與市區(qū)一樣沒有明顯變化，可見在全市移動污染源NOx排放量大(移動污染源的年排放量大于3萬噸)的情況下，僅對船舶控制區(qū)進(jìn)行少量減排，難以達(dá)到改善環(huán)境空氣中NO2濃度的目的，必須制訂有效措施，進(jìn)一步強(qiáng)化NOx的減排。

3 結(jié)論

2018年廈門船舶控制區(qū)污染物排放總量為17683t，各污染物年排放量為PM101561t、PM2.5761t、NOx10643t、SO22818t、CO 1866t、HC 795t，其中以NOx的排放量最大，占比達(dá)60.2%；核算各污染物減排量為PM10328t、PM2.5270t、NOx989t、SO21489t、CO 759t、HC 177t，各污染物減排比例為PM1017.4%、PM2.526.2%、NOx8.5%、SO234.6%、CO 28.9%、HC 18.2%。

利用AERMOD模型模擬港區(qū)大氣污染物排放對市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)結(jié)果為PM1012.0%、PM2.512.3%、NOx32.3%、SO260.0%、CO 6.7%，其中以SO2的貢獻(xiàn)最大。

綠色港口減排結(jié)果是港區(qū)SO2減排取得顯著效果，CO、HC、PM10、PM2.5減排取得一定效果，在全市移動污染源NOx年排放量大于3萬噸的情況下，僅船舶控制區(qū)的少量減排，難以達(dá)到降低環(huán)境空氣中NO2濃度的目的。目前廈門綠色港口建設(shè)已位列全國前列，應(yīng)大力提升和推廣岸電的使用，有效削減船舶NOx排放，降低環(huán)境空氣中NO2濃度。