北京大興國際機場飛機減排措施效果研究

張 俊 余 杰 李 強 李建娜 樊守彬 汪 標(biāo) 趙蕓程

(1.北京新機場建設(shè)指揮部，北京 102604；2.北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；3.北京京環(huán)建環(huán)境質(zhì)量檢測中心，北京 102299)

隨著民航事業(yè)的快速發(fā)展，機場飛機排放尾氣中的大氣污染物(CO、NOx、SO2、碳?xì)浠衔?HC)、PM2.5等)對環(huán)境的影響越來越明顯。機場作為飛機起飛和著陸的主要場所，其中飛機排放的大氣污染物對其周邊環(huán)境可以造成局部濃度偏高的影響。研究表明，機場飛機排放的NOx和CO總量分別約占流動污染源產(chǎn)生量的4%[1]；飛機每消耗1 t航空煤油，通常會排放3 187.00 kg CO2、0.98 kg SO2、0.56 kg CO和21.12 kg NOx[2]。

目前，國內(nèi)外對飛機尾氣排放規(guī)律和排放源清單的研究較為深入。夏卿等[3]1471研究了飛機在起飛和著陸階段的污染物排放情況。黃勇等[4]采用燃油流量法對中國上空民航飛機NOx排放量及其分布進(jìn)行了研究。SONG等[5]研究了機場飛機尾氣的大氣環(huán)境影響，并分析其排放源。UNAL等[6]深入分析了亞特蘭大國際機場周邊的大氣污染物擴散和濃度分布。WINTHER等[7]和TURGUT等[8]分別就丹麥哥本哈根國際機場和土耳其國家航空公司飛機大氣污染物排放清單進(jìn)行了核算。但目前對于機場飛機尾氣減排措施及其效果研究較少。本研究通過現(xiàn)場調(diào)研北京大興國際機場已采取的飛機尾氣減排措施，應(yīng)用國際民航組織推薦的FLEXPART模型[9-10]分析減排效果，以期為機場建設(shè)和運營時采取合適的減排措施提供參考。

1 機場飛機尾氣排放影響因素及減排措施概述

1.1 機場飛機尾氣排放的影響因素

一般將飛機在機場的活動定義為標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸(LTO)循環(huán)，主要包括進(jìn)近、滑行、起飛和爬升4種模式。機場飛機尾氣排放的影響因素主要有：

(1)發(fā)動機

機場飛機排放大氣污染物與飛機發(fā)動機類型、實際工作條件(包括發(fā)動機速度、溫度、老化程度、維修周期等)以及周圍環(huán)境有密切關(guān)系。

(2)燃 油

飛機燃油是機場飛機排放大氣污染物的關(guān)鍵影響因素[11]。飛機燃油在燃燒過程中會有大量CO2和水的產(chǎn)生，同時也產(chǎn)生大氣污染物。

(3)飛行調(diào)度與優(yōu)化管理手段

機場飛機尾氣的排放在一定程度上也受飛行調(diào)度與優(yōu)化管理手段的影響。通過飛行調(diào)度和優(yōu)化管理，可以在一定程度上減少飛機滑行時間，從而達(dá)到減少飛機尾氣排放的目的。

1.2 機場飛機尾氣減排措施

改進(jìn)飛機發(fā)動機的設(shè)計、研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機是減少機場飛機尾氣減排的最根本措施，也可以綜合考慮各機型的排放特性及目標(biāo)機型在機場的起降架次，通過機型組合或者調(diào)整各機型起降架次，達(dá)到降低機場飛機尾氣大氣污染物排放量的目的。此外，采用其他輔助設(shè)施減少燃油的消耗也是可行、可控的減排措施。

2 材料與方法

2.1 研究對象

北京大興國際機場已經(jīng)成為中國地位最重要、生產(chǎn)運輸最繁忙的大型國際航空港。北京大興國際機場位于永定河北岸，距天安門廣場直線距離約46 km，距北京首都國際機場約67 km。機場基準(zhǔn)點為東經(jīng)116.423 796°、北緯39.511 571°。本研究以北京大興國際機場的民航飛機為研究對象，研究機場飛機尾氣大氣污染物(主要考慮SO2、CO、HC、NOx和PM2.5)的減排情況。

從中國研究較多的民航飛機NOx排放情況來看，垂直方向最大排放量在離地1.0、9.0 km處，由于機場近地面范圍對人類活動才有較大影響[12]，因此在不考慮巡航條件下發(fā)動機排放[13]的情況下，本研究確定近地面范圍在915 m以內(nèi)。

2.2 北京大興國際機場已采取的飛機尾氣減排措施

2.2.1 減少飛機滑行時間

飛機滑行時間一般為26.0 min[14]。有研究顯示，當(dāng)飛機滑行時間從26.0 min降至22.0 min時，大氣污染物總量可以下降6%[3]1473。一般，飛機滑行時間每縮短1 min，CO和HC可減排3%[15]?；诖?，北京大興國際機場通過采取優(yōu)化滑行路線和采用高級場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)(A-SMGCS)來減少飛機滑行時間。

(1)優(yōu)化滑行路線

飛機完成一個標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)約需32.9 min，其中滑行時間為26.0 min。北京大興國際機場在設(shè)計和建設(shè)時對跑道滑行路線進(jìn)行了優(yōu)化，借助“三縱一橫”全向型跑道構(gòu)型有效縮短了飛機從機位到跑道的滑行距離，減少了飛機滑行時間。

機場構(gòu)型主要是指跑道的數(shù)量和方位以及航站區(qū)與跑道的相對位置。北京大興國際機場通過前期的仿真模擬研究和相關(guān)實際運營案例研究[16]，在比較了全平行、鏈?zhǔn)胶腿蛐团艿罉?gòu)型(見圖1)后最終確定了以平行跑道為主的“三縱一橫”全向型跑道構(gòu)型[17]。

圖1 北京大興國際機場擬采用的幾種跑道構(gòu)型比較Fig.1 Comparison of runway configurations to be adopted for Beijing Daxing International Airport

(2)采用A-SMGCS

A-SMGCS是民航局大力推進(jìn)的一項新技術(shù)，可以有效提升飛機地面滑行的效率。A-SMGCS除可自動識別飛機在跑道及滑行道上運行的潛在沖突并發(fā)出告警外，還可以規(guī)劃滑行路線，并提供滑行引導(dǎo)。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京大興國際機場在采取優(yōu)化滑行路線及采用A-SMGCS后，飛機每個標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)可節(jié)省滑行時間約4 min。

2.2.2 飛機輔助動力裝置(APU)替代

飛機在航站樓?？繒r，主發(fā)動機未啟動，APU可為飛機艙內(nèi)提供照明和空調(diào)等的電力和壓縮空氣，少數(shù)的APU還可以向飛機提供附加推力。長期以來，飛機在地面等待時間內(nèi)所需動力由APU提供。但是APU作為一種使用航空燃油的發(fā)動機存在能耗較大、污染嚴(yán)重等缺點。為減少機場飛機大氣污染物的排放，北京大興國際機場全面推廣地面電源裝置(GPU)替代APU，設(shè)置了89個電源井，同時配置了為遠(yuǎn)機位?？匡w機提供電源的地面服務(wù)車。

2.3 方法和數(shù)據(jù)

2.3.1 FLEXPART模型方法

模擬方向為前向24 h，模擬區(qū)域包括機場及附近區(qū)域(機場用地紅線外10 km范圍內(nèi))，模型的粒子(即污染物)釋放位置在北京大興國際機場的基準(zhǔn)點(東經(jīng)116.423 796°，北緯39.511 571°)，輸出時間分辨率為1 h，可以計算每個網(wǎng)格中粒子的傳輸濃度，即可計算對區(qū)域的濃度貢獻(xiàn)和傳輸通道的分布。

模型所需的氣象數(shù)據(jù)采用北京氣象站近20年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。年平均風(fēng)速為2.4 m/s，最大風(fēng)速為14.0 m/s；年最大風(fēng)頻風(fēng)向為SSW，其風(fēng)頻為9.45%，無主導(dǎo)風(fēng)向；年平均靜風(fēng)頻率為7.39%；年平均氣溫為13.2 ℃，最冷的1月平均氣溫為-3.0 ℃，最熱的7月平均氣溫為27.1 ℃，極端最高氣溫41.9 ℃，極端最低氣溫-17.0 ℃；年平均相對濕度為53.0%；年平均降水量為508.6 mm，最大降水量為813.2 mm，最小降水量為266.9 mm；年日照時數(shù)為2 483.7 h。

2.3.2 排放源計算方法

標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)下機場飛機各模式尾氣排放的大氣污染物排放量采用式(1)進(jìn)行計算：

(1)

式中：Ei,m為m模式下污染物i的年排放量，g；nj為j型飛機的發(fā)動機數(shù)量；lj為j型飛機的年標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)數(shù)；Fj,m為j型飛機在m模式下的平均燃油消耗率，kg/s；EIi,j,m為j型飛機在m模式下污染物i的平均排放因子，g/kg；tj,m為j型飛機在m模式下的工作時間，s。

污染物的平均排放因子數(shù)據(jù)來自ICAO飛機發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫(https://www.easa.europa.eu/domains/environment/icao-aircraft-engine-emissions-databank)；飛機的發(fā)動機數(shù)量、年標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)數(shù)、平均燃油消耗率、工作時間等數(shù)據(jù)使用北京大興國際機場2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 機場飛機尾氣排放情況

北京大興國際機場在采取減排措施后飛機尾氣大氣污染物減排效果見表1，其中減少飛機滑行時間是由優(yōu)化滑行線路和采用A-SMGCS共同作用的結(jié)果。與不采取減排措施相比，各大氣污染物排放量均有較明顯減少，SO2、CO、HC、NOx、PM2.5減排量分別為9.13、133.29、13.21、130.16、3.97 t/a，減排比例分別為11.51%、20.33%、20.74%、11.08%、67.98%。

表1 北京大興國際機場采取減排措施后飛機尾氣大氣污染物減排效果Table 1 Emission reduction of aircraft exhaust pollutants before and after emission reduction measures taken at Beijing Daxing International Airport

由于飛機滑行時間減少，耗油量也將減少，相比不采取減排措施時，飛機滑行模式下的耗油量由12 925.45 t/a下降至10 936.92 t/a，可減少1 988.53 t/a。目前，民航客機主要使用的航空燃油受原油價格影響每天的波動較大，各個機場的價格也不一致，主要在6 000元/t上下波動。因此，以6 000元/t進(jìn)行計算，飛機滑行時間減少可以節(jié)約1 193.118萬元/a。

綜上所述，通過采取減少飛機滑行時間(包括優(yōu)化滑行路線和采用A-SMGCS)和APU替代等減排措施后，北京大興國際機場在一定程度上可以實現(xiàn)飛機尾氣的減排，并且還可通過減少耗油量實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益。

3.2 機場飛機尾氣擴散情況

飛機尾氣中的最主要大氣污染物是NOx，是高溫燃燒下產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要包括NO、NO2，因此機場飛機尾氣的擴散情況主要選擇了NOx進(jìn)行分析。

根據(jù)FLEXPART模型分析結(jié)果，北京大興國際機場尾氣的NOx等大氣污染物在氣象條件的影響下，擴散范圍基本集中在10 km以內(nèi)，擴散范圍不大，屬于局地污染，相比不采取減排措施情況下，大氣污染物影響范圍縮小，NOx最大影響質(zhì)量濃度約4 μg/m3，總體隨距離增加，濃度減少；采取減排措施后，機場飛機尾氣NOx平均約可下降0.06 μg/m3，對較遠(yuǎn)距離的區(qū)域NOx影響質(zhì)量濃度在0.5 μg/m3以下。

3.3 對附近區(qū)域敏感點的影響分析

本研究在機場附近區(qū)域選擇了代表性的環(huán)境敏感點，分析機場飛機尾氣中大氣污染物對敏感點的影響，比較得出采取減排措施的效果，結(jié)果見表2。

表2 飛機尾氣中大氣污染物對敏感點的影響質(zhì)量濃度對比1)Table 2 Comparison of mass concentrations of aircraft exhaust influenced pollutants to sensitive points

由表2可見，北京大興國際機場在采取減排措施后，飛機排放的尾氣中5種大氣污染物對9個環(huán)境敏感點的影響基本都有所降低，說明減排措施確實有效。

4 結(jié) 論

(1)北京大興國際機場在飛機尾氣減排方面主要采取了減少飛機滑行時間(包括優(yōu)化滑行路線和采用A-SMGCS)和APU替代等減排措施。

(2)與不采取減排措施相比，北京大興國際機場在采取減排措施后可以使飛機尾氣中SO2、CO、HC、NOx、PM2.5分別減排9.13、133.29、13.21、130.16、3.97 t/a。機場飛機排放的尾氣對機場附近區(qū)域各敏感點的影響也基本都有所降低，說明減排措施確實有效。

(3)以飛機尾氣排放的最主要大氣污染物NOx為例，北京大興國際機場飛機尾氣排放的大氣污染物擴散范圍基本集中在10 km以內(nèi)，屬于局地污染，相比不采取措施情況下，NOx污染范圍縮小，影響濃度下降。

(4)由于飛機在機場的滑行時間減少，飛機在北京大興國際機場內(nèi)耗油量可減少1 988.53 t/a，因此可節(jié)約1 193.118萬元/a。可見，北京大興國際機場采取的減排措施不僅可有效降低大氣污染物的排放，同時也可節(jié)省運行費用，具有環(huán)境和經(jīng)濟的雙重效益。