適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法

胡健波，鄧孟濤，徐 旻，謝 昕，張翰林，彭士濤

（1.水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心，交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津300456；2. 上海海事局，上海200086）

一、引言

船舶大氣污染防治是綠色航運(yùn)發(fā)展的重要組成部分，是航運(yùn)業(yè)貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要舉措，涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括硫氧化物（SOx）排放相關(guān)的GB 17411《船用燃料油》和其它污染物排放相關(guān)的GB 15097《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》[1]。前者按船舶類型設(shè)定了船用燃料油的硫含量限值[2]，后者按發(fā)動(dòng)機(jī)等級(jí)設(shè)定了一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）等污染物的排放限值[3]。為持續(xù)改善沿海和內(nèi)河港口城市空氣質(zhì)量，交通運(yùn)輸部在珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀） 水域船舶排放控制區(qū)（簡稱“排放控制區(qū)”）實(shí)施取得明顯成效后，于2018年印發(fā)了《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》[4]，嚴(yán)控SOx、NOx、顆粒物（PM）和發(fā)揮性有機(jī)化合物（VOCs）等污染物排放，并規(guī)定了使用低硫燃油、靠港使用岸電等措施。

然而，由于船舶運(yùn)營期間的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)缺失，船舶大氣污染防治仍面臨巨大壓力，尤其是老舊船舶的冒黑煙現(xiàn)象[5]。當(dāng)下航運(yùn)企業(yè)對(duì)于船舶大氣污染防治的主動(dòng)責(zé)任意識(shí)不強(qiáng)，只把船舶冒黑煙現(xiàn)象視為發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)、安全問題的一個(gè)表征[6,7]，帶病航行附帶產(chǎn)生的船舶大氣污染問題長期被忽視。英美等發(fā)達(dá)國家已將船舶冒黑煙控制納入當(dāng)?shù)貓?zhí)法體系，我國只有香港特別行政區(qū)的《船舶及港口管制條例》、臺(tái)灣地區(qū)的《交通工具空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和上海市的《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為，并制定了相應(yīng)的罰則[8]。船舶黑煙這一HC和PM排放污染嚴(yán)重的現(xiàn)象應(yīng)是我國船舶大氣污染防治的重要工作內(nèi)容，但相關(guān)的檢測技術(shù)與監(jiān)管應(yīng)用較少[8-11]。

通過梳理國內(nèi)外船舶黑煙管控要求，科學(xué)分析黑煙的視覺機(jī)理，識(shí)別傳統(tǒng)林格曼黑度法存在問題的原因；并根據(jù)船舶黑煙檢測的要求和特點(diǎn)，提出了適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法。

二、國內(nèi)外船舶黑煙管控要求

國內(nèi)外船舶黑煙管控的共同點(diǎn)都是采用林格曼黑度法這一視覺黑度指標(biāo)作為判定依據(jù)。雖然林格曼煙氣黑度與煙氣中HC和PM沒有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是這一方法成本低、可操作性強(qiáng)，因而被國內(nèi)外普遍采用。國內(nèi)外船舶黑煙管控的嚴(yán)格程度與處罰力度有所不同，分別對(duì)國外和國內(nèi)展開詳細(xì)的介紹。

（一）國外

美國多個(gè)州對(duì)船舶黑煙排放出臺(tái)了管控標(biāo)準(zhǔn)。美國阿拉斯加州《船舶可見污染物標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定船舶在阿拉斯加海岸線3 n mile之內(nèi)排放的煙氣不透光度不能高于20%（相當(dāng)于林格曼黑度1級(jí)）。德克薩斯州則規(guī)定船舶排氣的不透光度不能連續(xù)5 min超過30%。美國《加利福尼亞健康與安全法典》第41701條規(guī)定，所有排放源3 min及以上時(shí)長連續(xù)排放的氣體與林格曼黑度2級(jí)的顏色一樣深或更深，視為違法。

英國在《清潔空氣法案1993》第1部分第3條中對(duì)黑煙做了明確定義，即與林格曼黑度2級(jí)相當(dāng)或更深的顏色。船舶應(yīng)在英國領(lǐng)海水域遵守此項(xiàng)規(guī)定，違法者可能被罰款高達(dá)5 000英鎊。

迪拜政府于2014年7月2日發(fā)表聲明，呼吁所有船舶確保在港口期間嚴(yán)格遵守關(guān)于空氣排放的規(guī)定。所有?？康习莞劭诘拇岸急仨氉袷禺?dāng)?shù)氐腜CFC-EHS 港口和海事法規(guī)，以遏制該地區(qū)的空氣污染，包括船舶黑煙。

新加坡海事和港口管理局（MPA）于2019年3月發(fā)布通函，警告經(jīng)營人采取所有必要措施，防止船舶在其整個(gè)港口停留期間從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置和船上輔助機(jī)械上排放過量的煙灰、灰渣或黑煙。經(jīng)營人未能遵守上述規(guī)定將是違法行為，可能會(huì)被起訴。如被定罪，違法者可能被罰款高達(dá)5 000新元。

（二）國內(nèi)

香港特別行政區(qū)的《船舶及港口管制條例》（第313章）及《商船（本地船只）條例》（第548章）規(guī)定：非本地船只或本地船只如在香港水域內(nèi)排放分量足以造成滋擾的煙霧屬于犯罪。但是對(duì)黑煙排放限值未進(jìn)行明確的定義，且該法條沒有根據(jù)船舶大小和違規(guī)次數(shù)制定不同的罰款依據(jù)。因此，香港政府于2014年出臺(tái)了《船舶黑煙管制條例》修訂版，規(guī)定若船舶3 min及以上時(shí)長連續(xù)排放的氣體與林格曼黑度2級(jí)的顏色一樣深或更深，則視為違法。本地船舶的最高罰款為10 000～25 000港幣，遠(yuǎn)洋船為25 000～50 000港幣。

臺(tái)灣地區(qū)于2006年出臺(tái)的《交通工具空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第8條規(guī)定：允許主機(jī)功率3 000 kW以上的船舶啟動(dòng)時(shí)20秒內(nèi)和3 000 kW以下的船舶啟動(dòng)時(shí)10秒內(nèi)，排煙目測不透光度不超過60%（相當(dāng)于林格曼黑度3級(jí)）；其它時(shí)段的排煙目測不透光度不超過40%（相當(dāng)于林格曼黑度2級(jí)）。

上海市的《上海市大氣污染防治條例》第38條第5款規(guī)定: 在本市行駛的機(jī)動(dòng)車、船不得排放明顯可見的黑煙。第85條第2款規(guī)定: 違反本條例第三十八條第一款、第五款規(guī)定，在本市行駛的機(jī)動(dòng)船向大氣排放污染物超過規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)或者排放明顯可見黑煙的，由海事部門責(zé)令改正，可以處1 000～10 000元罰款；情節(jié)嚴(yán)重的，處10 000～50 000元罰款。

三、黑煙的視覺機(jī)理

黑煙是一個(gè)視覺上的煙氣排放指標(biāo)，其背后的機(jī)理主要是煙羽與觀測者視線方向上的太陽光被吸收和散射的過程以及其它方向散射光的影響（圖1）。光的主要源頭是視線方向的煙羽后方的太陽散射光，次要源頭是其它方向的太陽散射光。觀測到的光經(jīng)歷了兩個(gè)過程，分別是經(jīng)過煙羽段的吸收與散射和經(jīng)過煙羽與觀測者之間的散射；之所以不包括煙羽與觀測者之間的吸收過程，是因?yàn)槟軌蜻M(jìn)入到近地表大氣層的太陽光波段必然是大氣分子吸收能力很弱的波段，該過程可以忽略不計(jì)。

圖1 黑煙的視覺機(jī)理示意圖

Sback為從觀測者角度的煙羽后方的太陽散射光強(qiáng)度，Saccept為觀測者觀測到的光線強(qiáng)度。

x為煙羽的不透光度（0～100%），即近距離觀測的煙羽黑度，越黑則x越大；反之，越白或越淡則x越小。x值等于0、0.2、0.4、0.6、0.8和1分別代表林格曼黑度0、1、2、3、4和5級(jí)。

y為煙羽到觀測者之間的太陽光散射率（0～100%），與天氣霧霾程度和距離有關(guān)，霧霾越重、距離越遠(yuǎn)，則y越大；反之，霧霾越輕、距離越近，則y越小。例如，當(dāng)霧霾很嚴(yán)重時(shí)，y近似1，則遠(yuǎn)處的煙羽不可見（無論是否黑煙），Saccept=Sback；當(dāng)幾乎沒有霧霾時(shí)，y近似0，則遠(yuǎn)處的煙羽清晰可見，近距離和遠(yuǎn)距離（使用望遠(yuǎn)鏡）觀測的煙羽黑度差別不大，Saccept=Sback×(1-x)。

四、傳統(tǒng)林格曼黑度法存在的問題

傳統(tǒng)林格曼黑度法根據(jù)HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測定林格曼煙氣黑度圖法》（簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）[12]，需要林格曼煙氣黑度圖參照輔助，并對(duì)觀測位置和條件、觀測方法、計(jì)算方法、質(zhì)量保證措施等做了明確的要求。但是，存在干凈天空林格曼黑度等級(jí)大于0和非晴朗天氣無法開展檢測工作這兩個(gè)問題。

根據(jù)傳統(tǒng)林格曼黑度法的視覺機(jī)理（圖2）可知，從林格曼煙氣黑度圖的0級(jí)黑度圖（白色涂料）上觀測到的是太陽散射光的全部反射光，而非來自煙羽后方的太陽散射光，導(dǎo)致干凈天空的黑度檢測結(jié)果存在一定等級(jí)的黑度（大于0級(jí)）。標(biāo)準(zhǔn)的解決辦法是，選擇在合適的天氣和時(shí)間開展檢測，確保林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的背景天空。另一種解決辦法是，林格曼煙氣黑度圖棄用白色涂料，改用透光材質(zhì)，即不同等級(jí)的黑度為干凈天空與黑線的混合色。

圖2 傳統(tǒng)林格曼黑度法的視覺機(jī)理示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，林格曼煙氣黑度圖距離觀測者較近，而煙羽距離觀測者較遠(yuǎn)，導(dǎo)致非晴朗天氣下的尾氣煙羽與觀測者之間的大氣散射影響不可忽略，嚴(yán)重扭曲煙羽黑度的判定。標(biāo)準(zhǔn)的解決辦法是不建議在雨雪天、霧天開展檢測工作，即要求觀測時(shí)的天氣能見度很高。

因此，傳統(tǒng)的林格曼黑度法的應(yīng)用條件較為苛刻且結(jié)果較為主觀，只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見度很高時(shí)應(yīng)用。

五、適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法

（一）船舶黑煙檢測要求

1. 需適應(yīng)大多數(shù)的天氣條件

船舶是移動(dòng)的大氣污染源，具有移動(dòng)范圍廣（跨省甚至跨國）的特點(diǎn)。因此，在發(fā)現(xiàn)船舶冒黑煙時(shí)，需要迅速開展煙羽黑度檢測，否則很可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)駛離轄區(qū)。這對(duì)檢測技術(shù)的普適性要求較高，要求能適應(yīng)大多數(shù)的天氣條件。

2. 需適應(yīng)晃動(dòng)的黑度檢測方法

根據(jù)國內(nèi)外船舶黑煙管控要求，各個(gè)國家判定船舶是否冒黑煙的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)一定時(shí)長持續(xù)冒黑煙，因此需要連續(xù)檢測煙羽的林格曼黑度并錄制視頻留證。在發(fā)現(xiàn)船舶冒黑煙時(shí)，觀測者很有可能是手持相機(jī)或手機(jī)錄制視頻證據(jù)，甚至是在海巡艇等晃動(dòng)平臺(tái)錄制視頻證據(jù)。因?yàn)椴豢杀苊獾幕蝿?dòng)，使得煙羽在視頻畫面中的位置往往不固定。要求觀測者同時(shí)手持小型的林格曼煙氣黑度圖（圖3）和錄制視頻證據(jù)，獲取穩(wěn)定視頻數(shù)據(jù)的難度較大，需適應(yīng)晃動(dòng)的黑度檢測方法或目視判別方法。

圖3 手持小型的林格曼煙氣黑度圖進(jìn)行船舶黑煙檢測的示例

3. 應(yīng)盡可能在移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行觀測

另外，標(biāo)準(zhǔn)要求觀測者的視線應(yīng)與煙羽飄動(dòng)的方向垂直，在太陽光照射下觀測時(shí)，盡量使照射光線與視線成直角，光線不應(yīng)來自觀察者的前方或后方。船舶在水上航行，如若在岸邊觀測，很可能無法滿足上述觀測位置要求。因此，應(yīng)盡可能在海巡艇上或者利用無人機(jī)等移動(dòng)觀測平臺(tái)，開展船舶黑煙檢測工作。

（二）改良型林格曼黑度法

為了滿足船舶黑煙檢測的要求且保證煙羽林格曼黑度的準(zhǔn)確度，需要基于黑煙的視覺機(jī)理和船舶的特點(diǎn)，提出適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法。根據(jù)公式1推導(dǎo)，可以獲得林格曼黑度相關(guān)的x值計(jì)算公式如下：

根據(jù)觀察，船上或多或少存在一定的黑色物體，可以假設(shè)是林格曼黑度5級(jí)（x=1）的煙羽，例如船體黑漆或船上窗戶等船上暗目標(biāo)。觀測者看到這些暗目標(biāo)時(shí)，暗目標(biāo)的Saccept= Sback×y，即觀測到的暗目標(biāo)亮度與煙羽與觀測者之間的散射有關(guān)。當(dāng)霧霾很嚴(yán)重時(shí)，y近似1，則船上暗目標(biāo)和煙羽均不可見，暗目標(biāo)或煙羽的Saccept=Sback。當(dāng)幾乎沒有霧霾時(shí)，y近似0，則遠(yuǎn)處船上的暗目標(biāo)清晰可見，近距離和遠(yuǎn)距離（使用望遠(yuǎn)鏡）觀測的效果差別不大，暗目標(biāo)的Saccept=0。根據(jù)公式2，以上這些情形下觀測船上暗目標(biāo)，計(jì)算結(jié)果均是x=1，說明船上的暗目標(biāo)作為林格曼黑度5級(jí)煙羽的假設(shè)成立。因此，公式2可以演變成如下的公式3。

可以假設(shè)煙羽附近的干凈天空是一種林格曼黑度0級(jí)（x=0）的煙羽。觀測者看到干凈天空時(shí)，干凈天空的Saccept=Sback，即觀測到的亮度就是觀測者角度的煙羽后方的太陽散射光強(qiáng)度，因?yàn)闊o論怎么變換觀測位置，觀測同一片天空的亮度是不變的（無論霧霾是否嚴(yán)重）。根據(jù)公式2，計(jì)算結(jié)果是x=0，說明干凈天空作為林格曼黑度0級(jí)煙羽的假設(shè)成立。因此，公式3可以演變成如下的公式4。

其中，Saccept、Saccept暗目標(biāo)和Saccept干凈天空分別是觀測者觀測到的煙羽、暗目標(biāo)和干凈天空的亮度。根據(jù)公式4，以船上暗目標(biāo)和干凈天空分別作為林格曼黑度5級(jí)和0級(jí)煙羽的參照（圖4），可以準(zhǔn)確計(jì)算出船舶煙羽的林格曼黑度。船上暗目標(biāo)應(yīng)來自煙羽所在船舶，確保暗目標(biāo)與煙羽離觀測者的距離一致，光線被散射的程度相同。圖4中遠(yuǎn)處另一艘船舶的船上暗目標(biāo)的顏色深度不如煙羽所在船舶，不能作為本船煙羽黑度測定的參照，另外這也說明了煙羽與觀測者之間的大氣散射對(duì)傳統(tǒng)林格曼黑度法結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。這種適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法，無需林格曼煙氣黑度圖，而且不存在傳統(tǒng)的林格曼黑度法的苛刻使用條件（只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見度很高時(shí)應(yīng)用）。

圖4 改良型林格曼黑度法以船上暗目標(biāo)和干凈天空分別作為林格曼黑度5級(jí)和0級(jí)參照的示例

最后，建議在海巡艇或無人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用改良型林格曼黑度法，以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觀測位置和角度的要求。

六、結(jié)語

通過梳理國內(nèi)外船舶黑煙管控要求，識(shí)別了林格曼黑度法在船舶黑煙檢測中應(yīng)用的廣泛性，主要是基于該方法成本低、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過科學(xué)分析黑煙的視覺機(jī)理，認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)林格曼黑度法應(yīng)用條件較為苛刻且結(jié)果較為主觀，只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見度很高時(shí)應(yīng)用?？偨Y(jié)了船舶黑煙檢測需適應(yīng)大多數(shù)的天氣條件、需適應(yīng)晃動(dòng)的黑度檢測方法和應(yīng)盡可能在移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行觀測這三大要求，并根據(jù)船上或多或少存在一定的暗目標(biāo)的特點(diǎn)，以船上暗目標(biāo)和干凈天空分別作為林格曼黑度5級(jí)和0級(jí)煙羽的參照，提出了適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法，為適用于船舶黑煙檢測的技術(shù)與裝備研發(fā)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。