廣西內(nèi)河及沿海船舶大氣污染物排放清單及特征研究

樊勇吉，陳軒，謝華，盧英源，陸嘉暉，王心言，唐昭

1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院

2.廣西衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院

船舶運(yùn)輸活動(dòng)對周邊港口城市大氣環(huán)境質(zhì)量的影響較為明顯。在一些船舶集中的船運(yùn)樞紐及港口周邊，船舶產(chǎn)生的大氣污染物已經(jīng)成為了這些地區(qū)的重要污染物來源之一[1-6]。移動(dòng)源排放清單研究是摸清區(qū)域性污染物排放特征的重要環(huán)節(jié)。目前，我國船舶大氣污染物排放清單的編制已在上海、天津、青島、大連、深圳、廈門、香港等沿海地區(qū)[7-11]開展，近年來京杭運(yùn)河江蘇段、上海港、香港港、深圳港、天津港和南京龍?zhí)陡鄣纫碴懤m(xù)開展了區(qū)域船舶排放清單研究[12-14]。筆者總結(jié)了已有排放清單的研究成果，結(jié)合廣西實(shí)際情況，通過收集廣西內(nèi)河流域、沿海船舶基本信息，采用船舶引擎功率法初步建立了2020 年廣西內(nèi)河及沿海船舶大氣污染物排放清單，并通過大氣擴(kuò)散模型模擬了船舶大氣污染物排放對廣西大氣環(huán)境的影響，以期為廣西船舶大氣污染物排放影響研究提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域包括廣西內(nèi)河流域及沿海區(qū)域。對于內(nèi)河流域，研究范圍為廣西區(qū)域內(nèi)西江流域主要航道樞紐，包括南寧港、百色港、梧州港等內(nèi)河港口；對于沿海區(qū)域的界定參考《中國領(lǐng)海及毗連區(qū)法》和《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，將減速區(qū)外邊界向外延伸的距離長度設(shè)定為44.45 km（包括領(lǐng)海22.23 km 和毗連區(qū)22.22 km）[15]范圍內(nèi)的沿海港口，包括北海港、防城港港、欽州港。根據(jù)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）數(shù)據(jù)，將船舶種類劃分為干貨船、散貨船、多用途船、客渡船、拖船等類型，其中不包括漁船，同時(shí)依據(jù)船舶不同總噸位，將研究船舶劃分為一～五等船舶類型。以2020 年度為基準(zhǔn)年分別建立廣西內(nèi)河及沿海船舶排放清單。

1.2 數(shù)據(jù)來源及計(jì)算流程

研究數(shù)據(jù)分為船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及靜態(tài)數(shù)據(jù)。船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)主要來自于研究人員現(xiàn)場調(diào)研及查閱文獻(xiàn)、廣西港航中心提供的船舶檢驗(yàn)信息、廣西海事局2020 年船舶報(bào)港數(shù)據(jù)、網(wǎng)上獲取勞氏船級社數(shù)據(jù)資料；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來自于船舶AIS 航行信息解析及海事、港口、航道相關(guān)部門調(diào)研及相關(guān)文獻(xiàn)，如張志煒等[16]基于時(shí)間和經(jīng)緯度的三次樣條方法對AIS 船舶軌跡進(jìn)行修復(fù)，結(jié)合動(dòng)力法計(jì)算廣東沿?？諝赓|(zhì)量，呂建華等[17]基于AIS 的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)運(yùn)用動(dòng)力法編制了2016 年青島市港口船舶廢氣排放清單。筆者根據(jù)船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取某艘AIS 航行信息及該船舶各運(yùn)行工況的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間，根據(jù)船舶靜態(tài)信息計(jì)算該船舶主機(jī)負(fù)載率及負(fù)載因子，再結(jié)合海事、港口、航道相關(guān)部門調(diào)研及參考相關(guān)文獻(xiàn)（如王征等[18]采用動(dòng)力法估算了中國近周邊海域2014 年的船舶排放清單，并分析了靠港、錨泊、港內(nèi)機(jī)動(dòng)、低速、巡航5 個(gè)船舶狀態(tài)下的排放特征，何斌[19]采用基于船舶引擎功率的排放因子法建立了果園港2021 年9—10 月船舶大氣污染物排放清單），獲取某船舶主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐功率及排放因子、燃油硫含量，計(jì)算船舶發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)所做的功（發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、負(fù)載因子、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間三者相乘），再乘以對應(yīng)排放因子，可得到該船舶發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的污染物排放量。具體流程如圖1 所示。

圖1 廣西船舶大氣污染物排放量計(jì)算流程Fig.1 Calculation flow chart of atmospheric pollutant emissions from ships in Guangxi

根據(jù)船舶AIS 數(shù)據(jù)和廣西海事局2020 年船舶報(bào)告數(shù)據(jù)，廣西內(nèi)河船港申報(bào)到港船舶艘次為206 萬艘次。廣西船舶總登記艘次為221 萬艘次。圖2、表1 給出了廣西各港口總登記艘次覆蓋的船舶類型分布比例情況，按照船舶噸位分布，一等船及三等船舶這2 個(gè)類型的船舶艘次最多，分別占總量的21.75%、20.98%，四等、五等船舶艘次占比均不到21%，原因?yàn)楸狙芯课窗ㄉ形吹怯涀缘男⌒蜐O船及私人排筏，通常這類船舶小于20 t。根據(jù)船舶的用途分類，統(tǒng)計(jì)廣西各港口船舶到港艘次所屬船舶類型分布（在不同分類下各等級船舶的艘次）。2020 年抵港登記船舶中，散貨船艘次最多，占總抵港船舶艘次的33.55%，其次為其他船舶和拖船，占比分別為16.74%和15.63%，多用途船、客渡船占比較低。

表1 不同等級船舶艘次占總到港登記艘次的比例Table 1 Proportion of ships of different classes in the total number of registered ships arriving at the port %

圖2 廣西各港口船舶到港艘次所屬船舶類型分布Fig.2 Distribution of ship types of ships arriving at ports in Guangxi

1.3 排放清單計(jì)算方法及選用模型

基于AIS 數(shù)據(jù)和船舶報(bào)港數(shù)據(jù)的船舶引擎功率法計(jì)算船舶排放量，公式如下：

式中：E為船舶某種大氣污染物的排放量，g；Em為船舶主機(jī)的排放量，g；E1為船舶輔機(jī)的排放量，g；E2為船舶鍋爐的排放量，g。其中Em、E1、E2可通過式（2）～式（4）計(jì)算。

式中：ED為船舶主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW；FZ為主機(jī)負(fù)載因子；DFZ為主機(jī)低負(fù)載調(diào)整系數(shù)；T為船舶運(yùn)行時(shí)間，h；EF為主機(jī)排放因子，g/(kW·h)；FCF為主機(jī)燃料的調(diào)整因子；CF為主機(jī)的控制因子，用于反映由于減排技術(shù)的應(yīng)用排放量所產(chǎn)生的變化；P1為船舶輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW；FZ1為輔機(jī)燃料的調(diào)整因子；EF1為輔機(jī)排放因子，g/(kW·h)；CF1為輔機(jī)的控制因子；P2為船舶鍋爐額定功率，kW；FZ2為鍋爐燃料的調(diào)整因子；EF2為鍋爐排放因子，g/(kW·h)；CF2為鍋爐的控制因子。

進(jìn)一步，默認(rèn)減排技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致排放量的變化不顯著，式（2）～式（4）中控制因子為1，因此公式可簡化為：

式中W為船舶所做的功，kW·h。

2020 年各污染物總排放量計(jì)算公式如下：

式中：S為2020 年船舶污染物排放量，t/a；C為船舶年度報(bào)港艘次。

1.4 工況劃分和參數(shù)確定

因船舶在航行過程中的不同工況各大氣污染物的排放情況差別較大，在進(jìn)行船舶大氣污染物排放量計(jì)算時(shí)需對各工況水平進(jìn)行分類。本研究根據(jù)獲得的各港口船舶AIS 動(dòng)態(tài)信息，按照船舶航行速度將各軌跡點(diǎn)劃分為三大類行駛工況。表2 為各類型內(nèi)河船舶分別在船舶進(jìn)出港及進(jìn)出閘的3 種不同行駛工況下活動(dòng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1.4.1 內(nèi)河船舶排放因子

在廣西內(nèi)河區(qū)域內(nèi)，船舶在不同行駛工況下的負(fù)載因子反映了船舶發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率占額定功率的百分比。由于內(nèi)河船舶采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶的螺旋槳，主機(jī)按照螺旋槳特性工作，因此船舶主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載因子可基于Propeller 原理進(jìn)行估算[14-16]。

內(nèi)河船舶排放因子以《移動(dòng)源（船舶）污染源排放系數(shù)手冊》（第二次全國污染源普查）作為基礎(chǔ)排放因子，并基于廣西進(jìn)出港船舶類型、燃料類型、含硫率和沿海排放區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)等方面校正的方式予以確定，校正公式如下：

式中：Na,b,c為a類型內(nèi)河船舶在b運(yùn)行工況下的c類大氣污染物排放因子，g/（kW·h）；Nc為內(nèi)河船舶c類大氣污染物的基礎(chǔ)排放因子，g/（kW·h）；Ya,c為a類型內(nèi)河船舶c類大氣污染物的燃料修正因子，結(jié)合廣西區(qū)內(nèi)燃油含硫量現(xiàn)狀、《移動(dòng)源（船舶）污染源排放系數(shù)手冊》（第二次全國污染源普查）確定；La,b,c為a類型內(nèi)河船舶在b運(yùn)行工況下的c類大氣污染物低負(fù)載（負(fù)載低于20%）校正因子。除NOx及PM 外，其他污染物排放因子參考相關(guān)文獻(xiàn)[20-23]中排放因子校正方式確定，綜合校正后的內(nèi)河船舶排放因子如表3 所示。

表3 內(nèi)河船舶綜合校正后的排放因子Table 3 Emission factors of inland river ships after comprehensive correction g/(kW·h)

1.4.2 沿海船舶排放因子

沿海船舶排放因子以《移動(dòng)源（船舶）污染源排放系數(shù)手冊》（第二次全國污染源普查）作為基礎(chǔ)排放因子，以0.5%作為研究范圍內(nèi)船用燃料油的含硫量，同時(shí)按照燃料類型和沿海排放區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)等予以校正，公式如下：

式中：Ha,b,c為a類型沿海船舶在b運(yùn)行工況下的c類大氣污染物排放因子，g/（kW·h）；Hc為沿海船舶c類大氣污染物的基礎(chǔ)排放因子，g/（kW·h）；Za,c為a類型沿海船舶c類大氣污染物的燃料修正因子；Ma,b,c為a類型沿海船舶在b運(yùn)行工況下的c類大氣污染物校正因子。廣西絕大部分船舶在沿海港口內(nèi)行駛時(shí)使用柴油或者輕柴油，柴油的含硫量一般為1.5%，輕柴油為0.5%；筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，沿海港口內(nèi)使用輕柴油的船舶數(shù)量較多。因此，建立港口船舶大氣污染物排放清單時(shí)，以0.5%作為研究范圍內(nèi)船用燃料油的含硫量對基礎(chǔ)排放因子進(jìn)行校正，結(jié)合實(shí)船排放臺(tái)架數(shù)據(jù)確定沿海船舶各運(yùn)行工況下的主機(jī)排放因子，參考相關(guān)文獻(xiàn)[24-26]的實(shí)船排放數(shù)據(jù)得出沿海船舶的實(shí)船排放因子，確定沿海船舶各運(yùn)行工況下的主機(jī)排放因子（表4）。

表4 廣西沿海各類型船舶排放因子Table 4 Emission factors for various types of ships along the coast of Guangxi g/(kW·h)

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西內(nèi)河船舶大氣污染物排放整體特征

根據(jù)估算模型和相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到2020 年廣西船舶排放清單，內(nèi)河抵港及過閘船舶PM10排放量為2 431.23 t/a，PM2.5為2 129.18 t/a，NOx為24 760.37 t/a，SO2為1 782.31 t/a，CO 為1 679.72 t/a，HC 為741.22 t/a，CO2為1 037 513.28 t/a。

廣西內(nèi)河2020 年抵港的不同類型船舶主要污染物排放占比見圖3。在所有類型船舶中，除散貨船的SO2排放占比最高，其余污染物均為干貨船這一船舶類型排放占比最高，干貨船污染物排放占比為35.6%，與重慶果園港2021 的沿海船舶污染物排放清單一致[19]。其次為散貨船，排放占比為19.76%，其余各類船舶污染物的排放占比均在14%左右。

圖3 內(nèi)河不同類型船舶污染物排放占比Fig.3 Share ratio of main pollutant emissions from different types of inland river ships

圖4～圖5 給出了不同運(yùn)行工況下廣西內(nèi)河船舶2020 年排放情況?？梢钥闯?，對于船舶主機(jī)，各運(yùn)行工況中進(jìn)出港正常航行排放相對最高（圖4）。干貨船平均正常航行排放占比最大，過閘船舶排放占比較低，其原因?yàn)椋?）進(jìn)出閘及進(jìn)出港的船舶對應(yīng)的運(yùn)行工況時(shí)間較正常航行偏短，干貨船平均正常航行時(shí)長為3.44 h，進(jìn)出閘及進(jìn)出港的工況運(yùn)行時(shí)長為0.3 h，時(shí)間差距在10 倍以上；2）廣西內(nèi)河航道航行船舶除包括抵達(dá)沿線港口的船舶外，還包括過船閘的船舶，本文統(tǒng)計(jì)的過閘船舶不完全，因此過閘船舶排放占比較低。對于船舶輔機(jī)，各運(yùn)行工況中閘停泊及港停泊排放占比較大（圖5），原因在于船舶各工況中停泊工況時(shí)間長，進(jìn)出閘、進(jìn)出港工況行駛時(shí)間短。船舶主機(jī)是船舶大氣污染物最主要的排放源。

圖5 不同輔機(jī)工況船舶主要污染物排放占比Fig.5 Share ratio of main pollutant emissions from ships under different auxiliary engine operating conditions

2.2 廣西沿海船舶大氣污染物排放整體特征

廣西沿海船舶大氣污染物排放量見表5。從表5 可以看出，2020 年，沿海抵港船舶PM10排放量為556.34 t/a，PM2.5為430.23 t/a，NOx為145 41.80 t/a、SO2為3 398.82 t/a，CO 為2 925.53 t/a，VOCs 為2 452.32 t/a，CO2為1 113 652.66 t/a。

表5 廣西沿海船舶大氣污染物排放量Table 5 Emissions of air pollutants from ships along the coast of Guangxi t/a

以船型為分類單位，統(tǒng)計(jì)進(jìn)出港5 種船型產(chǎn)生的各大氣污染物排放占比，結(jié)果見圖6。從圖6 可以看出，拖船排放占比最大，占全部污染物排放量的44.16%～49.33%，與內(nèi)河水域以干散貨船為高值船舶排放類型的結(jié)論有較大差別，這主要取決于調(diào)查水域船舶的類型與數(shù)量分布狀況以及船舶的活動(dòng)頻率；拖船盡管數(shù)量較少（占比為3.33%），但排放占比較大，原因在于海港船中拖船的主機(jī)功率較高。普通貨船（干散貨船）排放占比分別為6.49%～15.56%。

圖6 沿海不同類型船舶污染物排放占比Fig.6 Share ratio of main pollutant emissions from different type of ships along the coast

船舶各動(dòng)力單元排放占比見圖7。從圖7 可以看出，主機(jī)的VOCs 排放占比最高，為93.11%，輔機(jī)的NOx與PM2.5排放占比較高，分別為24.99%、21.94%。內(nèi)河船舶主輔機(jī)排放占比不同（圖4、圖5），原因在于內(nèi)河船舶，船舶運(yùn)行狀態(tài)時(shí)用電主要來自蓄電池或主機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，僅少部分使用輔機(jī)[19]。對于沿海船舶，正常航行時(shí)船舶輔機(jī)和鍋爐的開啟時(shí)間均較長，使得各動(dòng)力單元在大氣污染物排放方面均有一定的貢獻(xiàn)。其中，主機(jī)排放量的41.16%、35.32%、23.52%分別由低速、中速、高速柴油機(jī)貢獻(xiàn)；各不同工況下，除停泊工況下SO2排放占比最高之外，其余污染物均為慢速行駛工況下排放占比最高（圖8）。

圖7 沿海船舶主輔機(jī)污染物排放占比Fig.7 Share ratio of main pollutant emissions from main and auxiliary engines of ships along the coast

圖8 沿海船舶各行駛狀態(tài)污染物排放占比Fig.8 Share ratio of main pollutant emissions from coastal ships in various driving states

2.3 廣西沿海北部灣港船舶大氣污染物排放空間分布特征

北部灣港口SO2、NOx、HC、CO2等污染物分布如圖9 所示。由于北部灣港口船舶行駛路線較為固定，港口船舶不同污染物的空間分布差異不大，呈現(xiàn)出相似的特征；北部灣港口各主要污染物SO2、NOx、HC、CO2均在常用航線處排放強(qiáng)度最高，HC、CO2的排放強(qiáng)度與港口的分布有著強(qiáng)烈的正相關(guān)，與2.1 節(jié)描述的船舶在停泊工況下污染物排放強(qiáng)度較高一致；HC 不僅在碼頭處排放強(qiáng)度較高，在靠近碼頭的區(qū)域依然有較高的排放強(qiáng)度，這是因?yàn)榇霸诘指燮陂g部分船舶處于低速行駛狀態(tài)，加重了燃料的不完全燃燒程度，從而導(dǎo)致船舶CO2排放強(qiáng)度上升，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，2020 年廣西北部灣海域船舶SO2、NOx、HC、CO2的平均排放強(qiáng)度分別為0.321、2.137、0.071、121.929 t/km2。

3 結(jié)論

（1）2020 年，廣西內(nèi)河抵港及過閘船舶PM10排放量為2 431.23 t/a，PM2.5為2 129.18 t/a，NOx為24 760.37 t/a，SO2為1 782.31 t/a，CO 為1 679.72 t/a，HC 為741.22 t/a，CO2為1 037 513.28 t/a。干貨船污染物排放占比為35.60%；主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶大氣污染物最主要的排放源。

（2）沿海抵港船舶PM10排放量為556.34 t/a，PM2.5為430.23 t/a，NOx為145 41.80 t/a、SO2為3 398.82 t/a，CO 為2 925.53 t/a，VOCs 為2 452.32 t/a，CO2為1 113 652.66 t/a。拖船排放占比為44.16%～49.33%；主機(jī)VOCs 排放占比最高，為93.11%，輔機(jī)NOx與PM2.5排 放 占 比 較 高， 分 別 為24.99%、21.94%，鍋爐SO2的排放占比最高；停泊工況SO2排放占比最高，其余工況為慢速行駛工況排放占比最高；主機(jī)排放量的41.16%、35.32%、23.52%分別由低速、中速、高速柴油機(jī)貢獻(xiàn)。2020 年廣西北部灣海域船舶SO2、NOx、HC、CO2的平均排放強(qiáng)度分別為0.32、2.14、0.07、121.93 t/km2。