港口營運期PM2.5環境影響評價方法研究

楊 柳，徐洪磊

（交通運輸部規劃研究院環境資源所，北京 100028）

港口內各類污染源的顆粒物排放是港口城市大氣顆粒物污染的重要來源之一［1—3］。對我國港口大氣顆粒物污染的研究顯示，2006年天津港運輸船舶進出港和在港期間可吸入顆粒物（PM10）排放量約為190t［4］；2006年珠江三角洲船舶活動的PM10排放量約為2 281.5t，占非道路移動源排放總量的50.5%［5］；2007年香港遠洋船舶的PM10排放量約為1 035t，占香港PM10排放總量的16%［6］；2010年上海港船舶進出港和在港期間排放的細顆粒物（PM2.5）約為3 700t，占上海市PM2.5排放總量的5.3%［1］。目前我國50%以上港口貨物吞吐量由分布在京津冀、長三角、珠三角等大氣顆粒物重污染區域的港口完成［7］，因此控制港口PM2.5排放對開展重點區域大氣污染防治具有重要的意義。

規劃和建設項目環境影響評價是預測港口污染物排放影響、指導污染防治工作的有效手段。依據《環境影響評價技術導則 大氣環境》（HJ 2.2—2008），在《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）實施后PM2.5應作為一種常規污染物納入大氣環境影響評價。截至2013年底，我國25個沿海主要港口中有23個、28個內河主要港口中有22個已經開始實施新的環境空氣質量標準，2016年新標準將在全國實施。可見，從大氣污染防治工作需要和環境評價法規要求來看，當前港口總體規劃和建設項目環境評價必須對營運期PM2.5污染排放及其影響進行分析、預測和說明。然而國內尚沒有對港口營運期各類作業活動PM2.5排放特征進行系統監測，受到基礎數據匱乏、工作經驗不足等因素影響，目前港口營運期PM2.5環境影響評價尚處于起步階段，存在著許多亟待解決的問題。鑒于此，本文在參考國內外港口大氣顆粒物污染防治研究的基礎上，結合我國港口總體規劃及建設項目環境影響評價的工作要求，探索了港口營運期PM2.5環境影響評價的技術要點和方法，以期為我國港口總體規劃和建設項目環境影響評價的順利開展提供經驗和建議。

1 港口PM2.5排放分析

1.1 港口PM2.5排放源調查

根據我國沿海和內河典型港口調研，港口營運期一次顆粒物排放源可分為兩類，即揚塵和燃油尾氣顆粒物。前者包括散貨堆場揚塵、裝卸作業過程中揚塵和港內道路揚塵等；后者包括運輸船舶進出港及在港期間主機、輔機和鍋爐尾氣排放，港口機械設備發動機尾氣排放，港內工作船發動機尾氣排放以及集疏運車輛發動機尾氣排放等。隨著我國《環境空氣質量標準》的修訂，港口環境影響評價中表征大氣顆粒物污染狀況的評價因子由TSP（總懸浮顆粒物）、PM10變更為PM10和PM2.5，因此本文按照《港口建設項目環境影響評價規范》（JTS 105-1—2011）的要求，并參照國內外相關文獻對各種顆粒物排放源的粒徑分布情況進行分析。

揚塵顆粒物的粒徑分布與散貨種類及散貨顆粒粒徑有關［8］。一般煤場堆煤中30μm 以下粒子的質量分數約為0.275%［9］，相應煤場碼頭環境空氣中PM10占TSP質量濃度的82%，而粒徑小于2μm的僅占48%［10］；糧食立筒庫中的糧食伴生粉塵粒度主要在70μm 以下，其中小于5μm 的粉塵在總粉塵量中約占6.33%，5～15μm 的粉塵在總粉塵量中約占22.91%［11］。這些研究表明，在揚塵顆粒物的粒徑分布中PM10所占比例顯著高于PM2.5，因此應以PM10作為港口揚塵顆粒物污染的主要評價因子。由于粒徑小于2.5μm 的揚塵粒子在PM10環境影響評價中已經有所反映，因此在PM2.5環境影響評價中可不作為重點研究內容。

港口范圍內燃油尾氣顆粒物的來源較為復雜，目前我國港口環境評價對這部分顆粒物的關注極少。美國國家環保署（EPA）對2000年以來美國23個港口污染物排放清單的核算結果進行統計，結果發現港口內海船／深水船舶、貨物裝卸設備、港內工作船、重型卡車和火車機車的顆粒物排放的平均分擔率分別為51%、18%、14%、12%和5%［12］。美 國圣佩德羅灣港區（洛杉磯港和長灘港）的相關研究顯示，遠洋輪船、貨物裝卸設備、港內工作船、重型卡車和火車機車對港區內柴油顆粒物排放的分擔率分別為59%、14%、11%、10%和6%［13］。國際上對船舶發動機尾氣顆粒物粒徑分布研究較少，部分研究顯示：船舶正常航行時，主機尾氣中PM2.5占PM10濃度（質量濃度，下同）的比例平均為72%，輔機尾氣中PM2.5占PM10濃度的比例平均為76%［14］；船舶進出港時，輔機尾氣中PM2.5約占PM10濃度的78%和總顆粒物濃度的70%［15］。在大型港口機械設備尾氣中PM2.5比例更高，達到PM10濃度的96%和總顆粒物濃度的77%［16］。重型卡車發動機尾氣中PM2.5占總顆粒物濃度的比例則高達80%～95%［17］。因此，將港口范圍內船舶、港口機械、集疏運車輛等燃油顆粒物排放作為PM2.5環境影響評價的主要污染源，既符合其粒徑分布規律，也便于與PM10環境影響評價區別開來，可全面且有所側重地覆蓋港口內各類大氣顆粒物污染排放源。

1.2 港口PM2.5排放量計算方法

參考國外港口污染物排放清單編制方法［12，18］，結合我國部分船舶大氣污染物排放研究案例，并根據數據參數的可獲得性，將港口內船舶、機械和車輛的PM2.5排放量采用“自下而上”的計算方法，其基本原理可表示為

式中：E 為PM2.5的排放量（g）；MCR 為發動機的額定功率（kW）；t為發動機運轉時間（h）；EF 為對應于發動機的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］。

1.2.1 運輸船舶PM2.5排放量計算

運輸船舶在港口范圍內的活動較為復雜，可大致分為航道巡航、進出港、裝卸和停泊等4種工況。不同工況下船舶主機、輔機和鍋爐的運行狀況不同，需要分別進行尾氣排放量計算，具體計算方法詳見文獻［1］，計算所需的各項基礎數據及其來源列于表1。

表1 運輸船舶PM2.5排放量計算的基礎數據及其來源Table 1 Data for the estimation of PM2.5emission from transport vessels

受到研究條件限制，目前國內尚未對海運船舶發動機PM2.5排放因子進行系統測定，表2 列出了美國國家環保署（EPA）2009年發布的海運船舶發動機PM2.5排放因子［12］。我國海運船舶建造技術水平與國外差異不大，盡管在油品質量、船舶管理等方面存在一定區別，但在環境評價階段仍可參照表2進行海運船舶PM2.5排放量估算。

我國內河船舶的尾氣污染物控制技術與國外相比較為落后，其PM2.5排放因子可參考國內研究者在京杭運河上測得的數據（見表3），該研究顯示內河船舶發動機尾氣顆粒物的粒徑均在2.5μm 以下［19］。

1.2.2 機械設備排放量計量

港口機械主要包括碼頭牽引車、吊車、叉車、起重機、裝載機、卷揚機等裝卸設備。在建設項目環境評價階段，可依據項目的工程可行性研究報告獲取碼頭裝卸工藝和裝卸設備的詳細資料；在港口總體規劃環境評價階段，港口機械設備的配備情況尚不明確，可采用類比分析法并參考同類同等規模已建港口的情況進行估算；裝卸設備的年均使用時間與港口貨物吞吐量有關，需通過對港口主管部門的調研確定。但應注意的是，港口機械設備的燃料使用情況，如使用LNG 或電力設備不應納入源強計算。

表2 海運船舶發動機PM2.5排放因子［12］Table 2 PM2.5emission factors for ocean-going vessel engines［12］

表3 內河船舶發動機PM2.5排放因子［19］Table 3 PM2.5emission factors for inland vessel engines［19］

國內研究測得輪式裝載機PM 排放因子約為1.48g／kg-fuel，顯著高于國外同類機械［20］。在沒有實測數據的情況下，可以采用《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》（GB 20891—2007）中規定的顆粒物排放限值（見表4）代替港口機械排放因子。

1.2.3 工作船舶排放量計算

港口內的工作船舶包括拖船、頂推船、渡船、挖泥船等。對于現狀港區，工作船舶的保有量和活動情況可通過港口主管部門獲得；對于規劃港區，可以通過同類同等規模現狀港區的對比得到。美國EPA 的工作船舶發動機PM2.5排放因子見表5［21］。由于工作船舶活動水平與運輸船舶的航次有關，在港口環境評價中若無法通過調研或類比分析獲得相關資料，可按照運輸船舶PM2.5排放量的一定百分比大致估算工作船舶PM2.5的排放量。參考美國EPA 相關報告，工作船舶PM2.5排放量約為運輸船舶的20%～30%［12］。

表4 非道路移動機械柴油機尾氣PM 排放限值Table 4 Limits for PM from diesel engine exhaust of non-road mobile machinery

表5 港口內工作船舶PM2.5排放因子Table 5 PM2.5emission factors for harbor vessel engines

1.2.4 集疏運車輛排放量計算

港口集疏運車輛包括重型卡車和火車機車。目前我國港口陸上集疏運方式以公路運輸為主，如武漢港規劃公路集疏運量為鐵路的9倍，棗莊港規劃公路集疏運量為鐵路的11倍，因此在環境評價中應以公路集疏運的重型卡車尾氣排放為重點。我國出臺了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691—2005），也開展了多項重型卡車尾氣PM2.5排放研 究［22—27］，得到的 重型卡 車尾氣PM2.5排放限值和排放因子詳見表6和表7。

表6 重型卡車尾氣PM2.5排放限值Table 6 Limits for PM2.5from heavy duty truck exhaust

表7 重型卡車尾氣PM2.5排放因子Table 7 PM2.5emission factors for heavy duty truck exhaust

在環境評價中，通過公路集疏運量、單車載重量、港內道路長度等可以推算出重型卡車在評價范圍內的年行駛里程，因此使用單位行駛里程的排放因子數據進行計算較為便捷。在這種情況下，重型卡車尾氣PM2.5排放量的計算公式如下：

式中：M 為重型卡車年行駛里程（km）；EFM為單位行駛里程的PM2.5排放因子（g／km）。

2 港口PM2.5環境影響預測

一項在紐約市開展的研究認為船舶排放對Elizabeth 港周邊大氣PM2.5濃度的貢獻約為4.8%［2］。俄勒岡西北部頻繁的船舶活動也被認為對該州西南部地區大氣PM2.5濃度有所貢獻［28］。據文獻報道，船舶一次排放對香港環境空氣PM2.5濃度的分擔率約為19%，由船舶排放生成的二次PM2.5對環境濃度的貢獻約為6%［3］。基于顆粒物遷移擴散規律的濃度預測是評價港口各類PM2.5排放對周邊環境影響的基礎。在PM2.5環境影響預測中，氣象觀測資料調查與分析、地形數據收集、預測情景設定、計算點選取等步驟與PM10環境影響預測相同，在此僅對預測模式選取和污染源計算清單進行討論。

2.1 預測模式的選取

《環境影響評價技術導則 大氣環境》（HJ 2.2—2008）推薦的港口PM2.5環境影響預測模式包括AEROMODE 模 式、ADMS 模式和CALPUFF 模式，其適用條件和數據要求見表8［29-31］。

《港口建設項目環境影響評價規范》（JTS 105-1—2011）規定，評價的陸域范圍應包括港區和配套建設的疏港公路、鐵路專用線及環境保護目標。根據《環境影響評價技術導則 大氣環境》（HJ 2.2—2008），港區內各排放源的大氣環境影響評價最大范圍為以排放源為中心，半徑25km 的圓形區域或邊長50km 的矩形區域；疏港公路、鐵路專用線的評價范圍為線源中心兩側各200m。從實際評價工作需要和港口規劃建設項目的實際情況來看，PM2.5環境影響的評價范圍多小于50km，在此范圍內PM2.5排放源的主要類型包括線源和面源，其中線源（如船舶、集疏運車輛等）的排放量顯著高于面源。因此，ADMS模式對于港口營運期的PM2.5環境影響預測較為適用。

表8 預測模式的一般適用條件和數據要求Table 8 Applicability of recommended models

2.2 污染源計算清單

2.2.1 面源排放速率的計算

多數裝有柴油發動機的港口機械在作業期間并不固定在某一點位，而是根據貨物裝船和卸船需要在碼頭前沿移動，其尾氣管排放高度通常低于15 m。按照《環境影響評價技術導則 大氣環境》（HJ 2.2—2008），此類在一定區域范圍內以低矮密集的方式自地面或近地面的高度排放污染物的源應屬于面源，可按照無組織排放進行環境影響評價。該面源的幾何尺寸為碼頭前沿區域的設計尺寸，由面源源強和面源幾何尺寸可按下式計算面源的排放速率：

式中：vE為港口機械面源排放速率［g／（m2·s）］；MCRi為第i種機械設備的額定功率（kW）；EFi為第i 種機械設備的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；mi為第i種機械設備的數量；A 為碼頭前沿區域面積（m2）；n為港口機械種類。

按照式（3）計算得到碼頭前沿區域全部機械滿負荷運轉的排放速率，符合環境影響評價要求。

船舶在裝卸作業及港內停泊期間，輔機和鍋爐產生的排放均發生在碼頭前沿水域，可按照無組織排放面源進行處理。該面源的幾何尺寸為碼頭前沿水域的設計尺寸，船舶在碼頭前沿水域的面源排放速率可按下式計算：

式中：vH為船舶在碼頭前沿水域的面源排放速率［g／（m2·s）］；MCRa為船舶輔機的額定功率（kW）；EFa為船舶輔機的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；MCRb為船舶鍋爐的額定功率（kW）；EFb為船舶鍋爐的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；n 為碼頭泊位數；A 為碼頭前沿區域的面積（m2）。

在環境影響評價中可采用運輸船舶中輔機功率最大的船型為代表船型，按照式（4）計算得到全部泊位均有船舶作業時碼頭前沿水域的面源排放速率，符合環境影響評價要求。

2.2.2 線源排放速率的計算

各類船舶在航道內的尾氣排放和重型卡車在疏港公路上的尾氣排放符合《環境影響評價技術導則大氣環境》（HJ 2.2—2008）中“污染物由移動源構成線狀排放”的定義，應屬于線源。重型卡車尾氣PM2.5排放速率的計算方法詳見導則及文獻［32］，船舶航行的線源排放速率的計算公式如下：

式中：vC為船舶航行的線源排放速率［g／（m·s）］；MCRp為船舶主機的額定功率（kW）；EFp為船舶主機的PM2.5排放因子［g／（kW·h）］；F 為航道內的船舶流量（艘／h）；v 為船舶在航道內航行的平均速度（km／h）。

在環境影響評價中可采用運輸船舶中主機功率最大的船型為代表船型，按照式（5）計算得到船舶主機滿負荷工作情況下的排放速率，符合環境評價要求。

3 結論

港口營運期PM2.5污染的排放源包括運輸船舶尾氣、工作船舶尾氣、港口機械尾氣、集疏運車輛尾氣、散貨堆場揚塵、裝卸過程揚塵和道路揚塵。根據不同排放源的顆粒物粒徑分布特征，運輸船舶、工作船舶、港口機械和集疏運車輛的尾氣排放應作為港口營運期PM2.5環境影響評價的重點內容。本文在參考國外港口排放清單編制方法的基礎上，結合文獻調研給出了各類污染源的PM2.5排放因子，建立了“自下而上”的港口營運期PM2.5排放量估算方法，并根據我國港口規劃和建設項目環境評價工作經驗，選取ADMS模式作為港口營運期PM2.5環境影響預測的模式，從而建立了各類污染源排放速率的計算方法。

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