水運行業PM2.5污染研究綜述

林 宇，楊 瑩，劉長兵，李美玲

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津 300456）

水運行業PM2.5污染研究綜述

林 宇，楊 瑩，劉長兵，李美玲

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津 300456）

細粒子PM2.5造成嚴峻的大氣環境污染問題逐漸引起社會的廣泛關注，水運行業排放的PM2.5污染是大氣顆粒物污染的來源之一，在大宗散貨港口地區該問題較為凸顯。文章綜合分析了國內外水運行業PM2.5的研究進展，從港口干散貨堆場堆存和作業、船舶廢氣、港口非道路作業機械、集疏港及港區道路等幾個方面總結分析了水運行業PM2.5的來源、排放現狀及其控制技術，并對水運行業PM2.5污染研究發展進行了展望。

PM2.5；水運行業；大氣污染

PM2.5的科學定義是：粒徑≤2.5 μm的細顆粒物，通常用質量濃度表示，其中粒徑最大的差不多是頭發絲的二十分之一。它是造成灰霾天氣的“元兇”之一，能負載大量污染物和病菌，直接進入肺部，嚴重危害人體健康。

細顆粒物PM2.5來源十分廣泛，既有火電、鋼鐵、水泥、燃煤鍋爐等工業源的排放，又有機動車、船舶、飛機、工程機械、農機等移動源的排放，還有餐飲油煙、裝修裝潢等量大面廣的面源排放［1］。隨著水路交通行業的發展，其排放的PM2.5在大氣環境中的擴散遷移構成港口城市大氣細顆粒物污染的成份之一。研究顯示，2006年天津港運輸船舶排放的大氣污染物總量約為5 360 t，其中可吸入顆粒物排放量約為190 t［2］；2010年上海港船舶排放的PM2.5約為3 700 t，與全上海市排放清單總量相比，分擔率達5.3%［3］。目前我國半數以上港口貨物吞吐量都是由分布在京津冀、長三角、珠三角等大氣重污染區域的港口完成［4］。大宗干散貨中礦石、煤炭等在堆存、裝卸、運輸過程中的塵源擴散影響了附近居民生活環境、港口工作環境和周圍生態資源環境，隨著近年來鐵礦石、煤炭等易起塵貨種吞吐量的快速增長，作業量大幅度增加，污染控制的難度和壓力進一步加大。

盡管水路運輸創造了顯著的經濟效益，但是也給港口地區帶來了不可忽視的環境空氣質量影響。并且無論是在環境立法和環境執法方面，還是在管理技術、控制水平方面，我國港口、船舶等的污染控制都與國外發達港口城市相比均存在較大的差距［5-7］。因此研究水運行業PM2.5來源、排放及其控制技術對開展重點區域大氣污染綜合防治具有重要的意義。

1 水運行業主要PM2.5排放源

水運行業PM2.5污染的主要排放源包括干散貨堆場堆存和作業揚塵、船舶廢氣、港口非道路作業機械廢氣、集疏港車輛尾氣、以及集疏港道路揚塵等。主要可分為兩類，即粉塵類和廢氣類。粉塵類主要包括散貨堆場揚塵、裝卸作業過程中揚塵和港內道路揚塵等，廢氣（尾氣）類主要包括運輸船舶進出港及在港期間主機、輔機和鍋爐廢氣排放，港口機械設備發動機廢氣排放，港內工作船發動機廢氣排放以及集疏運車輛發動機尾氣排放等［8］。

粉塵類PM2.5排放源以港口區域散貨堆場的靜態起塵和動態起塵為主，集疏港道路揚塵為輔。散貨堆場粉塵污染多數來自于煤場和礦石等散貨類堆場，主要原因是煤炭以及礦石等堆放及裝卸過程中粒徑較小的粉塵在風力作用下漂移，對其下風向大氣環境造成不同程度的污染［9］。

船舶機械等廢氣類PM2.5的來源則較為復雜，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%。對美國圣佩德羅灣港區的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%［10］。

2 港口干散貨堆場PM2.5污染研究

港口大宗干散貨中礦石、煤炭等易起塵貨種在堆存、裝卸、運輸過程中的塵源擴散是構成港口粉塵類PM2.5污染的主體，其產生的粉塵和擴散現象相當復雜，與裝卸堆存轉運物料的種類及含水量、堆放方式、粒徑大小、周邊地形以及氣象條件等諸多因素有關。現有干散貨大多為露天堆場，屬于開放性塵源，產塵點多、涉及面廣，粉塵受到風力和機械力時會產生很大濃度［9］。

國外已通過數值模擬方法對PM2.5的傳輸過程及沉降過程進行了很多研究，但是露天的礦石和煤堆場等屬于開放性塵源，具有源強不確定性，因此對其動力學過程以及PM2.5排放的源強分布特征研究則相對較少。PM2.5這種細顆粒物的起塵過程非常復雜，其機理目前主要通過一些風洞模擬實驗，了解平均風速、濕度、粒徑等對其的影響程度［11］。

我國對干散貨裝卸、堆放起塵規律及擴散規律的研究起步較晚，但在進行了大量理論和試驗方面的研究后也取得了很大進展。劉海玉、馮杰等人對煤堆場二次揚塵的計算方法及其應用進行了研究，認為煤堆場在堆放過程中的起塵量主要與堆放的形狀、堆場排列順序以及堆場堆與風向夾角和風速、物料堆的含水率和風速密切以及氣象條件密切相關［12］。也有一些研究在環境風洞中通過模擬煤炭和礦粉堆放和裝卸條件，研究其起塵和擴散規律，王寶章等人分別利用環境風洞，在不同風速下，對各種濕度各種粒徑的煤堆進行了起塵和擴散的試驗并對所得試驗數據進行回歸分析和一般分析［13］。雖然國內外對于港口散貨堆場等開放源類的PM2.5起塵量的估算和起塵特性及擴散模式已有相關報道，但目前所做的研究工作是不夠的，遠遠不能滿足治理需要，還需進行進一步的研究。

3 船舶廢氣排放PM2.5污染研究

船舶多使用含硫率較高的重油，并采用柴油機作為推動力，因此船舶廢氣中的PM2.5污染物成分復雜，包括一次排放的BC、重金屬等，以及大氣中轉化生成的硫酸鹽、硝酸鹽和二次有機物等［14］。美國國家環保局將柴油機排放物中的40余種化合物列為危險污染物，這些污染物多吸附于排放廢氣中的細顆粒物（PM2.5）中，長期漂浮于空氣中。在船舶航行于離岸較近的水域時，船舶廢氣中PM2.5排放的廣泛性和分散性會對沿海及內河區域的空氣質量造成極大的影響，并且其中包含了不少對人體健康有害的物質，尤其是重金屬成分，對健康構成巨大威脅。相關研究表明，與船舶相關的PM排放，每年約導致60 000例心血管疾病和肺癌死亡［15］。

國外對船舶廢氣排放的PM2.5污染進行了大量的研究，美國國家海洋和大氣管理局的科研人員對多條航線的兩百多艘商船進行了污染物排放的檢測。對檢測結果分析表明，全球海上船舶每年排放的顆粒污染物可達220萬磅，每年全球海上船舶排放的顆粒污染物總量相當于全球汽車所排放顆粒污染物的一半。紐約市曾經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%［16］；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［17］；Hulda Winners等人提出油輪燃料的含硫率高于渡輪，油輪排放的廢氣中PM2.5濃度高于渡輪尾氣［18］。Cengiz Deniz等人對土耳其錢達爾勒海灣7 520艘船的廢氣進行排放量估算，得出PM的年排放量為57.4 t［19］。國外對船舶細顆粒物排放的研究主要集中在排放清單、分擔率等方面，而且許多研究并未對船舶實際航行中的排放進行測試，排放因子均僅是對USEPA（美國國家環境保護局）、IPCC（世界氣象組織）、EMEP（歐洲監控評估項目）、EEA（歐盟環境署）等組織及機構所提供數據的修正。對船舶發動機尾氣顆粒物粒徑分布研究也相對較少，僅有部分研究顯示：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%［20］；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%［21］。

國內對于船舶廢氣PM2.5的研究還相對較少，全國范圍的排放清單也尚未完成。如金圣陶等對天津港運輸船舶排放的大氣污染物排放進行研究，得出其總量約為5 360 t，其中可吸入顆粒物排放量約為190 t［2］；伏晴艷等計算得出2010年上海港船舶排放的PM2.5約為3 700 t，與全上海市排放清單總量相比，分擔率達5.3%［3］。葉斯琪等分別采用基于船舶引擎功率和耗油量的排放因子法，估算了廣東省地區2010年的船舶排放清單，選取客貨運輸吞吐量、航道通航能力因子和港口地理坐標等數據作為權重因子研究該地區各類船舶排放的時空分布特征，結果表明廣東省各類船舶2010年PM2.5排放總量為7 200 t［22］。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%［23］。對于船舶廢氣中PM2.5在大氣中的物理化學性質和變化規律，則更是少有涉及。在使用排放因子的計算中，國內學者通常引用國外研究的相關數據，但是我國船舶在發動機性能、燃料使用等情況與國際上具有一定的差異，直接引用可能會帶來較大的不確定性。因此船舶廢氣產生的PM2.5污染還需進行深入的研究［24］。

4 港口作業機械排放PM2.5污染研究

港口非道路作業機械主要能源為燃油和電力，由于電力消耗不直接產生污染物排放，因此在使用燃油為動力的港口各項作業環節中，各種作業機械在貨物裝卸過程中會排放PM2.5污染物，其中集裝箱港口作業過程中的排放量最大［25］。集裝箱碼頭作業區PM2.5排放源眾多，集裝箱裝卸和運輸過程中涉及的港口作業機械是其中的主要污染源之一，具體包含裝卸橋、輪胎式起重機、牽引車掛車、正面吊等［26］。

由于港口作業機械眾多，其產生PM2.5在港口PM2.5排放總量中占有重要的比重，洛杉磯港與長灘港早在2006年就參加了“圣佩德羅灣港口空氣清潔行動計劃（CAAP）”，并在2010年港口空氣清潔行動計劃中提出了更新（2010 CAAP Update），該計劃采取了一系列港口空氣治理措施，取得了積極的成效；荷蘭鹿特丹港實施的“里吉蒙地區空氣質量行動項目”，大大改善了鹿特丹地區的空氣質量［27］。美國環保局公布在大型港口機械設備尾氣中PM2.5比例高于船舶廢氣，達到PM10濃度的96%和總顆粒物濃度的77%［28］。

但是國內對于港口作業機械大氣污染物排放計算方法的研究還處于起步階段。譚華等結合上海港各類港口作業機械現狀調研結果，對港口作業機械污染物排放計算方法進行了上海本地化校正，建立了2010年上海港港口作業機械大氣污染物排放清單，并提出港口大氣污染排放計算方法的思路［23］；張禮俊等采用適當的估算方法和排放因子，建立了2006年珠江三角洲非道路移動源排放清單，為制訂合理的大氣污染控制措施以及空氣質量模型評價空氣污染提供了依據和參考［29］。但是目前國內關于非道路機械柴油內燃機排放因子的研究還相對缺乏，對港機作業的PM2.5污染還需進行大量深入的研究。

5 集疏港及港區道路PM2.5污染研究

集疏港過程中的PM2.5污染主要是由專門用于集疏港的車輛產生的尾氣和港內專用道路揚塵產生。國內外許多研究成果都已表明，交通環境中由于機動車尾氣和道路揚塵會造成嚴重的PM2.5污染［30-31］。

港內道路揚塵是由于車輛擾動而引起的揚塵污染，來源于大氣降塵、車輛遺撒、路面破損、車輪車身帶泥、輪胎磨損、道路施工、道路清掃、生物碎屑、道路附近的裸露土壤以及未鋪筑道路等［32］。揚塵量大小與車流量、行車速度、車輛類型、自然條件（風、雨、氣溫、濕度等）和路面狀況等密切相關。對于港內道路而言，由于集疏港車輛多為大型貨車，車身較重，車輪車身帶泥、車輛遺撒、輪胎磨損等方面都遠遠強于城區內的主要以輕型車為主的道路。而且在集疏港過程中，車輛行駛速度偏低，有研究表明，車流低速行駛的道路，其揚塵排放潛勢較大［33］

在對機動車尾氣的PM2.5污染研究方面，國內外都取得了大量的研究成果，但是需要注意的是，對于集疏港車輛而言，其PM2.5污染更加嚴重。因為集疏港車輛多為重型車，尾氣中的PM2.5排放比小型車多得多。在Zhu YF等人研究中對比了兩條重型卡車數量不同的公路，發現重型卡車的顆粒物排放因子較高［34］。我國大貨車是由拖拉機發展而來的柴油發動機，一直遠遠落后于國際，再加上柴油的油品不行，因此在我國這種情況更為嚴重。

6 研究展望

我國水運行業特別是內河航運目前處于快速發展期，與之相關的大氣污染問題仍需加強關注，與PM2.5排放密切相關的船舶廢氣、港口干散貨作業粉塵細顆粒物排放等諸多問題訖待完善解決，如：對船舶廢氣的排放管理還缺乏相應的行政機制和法律依據；干散貨裝卸堆存以露天開敞式為主，尚未制定干散貨碼頭細顆粒物排放標準，干散貨碼頭細顆粒物面源污染的監管困難，現有防風抑塵網、灑水抑塵等抑塵措施需要針對細顆粒物的污染特點進一步優化等。今后，應積極加快研究制定水運行業（港口和船舶）大氣污染排放清單和細顆粒物排放標準、細顆粒物減排方案，開展相應環保管理與操作規范以及環保設計技術規程等相關領域的研究，推動港口城市群率先建立清潔能源替代和岸電使用聯盟，使水運行業全面實現PM2.5減排，努力建設資源節約型和環境友好型的綠色水運行業。

［1］吳兌.探秘PM2.5［M］.北京：氣象出版社，2013.

［2］金圣陶，殷小鴿，許嘉，等.天津港運輸船舶大氣污染物排放清單［J］.海洋環境科學，2009，28（6）623-625. JIN S T,YIN X G,XU J,et al.Airpollutants emission inventory from commercial ships of Tianjin Harbor［J］.Marine environmental science,2009，28（6）：623-625.

［3］伏晴艷，沈寅，張健.上海港船舶大氣污染物排放清單研究［J］.安全與環境學報，2012，12（5）：57-64. FU Q Y,SHEN Y，ZHANG J.On the ship pollutant emission inventory in Shanghai port［J］.Journal of Safety and Environment, 2012，12（5）：57-64.

［4］中華人民共和國交通運輸部.2012中國交通運輸統計年鑒［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］張生光，鞠美庭，邵超峰.我國港口發展中的環境問題及對策分析［J］.中國環境管理叢書，2008（1）：26-29. ZHANG G S,JUN M T,SHAO C F.Study on the environmental problems and countermeasures in Chinese ports［J］.China Environment Management，2008（1）：26-29.

［6］張庭發.港口空氣污染及防治［J］.交通與運輸，2006（6）：44-45.

［7］孫偉，趙同賓，范建新，等.船用柴油機陸上試驗大氣污染物排放標準現狀分析［J］.柴油機，2011（4）：34-38. SUN W,ZHAO T B,FAN J X,et al.Analysis of Air Pollutants Emission Standards for Land-based Testing of Marine Diesel Engine ［J］.Diesel Engine，2011（4）：34-38.

［8］楊柳，徐洪磊.港口營運期PM_（2.5）環境影響評價方法研究［J］.安全與環境工程，2014（4）：85-90. YANG L,XU H L.Study on the environmental Impact assesment of PM2.5 emission during port operation［J］.Safety and environmental engineering，2014（4）：85-90.

［9］何曉云.曹妃甸港口碼頭煤炭與礦石粉塵污染特性研究［D］.石家莊：河北科技大學，2011.

［10］程健敏.美國洛杉磯港和長灘港實施潔凈空氣行動計劃的背景和目標［J］.中國港口，2007（4）：42-43.

［11］Xuan J，obins A.The effects of turbulence and complex terrain on dust emissions and depositions from coal stockpiles［J］.Atmospheric Environment，1994，28：1 951.

［12］劉海玉，馮杰.煤場二次揚塵的計算方法及其應用［J］.山東環境，1998（3）：12-13.

［13］王寶章，齊鳴，徐鈾，等.煤炭裝卸堆放起塵規律及煤塵擴散規律的研究［J］.武漢水運工程學院學報，1985（4）：45-54. WANG B Z,QI M,XU Y,et al.A Study of release and dispersion coal dust caused by handling coal[J].Journal of Wuhan institute of water transportation engineering，1985（4）：45-54.

［14］香港思匯政策研究所.綠色港口：香港和深圳船舶及港口相關的廢氣減排［R］.香港特別行政區：香港思匯政策研究所，2008.

［15］Corbett J J，Winebrake J J，Green E H，et al.Mortality from ship emissions：a global assessment［J］.Environmental Science and Technology，2007，41（24）：8 512-8 518.

［16］Qin T，Kim E，Hopke P K.The concentrations and sources of PM2.5in metropolitan New York City［J］.Atmospheric Environment，2006，40（2）：312-332.

［17］WANG H I，Hopke P K.Estimation of source apportionment and potential source locations of PM2.5at a west coastal IMPROVE site ［J］.Atmospheric Environment，2007，41（3）：506-518.

［18］Hulda Winnes，Erik Fridell.Emissions of NOxand particles from manoeuvring ships［J］.Transportation Research Part D，2010 （15）：204-211.

［19］Cengiz Deniz，eg.Estimation of shipping emissions in Candarli Gulf，Turkey［J］.Environ Monit Assess，2010（171）：219-228.

［20］Fridell E，Steen E，Peterson K.Primary particles in ship emissions［J］.Atmospheric Environment，2008，42（6）：1 160－1 168.

［21］Cooper D A.Exhaust emissions from ships at berth［J］.Atmospheric Environment，2003，37（27）：3 817-3 830.

［22］葉斯琪，鄭君瑜，潘月云，等.廣東省船舶排放源清單及時空分布特征研究［J］.環境科學學報，2014（3）：537-547.

［23］Yau P S，Lee S C，Cheng Y，et al.Contribution of ship emission to the fine particulate in the community near an international port in Hong Kong［J］．Atmospheric Research，2013，124（28）：61-72.

［24］萬霖，何凌燕，黃曉鋒.船舶大氣污染排放的研究進展［J］.環境科學與技術，2013（5）：57-62.

［25］譚華，劉娟，沈寅，等.碼頭港作機械大氣污染物排放清單研究［J］.環境科學與管理，2013（6）：82-88.

［26］賈旭，封學軍，蔣柳鵬，等.港口作業機械大氣污染物排放研究［J］.華東交通大學學報，2014（3）：12-17.

［27］呂航.美國的綠色港口之路［J］.中國船檢，2005（8）：42-44.

［28］U.S.Environmental Protection Agency.Compilation of Air Pollutant Emission Facters-AP42［M］.5th Edition.Washington DC：US Government Printing Office，1996.

［29］張禮俊，鄭君渝，尹沙沙，等.珠江三角洲非道路移動源排放清單開發［J］.環境科學，2010，31（4）886-891. ZHANG L J,ZHENG J Y,YIN S S,et al.Development of Non-road Mobile Source Emission Inventory for the Pearl River Delta Region［J］.Environmental science，2010，31（4）：886-891.

［30］魏玉香，銀燕，楊衛芬，等.南京地區PM2.5污染特征及其影響因素分析［J］.環境科學與管理，2009，34（9）：29-34. WEI Y X,YIN Y,YANG W F,et al.Analysis of the Polution Characteristics＆Influence Factors of PM2.5 in NanjingArea［J］.Environmental science and management，2009，34（9）：29-34.

［31］Lamoree D P，Turner J R.PM emissions emanating from limited-access highways［J］.Journal of the Air&Waste Management Association，1999，49：85-94.

［32］李鋼，樊守彬，鐘連紅，等.北京交通揚塵污染控制研究［J］.城市管理與科技，2004（4）：151-152，158. LI G,FAN S B,ZHONG L H,et al.The Study of Road Dust Controlling in Beijing City［J］.Municipal Administration&Technology，2004（4）：151-152，158.

［33］Etyemezian V，Kuhns H，Gillies J，et al.Vehicle-based road dust emission measurement：effect of speed，traffic volume，location and season on PM10road dust emissions in the Treasure Valley，ID［J］.Atmospheric Environment，2003，37（32）：4 583-4 593.

［34］Zhu Y F，Hinds W C，Shen S，et al.Seasonal trends of concentration and size distribution of ultrafine particles near major highways in Los Angeles［J］.Aerosol Science and Technology，2004，381：5-13.

Research summary of PM2.5in water transport industry

LIN Yu,YANG Ying,LIU Chang?bing,LI Mei?ling
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Recently,the serious pollution from PM2.5has drawn great attention from the society.PM2.5pollution from water transport industry is one of important sources of air pollution,especially in bulk cargo port area.In this paper,research progresses at home and abroad about PM2.5pollution from water transport industry were reviewed. Meanwhile,the source,discharge situation and control technologies of PM2.5were summarized in aspects of the dry bulk cargo yard storage and operation,ship exhaust,port road machinery,dredging port and port road water transportation industry.Finally,the future research hotspots for PM2.5were put forward．

PM2.5;water transport industry;air pollution

X 51

A

1005-8443（2016）01-0104-05

2015-07-24；

2015-08-27

交通運輸部應用基礎研究項目（典型散貨港口PM2.5污染機理及其減排技術研究，編號2013 329 224 310）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（TKS140216）；交通運輸部天科院科技發展基金項目（KTFZJJ140202）

林宇(1973-)，女，天津市人，高級工程師，主要從事交通工程環保研究工作。

Biography：LIN Yu（1973-），female，senior engineer.