寧波-舟山港船舶排放清單及時空分布特征

尹佩玲,黃爭超,鄭丹楠,王雪松*,田旭東,鄭君瑜,張遠航(.北京大學環境科學與工程學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 0087；.浙江省環境監測中心,浙江 杭州 00；.華南理工大學環境與能源學院,廣東 廣州 50006)

寧波-舟山港船舶排放清單及時空分布特征

尹佩玲1,黃爭超1,鄭丹楠1,王雪松1*,田旭東2,鄭君瑜3,張遠航1(1.北京大學環境科學與工程學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100871；2.浙江省環境監測中心,浙江 杭州 310012；3.華南理工大學環境與能源學院,廣東 廣州 510006)

為了掌握寧波-舟山港船舶的污染排放特征,支撐長江三角洲地區大氣污染控制工作,本研究采用基于船舶活動的排放因子法,收集船舶自動識別系統(AIS)提供的當地船舶活動軌跡數據,結合勞氏船級社(LR)等機構的船舶特征信息,建立了2010年寧波-舟山港船舶排放清單,獲得了船舶污染源排放的空間分布和小時變化特征譜.結果顯示,2010年寧波-舟山港船舶排放的SO2、NOx、PM10、PM2.5、VOC和CO總量分別為2.16×104、3.50×104、2.59×103、2.35×103、1.50×103和 3.01×103t. 集裝箱船、散干貨船、普通貨船、油輪和客船的排放貢獻占比分別為45.1%～57.7%、8.9%～12.9%、25.3%～40.7%、4.2%～8.1%和0.2%～0.7%.污染物的排放高峰期出現在9:00～14:00,不同類型船舶的逐時排放呈現不同的規律.排放高值區為由金塘水道、冊子水道、螺頭水道和蝦峙門水道組成的大型航道以及臨近的核心港區.

寧波-舟山港；船舶排放源；排放清單；時空分布

航海運輸在當今經濟全球化的發展中具有不可替代的作用.然而,船舶運行消耗柴油和重油等燃料[1],會排放二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和碳氫(HC)等氣態污染物以及硫酸鹽、硝酸鹽和重金屬等顆粒態污染物[2].船舶排放不僅是港口地區顆粒物的重要來源之一[3-8],還對全球硫酸鹽濃度上升[9]、臭氧濃度增加[10]以及全球輻射強迫均有影響[11].

建立排放清單是評估船舶排放對空氣質量的影響程度主要手段之一.1997年 Corbett等[12]率先估算了全球船舶SO2和NOx的排放量,至今歐洲[13]、地中海[14]、長灘島[15]及洛杉磯港[16-17]等多地均有較深入的船舶排放研究報道.

相對而言,國內船舶排放清單的研究處于發展階段.21世紀初,國內采用基于燃料消耗量的排放因子法,估算了全國內河[18]、天津港[19]、京津冀內河[20]、珠江三角洲[21]及中國水路運輸業

[22]的船舶排放量.后來的研究逐步轉變為采用基于船舶活動的排放因子法,如青島港[23]、廣東省[24]及上海港[25-26]等船舶排放清單,考慮了船舶的基本運行模式,以反映船舶的活動特征.國外近年的研究[27-29]顯示,船舶自動識別系統(AIS)能夠提供更精細和準確的船舶活動水平數據,我國香港地區[30-31]、珠三角[32]、深圳[33]、大連港[34]、上海洋山港[35]、環渤海[36-37]及長三角和東海[38]等地區相應地在建立船舶排放清單過程中結合了AIS數據.

寧波-舟山港是我國東南沿海的重要港口,其貨物吞吐量 2009～2015年一直位居世界首位[39].繁忙船運排放的污染物,可能對杭州灣乃至長江三角洲地區的空氣質量造成不利影響.然而目前寧波-舟山港的船舶排放量尚不清晰,對該港口的各類型船舶排放特征及時空分布規律認識不夠充分,因此有必要針對其開展更系統深入的研究.

本文以寧波-舟山港主要港區為研究區域,采用基于船舶活動的排放因子法,收集AIS提供的船舶活動數據,結合勞氏船級社(Lloyd’s Register of Shipping)等機構的船舶特征信息,建立浙江省寧波-舟山港 2010年主要類型船舶的污染物排放清單,進一步研究在船舶類型?行駛模式及引擎功率方面的排放特征及各類船舶排放的時空分布特征,以期為寧波乃至長江三角洲地區的污染排放管理和大氣污染控制提供科學支撐.

1 材料和方法

1.1 研究區域和對象

根據美國環保署對船舶排放清單海域邊界的劃分建議[40],本文以寧波-舟山港 6個引航員登船點[41]為圓心、25n mile為半徑構成的海域范圍作為研究區域(圖1).調研2010年寧波-舟山港客貨運輸情況發現,貨物總吞吐量中以散干貨(無包裝貨物,如煤炭、水泥和礦石等)和油品為主,分別占比37%和20%,集裝箱吞吐量占貨物總吞吐量達15.4%,港口間渡輪的旅客吞吐量為674.3萬人次[42],因此以集裝箱船、散干貨船、普通貨船、油輪和客船5類船舶作為研究對象,估算各類船舶SO2、NOx、PM10、PM2.5、CO和VOC等6種污染物的排放量,數據基準年選為2010年.

圖1 研究范圍示意Fig.1 Sketch map of the study area圓圈代表本研究的寧波舟山港區域

1.2 船舶污染物排放量估算

1.2.1 估算方法 船舶排放的估算采用基于船舶活動的排放因子法,公式如下:

式中:h,i,j,k分別表示船舶類型、引擎功率、行駛模式和污染物種類;E為船舶的污染物排放總量g/a;VAN為船舶在估算期間的總抵港次數;T為船舶的活動時間,h;P為船舶引擎功率,kW;LF表示船舶引擎的負載因子;EF為污染物排放因子, g/(kW?h).

船舶在一次抵港過程中行駛速度會發生變化,其主機引擎和輔助引擎的利用效率會有所差異,導致污染物排放速率的變化.為了反映船舶活動的各階段排放特征,根據航行速度將船舶活動過程劃分為4種行駛模式[30]:普通速度行駛(航行速度＞12nmi/h)?慢速行駛(8～12nmi/h)?機動行駛(1～8nmi/h)和靠泊(＜1nmi/h).對于某種類型船舶,首先分別計算單艘船在4種行駛模式下各類引擎的污染物排放量(主機引擎在靠泊時關閉,鍋爐在特定的慢速行駛?機動行駛和靠泊模式下開啟),4種行駛模式的排放量加和后獲得單艘次該類型船舶的排放量,再乘以該類型船舶2010年的總抵港次數,獲得該類船舶的年排放總量.

1.2.2 排放因子等參數確定 由于缺乏研究地區排放因子等相關參數的實測資料,本文主要參考國內外相關研究的結果[30,40].排放因子的選取由船舶的引擎類型、轉速、燃料類型及含硫率共同決定.除客船外,船舶的引擎包括主引擎、輔助引擎和鍋爐3部分,客船不包括鍋爐.引擎的類型?轉速和燃料類型通過調研該港口活動船舶在勞氏船級社中的數據獲得,將主機引擎區分為低速柴油機和中速柴油機,輔助引擎和鍋爐類型不細分.燃料類型區分為船用柴油?重質燃料油和船用汽油(船用汽油僅客船使用),根據我國船舶燃料的使用現狀[43],將前兩種燃油含硫率分別規定為1%～2%和3.5%,船用汽油采用文獻默認值,采用的排放因子如表1所示.

表1 引擎和鍋爐的排放因子[30,40][g/(kW?h)]Table 1 Emission factors of engines and boilers[30,40][g/(kW?h)]

表2 寧波-舟山港各類型船舶引擎的平均功率*(kW)Table 2 Average power of engines and boilers of marine vessels in Ningbo-Zhoushan Port(kW)

除排放因子外,抵港次數、引擎功率和負載系數等參數采用如下方法確定:○1船舶抵港次數:通過調研寧波-舟山港相關的文獻資料整理獲得;○2引擎功率:主機引擎功率通過調研勞氏船級社數據獲取,輔助引擎功率利用主輔機功率的比例進行換算,鍋爐缺省值參考國內相關研究成果,各類船舶引擎的平均功率如表2所示;○3負載系數:表征發動機的實際使用情況,由最大航行速度和實際航行速度決定,區分為主引擎負載系數和輔助引擎負載系數.

1.2.3 活動水平獲取 船舶排放的活動水平主要指船舶的航行時間,可通過船舶搭載的AIS獲取其瞬時地理位置、航線及速度等信息后間接計算得到.根據調研獲得各港口運輸貨物和船舶的構成情況,針對不同的船舶類型和噸位,利用船訊網提供的AIS信息查詢平臺,進行船舶活動的抽樣調查,搜索樣本船舶在研究范圍內一次進出港過程的航行軌跡,記錄間隔4～6min的軌跡數據,包括速度?經緯度及時刻等信息.根據速度將各軌跡點區分至 4種行駛模式,表3是各類型船舶4種模式下活動時間的統計結果.

表3 寧波-舟山港各類型船舶不同行駛模式下的平均活動時間(h)Table 3 Average activity time in different modes of marine vessels in Ningbo-Zhoushan Port(h)

1.3 時空分配處理

根據上述方法,可以估算出同類型船舶4種行駛模式下的污染物排放量,統計出相應行駛模式下的軌跡點數,建立單個軌跡點和排放量的對應關系.利用軌跡點的排放量和經緯度信息,進行寧波-舟山港船舶排放量的空間分配,應用 GIS技術,獲得 2km×2km分辨率的船舶排放清單.結合軌跡點的排放量和時刻信息,可統計出船舶排放在一天中的小時變化曲線.本文對船舶排放時空分配的處理具體至船舶類型、行駛模式以及污染物類型.

2 結果與討論

2.1 寧波-舟山港船舶排放清單

2010年寧波-舟山港船舶排放清單如表4所示,船舶污染源 SO2、NOx、PM10、PM2.5、VOC和CO的排放量分別為21574,34594,2593,2349, 1499和3009t,以排放SO2和NOx為主.SO2的排放與燃料中的含硫量直接相關,其排放量大源于船舶使用的燃料含硫率高,本文使用的含硫率為1%～3.5%,國內部分船舶所用重油的含硫率甚至高達4.5%[44].NOx的排放則受到燃料類型、發動機類型和負載等多方面因素影響.

2.1.1 船舶排放特征分析 不同污染物中各類型船舶的排放比重如圖2所示,其中集裝箱船和普通貨船的排放量所占比例最大,兩種船型共占比例為79%～86%,散干貨船、油輪和客船的排放貢獻占比分別為 8.9%～12.9%、4.2%～8.1%和0.2%～0.7%.集裝箱船中遠洋船舶所占比例高,而遠洋船舶使用的是重質燃料油,含硫率在 1.5%～ 3.5%,所以SO2的排放量高,其次重質燃油所含雜質較多,燃燒時容易產生較多的顆粒物,故集裝箱船的PM10和PM2.5排放量也很大.另外,集裝箱船主要以中低速柴油機作為動力,由于大缸徑的低速機內溫度比中小缸徑中高速機高,NOx生成的濃度更大[45],所以集裝箱船 NOx的排放量很大.集裝箱船單船排放量十分可觀,而普通貨船則是由于抵港次數多,活動頻繁,產生的污染物排放量也占有較大的比重,為25.3%～40.7%.

表4 2010年寧波-舟山港船舶排放清單(t)Table 4 Marine emission inventory of Ningbo-Zhoushan Port in 2010 (t)

圖2 寧波-舟山港不同類型船舶污染物排放分擔率Fig.2 Emission contribution rates by marine vessel types in Ningbo-Zhoushan Port

不同動力設備對各類污染物的排放分擔率如圖 3所示,總體而言,主機引擎的排放量最大,其次是輔助引擎,鍋爐最小,貢獻占比分別為49.4%～74.8%,22.6%～33.3%和 2.2%～20.1%.主機引擎作為船舶活動的主動力,在普通速度行駛、慢速行駛和機動行駛階段都開啟,運行時間長且功率大,所以排放量大.鍋爐排放的主要影響因素是燃料,與運行工況關系不大,主要體現為重質燃料油燃燒的排放特征,即對SO2和顆粒物的排放貢獻較大.

圖3 寧波-舟山港船舶不同引擎的污染物排放分擔率Fig.3 Emission contribution rates by engine types in Ningbo-Zhoushan Port

4種行駛模式對各類污染物的排放分擔率如圖4所示.普通速度行駛與慢速行駛的排放比重相當,均約占 30%,其次是靠泊,分擔率最小的是機動行駛.普通速度行駛、慢速行駛和機動行駛的主輔引擎負載依次降低,燃燒充分程度逐漸下降,因此 NOx和 PM的排放強度減弱,CO和VOC的排放強度增加,可以看出,機動行駛對VOC和CO的貢獻比重較其他污染物大.SO2的排放與燃料的消耗量直接相關,靠泊時鍋爐開啟以維持船舶的電力供應,因此SO2在該模式下的排放比重較大.

圖4 寧波-舟山港船舶不同行駛模式的污染物排放分擔率Fig.4 Emission contribution rates by operation modes in Ningbo-Zhoushan Port

2.1.2 與其他港口船舶排放的比較 對國內不同港口船舶排放清單的總量比較,會受到各港口船舶構成的嚴重影響.針對各港口集裝箱船排放的對比情況,如表5所示.

表5 國內部分沿海港口集裝箱船污染物排放情況Table 5 The throughputs and emissions of container vessels in domestic costal ports

圖5 2010年國內3大集裝箱港口單位吞吐量的排放情況Fig.5 The per-throughput emissions of the domestic top three container vessels ports in 2010

8個港口都采用的是基于船舶活動水平的排放因子法,除上海港外,其余港口都通過AIS獲取活動水平數據.在沿海和遠洋的集裝箱船估算上,上海港、上海洋山港、天津港和大連港采用同樣來源的排放因子,僅天津港的顆粒物有所差異,其余4個港口采用同樣來源的排放因子,兩個來源的排放因子差異不大,故排放量的排序與吞吐量排序較對應.

但香港、珠三角、深圳及本研究通過調研將集裝箱船區分了重質燃料油和船用柴油等類別,使得平均排放因子降低,而洋山港、天津港和大連港僅選用重質燃料油對應的排放因子,這是導致香港的排放量較低、天津和大連港的排放量較高的影響原因之一,另外有研究證明大連港的船舶排放可能存在高估情況[37].

2010年我國集裝箱吞吐量前3位港口分別是上海港、深圳港和寧波-舟山港,對應的污染物排放量排序相同,說明寧波-舟山港的集裝箱船估算量處于較為合理的水平.進一步比較3個港口單位吞吐量的污染物排放量(如圖5所示)可知,寧波-舟山港大于上海港和深圳港,與臨近的上海港更接近.上海港基于調研結果在估算沿海船舶時燃油含硫率定為 0.1%～1.5%[26],低于本研究采用的含硫率,使用了燃油校正因子降低了排放因子,而深圳港的集裝箱船未將鍋爐排放納入估算[33].

2.2 寧波-舟山港船舶排放時空分布特征

2.2.1 時間變化特征 各類型船舶排放的小時變化情況如圖6所示(以SO2為例).從所有船型的綜合排放日變化可以看出,污染物的排放集中在日間,高排放時段為 09:00～14:00,夜間及凌晨均有持續的小幅排放.該日變化特征是5類船舶共同排放的結果,不同類型船舶排放的小時變化特征則存在一定的差異.

圖6 寧波-舟山港船舶排放的小時變化Fig.6 Hourly profiles of marine emissions by vessel categories in Ningbo-Zhoushan Port

圖7 寧波-舟山港船舶SO2排放空間分布Fig.7 Spatial distribution of total marine SO2emission in Ningbo-Zhoushan Port

集裝箱船和散干貨船的噸位一般較大,并且有固定的船期和掛靠港口,而油輪運載的是原油等危險性較高的貨物,因此基于安全的原因,這 3類船舶的活動集中在日間,所以日間排放量較大,而夜間的排放量主要來自于靠泊.普通貨船是寧波-舟山港航行最頻繁的船型,其噸位不大,大部分為中小型貨船,受晝夜的限制較小,因此排放量的小時變化幅度不明顯,維持在3.4%～5.5%.客船主要為來往于舟山-寧波之間的渡輪,從早晨始發到傍晚停航,且渡輪停航后不需要引擎或鍋爐維持運轉,因此客船只有日間航行期間的排放.

2.2.2 空間分布特征 寧波-舟山港船舶排放的空間分布如圖7所示(以SO2為例,由于SO2的排放量較大,且其他污染物的空間分布與之相似),大型港口如金塘?鎮海?北侖?大榭?穿山島?沈家門?定海和老塘山港口分別位于在寧波市穿山半島和舟山本島上,共用金塘水道?冊子水道以及螺頭水道,形成核心港區,往來船舶頻繁,因此該區域的污染物排放量十分可觀.5種類型船舶進入核心港區的通道主要有4條,分別是“蝦峙門航道-螺頭水道-港區”、“佛渡水道-螺頭水道-港區”、“杭州灣(嘉興方向)-金塘水道-港區”和“杭州灣(洋山方向)-冊子水道-港區”(依次如圖8中A～D所示),其中以“蝦峙門航道-螺頭水道-港區”排放強度最顯著,這是由于此通道通航能力達到30萬t級,為航行排放量較大的集裝箱船?大型貨船和油輪進入港區的主要路徑.

圖8 進入寧波-舟山港核心港區主要通道Fig.8 The main lanes to enter the main part of Ningbo-Zhoushan Port

各類型船舶排放的空間分布情況如圖9所示(以 SO2為例).集裝箱船和散干貨船的污染物排放集中在寧波市穿山半島側的港口及附近航道,與寧波-舟山港的總體規劃[49]相吻合,其規定在整合運輸功能后將集裝箱船運輸系統布局在鎮海、北侖、穿山、大榭、金塘、梅山和六橫港區,鐵礦石、煤炭等散雜貨運輸布局在北侖、鎮海、大榭島和舟山本島的老塘山等,這些噸位較大的遠洋船舶途徑蝦峙門外航道、蝦峙門航道、螺頭水道、冊子水道和金塘水道進出港區.普通貨船主要航行于寧波-舟山港的港口之間,進行沿海的貨物運輸,相關港口和海域排放強度較大,部分排放分布在通往嘉興、洋山乃至上海方向的航線上.油輪的排放分布體現出遠洋和沿海兼具的特點,南面2個遠洋航道和北向沿海航道均有排放,但排放較多集中在港口附近,這是由于油輪在港口停泊的時間較長,鍋爐和輔助引擎的排放較多,這些港區除了綜合性的寧波側港口外還包括以原油、成品油儲存及中轉運輸為主的老塘山、定海、馬岙和六橫港區.往來于舟山和寧波的渡輪2條主要航線為“鴨白線(舟山鴨蛋山-寧波白峰)”和“沙岙-郭巨線(舟山沙岙-寧波郭巨)”[42]從圖9(d)中能清楚地看出客船在航線上的排放,由于渡輪每日多次往返且停泊的時間較短,所以排放強度主要體現在航行過程中.

2.3 不確定性分析

本文采用評級的方法對各類型船舶的排放因子、活動水平以及排放量進行半定量的不確定性評估[21,26,32,34,50-52],為未來進一步完善清單提供方向.盡管各類型船舶估算參數的獲取手段一致,但是受到資料完善程度以及調研樣本的數量和質量等因素影響,不同類型船舶的排放因子和活動水平的可靠性和本地化程度不同,因此其不確定性也有所差異,具體表現如表6所示.

圖9 寧波-舟山港不同類型船舶SO2排放空間分布Fig.9 Spatial distribution of marine SO2emission by vessel categories in Ningbo-Zhoushan Port

評級從A～E表征數據的可靠性或本地化程度逐漸降低,不確定性增加.本研究清單的不確定性來源主要來自抵港次數、排放因子、活動時間及其他估算參數4個方面.1)抵港次數:對于集裝箱船、油輪和客船運載對象較明確的類型,港口、海事部門及文獻統計資料較為齊全,具有一定的可靠性和本地化程度,相較而言,貨船的數量繁多且以中小型為主,統計的難度加大,不確定性增加;2)排放因子和其他估算參數:主要參考國內外的相關研究成果,集裝箱船、散干貨船和油輪 3種大型的船舶,與國外同類型船舶的差異較普通貨船和客船(渡輪)小,且遠洋船舶占有一定的比例.雖然結合了本地化的引擎和燃料信息調研,但難以涵蓋船舶的具體特征信息,會帶來較大的不確定性;3)活動時間:針對航線特征較為明顯的集裝箱船、油輪和客船,樣本能夠較大程度地反映船舶實際的航行狀態,而對于機動靈活的普通貨船,調研樣本具有較大的不確定性.基于上述對排放因子和活動水平的不確定性分析,獲得對排放量的不確定性評級(如表 6所示),其中普通貨船排放量的不確定性相對較高.

本研究建立的船舶排放清單具有一定的不確定性,但能夠反映寧波-舟山港船舶污染源排放的基本情況,今后仍需提高活動水平的獲取性和排放因子的本地化,有針對性地在上述方面進一步降低清單的不確定性.

表6 2010年寧波-舟山港船舶污染源排放清單的不確定性評級Table 6 Uncertainty rating of the 2010 marine emission inventory in Ningbo-Zhoushan Port

3 結論

3.1 寧波-舟山港 2010年船舶排放的 SO2、NOx、PM10、PM2.5、VOC和 CO 分別為21574,34594,2593,2349,1499和3009t.

3.2 在各類污染物的排放量中,集裝箱船?普通貨船?散干貨船?油輪和客船的排放貢獻占比分別為 45.1%～57.7%、25.3%～40.7%、8.9%～12.9%、4.2%～8.1%和0.2%～0.7%.不同船舶引擎類型的排放貢獻順序:主機引擎＞輔助引擎＞鍋爐.不同運行模式的排放大小依次為:普通速度行駛＞慢速行駛＞靠泊＞機動行駛.

3.3 船舶整體排放的高峰期出現在9:00～14:00,這與集裝箱船、散干貨船和油輪的排放規律較接近,而貨船晝夜變化不大,逐時排放比例維持在3.4%～5.5%,客船則體現出僅日間航行排放的特點.

3.4 船舶排放的高值區出現在由金塘水道、冊子水道、螺頭水道和蝦峙門水道組成的大型航道以及臨近的核心港區,不同類型船舶基于各自的運輸功能以及航線體現出不同的空間排放特征.

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Marine vessel emission and its temporal and spatial distribution characteristics in Ningbo-Zhoushan Port.

YIN Pei-ling1, HUANG Zheng-chao1, ZHENG Dan-nan1, WANG Xue-song1*, TIAN Xu-dong2, ZHENG Jun-yu3, ZHANG Yuan-hang1
(1.State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China；2.Zhejiang Environmental Monitoring Center, Hangzhou 310012, China；3.College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：27～37

A marine vessel emission inventory of 2010 in Ningbo-Zhoushan Port was developed based on an activity-based approach with tracks of local vessels from AIS (automatic identification system) and vessel feature information from LR (Lloyd’s Register of Shipping). The temporal and spatial distribution characteristics of marine vessel emission were acquired. The results showed that the emissions of SO2, NOx, PM10, PM2.5, VOC and CO were 2.16×104, 3.50×104, 2.59×103, 2.35×103, 1.50×103and 3.01×103t, respectively. The contribution percentages of exhausted emissions from container vessel, dry bulk carrier, conventional cargo vessel, oil tanker and cruise/ferry were 45.1%～57.7%, 8.9%～12.9%, 25.3%～40.7%, 4.2%～8.1% and 0.2%～0.7%, respectively. The emissions of pollutants usually reached peaks during 9:00～14:00, and the hourly emission profiles varied with vessel types. The high emissions were found in the large channel composed of Jintang, Cezi, Luotou and Xiazhimen waterways, as well as the surrounding main ports.

Ningbo-Zhoushan Port；marine vessel source；emission inventory；temporal and spatial distribution

X51

A

1000-6923(2017)01-0027-11

尹佩玲(1991-),女,廣東東莞人,北京大學碩士研究生,主要從事區域大氣污染控制工作研究.

2016-03-28

國家科技支撐計劃(2014BAC06B02);國家自然科學基金項目(41175102)

* 責任作者, 副教授, xswang@pku.edu.cn