船舶尾氣排放對葛洲壩大氣灰霾的影響初探

張兆年++譚穎喆++饒少林++張文娟

摘要：指出了目前對灰霾來源的研究中，對船舶尾氣的研究目前正起步。采用目前國內最先進的在線單顆粒氣溶膠質譜儀SPAMS0525對葛洲壩船閘處的細顆粒物PM2.5來源進行了解析監測，結合船舶污染物排放量的核算，得出了船舶尾氣排放對灰霾形成有較大影響，貢獻率約占7%的結論。

關鍵詞：港口城市；船舶排放；灰霾；來源解析

中圖分類號：X823

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10000103

1 引言

灰霾是大量環境空氣污染物在不利擴散降解的氣象條件下形成的一種空氣污染。在中國氣象局《地面氣象觀測規范》中，霾天氣的定義是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍有混濁現象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。

近年來，隨著工業發展和城市化進程加快，大氣污染嚴重，灰霾頻發，對灰霾污染過程的特征和來源的相應研究也逐漸增多[1～8]。形成灰霾污染的大氣顆粒物來源主要來源于燃煤廢氣、工業工藝廢氣、建筑施工與道路交通揚塵、移動源、生物質燃燒廢氣與農業面源、二次無機源等。目前在灰霾污染來源研究中，針對移動源的研究以機動車尾氣為主，而對于排放氣態和顆粒態污染物在移動源中占有重要比例的船舶尾氣則研究很少。宜昌市是一個港口城市，舉世聞名的三峽大壩和葛洲壩位于宜昌市，隨著國家西部大開發戰略的穩步推進、長江黃金水道作用的充分發揮，近年來過閘需求穩步增長，加上目前我國港口船舶污染控制不論是法律法規還是管理技術、控制水平方面均與國外發達港口城市相比存在較大的差距，船舶排放廢氣帶來的空氣污染問題不容忽視。如圖1中激光雷達掃描結果顯示[9，10]， 2015年4月2日凌晨1點，宜昌市長江水域?？康拇耙虿裼桶l電機產生污染，造成江面上空出現了一個個球狀的污染團，濃度較高，可以完全阻擋激光的透過，且隨著空氣流動向城區擴散。

筆者利用單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀（Single Particle Aerosol Mass Spectrometer， SPAMS）針對宜昌市船舶污染對灰霾污染的貢獻進行了初步探討，并結合排放清單數據進行了估算驗證，結果對于進一步了解宜昌市船舶污染現狀具有積極意義，并且可為制定相應的控制對策提供科學依據和數據基礎。

圖1 宜昌江面船舶停靠點上空激光雷達掃測

2 研究方法

2.1 監測站點和時間

為量化船舶污染的影響，于2015年7月分別在葛洲壩船閘處及遠離葛洲壩船閘同一個功能區的夷陵子站對細顆粒物（PM2.5）開展監測，并進行了來源解析。

葛洲壩點位觀測時間為2015年7月8～13日，歷時5 d，期間為多云天氣，時均AQI最高值達到106，為輕度污染水平，PM2.5最高為79 μg/m3，超過國家二級濃度限值；夷陵子站觀測時間為2015年7月17日，由于條件所限，歷時1 d，期間天氣也為多云，天氣條件與葛洲壩點位觀測期間類似，AQI最高值達到103，為輕度污染水平，PM2.5最高為76 μg/m3。兩個站點的地理位置分布如圖2所示，夷陵子站位于葛洲壩東北方向直線距離5 km左右。

2.2 監測方法

灰霾成因復雜，短時期千變萬化，在線單顆粒氣溶膠質譜儀能瞬時獲取大氣顆粒物的化學組成和粒徑大小，跟蹤各類污染源對形成灰霾的貢獻率，迅速查找形成灰霾的主導污染源。為此利用廣州禾信儀器股份有限公司生產的SPAMS0525型單顆粒飛行時間質譜儀對細顆粒物（PM2.5）進行來源解析工作[11，12]，探討船舶污染對灰霾形成的貢獻率。

圖2 葛洲壩和夷陵子站點位分布

Li 等[13] 曾對SPAMS 的工作原理進行了詳細的闡述：氣溶膠顆粒通過空氣動力學透鏡聚焦進入真空系統，在測徑區由雙激光測徑，同時觸發電離激光對被測徑顆粒進行精確電離，最后由雙極飛行時間質量分析器實現對氣溶膠顆?；瘜W組分的檢測。樣品采集期間，環境空氣經PM2.5切割頭切割后直接進入SPAMS 分析。

2.3 數據處理

采集到的數據使用禾信公司開發的CoCo軟件包在Matlab平臺上進行處理。依照《大氣顆粒物來源解析技術指南》，結合宜昌市的能源結構，參照前期在宜昌市建立的大氣顆粒物污染源譜庫，利用各類污染源質譜特征中的示蹤離子對采集到的顆粒數據進行搜索，主要將將宜昌市細顆粒物（PM2.5）污染來源歸結為七大類，分別為揚塵、生物質燃燒、機動車與船舶尾氣、燃煤、工業工藝（非燃燒產生的顆粒）、二次無機源和其他。

3 結果與討論

3.1 單顆粒質譜法解析船舶影響

圖3為監測期間兩點位的顆粒物來源分析圖。a圖為夷陵點位顆粒物源解析結果，監測期間夷陵監測點位首要污染源為揚塵源（25.3%），其次是機動車與船舶尾氣源（22.9%），第三為燃煤源（20.7%）；b圖為葛洲壩點位源解析結果，與夷陵點位不同，監測期間葛洲壩點位首要污染源為機動車與船舶尾氣源（30.2%），其次是揚塵源（23.1%），第三為燃煤源（17.4%）。對比兩個源解析結果，發現兩點位除機動車與船舶尾氣占比差異較大外，其余各源占比接近，排序也基本保持一致。這與當地實際情況較為相符：葛洲壩點位和夷陵點位直線距離僅為5 km左右，除葛洲壩點位船閘處有大量過往船舶外，周邊其他污染源分布情況基本相同。且夷陵點位監測當日，風向以東南風為主，基本受不到來自葛洲壩的船舶尾氣影響。因此，二者之間機動車與船舶尾氣貢獻率的差異，可以大致認為是由兩測點之間船舶尾氣貢獻率的差異所致。

由監測結果可知，葛洲壩點位機動車與船舶尾氣對細顆粒物PM2.5的貢獻率比夷陵點位高7.3%，由此可見船舶尾氣排放對葛洲壩點位大氣顆粒物的貢獻率約為7.3%。

圖3 兩點位顆粒物來源分析結果

3.2 污染源排放清單法驗證

污染源排放清單能準確定量出各類空氣污染源對形成灰霾的貢獻率，而船舶大氣污染物排放沒有相應的標準，當前也沒有開展日常的排污申報監測，基本上無船舶大氣污染物排放量數據，研究中采用物料衡算方法近似估算。

目前，我國船用燃料消耗中有60%～65%為船用燃料油，少量用輕柴油（普通柴油）。根據《船用燃料油》（GB/T 17411-2012）標準，目前，我國的船用燃料油硫含量在1%～3.5%（10000～35000 mg/L），是國四柴油（含硫量50 mg/L）的200～700倍。據調查，一般每萬噸船舶以10 km/h行駛，一小時耗油400 kg，一般船只過葛洲壩船閘需3 h，而在城區航行和等待過閘需10 h以上，等待過程中均以燃油發電。為了研究該課題，筆者專門調查了過往船只，估算出平均每萬噸船舶在宜昌城區航行與過閘一般需耗油3000 kg。據長江三峽通航管理局統計，2015年葛洲壩、三峽船閘客貨通過量達到1.196億t。據此計算，過往宜昌船只在城區耗油約3.6萬t。按船用燃料油硫含量2%計算，燃油中硫燃燒后均以SO2形式排放，由物料衡算得該SO2年排放量1440 t。據宜昌市環保局統計，2015年宜昌市城區二氧化硫排放量20000 t，則過往宜昌船只二氧化硫排放量占宜昌市城區7.2%。船舶排放的其他廢氣污染物排放量占全市城區空氣污染物總量的比例難以估算，但二氧化硫作為典型的空氣污染物，基本能反映空氣污染源總體貢獻率[8，12]。

4 結論

在線單顆粒氣溶膠質譜儀（SPAMS0525）監測解析結果表明，船舶污染對葛洲壩點位灰霾的貢獻率約為7.3%；污染清單分析表明，過往宜昌船只廢氣污染物排放量約占宜昌市城區的7.2%；排污清單法和源解析法兩種方法得到的船舶污染對灰霾的貢獻率十分一致，由此可見，宜昌市船舶污染對閘口附近灰霾形成有較大的影響，貢獻率約占7%。

參考文獻：

[1]吳 兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等. 珠江三角洲大氣灰霾導致能見度下降問題研究[J].氣象學報，2006，64（4）：510～517.

[2]吳 兌.關于霾與霧的區別和灰霾天氣預警的討論[J].氣象，2005，31（4）：3～7.

[3]付曉輝，肖 剛，姜玉印，等.近53年宜昌市霾的演變特征及氣象因子診斷[J].長江流域資源與環境，2010，19（2）：164～168.