楊甜甜, 文元橋, 黃 亮, 周春輝,c, 彭 鑫
(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院;b.智能交通系統(tǒng)研究中心;c.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;d.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心, 武漢 430063)
在全球氣候變化背景下,船舶排放問(wèn)題一直都是航運(yùn)界高度關(guān)注的話題。船舶和港口的大氣污染主要包括硫氧化物、氮氧化物、溫室氣體及微粒等[1],他們已成為港口城市的主要污染源,在部分地區(qū),其對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)率甚至超過(guò)機(jī)動(dòng)車和電廠。[2]2005年生效的國(guó)際防止船舶造成污染公約(The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships,MARPOL公約)附則Ⅵ確定了在全球范圍內(nèi)船舶使用燃料油硫含量(Fuel Sulfur Content,FSC)的標(biāo)準(zhǔn),并于2010年在波羅的海、北海、北美地區(qū)和加勒比海范圍內(nèi)設(shè)立硫排放控制區(qū)(Sulfur Emission Control Area,SECA)。《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》對(duì)船舶燃油的使用和大氣污染物排放做了總綱性規(guī)定。交通運(yùn)輸部在2015年發(fā)布了《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》[3]和《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案(2015—2020年)》[4],更具體地從船舶燃料油硫含量的角度,控制并減輕因大量排放硫氧化物造成的大氣環(huán)境污染。
對(duì)于船舶大氣污染物排放進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是進(jìn)一步實(shí)施排放控制措施、減少船舶大氣污染物排放的重要基礎(chǔ),也是目前亟需解決的問(wèn)題。特殊的水上環(huán)境使船舶尾氣監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝的難度較大,加上船舶的分散和流動(dòng)的特性使采集船舶參數(shù)和油耗信息等數(shù)據(jù)變得困難。目前,雖然國(guó)內(nèi)主要排放控制區(qū)的核心港口均已開(kāi)展防治船舶大氣污染的相關(guān)檢查,但是海事監(jiān)管中常用的登船抽取燃油對(duì)船舶尾氣排放進(jìn)行檢測(cè)的方法存在較大的盲目性和滯后性。因此,開(kāi)展船舶尾氣遙測(cè),特別是根據(jù)氣體污染物SO2濃度測(cè)算船舶燃料油硫含量,是測(cè)算排放控制區(qū)內(nèi)船舶使用燃料油合規(guī)性的重要方法。
船舶尾氣遙測(cè)方法根據(jù)不同原理分為光學(xué)法[5]和嗅探法兩種。光學(xué)法包括差分光學(xué)吸收光譜(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)、激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging,LIDAR)和紫外線相機(jī)(Ultraviolet Camera,UV-CAM)。嗅探法為通過(guò)遠(yuǎn)程測(cè)量確定船舶FSC提供最便捷的方法,在使用不同的遙測(cè)技術(shù)時(shí),可配合不同搭載平臺(tái),例如固定岸基、橋梁、船舶和飛機(jī),進(jìn)行多種組合方式的氣體污染物監(jiān)測(cè)。
在船舶尾氣監(jiān)測(cè)方面,史華杰等[6]通過(guò)設(shè)計(jì)基于無(wú)人機(jī)的船舶尾氣檢測(cè)系統(tǒng),快速檢測(cè)船舶尾氣中SO2的濃度和確定燃油中硫含量的范圍。汪佳瑤等[7]設(shè)計(jì)基于Android系統(tǒng)的船舶尾氣檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)搭載的氣體檢測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。芬蘭的六所大學(xué)等在2010年和2011年的夏季和冬季使用嗅探設(shè)備,研究在波羅的海航行的11艘船舶的尾氣(CO、CO2、SO2、NO、NO2)和顆粒物的排放特征。[8]BEECKEN等[9]使用機(jī)載嗅探設(shè)備測(cè)量了2011—2012年北海和波羅的海158艘船舶在不同情形下的174個(gè),計(jì)算得到85%監(jiān)測(cè)船舶使用符合標(biāo)準(zhǔn)的燃油。KATTNER等[10]測(cè)量漢堡港2014年的474艘和2015的374艘船舶尾氣排放,發(fā)現(xiàn)2015年95.4%的船舶燃油符合標(biāo)準(zhǔn),但尾氣排放小于2014年的99%。BEECKEN等[11]通過(guò)對(duì)芬蘭灣和涅瓦灣2011年8—9月和2012年6—7月311艘船舶466組測(cè)量(434組岸基測(cè)量結(jié)果,32組直升機(jī)測(cè)量結(jié)果),得到2011年90%和 2012年97%的船舶燃油符合規(guī)定。丹麥環(huán)境保護(hù)局使用機(jī)載嗅探設(shè)備測(cè)算2017年7—10月丹麥404艘船舶煙羽,發(fā)現(xiàn)22艘船舶5.4%的FSC水平超過(guò)排放控制區(qū)FSC不超過(guò)1%的標(biāo)準(zhǔn)。[12]
本文基于嗅探法的岸基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)集成氣體污染物濃度數(shù)據(jù)、船舶AIS數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)等信息,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)組織與計(jì)算,從而達(dá)到初篩超排嫌疑船舶的目的,并將超排嫌疑船舶實(shí)時(shí)信息動(dòng)態(tài)展示在系統(tǒng)的軟件平臺(tái),為及早發(fā)現(xiàn)和追蹤超排船舶以及采取針對(duì)性措施提供依據(jù)。
船舶大氣污染物岸基嗅探式自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括船舶大氣污染物排放智能監(jiān)測(cè)儀(簡(jiǎn)稱WUT-iTracer)以及配套的船舶大氣污染物排放智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)(簡(jiǎn)稱智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái))。系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1。

圖1 岸基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖
WUT-iTracer作為船舶岸基嗅探式自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)備,是一種基于氣體分析儀的高精度嗅探器,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶尾氣成分CO2、SO2、NOx(NO/NO2)的高精度的在線監(jiān)測(cè)。WUT-iTracer設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖2。WUT-iTracer采用模塊化的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3,其主要包括樣氣質(zhì)量控制模塊、氣體濃度測(cè)量模塊、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Indentification System,AIS)模塊、微型氣象站模塊、通信模塊、零氣調(diào)校模塊、電源管理模塊等。

圖2 WUT-iTracer設(shè)備實(shí)物圖圖3 WUT-iTracer設(shè)備主要結(jié)構(gòu)
樣氣質(zhì)量控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)入監(jiān)測(cè)儀的氣體流量、溫度、濕度和鹽度的控制。
氣體濃度測(cè)量模塊由CO2分析儀、SO2分析儀和NOx分析儀實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶尾氣的高精度在線監(jiān)測(cè)。其中:SO2分析儀采用脈沖熒光技術(shù)可測(cè)量高達(dá)0.001%的SO2;NO-NO2-NOx分析儀采用發(fā)光法對(duì)氮氧化物濃度進(jìn)行分析,并對(duì)各種氣體進(jìn)行獨(dú)立校準(zhǔn)。
AIS模塊通過(guò)AIS接收機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲得船舶速度、航向、經(jīng)緯度等信息;微型氣象站能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量設(shè)備周圍的風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度等5種要素信息。
電源管理模塊在電網(wǎng)異常(如停電、欠壓、干擾或者涌浪)情況下不間斷地為設(shè)備提供后備交流電源,可保證監(jiān)測(cè)設(shè)備在多種環(huán)境條件下的連續(xù)在線工作。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最終通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。
智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)是與船舶大氣污染物排放智能監(jiān)測(cè)儀配套的數(shù)據(jù)可視化Web平臺(tái),通過(guò)智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的通信模塊所傳輸?shù)母黜?xiàng)數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算和地理信息可視化顯示。
1.3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理
在確定氣體污染物濃度之后,為粗篩超排嫌疑船舶,需先對(duì)遠(yuǎn)程模塊傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,以下為預(yù)處理步驟。
1.3.1.1 數(shù)據(jù)去噪、清洗
為保證用于統(tǒng)計(jì)和計(jì)算的數(shù)據(jù)質(zhì)量,需要對(duì)接收到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和清洗,主要包括對(duì)異常數(shù)據(jù)的剔除。例如由于AIS接收模塊的系統(tǒng)誤差和固有缺陷,AIS數(shù)據(jù)中存在一部分的異常數(shù)據(jù)。其中正常的船舶海上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Maritime Mobile Service Identity,MMSI)是由9位阿拉伯?dāng)?shù)字組成的。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)號(hào)碼由7位數(shù)字組成,對(duì)于MMSI或IMO缺失、錯(cuò)誤的AIS靜態(tài)信息進(jìn)行剔除。
1.3.1.2 數(shù)據(jù)重構(gòu)
插值和多維數(shù)據(jù)融合。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備得到的數(shù)據(jù)精度存在差異,為便于后續(xù)利用不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉融合計(jì)算,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。氣體濃度數(shù)據(jù),時(shí)間精度為5 s;AIS模塊每隔1 s更新一次AIS數(shù)據(jù),對(duì)于特定船舶,AIS數(shù)據(jù)精度為8~30 s;環(huán)境氣象數(shù)據(jù),時(shí)間精度為6 s。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)插值,得到時(shí)間精度為1 s的地面監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù),達(dá)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)序統(tǒng)一的目的;面向任務(wù)的數(shù)據(jù)組織。將岸基固定監(jiān)測(cè)站在監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的最大檢測(cè)值和監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的平均監(jiān)測(cè)濃度的差值與平均濃度的比值記為增量Δ,當(dāng)Δ大于30%時(shí),氣體污染物濃度出現(xiàn)較大波動(dòng)。結(jié)合此時(shí)的AIS數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù),索引位于監(jiān)測(cè)設(shè)備上風(fēng)向區(qū)域且位于監(jiān)測(cè)和擴(kuò)散范圍內(nèi)的船舶,根據(jù)船舶MMSI組織相關(guān)聯(lián)的信息。
(1)
1.3.2船舶尾氣的擴(kuò)散濃度計(jì)算
針對(duì)氣體濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)的所有船舶,采用文元橋等[13]的船舶廢氣排放量計(jì)算公式,通過(guò)船舶特征參數(shù)(航速、功率、載重、油耗等)可計(jì)算船舶在使用標(biāo)準(zhǔn)燃油條件下的污染物氣體排放值。
利用大氣污染物擴(kuò)散模型CALPUFF,將計(jì)算得到的氣體污染物排放量作為源清單,計(jì)算船舶在此時(shí)的地理環(huán)境和在氣象條件下擴(kuò)散到監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的濃度值Cc。
1.3.3環(huán)境背景濃度識(shí)別
氣體污染物的環(huán)境背景濃度是指除船舶外其他所有污染源的濃度Cb。目前,國(guó)外學(xué)者使用遙測(cè)方法對(duì)船舶尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),基本都是選取單艘船舶作為研究對(duì)象。因?yàn)閮H使用單個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)時(shí),為準(zhǔn)確測(cè)量船舶排放的氣體煙羽濃度,在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于煙羽下風(fēng)區(qū)域范圍前提下,還必須滿足環(huán)境背景中污染物氣體濃度影響較小,進(jìn)出港口和航道的船舶活動(dòng)情況相對(duì)簡(jiǎn)單的要求。此時(shí)背景濃度可根據(jù)氣體濃度測(cè)量結(jié)果,利用峰值濃度出現(xiàn)前固定時(shí)間段內(nèi)濃度結(jié)果穩(wěn)定的穩(wěn)定值與濃度峰值的差值作為此時(shí)的背景濃度。
當(dāng)有多個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)時(shí),在背景濃度識(shí)別通過(guò)CALPUFF模型后,計(jì)算出氣體濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)所有船舶的污染物濃度擴(kuò)散范圍。出現(xiàn)濃度波動(dòng)的監(jiān)測(cè)站與不在船舶擴(kuò)散范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)站氣體濃度的差值即為污染物背景濃度。
污染物濃度背景測(cè)算示意見(jiàn)圖4,假設(shè)在監(jiān)測(cè)水域有3個(gè)岸基污染物監(jiān)測(cè)站A、B、C和3艘活動(dòng)船舶,根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向和船舶污染物排放量,利用污染物擴(kuò)散模型計(jì)算得出3艘船舶所排污染物的擴(kuò)散范圍,得知觀測(cè)站B、C的觀測(cè)值會(huì)受船舶排放的影響,而觀測(cè)站A的觀測(cè)值視為環(huán)境背景污染物濃度值。
1.3.4疑似超排船舶的識(shí)別
為達(dá)到粗篩嫌疑船舶的目的,比較和判斷船舶是否超排,利用式(2)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),其中監(jiān)測(cè)站測(cè)量數(shù)據(jù)的峰值濃度記為Co。比較船舶理論氣體污染物排放值與氣體實(shí)測(cè)濃度值,若不等式成立,則此船舶的實(shí)際排放濃度高于基于標(biāo)準(zhǔn)燃油計(jì)算出的氣體污染物理論排放濃度,判斷船舶存在違規(guī)排放的嫌疑。
Co≥Cc+Cb
(2)
1.3.5信息可視化顯示
將嫌疑船舶的信息展示在智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)岸基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)超排大氣污染物船舶的功能。智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)的軟件界面見(jiàn)圖5,通過(guò)每10 s一次的更新頻率,平臺(tái)可切換展示各種氣體污染物在1 min和30 min時(shí)間尺度內(nèi)的觀測(cè)濃度值和濃度變化趨勢(shì),嫌疑船舶的信息也會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖4 污染物濃度背景測(cè)算示意圖5 智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件界面圖
船舶大氣污染物排放岸基固定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)域位于深圳市鹽田港碼頭(見(jiàn)圖6)。深圳市位于廣東省中南沿海地區(qū),所處緯度較低,屬亞熱帶海洋性氣候。由于受夏季風(fēng)的影響,夏季盛行偏東南風(fēng),其余季節(jié)盛行東北季風(fēng)。試驗(yàn)時(shí)間為2018年6月2日—2018年8月1日,當(dāng)?shù)厥⑿邢募撅L(fēng),主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠珫|南風(fēng)。船舶大氣污染物排放岸基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署于碼頭上風(fēng)向過(guò)往和進(jìn)出港船舶航道網(wǎng)附近,經(jīng)緯度位置為(114.28°E,22.57°N),試驗(yàn)區(qū)域的范圍為(22.53°N,22.61°N)(114.24°E,114.33°E)。

圖6 深圳鹽田國(guó)際集裝箱碼頭區(qū)域示意
WUT-iTracer觀測(cè)點(diǎn)位在D點(diǎn),設(shè)備附近場(chǎng)地開(kāi)闊,無(wú)遮擋,能夠取電,滿足岸基觀測(cè)站架設(shè)需求。記錄試驗(yàn)期間24 h地面固定監(jiān)測(cè)船舶煙羽試驗(yàn),地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)記錄并保存4類氣體(CO2、SO2、NO、NO2)24 h濃度變化數(shù)據(jù)以及過(guò)往船舶的AIS數(shù)據(jù)、氣象信息(風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度等)。
通過(guò)深圳鹽田港船舶排放固定岸基監(jiān)測(cè)站,對(duì)鹽田港進(jìn)出港以及過(guò)往船舶排放煙羽中的CO2、SO2、NO、NO2進(jìn)行2個(gè)月全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)人工觀察記錄(9:00—17:00),此次試驗(yàn)地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)共監(jiān)測(cè)船舶400余艘。根據(jù)地面監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)到的船舶大氣污染物排放濃度數(shù)據(jù)、船舶AIS數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析得出超排嫌疑船舶39艘。
分析典型的39艘船舶進(jìn)出試驗(yàn)區(qū)域時(shí),岸基觀測(cè)站氣體濃度監(jiān)測(cè)值有明顯上升趨勢(shì)的時(shí)間區(qū)間范圍(不完全包含所有濃度峰值時(shí)間)內(nèi)的氣體濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,首先根據(jù)可疑船舶的MMSI,利用小波閾值去噪法確定單船的實(shí)測(cè)氣體濃度,與CALPUFF模型計(jì)算出的同時(shí)刻該船舶理論氣體濃度值進(jìn)行比較。
以2018年6月26日出港船舶MSC BETTINA和船舶MSC BERYL為例,對(duì)比船舶的SO2實(shí)時(shí)排放濃度與實(shí)時(shí)氣象條件模擬得到的氣體污染物理論濃度。兩艘樣本船舶的基本信息見(jiàn)表1。

表1 兩艘樣本船舶的基本信息
MSC BETTINA經(jīng)過(guò)觀測(cè)站點(diǎn)時(shí),MSC BETTINA的岸基觀測(cè)濃度與模擬濃度對(duì)比見(jiàn)圖7。觀測(cè)濃度約從14:30開(kāi)始升高,在14:30:36達(dá)到峰值約16.35 μg/ m3,并在約14:33回落至背景值水平,與模擬濃度反映的船舶尾氣污染物對(duì)岸邊觀測(cè)點(diǎn)影響特征一致。

圖7 BETTINA的岸基觀測(cè)濃度與模擬濃度對(duì)比
MSC BERYL的岸基觀測(cè)濃度與模擬濃度對(duì)比見(jiàn)圖8。由圖8可知:當(dāng)MSC BERYL經(jīng)過(guò)觀測(cè)站點(diǎn)時(shí),觀測(cè)濃度約從15:06開(kāi)始升高,在15:07:31達(dá)到峰值約14.30 μg/m3,并在約15:10回落至背景值水平。與模擬濃度反映的船舶大氣污染物對(duì)岸基觀測(cè)點(diǎn)影響特征相比,雖然濃度響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間僅約3 min,小于模擬結(jié)果代表的理論持續(xù)時(shí)間,但是氣體濃度總的趨勢(shì)相同,觀測(cè)濃度峰值水平與模擬濃度有較好的可比性。

圖8 BERYL的岸基觀測(cè)濃度與模擬濃度對(duì)比
基于嗅探式傳感器的岸基監(jiān)測(cè)設(shè)備,利用內(nèi)置的高精度氣體檢測(cè)儀,能實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2、CO2、NO、NO2的濃度監(jiān)測(cè),通過(guò)配套軟件系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)結(jié)果展示在網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)上。利用小波閾值去噪法去除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的背景濃度,得到單艘船舶的實(shí)測(cè)氣體排放量。通過(guò)與CALPUFF模型模擬得到的理論濃度的對(duì)比分析證明岸基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。
由于基于嗅探法的岸基監(jiān)測(cè)屬于被動(dòng)式遙測(cè),風(fēng)是影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的選取需要充分考慮到風(fēng)向和風(fēng)速的影響。針對(duì)風(fēng)向的影響,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)必須位于煙羽下風(fēng)向區(qū)域才可準(zhǔn)確捕捉到氣體污染物。嗅探法監(jiān)測(cè)需要一定的風(fēng)速將煙團(tuán)輸送到監(jiān)測(cè)站點(diǎn),但是風(fēng)速過(guò)大容易導(dǎo)致氣體污染物煙羽從船舶煙囪口排除后被快速稀釋,到達(dá)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)時(shí)氣體濃度小于儀器最小測(cè)量精度而測(cè)量不到氣體濃度。另外受到設(shè)備本身的靈敏度的限制,監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步精確和驗(yàn)證。在測(cè)量得到船舶氣體污染物排放濃度的基礎(chǔ)上,基于燃料油碳守恒法,推算船舶燃料油硫含量,能為發(fā)現(xiàn)和懲治違規(guī)使用不合格燃料油的船舶提供依據(jù),降低燃油抽檢的成本,確保執(zhí)法的精準(zhǔn)性。