廈門船舶控制區(綠色港口)大氣污染物減排成效評估*

王 堅 黃 厔 陳森陽 劉艷英

(廈門市環境科學研究院，福建 廈門 361021)

近年來，隨著航運運輸量的日益增長，船舶排放帶來的大氣污染引起了人們的廣泛關注[1-3]。由于船舶大多處于近海或近岸航行狀態，這些船舶排放的大氣污染物隨著海陸風，能夠大范圍地向陸地區域輸送并進一步反應，對人體健康和生態系統帶來嚴重危害，同時導致不可忽視的氣候變化效應[4-7]。

我國自2015年在珠三角、長三角、環渤海(京津冀)區域設立三個船舶大氣污染物排放控制區以來，船舶大氣污染物減排取得了明顯成效，相比2015年同期，2018年1～10月上述三個排放控制區的船舶硫氧化物排放量減少了16萬噸、顆粒物排放量減少了1.7萬噸。2019年1月1日起，新版《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》正式實施，我國沿海和內河主要通航水域全面納入排放控制管理，降低了船舶硫氧化物、氮氧化物、顆粒物和揮發性有機物等大氣污染物的排放，持續改善沿海和內河港口城市空氣質量[8]。

在2018年由亞太港口服務組織(APSN)主辦、新加坡海事及港務管理局承辦的港口互聯互通論壇上，共有9個港口獲得“綠色港口”稱號，廈門遠海集裝箱碼頭和廈門海潤集裝箱碼頭位列其中(這兩個碼頭均屬于海滄港區)。2016年以來，廈門港的岸電建設覆蓋港口的90%、位于全國前列，特別是隨著2019年年底廈門港新一代綠色生態型港口建設暨示范項目啟動，全國首批商用化純電動集裝箱牽引車在廈門正式投用，標志著廈門港綠色生態型港口建設將再上新臺階，繼續走在全國前列。本研究根據廈門船舶控制區大氣污染物排放特征及綠色港口建設情況，核算大氣污染物減排量；分析船舶控制區大氣污染物排放對市區環境空氣質量的影響，并定量評估綠色港口減排成效，以期為進一步控制船舶大氣污染和綠色港口建設提供有力的技術支撐。

1 材料與方法

本文以廈門市船舶控制區(包括東渡、海滄、招銀、翔安、五通港區)為研究區域，以2018年為基準年，通過對綠色港口建設、環境質量監測和港區堆場、機動車通行等情況的實地調查，獲得開展綠色港口減排評估所需的各種信息。

1.1 研究資料分析

1.1.1 港區大氣污染物排放特征

港區大氣污染源包括船舶、港作機械、港區內貨車、集裝箱拖車、港區油品儲存運輸源等排放的大氣污染物及裝卸、風蝕、道路和堆場揚塵等。除船舶外，其余污染源的排放因子采用《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》《道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南》[9]《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》[10]的相應指標，并進行本地化處理(表1)。

表1 廈門市港區大氣污染物排放因子

根據2018年港區閘口數據統計，東渡港區全年貨車通過量1435185輛，區域內平均行駛里程3km，堆場貨物為煤炭；海滄港區全年貨車通過量4276278輛，區域內平均行駛里程1.5km，堆場貨物為煤炭、鐵礦石和砂石料；招銀港區已經成為我國東南沿海最大的糧食、進口木材集散地，其港區揚塵主要來自機動車；翔安港區以散雜貨為主，堆場總面積為473800m2；五通港區為客運港區，沒有堆場，港區內無運營機動車，船舶控制區港作機械總耗油為4351.27t。各大氣污染源的排放量，按相應技術指南進行統計計算(表2)。

表2 2018年廈門船舶控制區污染物排放情況 單位：t·a-1

統計結果表明，廈門船舶控制區2018年污染物排放總量為17683t，以船舶大氣污染物排放量為最大，占92.8%；各污染物中以NOx的排放量最大，占60.2%，其次是SO2，占15.9%，然后是CO，占10.6%；在PM10的排放中，揚塵占比最大，達61.2%，體現了港區揚塵對船舶控制區PM10排放的重要貢獻。

1.1.2 港區大氣環境質量狀況

2016年10月，廈門市生態環境局在東渡港區和海滄港區分別建立1個環境空氣質量監測點位(圖1)，用于監控港口大氣污染物排放對環境空氣質量的影響。

圖1 廈門市環境空氣質量監測點位分布

對2016年以來港區環境空氣質量監測結果的統計發現，日變化呈現單峰值的污染物(SO2、CO、O3、PM10、PM2.5)，其峰值出現時間均處于進出港船舶污染物排放高峰期[10]，并比市區推遲1～2小時；NO2則呈現雙峰值，最大峰值出現在21時左右，各污染物的日變化規律與港區作業、進出港船舶大氣污染物排放及大氣擴散規律密切相關；同時，SO2、NO2、PM2.5均在3月份出現峰值與船舶污染物排放的峰值一致[11]，表明該時段船舶排放的污染物對港區的空氣質量影響較明顯，而PM10在4月、10月和12月出現峰值，表明港區揚塵對其貢獻大于船舶排放的污染物。與2017年相比，2018年廈門船舶控制區內東渡和海滄港區的環境空氣質量均有所改善；其中，東渡與海滄港區綜合指數分別下降10.8%和15.0%(市區下降1.5%)，下降幅度高于市區平均水平(表3)，特別是海滄港區的綜合指數已與市區平均綜合指數接近。

表3 環境空氣中各污染物濃度年際變化情況

1.1.3 綠色港口建設情況

來自于廈門市港口局和廈門港務控股集團公司的統計數據顯示，截至2019年，廈門港的岸電建設已位居全國前列，雖然海滄和東渡港區的岸電建設已成規模，但岸電的使用并不理想，至2018年共接泊55艘次，用電117.58萬kWh(表4)。港作機械使用清潔能源的改造工作比岸電建設來得更早，并提前報廢了113臺集裝箱拖車(表5)。

表4 2016年以來港區岸電建設及使用情況

表5 2018年港作機械及能源消耗情況

1.2 綠色港口減排成效評估方法

本文采用有別于國內常規的單純污染源減排量估算或數據模擬的方式進行減排成效評估的做法，在強調污染源減排準確度的情況下，對照港區環境質量的改善程度，應用擴散模式模擬驗證的方法，開展廈門船舶控制區(綠色港口)減排成效評估。

2 結果與討論

2.1 綠色港口減排核算

根據港作機械油改電過程的柴油消耗變化情況，核算2018年廈門港作機械電力替代減少燃油5664 t，集裝箱拖車更新113輛按機動車排放因子[9]的變化核算，船舶岸電使用按相應船舶停泊狀態的輔機、鍋爐排放清單[11]核算，拖輪油品提升燃油含硫量由0.5%下降至0.008%，裝箱和油船目前使用硫含量為1.5%的重油改變為停泊時間使用含硫量為0.5%的輕質柴油，其他船舶由使用硫含量為1.5%的重柴油改變為航行全過程使用含硫量為0.5%的輕質柴油的污染物減排，根據燃油修正因子(表6)進行減排量核算。表6顯示，CO排放因子不隨油品質量的提升而改變，但宋軍太[13]在一臺360kW 渦輪增壓中冷柴油機上開展不同燃油燃燒尾氣排放試驗，試驗燃油為0#柴油和國產標準180cSt/50℃殘渣油，發現在負荷為50%時殘渣CO的排放是柴油的1.78倍，負荷為25%時殘渣CO的排放是柴油的2.57倍，本文參照這一試驗結果對集裝箱和油船進行CO的減排核算。宋軍太[13]的研究還表明，油品提升在船舶停泊和較低負荷狀態時NOx的排放有所下降，本文也參照這一試驗結果進行NOx的減排核算。對照《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》(交海發〔2018〕168號)NOx控制規定、國內部分城市船舶排放因子[13-16]和本地船舶排放因子[11]的實際情況，需對廈門船舶控制區內2015年3月1日及之后建造的額定凈功率大于2000kW的內貿船舶，按《防止船舶造成空氣污染規則(MARPOL)》中第Ⅱ階段NOx排放限值進行減排核算，并計算各污染物減排量占船舶控制區污染物排放總量的比例(表7)。

表6 燃油修正因子[12]

表7 2018年綠色港口大氣污染物減排情況 單位:/t·a-1

2.2 基于擴散模式的船舶污染物排放影響研究

2.2.1 船舶污染物排放對市區環境空氣質量的影響模擬

AERMOD模型是20世紀90年代中后期美國環保局和美國氣象學會聯合開發的一種大氣擴散模型,它采用了最新的大氣邊界層和大氣擴散理論,替代ISC(Industrial Source Complex)模型成為新一代法規模型。國內對該模型的適用性進行研究并與其他相似模型進行對比[17-19]，該模型已被列入我國環境影響評價技術導則——大氣環境(HJ/T2.2-2008)推薦模型之一，并得到廣泛應用[20-22]。

AERMOD模型也應用于空間格局研究及區域空氣質量影響預測[23-24]，取得良好效果。伯鑫等人[25]采用AERMOD擴散模式預測分析焦爐排放PAHS共13種污染物在大氣中遷移擴散情況，并將AERMOD模式應用于健康風險評價中[26]，該模式還應用于評估高速公路交通源PM2.5等污染物的濃度分布[27]，為道路的規劃設計提供參考。基于該模型的廣泛應用，本研究的模擬結果將更具有實用性。

本文在已建立的廈門船舶大氣污染源排放清單的網格數據庫基礎上，疊加進出港區機動車和港作機械的排放、港區揚塵等數據，形成大氣污染源網格化數據庫，并利用AERMOD模型系統中的面源模式，輸入廈門市邊界層氣象條件，綜合考慮海滄港區及東渡港區的局地氣象因素(大氣穩定度、風速等差異)，分別計算2018年船舶控制區內各類型污染源排放對廈門市區3個國控環境空氣質量監測點位(洪文、湖里中學、鼓浪嶼)的年平均濃度貢獻值，然后求取市區平均值，計算廈門船舶控制區污染源排放對市區環境空氣質量的貢獻率(模擬值與市區年平均監測濃度的比值)。計算結果表明(表8)，船舶控制區排放的SO2對市區環境空氣中的SO2年平均濃度貢獻最大，達到60.0%，其次是NO2，CO的貢獻最小，僅為6.7%。

表8 AERMOD模型模擬結果

2.2.2 船舶污染物排放對港區環境空氣質量的變化模擬

鑒于SO2的減排效果最明顯(表7)，而且對市區環境空氣質量的貢獻最大(表8)，同時港區環境空氣中CO的濃度下降幅度最大(表3)，故本文利用AERMOD模型分別模擬計算2017年和2018年港區CO、SO2排放對東渡、海滄港區大氣環境監測點位的濃度貢獻(表9)，用于驗證評估方法的合理性。模擬結果表明，與2017年相比，2018年東渡與海滄港區SO2模擬濃度平均下降37.0%，CO模擬濃度平均下降30.0%。

表9 模擬貢獻計算結果

2.3 減排成效評估

廈門船舶控制區2018年綠色港口大氣污染物減排核算結果表明，SO2的減排量占控制區內SO2排放總量的34.6%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區環境空氣中的SO2年平均濃度分別下降25.0%和46.2%(平均下降34.5%)與模擬平均濃度值的下降幅度37.0%相近，同時市區環境空氣中的SO2年平均濃度也下降了18.2%，與國內其他船舶控制區SO2的環境濃度變化情況一致[28]，也驗證了本研究提出的船舶控制區排放的SO2對市區環境空氣中的SO2年平均濃度貢獻為60.0%的準確性，可見港區SO2減排效果顯著。污染物CO的減排量占控制區內CO排放總量的28.9%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區環境空氣中的CO年平均濃度分別下降了46.2%和57.1%(平均下降51.9%)，與模擬和減排結果相差較大，表明港區CO年平均濃度的下降存在其它影響因素，綜合考慮2018年市區環境空氣中CO年平均濃度略有上升的事實，給出港區CO減排取得一定效果的評估結論。PM10、PM2.5的減排量占控制區內顆粒物排放總量分別為17.4%和26.2%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區環境空氣中的PM10、PM2.5年平均濃度分別平均下降了8.2%和12.2%，港區顆粒物減排取得了一定成效；HC的減排量占控制區內HC排放總量的18.2%；在市區環境空氣中O3濃度上升的情況下，港區O3濃度呈現下降，表明港區HC的減排對遏制O3的生成有效，港區HC減排取得一定成效；NOx的減排量占控制區內NOx排放總量的8.5%，與2017年相比，2018年東渡和海滄港區環境空氣中的NO2年平均濃度與市區一樣沒有明顯變化，可見在全市移動污染源NOx排放量大(移動污染源的年排放量大于3萬噸)的情況下，僅對船舶控制區進行少量減排，難以達到改善環境空氣中NO2濃度的目的，必須制訂有效措施，進一步強化NOx的減排。

3 結論

2018年廈門船舶控制區污染物排放總量為17683t，各污染物年排放量為PM101561t、PM2.5761t、NOx10643t、SO22818t、CO 1866t、HC 795t，其中以NOx的排放量最大，占比達60.2%；核算各污染物減排量為PM10328t、PM2.5270t、NOx989t、SO21489t、CO 759t、HC 177t，各污染物減排比例為PM1017.4%、PM2.526.2%、NOx8.5%、SO234.6%、CO 28.9%、HC 18.2%。

利用AERMOD模型模擬港區大氣污染物排放對市區環境空氣質量的貢獻結果為PM1012.0%、PM2.512.3%、NOx32.3%、SO260.0%、CO 6.7%，其中以SO2的貢獻最大。

綠色港口減排結果是港區SO2減排取得顯著效果，CO、HC、PM10、PM2.5減排取得一定效果，在全市移動污染源NOx年排放量大于3萬噸的情況下，僅船舶控制區的少量減排，難以達到降低環境空氣中NO2濃度的目的。目前廈門綠色港口建設已位列全國前列，應大力提升和推廣岸電的使用，有效削減船舶NOx排放，降低環境空氣中NO2濃度。