環渤海經濟區海域船舶大氣污染物排放特征

劉 躍, 陳俊峰,*, 田玉軍, 王 征

1.大連海事大學環境科學與工程學院, 遼寧 大連 116026 2.交通運輸部水運科學研究院, 北京 100088

船舶大氣污染排放已受到國內外各界的廣泛關注. Goldsworthy等[1]研究表明，澳大利亞船舶排放的NOx、SO2、PM10、VOC、CO和CO2分別占非船舶排放造成污染的24.0%、17.0%、2.4%、0.2%、0.3%和2.7%. Aksoyoglu等[2]利用空氣質量模型分析了船舶排放對歐洲大氣質量的貢獻程度. Winther等[3]將EEDI(Energy Efficiency Design Index，能效設計指數)應用于北極地區船舶黑炭排放特征分析，發現漁船是主要排放船型，漁船對船舶黑炭的貢獻率為45%. 田玉軍等[4-5]研究了珠江口灣區靠港船舶轉用低硫油的經濟成本與環境效益，以及船舶大氣污染物排放控制區實施方案對珠三角區域空氣質量的影響. YAO等[6-8]對長三角地區船舶大氣污染物排放特征進行了分析. CHEN等[9-11]從全國尺度計算了船舶排放清單及研究了船舶排放對空氣污染的貢獻程度. 我國日益重視船舶大氣污染物排放控制，《大氣污染防治行動計劃》和《中華人民共和國大氣污染防治法》(2018修正)均要求加強對船舶大氣污染的控制. 為有效控制船舶大氣污染排放，近幾年我國先后發布了《船舶與港口污染防治專項行動實施方案(2015—2020年)》《珠三角、長三角、環渤海(京津冀)水域船舶排放控制區實施方案》《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》等.

環渤海經濟區是指環繞渤海全部及黃海的部分沿岸地區所組成的廣大經濟區域，是我國重點打造的7個跨省(區、市)的經濟區域之一. 推進該區發展是我國實施“一帶一路”建設、京津冀協同發展的重要舉措. 環渤海經濟區也是我國北方航運發展的重點區域，區內有丹東港、大連港、營口港、盤錦港、錦州港、葫蘆島港、秦皇島港、唐山港、天津港、黃驊港、濱州港、東營港、濰坊港、煙臺港、威海港、青島港、日照港等17個主要港口. 根據《2017年交通運輸行業發展統計公報》和AIS (Automatic Identification System，自動識別系統)信息服務平臺的統計分析，2017年環渤海經濟區進出港船舶約57.02×104艘次，貨物吞吐量約40.17×108t，其中貨物吞吐量上億噸的港口有11個. 船舶大氣污染物排放直接影響到大氣污染減排工作，這也是促使該區域成為我國大氣污染控制重點區域的主要原因之一.

如何科學有效地控制環渤海經濟區船舶大氣污染物排放，需要開展船舶大氣污染物排放特征、減排措施方面的系統研究. 但目前鮮見針對環渤海經濟區的研究報道，少數研究報道了環渤海(京津冀)水域船舶排放控制區船舶大氣污染物排放清單[12-14]. 在港口尺度，該區內船舶排放清單的研究主要涉及天津港[15-17]、大連港[18]、青島港[19]等港口. 隨著我國對船舶大氣污染控制力度的不斷加大，近幾年船舶大氣污染排放發生了明顯變化，特別是SOx的排放，已有研究不能完全反映環渤海經濟區周邊海域船舶大氣污染物排放特征. 因此，迫切需要開展環渤海經濟區船舶大氣污染特征研究，為該區大氣污染控制提供技術支持. 該研究基于船舶AIS數據，采用動力法核算環渤海經濟區周邊海域2017年船舶大氣污染物排放量，分析其排放特征，以期為環渤海經濟區周邊海域船舶大氣污染物減排、區域空氣質量管理及船舶大氣污染防治提供參考.

1 研究方法與數據

1.1 研究區域與對象

研究區域為環渤海經濟區(35°04′N～40°53′N、117°35′E～124°10′E)，以2017年為基準年，以營運船舶(不包括軍用船舶、漁業船舶、體育運動船艇)為研究對象，船舶大氣污染物種類主要包括SOx、NOx、PM10、HC、CO. 由于營運船舶類型眾多，有必要對營運船舶進行整理合并. 合并后的營運船舶分為客船(高速客船、郵輪和普通客船)、油船(油船、化學品船、液貨船、液化氣船)、散貨船(散貨船、散裝水泥運輸船、散裝瀝青船)、集裝箱船、滾裝船(滾裝船、車輛運輸船、滾裝貨船)、其他貨船(雜貨船、多用途船、重大件運輸船)、頂推船拖輪和非運輸船.

1.2 研究方法

船舶大氣污染物排放清單方法可分為自下而上的動力法和自上而下的燃料法兩類. 早期研究以燃料法為主[20-24]，近些年基于AIS的動力法成為國內外普遍采用的方法[25-28]. 與燃料法相比，基于AIS的動力法具有更高的準度，能準確分析單船在不同時間下的污染物排放情況，更好地適應高時空分辨率的大氣污染分析和精準化的大氣污染控制發展趨勢. 該研究采用基于AIS的動力法分析環渤海經濟區周邊海域船舶大氣污染特征.

船舶主副機污染物排放計算公式[26,29]：

式中：Eik為第i種發動機的第k種污染物的排放量，t；MCRi為第i種發動機的額定功率，kW；LFij為第i種發動機在第j種工況的負荷系數，無量綱；Tj為第j種工況的運行時間，h；EFijk為第i種發動機在第j種工況的第k種污染物的排放系數，g(kW·h)；FCF為燃油修正系數，無量綱.

船舶鍋爐污染物排放計算公式[26,29]：

(2)

式中：Ek為第k種污染物的排放量，t；G為鍋爐負荷功率，kW；EFjk為第j種工況的第k種污染物的排放系數，g(kW·h).

1.2.1燃油硫含量 2.17年以前該區船舶主要使用180 CST和380 CST重質燃料油，根據我國海事部門的抽樣統計，重質燃料油的硫含量(以質量分數計)基本為2.7%. 該研究選取的船舶燃油硫含量為2.7%，燃油修正系數取1.

1.2.2排放系數

該區靠泊船舶以沿海和遠洋船舶為主，船舶發動機為中低速柴油機. 目前，全球范圍內尚無統一的排放系數. 船舶燃油硫含量為2.7%時，船舶排放系數在全球范圍無顯著差別，差異范圍甚小. 由于美國洛杉磯港推薦的船舶排放系數數據較全，筆者直接選用美國洛杉磯港推薦的排放系數(見表1、2)[30].

表1 主機排放系數[30]

表2 副機排放系數和鍋爐排放系數[30]

1.2.3主機負荷系數及低負荷調整系數

船舶在加速、逆風(浪)、淺水航行時，船體受到的阻力會增加，螺旋槳轉速會增加，螺旋槳轉速與船速不相符，主機負荷系數發生變化. 因此，核算污染物排放量時需要修正主機負荷系數，主機負荷系數(LF)修正公式：

LF=δ×(SaSm)3

(3)

式中：Sa為船舶航行實際速度，knot；Sm為船舶最大設計速度，knot；δ為主機負荷系數修正因子，參照文獻[31-32]，該研究中取0.9.

船舶主機負荷系數低于20%時，柴油機燃燒效率會隨著負荷的減少逐漸降低，主機排放系數會發生變化，主機負荷系數越小，主機排放系數變化越明顯. 筆者選用ICF (Inner City Fund，內城基金)研究成果中的低負荷調整系數[33]修訂主機排放系數.

1.2.4船舶工況

采用速度和主機負荷相結合的方法對船舶工況進行判斷，判定依據參照文獻[34]，如表3所示.

表3 工況判定依據[34]

1.2.5副機負荷系數

副機負荷系數選取與船舶類型和工況有關，該研究選用IMO(International Maritime Organization，國際海事組織)第二次溫室氣體研究報告[35]中的副機負荷系數，如表4所示.

1.3 數據來源及處理

動力法需要的主要數據為AIS數據(包括船舶實際速度、經度、緯度、工況等)和船舶注冊登記數據(包括船名、船舶登記號、船長、船寬、總噸、載重噸、主機信息、副機信息等). 2017年船舶AIS數據從國家海事局獲得. 沿海和遠洋船舶都安裝了AIS設備，獲得數據基本包括研究范圍內的船舶. 將獲取的AIS數據經清洗、融合、解析后，每隔30 min形成1個動態報文.

表4 副機負荷系數[35]

船舶注冊登記數據包括我國海事部門提供的船舶注冊登記數據和2個國際數據庫(克拉克森數據庫和勞氏數據庫)數據. 截至2017年底，我國海事部門船舶登記數據庫中共有船舶41.12×104艘，主要以干貨船、散貨船、客船、油船、集裝箱船、雜貨船為主. 克拉克森數據庫包含100 GT(總噸)以上的船舶15×104艘，其中有副機功率的船舶約占27%，該數據庫中主機功率和其他字段相對較全. 勞氏數據庫中有12×104艘船舶，在船舶設備信息方面，主機信息大部分都有，副機信息缺失數據較多.

通過對AIS數據和船舶注冊登記數據的匹配關聯，建立計算所需的數據庫，包括主副機功率、船舶速度、船舶類型、船舶噸位、船長、航行時間和位置等. 利用AIS信息中的IMO號和MMSI(Maritime Mobile Service Identify，水上移動通信業務標識碼)與船舶登記注冊數據庫匹配，具體分兩級匹配. 首先，依據IMO號和MMSI進行一級匹配；其次，利用船名、船舶類型和船長等信息進行二級匹配. 匹配后仍有部分船舶信息缺失，缺失的關鍵信息主要有主機額定功率、副機額定功率、最大設計速度等. 對這些缺失信息，筆者采取以下方式補全.

1.3.1主機額定功率和最大設計速度

基于已有船舶信息(船舶登記注冊數據)分別擬合不同類型船舶的主機額定功率與船長、最大設計速度與船長之間的數理關系，建立主機額定功率與船長、最大設計速度與船長之間的判定公式. 主機額定功率的判定公式、最大設計速度的判定公式如表5所示.

1.3.2副機額定功率優先匹配AIS數據與船舶登記注冊數據獲取副機額定功率，未能通過匹配獲取副機額定功率的船舶，采用比值法來估算. 利用主機額定功率乘以副機額定功率與主機額定功率的比值[36]獲取副機額定功率.

表5 主機額定功率和最大設計速度的判定公式

1.3.3鍋爐負荷功率

鍋爐負荷功率優先采用調查數據，缺失數據參考Entec研究提供的鍋爐負荷功率數據[37]，綜合確定后的鍋爐負荷功率如表6所示.

表6 鍋爐負荷功率[37]

2 結果與分析

2.1 船舶大氣污染物排放量

2017年環渤海經濟區周邊海域船舶排放量計算結果表明，區域內船舶SOx、NOx、PM10、HC、CO的排放量分別為26.18×104、41.12×104、3.48×104、1.13×104和2.66×104t. 其中，NOx排放量在船舶大氣污染物總排放量中占比(55.14%)最大，其次為SOx排放量(占比為35.11%)，二者排放量之和占船舶大氣污染物總排放量的90.25%，PM10、HC和CO排放量分別占船舶大氣污染物總排放量的4.67%、1.52%、3.56%.

2.2 不同工況的排放特征

各工況下船舶大氣污染物排放量分析結果顯示，船舶在錨泊、系泊、港區機動、巡航、低速航行下大氣污染物排放量分別為0.53×104、13.29×104、9.51×104、15.83×104和35.41×104t (見表7). 各工況下船舶大氣污染物排放量占總排放量的比例：低速航行占47.49%、巡航占21.23%、系泊占17.82%、港區機動占12.75%、錨泊占0.71%. 可見，低速航行和巡航是船舶大氣污染物排放的主要工況.

表7 不同工況下船舶排放情況

進一步分析各工況下不同污染物的排放量，結果表明，低速航行工況下SOx、NOx、PM10、HC、CO排放量較大，這5類污染物排放量在對應污染物總排放量中的占比均大于45%，其次為巡航、系泊、港區機動和錨泊，與文獻[38]對不同工況下船舶大氣污染物占比分析結果基本相同. 在環渤海經濟區內，船舶選擇低速航行的主要原因是通過降低航速的方式在一定程度上降低燃油消耗; 另外，外籍船舶進出港艘次約占該區內船舶進出港艘次的25%，鑒于國際航運市場的低迷現狀，外籍船舶優先選擇降低航速實現節約燃油成本的目的. 各工況下，不同污染物排放量的占比變化不顯著(見圖1). 低速航行下的污染物排放量占污染物總排放量的45%～49%，巡航下的污染物排放量占污染物總排放量的20%左右，系泊下的污染物排放量占污染物總排放量的16%～20%，港區機動下的污染物排放量占污染物總排放量的13%左右，錨泊下的污染物排放量占污染物總排放量的比例不足1%.

圖1 不同工況排放量在船舶總排放量的占比Fig.1 Percentage of pollutants under different operating conditions

2.3 船舶大氣污染物排放空間分布

對研究區域做網格劃分，通過經緯度數據將每個點源定位到合適的網格中，分別統計各網格內的船舶大氣污染物排放量，將船舶排放量進行空間分攤.

圖2 環渤海經濟區船舶排放大氣污染物的空間分布Fig.2 Spatial distribution of atmospheric pollutants emitted by ships in Circum-Bohai Sea Economic Zone

將船舶排放清單計算結果繪制成1 km×1 km的大氣污染物排放空間分布結果(見圖2). 由圖2可見，船舶SOx、NOx、PM10、HC排放主要集中在航道附近，呈現出與航行路線一致的空間分布特征，船舶CO的空間分布也具有上述的特點. 該區域單位網格船舶SOx、NOx、PM10、HC、CO平均排放量分別為0.159、0.251、0.021、0.007和0.016 t，最高排放量分別為278.44、589.79、33.50、9.30和25.58 t. 在成頭山通航水域、老鐵山至渤海灣航路、成山頭至老鐵山航路區域，船舶污染物排放最為嚴重，這是由于船舶流量大、密度高所導致，尤其是成頭山通航水域，船舶交叉相遇局面較為復雜. 在港區方面，大連港、唐山港、青島港、黃驊港、天津港船舶污染物排放相對密集，這是因為進出這些港的船舶艘次占研究區域進出港船舶艘次的64%以上，且每個港的貨物吞吐量均在2.5×108t以上，另外船舶以油船、散貨船、集裝箱船為主.

3 討論

環渤海經濟區周邊海域船舶排放量高于已有研究結果，筆者研究結果表明，該區域2017年船舶SOx、NOx排放量分別是2014年渤海灣水域(大連港與成頭山連線以西水域)[13]船舶SOx、NOx排放量的2.17、2.37倍，這是因為筆者研究區域是渤海灣水域的1.5倍左右，還包括青島港(貨物吞吐量為5.08×108t，占筆者研究區域貨物吞吐量的12.65%)、日照港(貨物吞吐量為3.60×108t，占筆者研究區域貨物吞吐量的8.96%)，另外進出青島港和日照港的船舶艘次占筆者研究區域進出港艘次的13.94%. 對于環渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(大連丹東大陸岸線交界點與煙臺威海大陸岸線交界點的連線以內水域)，與鄭巖[14]測算的2013年船舶SOx排放量相比，筆者研究區域2017年船舶SOx排放量是其2.48倍，這主要是由測算范圍、測算對象、船舶工況判定依據不同所致. 測算范圍上，筆者測算范圍為鄭巖[14]測算范圍的2倍左右；筆者測算對象不僅包括沿海船舶，還包括遠洋船舶，遠洋船舶凈載重量是沿海船舶的2.66倍；由于船舶工況判定依據的不同，筆者除了考慮系泊、港區機動、巡航、低速航行等工況外，還將錨泊考慮在內.

近年來，我國加大了對靠泊船舶大氣污染物排放控制力度，禁止船舶使用高硫油，要求船舶提前換燒低硫油，加大靠港船舶使用岸電力度. 研究結果表明，環渤海經濟區內船舶在靠泊期間SOx、NOx、PM10、HC、CO排放量分別為5.06×104、6.86×104、0.67×104、0.19×104、0.51×104t，分別占對應船舶污染物總排放量的19.33%、16.68%、19.25%、16.81%、19.17%. 這說明該區靠港船舶大氣污染排放具有約20%的減排潛力，應加強靠港船舶污染排放控制，進一步提高岸電覆蓋率，積極推進靠港船舶使用岸電.

IMO海上環境保護委員會第58次會議通過的《國際防止船舶造成污染公約》附則Ⅵ修正案規定，2020年1月1日及以后，船上使用的任何燃油的硫含量不應超過0.5%. 國家海事局發布的《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》規定，自2020年1月1日起，國際航行船舶進入中華人民共和國管轄水域應當使用硫含量不超過0.5%的燃油，進入我國內河船舶大氣污染物排放控制區的，應當使用硫含量不超過0.1%的燃油. 環渤海經濟區大部分水域屬于我國船舶大氣污染物排放控制區，分別計算研究區域內船舶使用硫含量為2.7%、0.5%和0.1%的燃料油時的SOx排放量，結果表明，研究范圍內所有船舶使用硫含量為0.5%的燃料油時，SOx減排量為21.33×104t；使用硫含量為0.1%的燃料油時，SOx減排量為25.21×104t. 這說明推進環渤海經濟區船舶使用低硫油具有顯著的SOx減排效果.

4 結論

a) 環渤海經濟區是我北方重要的經濟區域，也是主要的航運區之一. 船舶大氣污染排放不容忽視. 2017年環渤海經濟區周邊海域船舶SOx、NOx、PM10、HC、CO總排放量分別為26.18×104、41.12×104、3.48×104、1.13×104、2.66×104t，其中以NOx和SOx排放量為主.

b) 船舶大氣污染物排放主要在低速航行、巡航和系泊工況下產生，低速航行下SOx、NOx、PM10、HC、CO排放量分別占對應船舶污染物總排放量的45.56%、48.79%、46.55%、48.68%、47.00%.

c) 系泊工況船舶大氣污染物排放量約占船舶大氣污染物總排放量的20%，推進靠港船舶使用岸電、推廣液化天然氣動力船舶應用等舉措具有很好的減排效果.

d) 船舶使用硫含量為0.5%和0.1%的燃料油時，船舶SOx排放量分別減少81.47%和96.29%，可見船舶使用低硫油時SOx減排效果顯著.