綠色港口建設中港區大氣污染物排放研究綜述

賀林林，焦鈺褀，賈 瑞，梁 越

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；3. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

0 引 言

2019年我國集裝箱吞吐量超百萬標箱的港口共有27個，其中7個位居世界十大港口之列。港口貿易在帶來良好經濟效益同時，船舶運輸活動和裝卸設備作業造成的大氣污染也日益嚴重。為改善港口環境，國際港口界提出了綠色港口的發展理念，美國洛杉磯港、長灘港，澳大利亞悉尼港，荷蘭鹿特丹港等紛紛采取行動貫徹該發展理念，并取得了顯著成效，使得西方國家綠色港口建設走在世界前列[1]。我國在綠色港口建設還處于起步階段，目前相關研究成果較少。因此，有必要對我國港口區域大氣污染物排放特征進行研究，為制定港口大氣污染物防治政策、評估船舶排放控制區治理成效提供支撐。

在歸納分析現有文獻基礎上，筆者首先總結了港口施工期和運營期大氣污染物來源；然后為系統闡述港口大氣污染物排放清單，介紹了主要污染物檢測方法，并總結了港口主要排放源清單編制方法；進而歸納了港口運輸船舶大氣污染物排放的時空分布特征，定性分析了港作機械及集疏運車輛的排放特征；為比較不同年份不同地區船舶大氣污染物排放特征，同時評估同一地區船舶減排成效，提出了港口船舶大氣污染因子概念和表達式；最后分析了我國針對港口大氣污染物排放的研究現狀并指出目前排放清單研究中的現存問題。

1 港口大氣污染源及主要污染物

大氣污染物源解析技術是對大氣中污染物來源進行定性或定量研究的技術，排放清單法則是源解析技術最有效方法[2]。排放清單完整性包含了排放源完整性和污染物種類的齊備性，因此在研究港口大氣污染物排放時，首先需準確捕捉港口大氣排放源及污染物。

對于不同類型港口，以及在港口發展的不同階段，港口大氣污染物排放源和主要污染物存在差異。楊秀妍[3]總結了施工期和運營期散貨碼頭、集裝箱碼頭和石化碼頭的大氣污染物排放源和主要污染物，見表1。

表1 港口主要大氣污染物及污染源Table 1 Main air pollutants and pollution sources of the port

需要指出的是，港口施工期產生的大氣污染通常容易被忽略。施工過程中施工材料堆存、裝卸、拆包、攪拌，及施工機械行駛均會產生大量粉塵，除此之外，施工機械尾氣排放也是施工期主要污染源之一。據環保部統計2018年非道路移動源排放數據顯示：工程機械碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)排放量分別為28.9×104t、175.3×104t、11.4×104t，在非道路移動源排放總量中的占比如圖1。從圖1中可看出：碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NOx)占比分別為44.5%和34.2%，工程機械是最主要的HC 和NOx非道路排放源。由此可見，港口施工過程中大氣污染必須引起重視。

圖1 2018年非道路移動源HC、NOx、PM排放量Fig. 1 Non-road mobile sources HC, NOx, PM emissions in 2018

港口運營期間，不同類型港口主要大氣污染源有所差異。散貨碼頭大氣污染主要來自于翻車機房、皮帶機輸送、存儲、裝船等過程產生的揚塵，但這種污染表現為面源污染特性，擴散規律不強，因此僅對距離港區較近的居民生活有影響[4]。集裝箱港區內排放源眾多，具體包括：集裝箱船、裝卸橋、正面吊、集裝箱拖車和輪胎式起重機等。不同類型污染源及運行工況對大氣污染物排放量貢獻也有所不同，研究過程中通常采用大氣污染物排放分擔率進行表達。研究表明：在系泊工況下，集裝箱船和散貨船對各類大氣污染物分擔率均較高[5-9]，港作機械中集裝箱裝卸橋和集裝箱拖車的大氣污染物排放分擔率較高[10-11]。

2 港口大氣污染物排放清單編制

大氣污染物排放清單指各種排放源在一定時間跨度和空間區域內向大氣中排放大氣污染物數量的集合[2]。可靠的排放清單能為大氣污染物防治政策制定、治理成效評估提供有力的數據支撐。港口大氣污染物排放源眾多，主要包括運輸船舶、港作機械及集疏運車輛，相應的大氣污染物排放清單編制方法不盡相同。

2.1 港口主要大氣污染物監測方法

合適的大氣污染物監測方法是獲取可靠的港口大氣污染物排放清單保障。為此，王甲智等[12]參照我國相關環境監測技術標準和規范，介紹了港口大氣環境中氣態和蒸汽態污染物、顆粒物及污染組成的監測方法。筆者通過總結，將現有港口主要大氣污染物監測方法歸納如表2。

表2 港口主要大氣污染物檢測方法Table 2 Detection methods of main air pollutants of port

目前大氣監測設備主要分為兩種，一種是點式空氣質量自動檢測系統，用于港區內定點檢測空氣質量和污染物濃度。張慶華等[13]指出，目前國內使用的點式空氣質量自動檢測系統采用熒光發光法、物理儀器法、非色散紅外吸收法及β射線吸收法可檢測主要的大氣污染參數，是可靠的檢測方法。另一種則是可用于實時監測移動源在行駛過程中氣態、固態顆粒污染物排放情況的車載尾氣分析儀(portable emission measurement system, PEMS)，該設備由監測氣態污染物濃度的SEMTECH-DS和監測顆粒物濃度的ELPI兩部分組成，是目前用于研究移動源排放特征行之有效方法。

2.2 港口船舶排放清單編制方法

目前，國際上船舶排放清單編制方法主要包括兩種：基于燃料消耗量的自上而下的計算方法[14-17]與基于船舶自動識別系統(automatic identification system, AIS)的自下而上的動力法[18-21]。歐盟環境部(European Environment Agency, EEA)、美國洛杉磯港、長灘港等基于以上方法和理論編制了一系列港口大氣污染物排放清單報告，并在實踐過程中優化了排放清單編制方法[22-24]。

國內學者陸續開展了相關的研究工作。CHEN Dongsheng等[25]對2016年以前國內港口船舶大氣污染物排放清單研究成果進行了總結。在此基礎上，筆者通過搜集歸納相關文獻，對近幾年相關研究成果進行補充，如表3。

表3 船舶大氣污染物排放清單編制方法及主要研究內容(2018—2020)Table 3 Compilation method and main research contents of ship air pollutant emission inventory (2018—2020)

已有研究成果表明：燃料消耗法和動力法作為目前編制船舶大氣污染物排放清單切實可行的方法，仍存在如下問題：

1)燃料消耗法計算過程中數據的全面性和準確性有待考證。內河船舶大氣污染物排放清單通常采用燃料消耗法編制，燃料消耗量作為計算中一個重要參數常采用調查和估算方式獲取，調查過程中數據遺漏和估算過程中產生誤差均會影響排放清單的可靠性；

2)燃料消耗法在運距內采用統一的排放因子，但根據內河船舶排放特征，不同工況下船舶污染物排放速率和排放量有很大差異，因此采用燃料消耗估算排放量與實際情況有出入；

3)動力法目前僅適用于沿海、遠洋船舶大氣污染物排放清單的編制，對于內河船舶，該方法有局限性。動力法主要是基于AIS系統，分工況、分船型估算船舶大氣污染物排放量，因此計算排放量更符合實際情況。但該方法對船舶安裝AIS系統有要求，內河中由于AIS基站存在覆蓋范圍不全面、船舶上行信號受阻、地形建筑物遮擋信號、AIS系統受大氣無線電干擾等問題，限制了動力法在內河中的應用[34]；

4)動力法計算過程中的負荷因子和排放因子多借鑒國外標準，缺乏本土化的排放因子和船舶發動機負荷因子。

除了以上兩種方法，學者們還提出了編制船舶大氣污染物排放清單的其他方法。如：劉靜等[35]采用基于GIS地理信息系統EnviMan復合源大氣擴散模型的解析法；A.MIOLA等[36]提出了混合法；宋亞楠[37]采用基于PEMS測算排放因子的燃料消耗法；HUANG Liang等[38]提出了基于實時航跡數據的船舶排放動態計算方法等。

2.3 港作機械及集疏運車輛排放清單編制方法

除運輸船舶外，港作機械和集疏運車輛對港口大氣污染物排放量的貢獻也不容忽視。目前國內針對港作機械及集疏運車輛排放清單編制方法的研究有限，筆者將國內現有研究成果總結于表4。

表4 港作機械及集疏運車輛排放清單編制方法Table 4 Cargo handling equipment and heavy-duty vehicle emissioninventory compilation methodologies

由表4可知，已有的編制方法主要分為兩類：燃料消耗法和基于發動機活動的動力法。筆者將其編制過程及其特點總結如下：

1)基于發動機活動的動力法。該方法通過綜合考慮機械的燃料種類、發動機類型、使用時間和劣化率(集疏運車輛為車輛保有量)確定排放因子，然后采用自下而上的動力法編制排放清單。該方法參考文獻[23]排放清單的編制方法，該理論較成熟，但編制過程中需要大量的調研統計數據，目前國內對于港作機械及集疏運車輛信息采集制度還不完善，故采用該方法編制排放清單工作量和難度較大；

2)燃料消耗法。該方法是基于各類污染物排放因子和燃料消耗量確定大氣污染物排放量。燃料消耗法編制排放清單關鍵是確定大氣污染物排放因子，已有研究大多是基于現有規范或參考已有研究成果獲取。付明亮等[42]通過采用PEMS實時監測確定工程機械的排放因子，該方法可為提高燃料消耗法估算港作機械及集疏運車輛排放清單的準確性提供參考。

需要指出的是，目前國內已編制的大氣污染物排放清單均僅考慮單獨港口大氣污染物排放源，缺乏包含運輸船舶、港作機械及集疏運車輛等主要排放源完整港口大氣污染物排放清單。因此，亟待對目前大氣污染物排放清單進行改進，在編制過程中需涵蓋港口主要的大氣污染物排放源，從而保證港口大氣污染物排放清單完整性。

3 港口大氣污染物排放特征

港口運輸船舶、港作機械和集疏運車輛作為主要的港口大氣污染物排放源，研究分析其排放特性有助于對港口大氣污染排放進行高效防治。筆者通過分析歸納已有研究成果，對內河及沿海港口主要排放源排放特征進行總結。

3.1 港口船舶大氣污染物排放特征

與道路移動源相比[43-44]，港口船舶大氣污染物排放具有如下特征：① 港口船舶大氣污染物排放量時間分布特征明顯，具體包括：短時間尺度范圍內不同運行工況下的船舶大氣污染物排放量不同；長時間尺度范圍內，一年中大氣污染物排放量也會有所差異。② 港口大氣污染物排放量空間分布不均，存在明顯的排放強度集中區域。

筆者將分別對港口船舶大氣污染物排放時間、空間分布特性分別進行介紹。

3.1.1 時間分布特征

船舶航行過程可分為不同工況：巡航、低速巡航、機動操控(包括進港、出港)、靠泊和錨泊等工況。不同工況下船舶航速度、發動機負荷、排氣溫度和進氣量均會影響污染物排放速率和排放量。

筆者通過分析總結文獻[9, 29, 45]，并結合文獻[45]典型工況下CO、HC、NOx及PM瞬時排放特征(圖2)，得到港口船舶大氣污染物排放量短時間內的分布特征。

圖2 典型工況下CO、HC、NOx及PM瞬時排放特征Fig. 2 Real-time emission characteristics of CO, HC, NOx and PM in typical conditions

1)進、出港工況下，污染物瞬時排放速率劇烈波動，且出港工況下，大氣污染物排放速率達到峰值。其原因為：船舶迅速調整位置，促使發動機負荷、進氣量均發生波動，此時燃料不能充分燃燒，以大氣污染物的形式排出；此外，出港工況下，船舶經歷冷啟動階段，此時內燃機溫度較低，燃料不容易汽化燃燒，更易生成廢氣排出。

2)巡航工況下，NOx的排放量最大，高于進、出港工況。其原因是：巡航工況下，發動機高負荷運轉，供氧量充足，內燃機溫度和排氣溫度均較高，有利于NOx的產生。

3)每種工況下，PM的粒徑分布都具有雙峰值特性。這主要是由于不同工況內燃機溫度不同，從而使得顆粒物分別以揮發性物質、未充分燃燒的液態碳氫為主的聚集態顆粒(出港工況)、吸附了柴油裂解產物的凝聚態顆粒(進港、巡航工況)形式存在。

4)沿海港口船舶不同航行工況下染物排放總量順序依次為：巡航>低速巡航>停泊>機動操作>錨泊。文獻[7]研究結果與王堅等[8]和呂建華等[29]稍有出入，其原因在于后者研究范圍均小于前者，計算巡航時間較短，從而造成停泊時的排放量大于巡航狀態下。內河船舶與沿海港口船舶規律相似，但停泊和錨泊時排放量很小。

此外，相關學者對我國港口船舶大氣污染物排放量長時間內分布特征進行了相關研究[7-9, 30]。研究表明：2月份港口大氣污染物排放量最低，沿海港口9—11月份間排放量達到峰值，內河港口排放峰值則出現在3—6月份。進一步分析可知：港口大氣污染物排放量時間分布特征受地理位置、水流、氣候、經濟發展情況等諸多因素影響，其中水流條件是影響內河港口大氣污染物排放的關鍵。

3.1.2 空間分布特征

對沿海港口船舶大氣污染物排放量空間分布特性研究，目前主要采用AIS監測的船舶航行軌跡和排放清單數據，建立格網化污染物排放數據庫，進而利用ArcGIS技術進行可視化處理得到排放強度集中區域[8, 28]。研究表明：沿海港口船舶排放強度集中區域位于距港口12(n mile)范圍內[6-7]，其原因在于船舶行駛至該區域時，航速低、耗時久、輔機和鍋爐負荷因子高、燃料燃燒不充分，從而導致排放量增大。內河港口船舶大氣污染物排放強度集中區域則主要分布于船舶往來頻繁河段[9,30]。

需要指出的是，以上結論均為港口船舶大氣污染物排放量時空分布特征，港口大氣污染源眾多，除船舶外，港作機械的排放量也不容忽視[10-11]。因此，在研究港口大氣污染物排放量時空分布特征時，還需考慮港作機械對分布特性產生的影響。

3.2 港作機械及集疏運車輛大氣污染物排放特征

港作機械及集疏運車輛作為港區內主要排放源，目前研究成果有限，筆者僅對其排放特性進行定性歸納。

1)港作機械及集疏運車輛大氣污染物排放量相對排序為：NOx>CO>HC>PM>SOx，NOx仍是港口大氣污染物中排放量最大的污染物；此外，港作機械與集疏運車輛是港口CO和HC最主要的排放源。

2)港作機械中，岸橋和集裝箱拖車對港口大氣污染物排放分擔率較高。

3)港作機械由于受其裝卸功能限制，排放強度集中區域主要位于港口前沿及堆場內。集疏運車輛由于承擔著港區與腹地之間的運輸任務，排放區域較分散，其排放量大小取決于邊界條件選取，強度集中區域還需進一步研究。

研究港口大氣污染物排放時間分布特性是建立排放預測模型的基礎，空間分布特征研究則有利于明確港口排放集中區域，開展區域專項治理。根據不同污染源特性，有針對性的制定大氣污染物防治政策，開展港口大氣污染物專項治理活動，可提高港口大氣污染物治理成效。

4 國內港口大氣污染物排放現狀

4.1 港口船舶大氣污染因子Ps

港口吞吐量通常定義為一年間經由水運輸入、輸出港區并經過裝卸作業的貨物總量[46]。港口完成貨物吞吐過程會涉及船舶運輸、港作機械裝卸、集疏運車輛運輸等多個裝卸過程，該過程中船舶、港作機械、集疏運車輛均會排放大量的大氣污染物。由于目前國內針對港作機械排放及集疏運車輛排放成果較少，因此筆者僅對港口完成貨物吞吐所產生的船舶大氣污染物排放特性進行研究。

為比較不同年份不同地區船舶大氣污染物排放特征，同時評估同一地區船舶減排成效，筆者定義單因子參數Ps。該參數表示港口每完成億萬噸級貨物吞吐量須承擔的萬噸級船舶大氣污染物排放量，且為比較不同規模港口船舶大氣污染物排放特性，統一為單位面積或單位岸線長度排放量。此外為便于表示將參數擴大108倍，將該單因子參數定義為港口船舶大氣污染因子，其計算如式(1)：

(1)

式中：Ps為港口船舶大氣污染因子，km-2/km-1；Es為大氣污染物排放量，104t；Qp為港口吞吐量，108t；As為船舶排放研究區域面積或研究區域岸線長度，km2/km。

根據筆者定義的港口船舶大氣污染因子Ps，結合國內編制的大氣污染物排放清單及設立的船舶排放控制區，選取幾個典型港口和河段，繪制出表5和圖3，據此分析這些地區船舶大氣污染物排放特征。

表5 國內典型港口及河段船舶大氣污染物排放清單Table 5 Emission inventory of air pollutants from ships in typical ports and river sections in China

圖3 我國典型港口及河段船舶大氣污染因子分布Fig. 3 Distribution of ship air pollution factors in typical ports andriver sections in China

1)上海港作為長江三角洲地區代表型港口，與渤海灣的天津港、珠江三角洲的深圳港相比，其吞吐量較大，船舶大氣污染物總排放量也較大，但每完成單位貨物吞吐量須承擔的船舶大氣污染物排放量較少，也即Ps較小，說明港口控制船舶排放能力較強。

2)2017年長江江蘇段內河港口船舶大氣污染物排放總量較2014年有所增加，但Ps值相對較低，說明控制船舶排放能力增強，減排成效明顯。

3)內河港口船舶大氣污染物排放總量較大，Ps值偏高，因此需提高船舶排放控制能力。

4.2 國內港口大氣污染物排放研究現狀

我國于2015年將珠三角、長三角、環渤海水域設定為船舶排放控制區，又于2018年11月進一步將排放控制區擴大到全國沿海12(n mile)及海南水域、長江干線(云南水富至江蘇瀏河口)和西江干線(廣西南寧至廣東肇慶)的內河通航水域。

筆者通過統計整理，將我國已開展港口船舶、港作機械及集疏運車輛大氣污染物排放研究的地區和港口繪制于圖4。

圖4 我國已開展港口大氣污染物排放研究的地區和主要港口Fig. 4 The areas and main ports in which the research on theemission of air pollutants from ports has been carried out in China

由圖4可知：我國沿海地區港口針對大氣污染物排放已經開展了一定研究工作，并得到了較高重視；相比之下，內河港口大氣污染物排放研究極少，且集中于長江江蘇段。表5表明：內河船舶大氣污染物排放量較大，必須引起重視；此外，沿海地區大氣污染物排放清單尚存在更新不及時不連續問題，這將會嚴重影響對港口廢氣排放預測。

5 結 論

自2007年以來，國內學者針對港口船舶大氣污染物排放開展了相關研究，建立了有效的分析方法并制定了各港口大氣污染物排放清單，已取得了一定成效。但目前我國針對港口大氣污染物排放研究還存在以下問題：

1)對于已開展的港口船舶大氣污染物排放研究，多集中于沿海港口及河口港，長江沿線地區的內陸港口對于港口大氣污染物排放問題，還未引起重視；

2)編制船舶大氣污染物排放清單方法多種多樣，目前還沒有形成準確統一的規范化編制方法；大氣污染物排放因子選取多參考國外標準，計算過程中缺少本土化的排放因子；

3)大氣污染物排放清單更新過程的連續性和及時性缺失，大大降低了對港口廢氣排放預測的能力；

4)目前國內已編制的大氣污染物排放清單均僅考慮單獨港口大氣污染物排放源，缺乏包含運輸船舶、港作機械及集疏運車輛等主要排放源完整的港口大氣污染物排放清單。

基于以上問題，長江沿線內陸港口應積極響應綠色港口建設號召，盡快開展港口大氣污染物排放相關研究工作；其次，基于車載尾氣分析儀PEMS，開展本土化排放因子測量工作；同時在制定港口大氣污染物排放清單過程中，應完善港口污染物排放源，保證排放清單的完整性。