民航机场飞机排放浓度分布模型

曹惠玲，饶德志，梁大敏

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

19世纪70年代以来，随着商用喷气机交通运输的大幅增加，引起了人们对飞机和机场污染物排放的更多关注。不同于大多数的运输方式，飞机会在不同的高度行驶很长的距离，产生的排放会对当地空气质量和区域及国际环境产生潜在的影响[1]。例如，飞机排放产生气态污染物如CO2、NOx、HC和细颗粒，这些引起了广泛的环境问题，如气候变化和空气质量恶化，对公众健康和生存环境产生了很多危害。

目前大气扩散模式的基本理论都已十分成熟，但是将大气扩散模式的理论应用于飞机排放尤其是飞机发动机排放对机场周边大气环境的研究还是一个新兴的研究方向，国内在这方面的研究非常少，可查资料也很少。然而，现在民航排放污染物对机场周边的环境影响已日益严重，排放污染扩散的研究是不可或缺的重要环节，是研究污染物对机场周边污染规律的基础，这就决定了问题研究的迫切性与必要性[2]。

1 民航机场飞机排放浓度扩散模型

1.1 大气扩散模式

大气扩散模式的研究已经进行的十分广泛与深入。在大气扩散模式中，高斯扩散模式应用范围最为广泛，根据污染源的几何形状不同，可分成点源、线源及面源。

在无限空间点源扩散不受边界限制，情况最为简单，可作为其他空间应用模型的基础，无限空间点源扩散在空间任意点（x，y，z）污染物浓度的计算模式高斯模式

当式中z=0时，即为地面污染物浓度

在横风作用下，无限长线源下风向与线源距离相等处的污染物浓度均相等，所以点源模式沿y方向积分，即得到线源计算扩散模式。当风向与线源垂直时，无限长线源下风向污染物地面浓度计算模式为

其中：c为任意点污染物浓度（mg/m3）；Q为污染物源强（mg/s）；为环境风速（m/s）；σy、σz为 y和 z方向上的扩散系数（m）；x为计算点相对于源的下风向距离（m）；y为计算点相对于源的横风向距离（m）。

“一定、一定，魏书记的指示我切实执行，部里布置的任务也要完成。陵矿从破产到现在，在您的领导下变化是巨大的，特别是民生方面，繁荣兴旺，魏书记，喂，喂喂…..”那边电话挂了。

1.2 机场飞机排放扩散模型的确定

机场飞机排放扩散模型是基于大气扩散模式，即将大气扩散模式应用于机场飞机排放，其中的各参数根据机场的地理条件、气象条件等予以确定。飞机在机场的活动路线看成连续有限长线源计算。按照高斯扩散模式的体系，以沿平均风向的直线为x轴，根据飞机在机场相关的活动轨迹确定线源，对式（1）沿线源方向积分，设线源由y1至y2（y1＜y2），则得出机场飞机排放扩散模型为

其中：p 为风向与线源的夹角；p1=y1/σy；p2=y2/σy。

1.3 机场飞机排放扩散模型相关参数的确定

1.3.1 大气稳定度分级

根据帕斯奎尔稳定度分级方法，首先由机场大气环境中的云量与太阳高度角的值在文献[3]中查出太阳辐射等级数，再由太阳辐射等级数与地面风速的数值在文献[3]中查找稳定度等级。其中太阳高度角h0使用下式计算[3]

其中：Φ为当地纬度；δ为当地经度；γ为太阳倾角，可在文献[3]中查找；t为观测时的北京时间（h）。

1.3.2 扩散参数σy与σz的确定

污染物在大气中的扩散与浓度分布是在湍流作用下形成的，而湍流统计量与时间长短有关。由于大气湍流作用，风速大小和方向随时在变，在短时间内风向变化角度小，烟云散布范围窄，σ值小[3]；反之亦然。《大气环境质量标准》（GB3095-1996）中规定的“一次最大允许浓度”相对应的取样时间为0.5 h。

0.5 h取样时间扩散参数与水平距离的关系为[4]

其中：α1、γ1为横向扩散参数回归指数；α2、γ2为铅直扩散参数回归指数；x为计算点相对于源的下风向距离（m）；α1、γ1、α2、γ2的值见文献[3]对应 0.5 h 的取样时间。

因此横向扩散系数需要满足

其中：τ1、τ2为取样时间；Q为时间稀释指数，对应的数值参见表 1；σyτ1、σyτ2为对应取样时间为 τ1、τ2时的横向扩散系数。

表1 时间稀释表Tab.1 Time dilution table

1.3.3 风速的修正

在大气边界层内，风向风速一般和高度有关。一般气象部门只提供距地面10 m高度定时观测值的风速资料。不同高度上的风速可以用幂律加以修正，公式如下所示[3]其中：为高度为z处的平均风速（m/s）；为离地面高度 10 m 的观测风速（m/s）；z为高度（m）；z10为取高度为10 m；m为稳定度的参数。

2 对民航机场飞机排放污染浓度分布预测

2.1 飞机在机场和空中的活动轨迹

在民航机场主要污染物是在飞机起飞和降落过程中飞机发动机排出的污染气体，飞机在机场的活动轨迹就是飞机污染路线，在飞机起飞降落过程，飞机飞行的典型剖面图如图1所示。图中高度值根据ICAO标准的规定，确定飞机起飞降落过程对应不同飞行状态的高度[5]。

图1 民用运输机典型飞行剖面Fig.1 Typical flight profile of the civil transport aircraft

2.2 民航机场飞机排放污染浓度分布预测实例

根据飞机起飞降落的过程和计算所需，简化机场平面和起飞降落的路线，建立计算模型的坐标体系如图2所示，1为进近阶段，2为滑行阶段，3为起飞阶段，4为爬升阶段，假设起飞状态时逆风（飞机起飞的理想状态），根据起飞降落过程，则降落状态时为顺风方向，y为横风方向。原点o为飞机跑道的端点处，H1为飞机起飞阶段高度，H2为爬升阶段高度，H为混合层高度。α为起飞角，β为下滑进近角[2]。根据ICAO标准飞机起飞降落过程的混合高度H为915 m，起飞阶段高度H1为305 m，爬升高度H2为610。飞机发动机在跑道上的高取2 m[6-7]，滑行阶段的距离取3000 m，起飞角度α为9°，滑行进近角β为3°[7]。

图2 计算模型坐标Fig.2 Computational model coordinates

计算中采用南京禄口国际机场某日8：00到9：00的气象资料如表2所示，假设某架飞机装有2台JT3D-7型发动机，其起降循环中各阶段的燃油流量F如表3所示[8]，以前工作已经计算出该型号发动机NOx排放指数 EINOx，如表 4 所示[9]。

表2 气象资料Tab.2 Meteorological data

由于NOx的排放强度为

其中：n为每架飞机的发动机个数；F为燃油流量（kg/h）；EINO为 NOx排放指数（g/kg）。

表3 JT3D-7型发动机起降循环中各阶段的燃油流量Tab.3 Fuel flow of JT3D-7 engine during process of landing and take-off

表4 JT3D-7型发动机起降循环中各阶段NOx排放指数Tab.4 NOxemission index of JT3D-7 engine during process of landing and take-off

经式（3）计算得到如表5所示的结果。

表5 NOx的排放强度Tab.5 Emissions strength of NOx

根据表5的NOx的排放强度QNOx，通过实例中机场的气象条件和地理条件以及飞机的活动轨迹确定机场飞机排放扩散模型（2）中参数、σy、σz、h和线源边界，再用Matlab模拟NOx污染物在滑行阶段的浓度分布图如图3所示。

图3 NOx浓度扩散分布Fig.3 Diffusion concentration distribution of NOx

从图3中可以看出，NOx污染物浓度沿风方向升高很快，当到达最高值以后又平缓下降，在线源沿风方向约50 m处NOx污染物浓度最大。

由于起飞降落其他过程线源规律较复杂，线源边界的修正模拟工作量较大，图3只是模拟NOx污染物浓度在滑行阶段的分布，其它过程的排放扩散情况还需进一步研究。

对于其他污染物浓度分布图只需根据式（3）计算出污染物排放强度，再根据上述参数确定过程的其它污染物浓度扩散分布模型中各参数，即可模拟其他污染物浓度分布图。

3 总结

本文结合机场情况和飞机的相关活动建立了民航机场飞机排放浓度扩散模型，实际计算了滑行阶段NOx污染物浓度扩散情况，为预测飞机排放对机场大气污染的浓度奠定基础。但机场飞机排放浓度扩散的计算还存在着一定的局限性：

1）民航机场飞机排放浓度扩散模型中，飞机在机场的活动是理想化的，只能是一种近似估计，如飞机起飞着陆循环的各阶段划分不一定那么准确；

2）本文中只计算1架飞机发动机的排放污染物分布，可通过叠加计算多架飞机发动机的排放污染；

3）飞机发动机虽然是主要污染物来源，对于机场污染，还有其它污染物来源；

4）扩散模型没有考虑各污染物在大气中的化学变化。

因此，对民航机场飞机排放浓度扩散模型还有许多工作需进行。

[1]MAZYAR ZEINALI，DAN RUTHERFORD.Overview of ICCT Aviation Program[R].2011.

[2]夏 卿.飞机发动机排放对机场大气环境影响评估研究[D].南京：南京航天航空大学，2009.

[3]季学李，羌 宁.空气污染控制工程[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]谷 清，李云生.大气环境模式计算方法[M].北京：气象出版社，2002.

[5]钱炳华，张玉芬.机场规划设计与环境保护[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[6]DAS S K，DURBIN P A.Prediction of atmospheric dispersion of pollutants in an airport environment[J].Atmospheric Environment，2007，41（6）：1328-1341.

[7]蔡君仪.飞机排放及机场污染物测定方法和仿真技术研究[J].飞行试验，1993，9（1）：37-41.

[8]International Civil Aviation Organization.Engine Emission Databank[Z].ICAO，2009.

[9]马永峰.航空发动机烟雾和NOx排放的适航验证方法研究[D].天津：中国民航大学，2012.