基于ICAO起降模型的中国机场飞机排污计算研究

宋利生

（中国东方航空股份有限公司，上海 201299）

19世纪70年代以来商用喷气机交通运输的大幅增加，引起了人们对于飞机和机场污染物排放的更多地关注。不同于大多数的运输方式，飞机会在不同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。

主要研究影响当地空气质量的3种主要气体污染物HC、CO和NOx，其它污染物如SO2由于航空燃油质量的不断提高含硫量也越来越低，对空气质量的影响与其它排放源相比很小，所以不予以研究。而CO2和由水蒸气引起的凝结尾迹主要是在高空引起气候的变化，也不予以研究。

1 ICAO发动机排放物计算方法分析

飞机在机场的全部活动可用起降循环LTO（landing and take-off）来描述，是指飞机离开登机口到回到登机口的一个过程。它可概括为4个阶段：滑行、起飞、爬升和进近，不包括巡航阶段。每个阶段的时间取决于具体操作，通过计算飞机在机场所有LTO循环的排放即可算出飞机在机场的总排放量。ICAO规定的标准LTO循环，将起降循环划分为4个阶段，如表1所示，它定义LTO上限为从地表到大气边界层顶部高度915 m（3 000 ft）的地方，如图1所示。

图1 ICAO标准LTO循环模型Fig.1 ICAO reference LTO cycle model

ICAO在其发布的关于机场空气质量指导的文件（airport air quality guidance manual）中介绍了3种计算机场飞机排放的方法：

表1 ICAO标准LTO循环各阶段推力设置和时间Tab.1 Power setting and time of ICAO reference LTO cycle

1）简单方法 是最简单的方法，需要最少的数据，但计算结果不精确。

2）高级方法 提高了精度，需要飞机类型，EI计算和TIM。

3）精密方法 精密的方法不使用LTO认证数据和TIM，而是利用实际的飞机运行数据。在许多情况下，这种方法需要使用一些对公众不公开的数据和模型，操作难度较大。

3种方法由简到密，主要是数据来源上的差别。前两种方法使用的是ICAO规定的标准起降循环LTO模型。精密方法使用的是飞机实际起降循环，因各个阶段所耗用的时间及燃油量无法确定，所以在计算上没有可操作性，需要由企业单独建立数据库加以统计。现重点介绍第2种方法。计算公式为

其中：Eij为j型飞机在一个LTO循环内的i污染物的总排放量；EIjk为j型飞机某型发动机工作在k模式下污染物i的排放因子（g/kg）；FFjk为j型飞机某发动机工作在k模式下的燃油消耗率；TIMjk为j型飞机k模式所消耗的时间；NEj为j型飞机发动机的台数。

计算出每一机型/发动机组合的单个LTO的排放后，乘以这一机型/发动机组合的在这个机场的LTO循环数，再对所有的飞机发动机组合求和就等于这个机场飞机总的污染物排放量。

ICAO没有给出SOx的排放认证，然而SOx又是含硫燃料的必然产物。美环保署EPA对航空燃油的含硫量进行一项调查，结果显示平均每消耗1 kg燃油约产生1 g的SOx即EI（SOx）=1 g/kg。不能过度依赖这个平均值，但可以用来进行一个排放评估。

2 机场排放物计算方法和应用计算

2.1 计算方法

考虑到中国民航以1周为周期的航班时刻特征（不考虑临时航班的变化）以及航空公司飞机与发动机匹配情况的复杂以及数据来源的匮乏，在排放因子上采用与ICAO不同的方法，即根据每一型飞机所选装的各种发动机的比例计算其平均排放因子进行计算。计算分以下几个步骤：

1）搜集所要研究机场的1周的航班信息；

2）搜集该机场各航空公司的机队配置信息（飞机／发动机匹配数据）；

3）查询ICAO飞机发动机排放数据库（ICAOaircraft engine emissions databank），计算各型号飞机的各个工作状态的平均排放因子；

4）计算各机场污染物总排放量。

飞机污染气体排放总量计算公式为

其中：Eij为一个LTO循环j型飞机的i污染物的排放总量，LTOj为j型飞机在机场1周的LTO循环数。

其中：A为某航空公司j型飞机的总架数，NEj为j型飞机发动机的台数；Kn为配n型发动机的j型飞机的架数；Fjnk为n型发动机在k模式下的燃油消耗率。

其中：EIink为n型发动机在k模式下的i污染物排放因子，可由ICAO排放数据库获得（ICAO aircraft engine emissions databank）；Kn为n型发动机的j型飞机架数。

2.2 中国机场飞机发动机排放物计算分析

由于国外航空公司数据的匮乏，仅列举几个国外航班较少的中型机场进行计算，以保证结果的尽量准确。在搜集整理了中国主要航空公司的机队配置信息的基础上，计算了中国主要航空公司各种机型一个LTO循环的污染物排放量，再根据机场1周的航班计划计算总排放量。飞机发动机的排放数据如表2所示。

经计算得出深圳等4个机场2009年几种污染物的年排放量（t）及LTO数（周），如表3所示。

从图2和图3可看出排放量与飞机的起降循环成正比关系，其中NOx为主要排放污染物，所占比例均超过50%，是影响机场周围空气质量的主要污染物，欧洲一些发达国家的机场专门建立了针对NOx的的收费制度，对此应引起足够重视。

表2 ICAO飞机发动机的排放数据Tab.2 ICAO engine exhaust emissions data bank

表3 4机场2009年污染物年排放量Tab.3 Four airports’total exhaust emissions in 2009

图2 污染物排放量比较Fig.2 Emission comparison of four airports

图3 机场飞机起降次数比较Fig.3 LTO number comparison of four airports

2.3 结果精度分析

中国民航航班一般根据客流特点划分为冬春季和夏秋季航班，而且存在临时变动的情况，按1周来计算会给计算结果带来一定的误差。研究采用ICAO标准LTO循环，它已规定好飞机起降循环的各个模式的时间和推力设置，而实际情况各个模式的时间及油耗并不确定，这给计算结果带来了一定的不确定性，并且由于航空公司飞机/发动机具体配置信息的无法抓取，而此处采用了飞机一个LTO的平均排放数据，也给计算结果造成了一定的偏离。要想准确地计算机场飞机的排放量涉及数据很多，但如果运用本方法对机场飞机的排放量进行一个总体评估分析，如构成、发展趋势、对比等，仍具有一定的现实意义。

3 常用机场减排措施

中国民航在航空减排方面，因无强制性量化减排指标，政策上主要是按照《中国应对气候变化国家方案》中规定“采用节油机型，提高载运率、客座率和运输周转能力，提高燃油效率，降低油耗”，并按照国际民航组织倡导的各项措施，重点倡导机场、航空公司节约能源消耗。目前国际上常用的减排措施分为三种：技术措施、运营措施和基于市场的措施。

技术措施主要是指淘汰老旧机型，使用新型的飞机及发动机等。如波音公司最新研制的B787型客机，其整机在复合材料的使用上达到了史无前例的80%，相比同尺寸飞机更轻更省油，污染气体排放量减少了约20%。除此之外，新型可替代燃料的使用也是目前技术手段减排中的重要手段。技术手段的减排措施也是最直接最有效的减排方法，但对于航空公司来说，在这方面需要花费的开支巨大。

运营措施可以说是目前国际上主要的减排手段，要减少排放就要对排放源进行控制。如地面支持设备的更新换代，减少高排放设备的使用，尽量使用低排或零排的电力车辆。控制机场的交通方式，减少燃油汽车和巴士的数量和使用，尽量使用电力驱动的交通运输车辆。使用新的空中交通管理系统，如CNS/ATM的使用，可以优化飞行路线，减少飞行时间，有效地减少了飞机的排放。飞机使用单发滑行至跑道，或使用拖车拉至跑道可有效减少飞机在机场的排放。飞机使用低功率起飞，一般飞机起飞都是全功率，而飞机的排放往往在这个时候达到最高，在保证安全起飞的情况下，适当地减少起飞功率可以实现减排。中国民航部门可以在这方面制定相应的措施加以指导。

基于市场的措施，主要是针对飞机在机场污染物排放的收费，如飞机起降收费，针对某些污染物的收费等，欧洲一些发达国家已逐渐建立起飞机在机场排放的收费管理制度。如瑞士的苏黎世国际机场，制定了飞机的起降收费制度，制定了针对NOx的收费制度。这些制度既可为保证机场周围空气质量的治理获取一定的经费，也可在一定程度上促进航空公司不断改进机型，提升运营管理措施来降低飞机在机场的排放开支。

[1]ICAO.Environment Protection Annex 16 to the Convention on International Civil Aviation[R].Third Edition，July 1993.

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[4]Emanuel Fleuti.Airport Emission Inventory[R].11 November 2008.

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