环渤海经济区海域船舶大气污染物排放特征

刘 跃, 陈俊峰,*, 田玉军, 王 征

1.大连海事大学环境科学与工程学院, 辽宁 大连 116026 2.交通运输部水运科学研究院, 北京 100088

船舶大气污染排放已受到国内外各界的广泛关注. Goldsworthy等[1]研究表明，澳大利亚船舶排放的NOx、SO2、PM10、VOC、CO和CO2分别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]利用空气质量模型分析了船舶排放对欧洲大气质量的贡献程度. Winther等[3]将EEDI(Energy Efficiency Design Index，能效设计指数)应用于北极地区船舶黑炭排放特征分析，发现渔船是主要排放船型，渔船对船舶黑炭的贡献率为45%. 田玉军等[4-5]研究了珠江口湾区靠港船舶转用低硫油的经济成本与环境效益，以及船舶大气污染物排放控制区实施方案对珠三角区域空气质量的影响. YAO等[6-8]对长三角地区船舶大气污染物排放特征进行了分析. CHEN等[9-11]从全国尺度计算了船舶排放清单及研究了船舶排放对空气污染的贡献程度. 我国日益重视船舶大气污染物排放控制，《大气污染防治行动计划》和《中华人民共和国大气污染防治法》(2018修正)均要求加强对船舶大气污染的控制. 为有效控制船舶大气污染排放，近几年我国先后发布了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案(2015—2020年)》《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》《船舶大气污染物排放控制区实施方案》《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》等.

环渤海经济区是指环绕渤海全部及黄海的部分沿岸地区所组成的广大经济区域，是我国重点打造的7个跨省(区、市)的经济区域之一. 推进该区发展是我国实施“一带一路”建设、京津冀协同发展的重要举措. 环渤海经济区也是我国北方航运发展的重点区域，区内有丹东港、大连港、营口港、盘锦港、锦州港、葫芦岛港、秦皇岛港、唐山港、天津港、黄骅港、滨州港、东营港、潍坊港、烟台港、威海港、青岛港、日照港等17个主要港口. 根据《2017年交通运输行业发展统计公报》和AIS (Automatic Identification System，自动识别系统)信息服务平台的统计分析，2017年环渤海经济区进出港船舶约57.02×104艘次，货物吞吐量约40.17×108t，其中货物吞吐量上亿吨的港口有11个. 船舶大气污染物排放直接影响到大气污染减排工作，这也是促使该区域成为我国大气污染控制重点区域的主要原因之一.

如何科学有效地控制环渤海经济区船舶大气污染物排放，需要开展船舶大气污染物排放特征、减排措施方面的系统研究. 但目前鲜见针对环渤海经济区的研究报道，少数研究报道了环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区船舶大气污染物排放清单[12-14]. 在港口尺度，该区内船舶排放清单的研究主要涉及天津港[15-17]、大连港[18]、青岛港[19]等港口. 随着我国对船舶大气污染控制力度的不断加大，近几年船舶大气污染排放发生了明显变化，特别是SOx的排放，已有研究不能完全反映环渤海经济区周边海域船舶大气污染物排放特征. 因此，迫切需要开展环渤海经济区船舶大气污染特征研究，为该区大气污染控制提供技术支持. 该研究基于船舶AIS数据，采用动力法核算环渤海经济区周边海域2017年船舶大气污染物排放量，分析其排放特征，以期为环渤海经济区周边海域船舶大气污染物减排、区域空气质量管理及船舶大气污染防治提供参考.

1 研究方法与数据

1.1 研究区域与对象

研究区域为环渤海经济区(35°04′N～40°53′N、117°35′E～124°10′E)，以2017年为基准年，以营运船舶(不包括军用船舶、渔业船舶、体育运动船艇)为研究对象，船舶大气污染物种类主要包括SOx、NOx、PM10、HC、CO. 由于营运船舶类型众多，有必要对营运船舶进行整理合并. 合并后的营运船舶分为客船(高速客船、邮轮和普通客船)、油船(油船、化学品船、液货船、液化气船)、散货船(散货船、散装水泥运输船、散装沥青船)、集装箱船、滚装船(滚装船、车辆运输船、滚装货船)、其他货船(杂货船、多用途船、重大件运输船)、顶推船拖轮和非运输船.

1.2 研究方法

船舶大气污染物排放清单方法可分为自下而上的动力法和自上而下的燃料法两类. 早期研究以燃料法为主[20-24]，近些年基于AIS的动力法成为国内外普遍采用的方法[25-28]. 与燃料法相比，基于AIS的动力法具有更高的准度，能准确分析单船在不同时间下的污染物排放情况，更好地适应高时空分辨率的大气污染分析和精准化的大气污染控制发展趋势. 该研究采用基于AIS的动力法分析环渤海经济区周边海域船舶大气污染特征.

船舶主副机污染物排放计算公式[26,29]：

式中：Eik为第i种发动机的第k种污染物的排放量，t；MCRi为第i种发动机的额定功率，kW；LFij为第i种发动机在第j种工况的负荷系数，无量纲；Tj为第j种工况的运行时间，h；EFijk为第i种发动机在第j种工况的第k种污染物的排放系数，g(kW·h)；FCF为燃油修正系数，无量纲.

船舶锅炉污染物排放计算公式[26,29]：

(2)

式中：Ek为第k种污染物的排放量，t；G为锅炉负荷功率，kW；EFjk为第j种工况的第k种污染物的排放系数，g(kW·h).

1.2.1燃油硫含量 2.17年以前该区船舶主要使用180 CST和380 CST重质燃料油，根据我国海事部门的抽样统计，重质燃料油的硫含量(以质量分数计)基本为2.7%. 该研究选取的船舶燃油硫含量为2.7%，燃油修正系数取1.

1.2.2排放系数

该区靠泊船舶以沿海和远洋船舶为主，船舶发动机为中低速柴油机. 目前，全球范围内尚无统一的排放系数. 船舶燃油硫含量为2.7%时，船舶排放系数在全球范围无显著差别，差异范围甚小. 由于美国洛杉矶港推荐的船舶排放系数数据较全，笔者直接选用美国洛杉矶港推荐的排放系数(见表1、2)[30].

表1 主机排放系数[30]

表2 副机排放系数和锅炉排放系数[30]

1.2.3主机负荷系数及低负荷调整系数

船舶在加速、逆风(浪)、浅水航行时，船体受到的阻力会增加，螺旋桨转速会增加，螺旋桨转速与船速不相符，主机负荷系数发生变化. 因此，核算污染物排放量时需要修正主机负荷系数，主机负荷系数(LF)修正公式：

LF=δ×(SaSm)3

(3)

式中：Sa为船舶航行实际速度，knot；Sm为船舶最大设计速度，knot；δ为主机负荷系数修正因子，参照文献[31-32]，该研究中取0.9.

船舶主机负荷系数低于20%时，柴油机燃烧效率会随着负荷的减少逐渐降低，主机排放系数会发生变化，主机负荷系数越小，主机排放系数变化越明显. 笔者选用ICF (Inner City Fund，内城基金)研究成果中的低负荷调整系数[33]修订主机排放系数.

1.2.4船舶工况

采用速度和主机负荷相结合的方法对船舶工况进行判断，判定依据参照文献[34]，如表3所示.

表3 工况判定依据[34]

1.2.5副机负荷系数

副机负荷系数选取与船舶类型和工况有关，该研究选用IMO(International Maritime Organization，国际海事组织)第二次温室气体研究报告[35]中的副机负荷系数，如表4所示.

1.3 数据来源及处理

动力法需要的主要数据为AIS数据(包括船舶实际速度、经度、纬度、工况等)和船舶注册登记数据(包括船名、船舶登记号、船长、船宽、总吨、载重吨、主机信息、副机信息等). 2017年船舶AIS数据从国家海事局获得. 沿海和远洋船舶都安装了AIS设备，获得数据基本包括研究范围内的船舶. 将获取的AIS数据经清洗、融合、解析后，每隔30 min形成1个动态报文.

表4 副机负荷系数[35]

船舶注册登记数据包括我国海事部门提供的船舶注册登记数据和2个国际数据库(克拉克森数据库和劳氏数据库)数据. 截至2017年底，我国海事部门船舶登记数据库中共有船舶41.12×104艘，主要以干货船、散货船、客船、油船、集装箱船、杂货船为主. 克拉克森数据库包含100 GT(总吨)以上的船舶15×104艘，其中有副机功率的船舶约占27%，该数据库中主机功率和其他字段相对较全. 劳氏数据库中有12×104艘船舶，在船舶设备信息方面，主机信息大部分都有，副机信息缺失数据较多.

通过对AIS数据和船舶注册登记数据的匹配关联，建立计算所需的数据库，包括主副机功率、船舶速度、船舶类型、船舶吨位、船长、航行时间和位置等. 利用AIS信息中的IMO号和MMSI(Maritime Mobile Service Identify，水上移动通信业务标识码)与船舶登记注册数据库匹配，具体分两级匹配. 首先，依据IMO号和MMSI进行一级匹配；其次，利用船名、船舶类型和船长等信息进行二级匹配. 匹配后仍有部分船舶信息缺失，缺失的关键信息主要有主机额定功率、副机额定功率、最大设计速度等. 对这些缺失信息，笔者采取以下方式补全.

1.3.1主机额定功率和最大设计速度

基于已有船舶信息(船舶登记注册数据)分别拟合不同类型船舶的主机额定功率与船长、最大设计速度与船长之间的数理关系，建立主机额定功率与船长、最大设计速度与船长之间的判定公式. 主机额定功率的判定公式、最大设计速度的判定公式如表5所示.

1.3.2副机额定功率优先匹配AIS数据与船舶登记注册数据获取副机额定功率，未能通过匹配获取副机额定功率的船舶，采用比值法来估算. 利用主机额定功率乘以副机额定功率与主机额定功率的比值[36]获取副机额定功率.

表5 主机额定功率和最大设计速度的判定公式

1.3.3锅炉负荷功率

锅炉负荷功率优先采用调查数据，缺失数据参考Entec研究提供的锅炉负荷功率数据[37]，综合确定后的锅炉负荷功率如表6所示.

表6 锅炉负荷功率[37]

2 结果与分析

2.1 船舶大气污染物排放量

2017年环渤海经济区周边海域船舶排放量计算结果表明，区域内船舶SOx、NOx、PM10、HC、CO的排放量分别为26.18×104、41.12×104、3.48×104、1.13×104和2.66×104t. 其中，NOx排放量在船舶大气污染物总排放量中占比(55.14%)最大，其次为SOx排放量(占比为35.11%)，二者排放量之和占船舶大气污染物总排放量的90.25%，PM10、HC和CO排放量分别占船舶大气污染物总排放量的4.67%、1.52%、3.56%.

2.2 不同工况的排放特征

各工况下船舶大气污染物排放量分析结果显示，船舶在锚泊、系泊、港区机动、巡航、低速航行下大气污染物排放量分别为0.53×104、13.29×104、9.51×104、15.83×104和35.41×104t (见表7). 各工况下船舶大气污染物排放量占总排放量的比例：低速航行占47.49%、巡航占21.23%、系泊占17.82%、港区机动占12.75%、锚泊占0.71%. 可见，低速航行和巡航是船舶大气污染物排放的主要工况.

表7 不同工况下船舶排放情况

进一步分析各工况下不同污染物的排放量，结果表明，低速航行工况下SOx、NOx、PM10、HC、CO排放量较大，这5类污染物排放量在对应污染物总排放量中的占比均大于45%，其次为巡航、系泊、港区机动和锚泊，与文献[38]对不同工况下船舶大气污染物占比分析结果基本相同. 在环渤海经济区内，船舶选择低速航行的主要原因是通过降低航速的方式在一定程度上降低燃油消耗; 另外，外籍船舶进出港艘次约占该区内船舶进出港艘次的25%，鉴于国际航运市场的低迷现状，外籍船舶优先选择降低航速实现节约燃油成本的目的. 各工况下，不同污染物排放量的占比变化不显著(见图1). 低速航行下的污染物排放量占污染物总排放量的45%～49%，巡航下的污染物排放量占污染物总排放量的20%左右，系泊下的污染物排放量占污染物总排放量的16%～20%，港区机动下的污染物排放量占污染物总排放量的13%左右，锚泊下的污染物排放量占污染物总排放量的比例不足1%.

图1 不同工况排放量在船舶总排放量的占比Fig.1 Percentage of pollutants under different operating conditions

2.3 船舶大气污染物排放空间分布

对研究区域做网格划分，通过经纬度数据将每个点源定位到合适的网格中，分别统计各网格内的船舶大气污染物排放量，将船舶排放量进行空间分摊.

图2 环渤海经济区船舶排放大气污染物的空间分布Fig.2 Spatial distribution of atmospheric pollutants emitted by ships in Circum-Bohai Sea Economic Zone

将船舶排放清单计算结果绘制成1 km×1 km的大气污染物排放空间分布结果(见图2). 由图2可见，船舶SOx、NOx、PM10、HC排放主要集中在航道附近，呈现出与航行路线一致的空间分布特征，船舶CO的空间分布也具有上述的特点. 该区域单位网格船舶SOx、NOx、PM10、HC、CO平均排放量分别为0.159、0.251、0.021、0.007和0.016 t，最高排放量分别为278.44、589.79、33.50、9.30和25.58 t. 在成头山通航水域、老铁山至渤海湾航路、成山头至老铁山航路区域，船舶污染物排放最为严重，这是由于船舶流量大、密度高所导致，尤其是成头山通航水域，船舶交叉相遇局面较为复杂. 在港区方面，大连港、唐山港、青岛港、黄骅港、天津港船舶污染物排放相对密集，这是因为进出这些港的船舶艘次占研究区域进出港船舶艘次的64%以上，且每个港的货物吞吐量均在2.5×108t以上，另外船舶以油船、散货船、集装箱船为主.

3 讨论

环渤海经济区周边海域船舶排放量高于已有研究结果，笔者研究结果表明，该区域2017年船舶SOx、NOx排放量分别是2014年渤海湾水域(大连港与成头山连线以西水域)[13]船舶SOx、NOx排放量的2.17、2.37倍，这是因为笔者研究区域是渤海湾水域的1.5倍左右，还包括青岛港(货物吞吐量为5.08×108t，占笔者研究区域货物吞吐量的12.65%)、日照港(货物吞吐量为3.60×108t，占笔者研究区域货物吞吐量的8.96%)，另外进出青岛港和日照港的船舶艘次占笔者研究区域进出港艘次的13.94%. 对于环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区(大连丹东大陆岸线交界点与烟台威海大陆岸线交界点的连线以内水域)，与郑岩[14]测算的2013年船舶SOx排放量相比，笔者研究区域2017年船舶SOx排放量是其2.48倍，这主要是由测算范围、测算对象、船舶工况判定依据不同所致. 测算范围上，笔者测算范围为郑岩[14]测算范围的2倍左右；笔者测算对象不仅包括沿海船舶，还包括远洋船舶，远洋船舶净载重量是沿海船舶的2.66倍；由于船舶工况判定依据的不同，笔者除了考虑系泊、港区机动、巡航、低速航行等工况外，还将锚泊考虑在内.

近年来，我国加大了对靠泊船舶大气污染物排放控制力度，禁止船舶使用高硫油，要求船舶提前换烧低硫油，加大靠港船舶使用岸电力度. 研究结果表明，环渤海经济区内船舶在靠泊期间SOx、NOx、PM10、HC、CO排放量分别为5.06×104、6.86×104、0.67×104、0.19×104、0.51×104t，分别占对应船舶污染物总排放量的19.33%、16.68%、19.25%、16.81%、19.17%. 这说明该区靠港船舶大气污染排放具有约20%的减排潜力，应加强靠港船舶污染排放控制，进一步提高岸电覆盖率，积极推进靠港船舶使用岸电.

IMO海上环境保护委员会第58次会议通过的《国际防止船舶造成污染公约》附则Ⅵ修正案规定，2020年1月1日及以后，船上使用的任何燃油的硫含量不应超过0.5%. 国家海事局发布的《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》规定，自2020年1月1日起，国际航行船舶进入中华人民共和国管辖水域应当使用硫含量不超过0.5%的燃油，进入我国内河船舶大气污染物排放控制区的，应当使用硫含量不超过0.1%的燃油. 环渤海经济区大部分水域属于我国船舶大气污染物排放控制区，分别计算研究区域内船舶使用硫含量为2.7%、0.5%和0.1%的燃料油时的SOx排放量，结果表明，研究范围内所有船舶使用硫含量为0.5%的燃料油时，SOx减排量为21.33×104t；使用硫含量为0.1%的燃料油时，SOx减排量为25.21×104t. 这说明推进环渤海经济区船舶使用低硫油具有显著的SOx减排效果.

4 结论

a) 环渤海经济区是我北方重要的经济区域，也是主要的航运区之一. 船舶大气污染排放不容忽视. 2017年环渤海经济区周边海域船舶SOx、NOx、PM10、HC、CO总排放量分别为26.18×104、41.12×104、3.48×104、1.13×104、2.66×104t，其中以NOx和SOx排放量为主.

b) 船舶大气污染物排放主要在低速航行、巡航和系泊工况下产生，低速航行下SOx、NOx、PM10、HC、CO排放量分别占对应船舶污染物总排放量的45.56%、48.79%、46.55%、48.68%、47.00%.

c) 系泊工况船舶大气污染物排放量约占船舶大气污染物总排放量的20%，推进靠港船舶使用岸电、推广液化天然气动力船舶应用等举措具有很好的减排效果.

d) 船舶使用硫含量为0.5%和0.1%的燃料油时，船舶SOx排放量分别减少81.47%和96.29%，可见船舶使用低硫油时SOx减排效果显著.