广西内河及沿海船舶大气污染物排放清单及特征研究

樊勇吉，陈轩，谢华，卢英源，陆嘉晖，王心言，唐昭

1.广西壮族自治区环境保护科学研究院

2.广西卫生职业技术学院

船舶运输活动对周边港口城市大气环境质量的影响较为明显。在一些船舶集中的船运枢纽及港口周边，船舶产生的大气污染物已经成为了这些地区的重要污染物来源之一[1-6]。移动源排放清单研究是摸清区域性污染物排放特征的重要环节。目前，我国船舶大气污染物排放清单的编制已在上海、天津、青岛、大连、深圳、厦门、香港等沿海地区[7-11]开展，近年来京杭运河江苏段、上海港、香港港、深圳港、天津港和南京龙潭港等也陆续开展了区域船舶排放清单研究[12-14]。笔者总结了已有排放清单的研究成果，结合广西实际情况，通过收集广西内河流域、沿海船舶基本信息，采用船舶引擎功率法初步建立了2020 年广西内河及沿海船舶大气污染物排放清单，并通过大气扩散模型模拟了船舶大气污染物排放对广西大气环境的影响，以期为广西船舶大气污染物排放影响研究提供参考和依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

研究区域包括广西内河流域及沿海区域。对于内河流域，研究范围为广西区域内西江流域主要航道枢纽，包括南宁港、百色港、梧州港等内河港口；对于沿海区域的界定参考《中国领海及毗连区法》和《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，将减速区外边界向外延伸的距离长度设定为44.45 km（包括领海22.23 km 和毗连区22.22 km）[15]范围内的沿海港口，包括北海港、防城港港、钦州港。根据船舶自动识别系统（AIS）数据，将船舶种类划分为干货船、散货船、多用途船、客渡船、拖船等类型，其中不包括渔船，同时依据船舶不同总吨位，将研究船舶划分为一～五等船舶类型。以2020 年度为基准年分别建立广西内河及沿海船舶排放清单。

1.2 数据来源及计算流程

研究数据分为船舶动态数据及静态数据。船舶静态数据主要来自于研究人员现场调研及查阅文献、广西港航中心提供的船舶检验信息、广西海事局2020 年船舶报港数据、网上获取劳氏船级社数据资料；动态数据来自于船舶AIS 航行信息解析及海事、港口、航道相关部门调研及相关文献，如张志炜等[16]基于时间和经纬度的三次样条方法对AIS 船舶轨迹进行修复，结合动力法计算广东沿海空气质量，吕建华等[17]基于AIS 的数据基础运用动力法编制了2016 年青岛市港口船舶废气排放清单。笔者根据船舶动态数据获取某艘AIS 航行信息及该船舶各运行工况的活动持续时间，根据船舶静态信息计算该船舶主机负载率及负载因子，再结合海事、港口、航道相关部门调研及参考相关文献（如王征等[18]采用动力法估算了中国近周边海域2014 年的船舶排放清单，并分析了靠港、锚泊、港内机动、低速、巡航5 个船舶状态下的排放特征，何斌[19]采用基于船舶引擎功率的排放因子法建立了果园港2021 年9—10 月船舶大气污染物排放清单），获取某船舶主机、辅机、锅炉功率及排放因子、燃油硫含量，计算船舶发动机在运行时所做的功（发动机额定功率、负载因子、设备运行时间三者相乘），再乘以对应排放因子，可得到该船舶发动机运行时的污染物排放量。具体流程如图1 所示。

图1 广西船舶大气污染物排放量计算流程Fig.1 Calculation flow chart of atmospheric pollutant emissions from ships in Guangxi

根据船舶AIS 数据和广西海事局2020 年船舶报告数据，广西内河船港申报到港船舶艘次为206 万艘次。广西船舶总登记艘次为221 万艘次。图2、表1 给出了广西各港口总登记艘次覆盖的船舶类型分布比例情况，按照船舶吨位分布，一等船及三等船舶这2 个类型的船舶艘次最多，分别占总量的21.75%、20.98%，四等、五等船舶艘次占比均不到21%，原因为本研究未包括尚未登记注册的小型渔船及私人排筏，通常这类船舶小于20 t。根据船舶的用途分类，统计广西各港口船舶到港艘次所属船舶类型分布（在不同分类下各等级船舶的艘次）。2020 年抵港登记船舶中，散货船艘次最多，占总抵港船舶艘次的33.55%，其次为其他船舶和拖船，占比分别为16.74%和15.63%，多用途船、客渡船占比较低。

表1 不同等级船舶艘次占总到港登记艘次的比例Table 1 Proportion of ships of different classes in the total number of registered ships arriving at the port %

图2 广西各港口船舶到港艘次所属船舶类型分布Fig.2 Distribution of ship types of ships arriving at ports in Guangxi

1.3 排放清单计算方法及选用模型

基于AIS 数据和船舶报港数据的船舶引擎功率法计算船舶排放量，公式如下：

式中：E为船舶某种大气污染物的排放量，g；Em为船舶主机的排放量，g；E1为船舶辅机的排放量，g；E2为船舶锅炉的排放量，g。其中Em、E1、E2可通过式（2）～式（4）计算。

式中：ED为船舶主机发动机额定功率，kW；FZ为主机负载因子；DFZ为主机低负载调整系数；T为船舶运行时间，h；EF为主机排放因子，g/(kW·h)；FCF为主机燃料的调整因子；CF为主机的控制因子，用于反映由于减排技术的应用排放量所产生的变化；P1为船舶辅机发动机额定功率，kW；FZ1为辅机燃料的调整因子；EF1为辅机排放因子，g/(kW·h)；CF1为辅机的控制因子；P2为船舶锅炉额定功率，kW；FZ2为锅炉燃料的调整因子；EF2为锅炉排放因子，g/(kW·h)；CF2为锅炉的控制因子。

进一步，默认减排技术的应用导致排放量的变化不显著，式（2）～式（4）中控制因子为1，因此公式可简化为：

式中W为船舶所做的功，kW·h。

2020 年各污染物总排放量计算公式如下：

式中：S为2020 年船舶污染物排放量，t/a；C为船舶年度报港艘次。

1.4 工况划分和参数确定

因船舶在航行过程中的不同工况各大气污染物的排放情况差别较大，在进行船舶大气污染物排放量计算时需对各工况水平进行分类。本研究根据获得的各港口船舶AIS 动态信息，按照船舶航行速度将各轨迹点划分为三大类行驶工况。表2 为各类型内河船舶分别在船舶进出港及进出闸的3 种不同行驶工况下活动时间的统计结果。

1.4.1 内河船舶排放因子

在广西内河区域内，船舶在不同行驶工况下的负载因子反映了船舶发动机实际输出功率占额定功率的百分比。由于内河船舶采用柴油机驱动船舶的螺旋桨，主机按照螺旋桨特性工作，因此船舶主机发动机的负载因子可基于Propeller 原理进行估算[14-16]。

内河船舶排放因子以《移动源（船舶）污染源排放系数手册》（第二次全国污染源普查）作为基础排放因子，并基于广西进出港船舶类型、燃料类型、含硫率和沿海排放区排放标准等方面校正的方式予以确定，校正公式如下：

式中：Na,b,c为a类型内河船舶在b运行工况下的c类大气污染物排放因子，g/（kW·h）；Nc为内河船舶c类大气污染物的基础排放因子，g/（kW·h）；Ya,c为a类型内河船舶c类大气污染物的燃料修正因子，结合广西区内燃油含硫量现状、《移动源（船舶）污染源排放系数手册》（第二次全国污染源普查）确定；La,b,c为a类型内河船舶在b运行工况下的c类大气污染物低负载（负载低于20%）校正因子。除NOx及PM 外，其他污染物排放因子参考相关文献[20-23]中排放因子校正方式确定，综合校正后的内河船舶排放因子如表3 所示。

表3 内河船舶综合校正后的排放因子Table 3 Emission factors of inland river ships after comprehensive correction g/(kW·h)

1.4.2 沿海船舶排放因子

沿海船舶排放因子以《移动源（船舶）污染源排放系数手册》（第二次全国污染源普查）作为基础排放因子，以0.5%作为研究范围内船用燃料油的含硫量，同时按照燃料类型和沿海排放区排放标准等予以校正，公式如下：

式中：Ha,b,c为a类型沿海船舶在b运行工况下的c类大气污染物排放因子，g/（kW·h）；Hc为沿海船舶c类大气污染物的基础排放因子，g/（kW·h）；Za,c为a类型沿海船舶c类大气污染物的燃料修正因子；Ma,b,c为a类型沿海船舶在b运行工况下的c类大气污染物校正因子。广西绝大部分船舶在沿海港口内行驶时使用柴油或者轻柴油，柴油的含硫量一般为1.5%，轻柴油为0.5%；笔者调研发现，沿海港口内使用轻柴油的船舶数量较多。因此，建立港口船舶大气污染物排放清单时，以0.5%作为研究范围内船用燃料油的含硫量对基础排放因子进行校正，结合实船排放台架数据确定沿海船舶各运行工况下的主机排放因子，参考相关文献[24-26]的实船排放数据得出沿海船舶的实船排放因子，确定沿海船舶各运行工况下的主机排放因子（表4）。

表4 广西沿海各类型船舶排放因子Table 4 Emission factors for various types of ships along the coast of Guangxi g/(kW·h)

2 结果与分析

2.1 广西内河船舶大气污染物排放整体特征

根据估算模型和相关数据，计算得到2020 年广西船舶排放清单，内河抵港及过闸船舶PM10排放量为2 431.23 t/a，PM2.5为2 129.18 t/a，NOx为24 760.37 t/a，SO2为1 782.31 t/a，CO 为1 679.72 t/a，HC 为741.22 t/a，CO2为1 037 513.28 t/a。

广西内河2020 年抵港的不同类型船舶主要污染物排放占比见图3。在所有类型船舶中，除散货船的SO2排放占比最高，其余污染物均为干货船这一船舶类型排放占比最高，干货船污染物排放占比为35.6%，与重庆果园港2021 的沿海船舶污染物排放清单一致[19]。其次为散货船，排放占比为19.76%，其余各类船舶污染物的排放占比均在14%左右。

图3 内河不同类型船舶污染物排放占比Fig.3 Share ratio of main pollutant emissions from different types of inland river ships

图4～图5 给出了不同运行工况下广西内河船舶2020 年排放情况。可以看出，对于船舶主机，各运行工况中进出港正常航行排放相对最高（图4）。干货船平均正常航行排放占比最大，过闸船舶排放占比较低，其原因为：1）进出闸及进出港的船舶对应的运行工况时间较正常航行偏短，干货船平均正常航行时长为3.44 h，进出闸及进出港的工况运行时长为0.3 h，时间差距在10 倍以上；2）广西内河航道航行船舶除包括抵达沿线港口的船舶外，还包括过船闸的船舶，本文统计的过闸船舶不完全，因此过闸船舶排放占比较低。对于船舶辅机，各运行工况中闸停泊及港停泊排放占比较大（图5），原因在于船舶各工况中停泊工况时间长，进出闸、进出港工况行驶时间短。船舶主机是船舶大气污染物最主要的排放源。

图5 不同辅机工况船舶主要污染物排放占比Fig.5 Share ratio of main pollutant emissions from ships under different auxiliary engine operating conditions

2.2 广西沿海船舶大气污染物排放整体特征

广西沿海船舶大气污染物排放量见表5。从表5 可以看出，2020 年，沿海抵港船舶PM10排放量为556.34 t/a，PM2.5为430.23 t/a，NOx为145 41.80 t/a、SO2为3 398.82 t/a，CO 为2 925.53 t/a，VOCs 为2 452.32 t/a，CO2为1 113 652.66 t/a。

表5 广西沿海船舶大气污染物排放量Table 5 Emissions of air pollutants from ships along the coast of Guangxi t/a

以船型为分类单位，统计进出港5 种船型产生的各大气污染物排放占比，结果见图6。从图6 可以看出，拖船排放占比最大，占全部污染物排放量的44.16%～49.33%，与内河水域以干散货船为高值船舶排放类型的结论有较大差别，这主要取决于调查水域船舶的类型与数量分布状况以及船舶的活动频率；拖船尽管数量较少（占比为3.33%），但排放占比较大，原因在于海港船中拖船的主机功率较高。普通货船（干散货船）排放占比分别为6.49%～15.56%。

图6 沿海不同类型船舶污染物排放占比Fig.6 Share ratio of main pollutant emissions from different type of ships along the coast

船舶各动力单元排放占比见图7。从图7 可以看出，主机的VOCs 排放占比最高，为93.11%，辅机的NOx与PM2.5排放占比较高，分别为24.99%、21.94%。内河船舶主辅机排放占比不同（图4、图5），原因在于内河船舶，船舶运行状态时用电主要来自蓄电池或主机带动发电机发电，仅少部分使用辅机[19]。对于沿海船舶，正常航行时船舶辅机和锅炉的开启时间均较长，使得各动力单元在大气污染物排放方面均有一定的贡献。其中，主机排放量的41.16%、35.32%、23.52%分别由低速、中速、高速柴油机贡献；各不同工况下，除停泊工况下SO2排放占比最高之外，其余污染物均为慢速行驶工况下排放占比最高（图8）。

图7 沿海船舶主辅机污染物排放占比Fig.7 Share ratio of main pollutant emissions from main and auxiliary engines of ships along the coast

图8 沿海船舶各行驶状态污染物排放占比Fig.8 Share ratio of main pollutant emissions from coastal ships in various driving states

2.3 广西沿海北部湾港船舶大气污染物排放空间分布特征

北部湾港口SO2、NOx、HC、CO2等污染物分布如图9 所示。由于北部湾港口船舶行驶路线较为固定，港口船舶不同污染物的空间分布差异不大，呈现出相似的特征；北部湾港口各主要污染物SO2、NOx、HC、CO2均在常用航线处排放强度最高，HC、CO2的排放强度与港口的分布有着强烈的正相关，与2.1 节描述的船舶在停泊工况下污染物排放强度较高一致；HC 不仅在码头处排放强度较高，在靠近码头的区域依然有较高的排放强度，这是因为船舶在抵港期间部分船舶处于低速行驶状态，加重了燃料的不完全燃烧程度，从而导致船舶CO2排放强度上升，进一步研究发现，2020 年广西北部湾海域船舶SO2、NOx、HC、CO2的平均排放强度分别为0.321、2.137、0.071、121.929 t/km2。

3 结论

（1）2020 年，广西内河抵港及过闸船舶PM10排放量为2 431.23 t/a，PM2.5为2 129.18 t/a，NOx为24 760.37 t/a，SO2为1 782.31 t/a，CO 为1 679.72 t/a，HC 为741.22 t/a，CO2为1 037 513.28 t/a。干货船污染物排放占比为35.60%；主机发动机是船舶大气污染物最主要的排放源。

（2）沿海抵港船舶PM10排放量为556.34 t/a，PM2.5为430.23 t/a，NOx为145 41.80 t/a、SO2为3 398.82 t/a，CO 为2 925.53 t/a，VOCs 为2 452.32 t/a，CO2为1 113 652.66 t/a。拖船排放占比为44.16%～49.33%；主机VOCs 排放占比最高，为93.11%，辅机NOx与PM2.5排 放 占 比 较 高， 分 别 为24.99%、21.94%，锅炉SO2的排放占比最高；停泊工况SO2排放占比最高，其余工况为慢速行驶工况排放占比最高；主机排放量的41.16%、35.32%、23.52%分别由低速、中速、高速柴油机贡献。2020 年广西北部湾海域船舶SO2、NOx、HC、CO2的平均排放强度分别为0.32、2.14、0.07、121.93 t/km2。