环境科学  2017, Vol. 38 Issue (11): 4447-4453   PDF    
引用本文
张意, AndreMichel, 李东, 张欣, 吴琳, 张衍杰, 马超, 邹超, 毛洪钧. 天津市非道路移动源污染物排放清单开发[J]. 环境科学, 2017, 38(11): 4447-4453.
ZHANG Yi, Andre Michel, LI Dong, ZHANG Xin, WU Lin, ZHANG Yan-jie, MA Chao, ZOU Chao, MAO Hong-jun. Development of a Non-Road Mobile Source Emissions Inventory for Tianjin[J]. Environmental Science, 2017, 38(11): 4447-4453.
天津市非道路移动源污染物排放清单开发
张意1,2 , AndreMichel3 , 李东4 , 张欣5 , 吴琳1,2 , 张衍杰1,2 , 马超1,2 , 邹超1,2 , 毛洪钧1,2     
1. 南开大学环境科学与工程学院, 天津 300071;
2. 南开大学城市交通污染防治研究中心, 天津 300071;
3. 法国国家交通研究院, 法国里昂 690675;
4. 天津市机动车排污检控中心, 天津 300191;
5. 新港海事局, 天津 300456
收稿日期: 2017-04-26; 修订日期: 2017-06-02
基金项目: 国家科技支撑计划项目（2014BAC23B02）；科技部科技基础性工作专项（2013FY112700-02）
作者简介: 张意(1988~), 男, 博士研究生, 主要研究方向为移动源排放清单、机动车排放模型, E-mail:zy403657583@foxmail.com
通信作者: 毛洪钧, E-mail:hongjun_mao@hotmail.com
摘要: 基于天津市非道路移动源污染管控需求，根据调研收集到的2015年非道路移动源活动水平数据，采用环保部《非道路移动污染源排放清单编制技术指南（试行）》推荐的核算方法，建立较为完整的天津市非道路移动源排放清单，分析污染物的时空分布. 2015年，天津市非道路移动源排放CO 6.15×103 t、HC 2.45×103 t、NOx 2.90×104 t、PM 1.45×103 t、SO2 1.37×104 t.船舶污染物排放占比最高，为所有非道路移动源污染物排放总量的73.66%，主要分布于天津港区；其次是非道路移动机械，占21.66%，主要分布于市郊种植业和养殖业区县、城市建设和人群活动较为密集的城区；民航飞机和铁路机车占比较小，分别为3.55%和1.13%，主要分布于机场和铁路沿线.总体上，非道路移动源从3月开始排放量逐渐升高，而年底和年初（冬季）排放量相对较低.
关键词: 非道路移动源      活动水平      排放清单      时空分布      不确定性分析     
Development of a Non-Road Mobile Source Emissions Inventory for Tianjin
ZHANG Yi1,2 , Andre Michel3 , LI Dong4 , ZHANG Xin5 , WU Lin1,2 , ZHANG Yan-jie1,2 , MA Chao1,2 , ZOU Chao1,2 , MAO Hong-jun1,2     
1. College of Environmental Science & Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China;
2. Centre for Urban Transport Emission Research, Nankai University, Tianjin 300071, China;
3. French Institute of Science and Technology for Transport, Spatial Planning, Development and Networks(IFSTTAR), Lyon 690675, France;
4. Tianjin Vehicle Emission Control Center, Tianjin 300191, China;
5. Xingang Maritime Safety Administration, Tianjin 300456, China
Abstract: Based on the collected data of activity level in 2015, a non-road mobile source emissions inventory for Tianjin was developed following the recommended method from the Compilation Guide for a Vehicle Emissions Inventory (trial edition) released by the Ministry of Environmental Protection. In 2015, the emissions of CO, hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), particulate matter (PM) and SO2 from non-road mobile sources in Tianjin were 6.15×103 t, 2.45×103 t, 2.90×104 t, 1.45×103 t, and 1.37×104 t, respectively. Marine sources were identified as the largest non-road mobile source contributor accounting for 73.66% of total emissions, followed by non-road mobile machinery (21.66%). Emissions from civil aircraft and locomotives were relatively lower. Generally, emissions from non-road mobile sources increase from March (spring) to November and decrease from the beginning and the end of the year (winter). Emissions are mainly distributed in suburban districts where there is flourishing agriculture, downtown areas with dense populations, urban construction areas, ports, railway lines, and airports. Uncertainty in the inventory results is mainly due to the lack of key data, such as local emission factors and actual activity levels.
Key words: non-road mobile source      activity level      emission inventory      spatiotemporal distribution      uncertainty analysis     

移动源是指由发动机牵引、能够移动的各种客运、货运交通设施和机械设备, 分为道路移动源(机动车)和非道路移动源(分为非道路移动机械、船舶、铁路机车、飞机)[1].其中, 非道路移动源通常以柴油和重油为主要燃料, 排放标准远低于道路机动车, 整体仅相当于国Ⅰ、国Ⅱ标准, 普遍具有技术水平低、使用年限长、维护保养差、燃油消耗高和污染物单机排放量大等特点[2, 3], 其尾气中NOx、SO2和PM的排放量较高, 严重影响空气质量和人体健康[4, 5].

长期以来, 我国移动源污染控制主要着眼于机动车[6, 7].随着淘汰黄标车、提高新车排放标准和油品质量、发展公共交通等措施的实施, 机动车污染控制成效显著[8, 9].但由于基础研究薄弱、标准制定滞后、涉及部门众多等原因, 非道路移动源的污染管控则相对落后[2].这两个因素直接导致原本居于次要位置且较少受到关注的非道路移动源污染物排放占比不断升高, 减排地位也日益凸现[10, 11].

排放清单是环境空气质量管理的基础和依据, 而国内非道路移动源清单研究尚处于起步阶段[12, 13].张礼俊等[14]建立了珠三角地区非道路移动源清单, 发现非道路移动源已成为该地区第三大NOx和SO2排放贡献源.隗潇[15]建立了京津冀地区非道路移动源排放清单, 发现非道路移动源排放主要集中在该地区东南部.鲁君等[16]对长三角地区典型城市上海和杭州的非道路移动机械排放清单进行了研究, 发现非道路移动机械NOx排放分别占两城市所有污染源的11.1%和16.1%.作为环渤海经济圈核心、北方国际航运和物流中心, 加之承接首都客运和产业转移以及大规模城市建设开发, 近年来, 天津市非道路移动源的活动愈发频繁, 污染物排放增长迅速.

本研究基于天津市非道路移动源污染管控需求, 根据调研收集到的2015年非道路移动源活动水平数据, 采用环保部《非道路移动污染源排放清单编制技术指南(试行)》(《指南》)推荐的核算方法[17], 初步建立较为完整的天津市非道路移动源排放清单, 分析污染物的时空分布, 重点解决污染物“底数不清”的现状, 以期为相关大气环境科学研究和空气质量改善决策提供参考和支撑.

1 材料与方法 1.1 研究对象

本研究核算2015年天津市非道路移动源排放清单, 包括非道路移动机械(主要为工程机械和农业机械)、船舶(包括天津近海和远洋船舶、渔船和海河上的内河船舶)、铁路机车(指以内燃机为动力装置的火车)、民航飞机(主要为天津滨海国际机场的进出港航班).污染物种类为CO、HC、NOx、PM和SO2.

1.2 核算方法

基于《指南》方法建立相关数学计算模型, 核算各类非道路移动源排放清单.

非道路移动机械、船舶、铁路机车大气污染物排放量计算如公式(1) 所示：

(1)

式中, E1为非道路移动机械、船舶、铁路机车的CO、HC、NOx和PM的排放量, t; Y为燃油消耗量, kg; EF1为排放系数(以燃料计), g·kg-1.

民航飞机大气污染物排放量计算如公式(2) 所示：

(2)

式中, E2为民航飞机的CO、HC、NOx和PM的排放量, t; CLTO为民航飞机起飞着陆循环次数, 次; EF2为排放系数(以LTO循环计), kg·次-1. LTO(land and taking-off)起飞着陆循环是指飞机从高空降落至机场, 又重新起飞至高空的一个封闭过程.理想的LTO循环包括起飞、爬升、着陆、滑行这4个工况.

SO2排放量根据燃油中的硫含量来计算, 如公式(3) 所示：

(3)

式中, ESO2为非道路移动源SO2的排放量, t; Y为燃油消耗量, kg; S为燃油硫含量(以燃料计), g·kg-1.

1.3 排放因子

非道路移动源排放因子采用《指南》推荐的平均排放系数(表 1), 其来源主要包括实测、物料衡算和文献调研.

表 1 非道路移动源排放因子及数据来源 Table 1 Emission factors of non-road mobile sources and their data sources

1.4 活动水平

非道路移动源活动水平数据主要来自相关统计年鉴、实际走访调查、文献调研等(表 2).根据调研、统计和核算结果, 2015年天津市非道路移动机械、船舶、铁路机车、民航飞机燃料消耗量分别为2.35×105、1.92×107、8.97×103、1.01×105 t.此外, 2015年天津船舶进出港3.99×105艘次, 铁路机车保有量客运占60.12%、货运占35.23%、调车占4.65%, 民航飞机起降1.26×105架次.

表 2 非道路移动源活动水平数据类型及获取方法 Table 2 Data types for activity level of non-road mobile sources and their collection methods

2 结果与讨论 2.1 排放清单结果 2.1.1 排放量

天津市2015年非道路移动源污染物排放量如表 3所示. 2015年, 天津市非道路移动源排放CO 6.15×103 t、HC 2.45×103 t、NOx 2.90×104 t、PM 1.45×103 t、SO2 1.37×104 t.

表 3 天津市2015年非道路移动源污染物排放量/t Table 3 Total non-road mobile source emission from Tianjin in 2015/t

2.1.2 排放占比

各类非道路移动源的污染物排放占比如图 1所示.船舶污染物排放占比最高, 为所有非道路移动源污染物排放总量的73.66%;其次是非道路移动机械, 占21.66%;民航飞机和铁路机车占比较小, 分别为3.55%和1.13%.

图 1 各类非道路移动源污染物排放占比 Fig. 1 Emission proportion of different non-road mobile sources

各类非道路移动源不同污染物的排放分担率如图 2所示.船舶为非道路移动源排放CO、HC、NOx、PM和SO2的最大贡献源, 分别占该类污染物的48.59%、62.06%、68.75%、65.56%和98.23%;其次为非道路移动机械, 分别占非道路移动源CO、HC、NOx、PM和SO2总排放量的41.17%、29.93%、26.04%、30.60%、1.20%.

图 2 各类非道路移动源不同污染物的排放分担率 Fig. 2 Contribution of different non-road mobile sources to different pollutants

对污染物排放占比较大的船舶和非道路移动机械进一步细分(图 3、图 4)可以发现, 近海和远洋船舶占各类船舶污染物排放的90.33%, 这主要是因为天津港口航运发达, 天津港是世界等级最高、中国最大的人工深水港, 也是吞吐量世界第四的综合性港口[18], 船舶在港区的频繁活动造成了大量的污染物排放; 内河船舶、渔船保有量较低且载重量小, 因此排放占比也较小, 仅为9.67%.农业机械则占各类非道路移动机械污染物排放的62.57%, 主要为拖拉机(31.40%)和农用运输车(20.78%); 工程机械占各类非道路移动机械污染物排放37.43%, 主要为挖掘机(14.23%)和压路机(8.82%).

图 3 各类船舶污染物排放占比 Fig. 3 Emission proportion of different marine xources

图 4 各类非道路移动机械污染物排放占比 Fig. 4 Emission proportion of different non-road mobile machinerie sources

2.2 排放清单时空分布

基于各类非道路移动源的实际活动水平(保有量及技术水平、运行时间、活动区域、燃油消耗量、运行时间、进出港时间、吞吐量、起降架次等), 得到其排放清单的时空分布.

2.2.1 时间分布

各类非道路移动源的污染物排放的月变化趋势如图 5所示.总体上, 非道路移动源从3月(春季)开始排放量逐渐升高, 而年底和年初(冬季)排放量相对较低.其中, 非道路移动机械的污染物排放量受季节影响明显, 3~11月相对较高, 1、2、12月相对较低, 这主要是由于工地施工和农业生产主要集中在春、夏、秋三季, 而冬季相关生产活动较少, 因此工程机械和农业机械的污染物排放也表现出相应的趋势.船舶的污染物排放量也是从3月开始升高, 年底逐渐减少, 与港口吞吐量变化趋势基本一致; 其中, 6~9月为渤海禁渔期, 渔船进入渔港停靠, 活动水平较低, 在此期间船舶污染物排放总量会出现一定的下降.由于铁路机车和民航飞机的客运和货运班次安排相对固定且波动不大, 因此二者污染物排放量月变化较小.

图 5 各类非道路移动源污染物排放月变化趋势 Fig. 5 Monthly emission trends for different non-road mobile sources

此外, 考虑到中国民航的航班时刻特征通常以一个自然周为周期[19], 本研究在2015年每月选取一个自然周统计天津滨海国际机场的航班起降信息(7×24 h), 从而获得基于LTO的民航飞机污染物排放量的日变化和小时变化趋势(图 6).从日变化趋势来看, 每周五航班起降出现最高峰, 因此污染物的排放量也达到最大值, 其次为周一、周六, 而每周三、周日的排放量相对较少.从小时变化趋势来看, 绝大部分的污染物排放发生在白天时段; 09:00~20:00, 会出现污染物排放的几个连续峰值; 21:00以后, 污染物排放量急剧减少; 每日02:00~07:00, 由于基本没有航班起降, 因此排放量也趋于零.

图 6 民航飞机污染物排放日变化和小时变化趋势 Fig. 6 Daily and hourly emission trends for civil aircraft

2.2.2 空间分布

根据各类非道路移动源的活动特点, 结合工地、耕地、港口、铁路和机场的分布, 采用GIS技术生成非道路移动源网格化排放清单(图 7).其中, 非道路移动机械[图 7(a)]中农业机械的排放主要分布于武清、宝坻、蓟州、宁河、静海等市郊种植业和养殖业区县; 工程机械的排放主要分布于城市建设和人群活动较为集中的中心城区、滨海新区和津南区.船舶[图 7(b)]污染物排放主要集中在位于滨海新区的天津港港区和航道, 内河(海河)分布较少.铁路机车[图 7(c)]污染物排放主要分布在客运和货运铁路沿线.飞机[图 7(b)]污染物排放集中在位于东丽区的天津滨海国际机场的飞机跑道及其周边区域的近地面和低空.

市非道路移动源的空间分 图 7 天津市非道路移动源的空间分布(以NOx为例) Fig. 7 Spatial distributions of non-road mobile source emissions for Tianjin

2.3 不确定性分析

本研究的不确定性主要来源于本地排放因子和实际活动水平等关键数据的缺乏.

对于非道路移动机械, 目前我国尚未建立相关登记备案制度, 且涉及部门众多甚至有些机械类型无管理部门, 统计口径也存在差异[20], 因此样本的代表性存在一定不确定性.对于船舶, 实际巡航、靠岸和停泊过程中不同工况对排放的影响存在较大差异[21, 22], 因此采用基于客货周转量和部门调研数据得到的燃油消耗量来计算排放量时, 也存在一定不确定性.对于飞机, 不同机型、发动机、工作模式的排放水平各异[23, 24], 《指南》方法是建立在标准LTO循环基础上对实际情况的一种理想平均, 所以存在一定误差.对于铁路机车, 由于实际运行时间、负载等因素与排放的关系获取较为困难[25], 暂未考虑在清单计算中, 因此与实际情况也存在一定出入.

此外, 现阶段非道路移动源排放因子数据十分匮乏, 而《指南》推荐的排放因子主要采用欧盟EMEP/CORINAIR数据、国内外研究成果、部分实测结果和国际民航组织通用数据, 难以完全真实反映非道路移动源在本地实际工况和运行状态下的排放水平.而SO2排放量的核算则是利用基于燃油消耗的物料平衡法, 其不确定性除了来自参考统计年鉴和部门调查结果估算的油耗量外, 更来自于对燃油含硫量的平均假设.

3 结论

(1) 根据调研收集到的2015年天津市非道路移动源活动水平数据, 采用环保部《指南》推荐的方法, 建立较为完整的天津市非道路移动源排放清单, 分析污染物的时空分布, 可为相关研究和管理决策提供参考和支撑.

(2)2015年, 天津市非道路移动源排放CO 6.15×103 t、HC 2.45×103 t、NOx 2.90×104 t、PM 1.45×103 t、SO2 1.37×104 t.船舶污染物排放占比最高, 为所有非道路移动源污染物排放总量的73.66%;其次是非道路移动机械, 占21.66%;民航飞机和铁路机车占比较小, 分别为3.55%和1.13%.

(3) 各类非道路移动源的污染物排放量从3月(春季)开始逐渐升高, 而年底和年初(冬季)排放量相对较低.

(4) 非道路移动机械中农业机械的排放主要分布于武清、宝坻、蓟州、宁河、静海等市郊种植业和养殖业区县; 工程机械的排放主要分布于城市建设和人群活动较为集中的中心城区、滨海新区和津南区.船舶污染物排放主要集中在位于滨海新区的天津港港区和航道, 内河(海河)分布较少.铁路机车污染物排放主要分布在客运和货运铁路沿线.飞机污染物排放集中在位于东丽区的天津滨海国际机场的飞机跑道及其周边区域的近地面和低空.

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