大型航道船舶黑煙排放監(jiān)管研究

沈 寅,劉登國(guó),譚 華

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092; 2.上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，上海 2000235)

1 前 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)港口迅速在世界港口崛起。2016年全球十大港口[1]，中國(guó)占據(jù)7位，長(zhǎng)三角區(qū)域更是坐擁上海港、寧波-舟山港兩大超大港口。大量醫(yī)學(xué)研究表明，船舶的大氣排放對(duì)人體健康會(huì)造成負(fù)面影響[2-3]，黑煙是其大氣污染排放嚴(yán)重程度的標(biāo)識(shí)之一，同時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放在世衛(wèi)組織2017年A類(lèi)致癌物質(zhì)排名第39位[4],而室外空氣污染以及含有顆粒物的室外空氣污染只是位列第76和第77。航運(yùn)給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)動(dòng)力的同時(shí)，船舶冒黑煙的現(xiàn)象也在航道上頻頻發(fā)生，影響了港區(qū)和港口城市和航道周邊區(qū)域的空氣質(zhì)量。英美等發(fā)達(dá)國(guó)家已將船舶冒黑煙控制納入當(dāng)?shù)貓?zhí)法體系。在我國(guó)，香港地區(qū)對(duì)船舶黑煙排放做出了規(guī)定。近年來(lái)《上海市大氣污染防治條例》和《上海市環(huán)境保護(hù)條例》也將船舶冒黑煙列為違法行為。本文在上海海事局黃浦海事局和上海海事大學(xué)對(duì)于船舶冒黑煙監(jiān)測(cè)方法研究[5]的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用林格曼黑度目測(cè)法對(duì)大型航道船舶黑煙的排放情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，為相關(guān)部門(mén)出臺(tái)具有操作性的控制要求提供技術(shù)支持。

2 國(guó)內(nèi)外船舶黑煙排放相關(guān)法規(guī)要求

美國(guó)阿拉斯加州和德克薩斯州對(duì)船舶黑煙排放出臺(tái)了不同限值的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)阿拉斯加州《船舶可見(jiàn)污染物標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定船舶在阿拉斯加海岸線三英里之內(nèi)，其所排放的煙氣能見(jiàn)度不能低于20%(林格曼黑度1級(jí))[6]。德克薩斯州則規(guī)定船舶排氣的不透光度不能連續(xù)5分鐘超過(guò)30%[7]。

英國(guó)在《清潔空氣法案1993》第一部分第三條中明確對(duì)黑煙進(jìn)行了定義[8]，即與林格曼黑度2級(jí)相當(dāng)或更深的顏色。船舶應(yīng)在包括海船無(wú)法航行的水域，以及海船可以航行的英國(guó)領(lǐng)海水域遵守此項(xiàng)規(guī)定。

香港特別行政區(qū)早期出臺(tái)了船舶排放管理規(guī)定：《船舶及港口管制條例》(第313章)及《商船(本地船只)條例》(第548章)分別訂明[9]，非本地船只或本地船只如在香港水域內(nèi)排放分量足以造成滋擾的煙霧，即屬犯罪。但是該法規(guī)對(duì)黑煙排放限值未進(jìn)行明確的定義，且該法條沒(méi)有根據(jù)船舶大小和違規(guī)次數(shù)制定裁量表。因此，香港政府于2014年出臺(tái)了船舶黑煙管制條例修訂版，規(guī)定若船舶連續(xù)3分鐘以上(含3分鐘)排放的氣體與林格曼黑度二級(jí)的顏色一樣深或更深，則視為違法，需進(jìn)行罰款。本地船舶的最高罰款為 10 000 至25 000 港幣，遠(yuǎn)洋船為 25 000～50 000 港幣[10]。

近年來(lái)陸續(xù)實(shí)施的上海市地方法規(guī)，如《上海市大氣污染防治條例》已將船舶排放明顯可見(jiàn)黑煙列為違法行為?！渡虾Ｊ写髿馕廴痉乐螚l例》第三十八條第五款規(guī)定：在本市行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)、船不得排放明顯可見(jiàn)的黑煙。第八十五條第二款規(guī)定：違反本條例第三十八條第一款、第五款規(guī)定，在本市行駛的機(jī)動(dòng)船向大氣排放污染物超過(guò)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)或者排放明顯可見(jiàn)黑煙的，由海事部門(mén)責(zé)令改正，可以處一千元以上一萬(wàn)元以下罰款；情節(jié)嚴(yán)重的，處一萬(wàn)元以上五萬(wàn)元以下罰款。

雖然船舶冒黑煙的違法行為已被寫(xiě)入法條，但 “明顯可見(jiàn)黑煙”沒(méi)有準(zhǔn)確的定量定義，同時(shí)對(duì)于在用船舶黑煙監(jiān)測(cè)尚沒(méi)有地方法規(guī)或者規(guī)范性文件加以規(guī)定。

3 船舶黑煙排放林格曼黑度監(jiān)測(cè)

基于上海海事大學(xué)和上海海事局黃浦海事局的研究成果，本研究使用林格曼黑度網(wǎng)格來(lái)評(píng)價(jià)船舶排放的黑煙。鑒于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)與一般的陸地非道路機(jī)械、機(jī)動(dòng)車(chē)的技術(shù)和工況均有所不同，同時(shí)大型船舶所用燃油的含硫量顯著高于陸地用非道路機(jī)械所用普通柴油和車(chē)用柴油的含硫量，因此船舶發(fā)動(dòng)機(jī)在個(gè)別工況下排放黑煙情況相對(duì)更明顯和突出，監(jiān)測(cè)時(shí)需考慮船舶所處工況。目前林格曼黑度已列入機(jī)動(dòng)車(chē)和非道路移動(dòng)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)或操作規(guī)程，船舶監(jiān)測(cè)中的一般事項(xiàng)，參照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《在用非道路柴油機(jī)械煙度排放限值及測(cè)量方法》(DB11/184-2013)中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3.1 監(jiān)測(cè)儀器及方法

本文中船舶尾氣黑煙排放監(jiān)測(cè)參照煙氣分析法[11]林格曼黑度圖法和測(cè)煙望遠(yuǎn)鏡法進(jìn)行。未經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員或剛接觸林格曼黑度監(jiān)測(cè)的人員需要使用林格曼黑度網(wǎng)格，或林格曼黑度望遠(yuǎn)鏡對(duì)船舶排放尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若需對(duì)船舶排放進(jìn)行取證，可以使用在鏡頭內(nèi)部有林格曼黑度網(wǎng)格的成像系統(tǒng)，利用攝錄設(shè)備對(duì)船舶排放的黑煙進(jìn)行拍照和視頻取證。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的監(jiān)測(cè)人員，在監(jiān)測(cè)一定時(shí)間之后可直接通過(guò)目測(cè)判定黑煙林格曼黑度級(jí)數(shù)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

對(duì)于一般監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選擇，建議選擇船舶通航較為繁忙的航道邊進(jìn)行，觀測(cè)點(diǎn)距離航道的位置視林格曼黑度望遠(yuǎn)鏡的焦距而定，焦距越長(zhǎng)，觀測(cè)點(diǎn)可離開(kāi)航道的位置越遠(yuǎn)。本研究選擇上海市長(zhǎng)江口岸線某點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

3.3 監(jiān)測(cè)工況

船舶航行工況與機(jī)動(dòng)車(chē)和非道路機(jī)械有較大差異，根據(jù)船舶的航行特征，可將船舶運(yùn)行的工況分為啟動(dòng)、機(jī)動(dòng)航行、巡航和停泊四個(gè)工況。

3.3.1 啟動(dòng)工況

指船舶發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到備車(chē)的過(guò)程。包括主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐。

3.3.2 進(jìn)出港工況

指在船舶進(jìn)港、離港、進(jìn)出航道貨錨地期間，航速小于等于5節(jié)，船舶的主機(jī)處于機(jī)動(dòng)航行狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)急加車(chē)或者倒車(chē)的情況，并很可能排放明顯可見(jiàn)的黑煙。

3.3.3 巡航工況

船舶處于正常航行的狀態(tài)，主機(jī)、輔機(jī)開(kāi)啟，航速大于5節(jié)。

3.3.4 停泊工況

船舶主機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，輔機(jī)和鍋爐可能開(kāi)啟。

由于本研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)位位于長(zhǎng)江口，船舶工況主要以巡航和進(jìn)出港工況為主。本研究在長(zhǎng)江口監(jiān)測(cè)的均為巡航和機(jī)動(dòng)航行工況船舶，且由于這兩種工況用目測(cè)無(wú)法區(qū)分，故在后續(xù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果中不予區(qū)分。如果在巡航和進(jìn)出港工況測(cè)定到船舶排放黑煙，則其在進(jìn)出港工況更易出現(xiàn)黑煙現(xiàn)象。

4 結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本研究在長(zhǎng)江口航道監(jiān)測(cè)船舶633艘次，以空氣背景值為林格曼黑度0.5級(jí)，共發(fā)現(xiàn)林格曼黑度1級(jí)船舶67艘次，占總數(shù)的11%；林格曼黑度1.5級(jí)船舶26艘次，占總數(shù)的2.64%；林格曼黑度2級(jí)船舶12艘次，占總數(shù)的1.9%；林格曼黑度2.5級(jí)船舶7艘次，占總數(shù)的1.1%；林格曼黑度3級(jí)船舶2艘次，占總數(shù)的0.3%。參照上海市對(duì)于在用車(chē)冒黑煙的判斷標(biāo)準(zhǔn)，林格曼黑度超過(guò)1級(jí)為冒黑煙， 林格曼黑度超過(guò)2級(jí)為明顯冒黑煙，本次船舶測(cè)試的冒黑煙率為7.4%，明顯冒黑煙率為1.4%(見(jiàn)圖1)。

圖1 監(jiān)測(cè)船舶排煙林格曼黑度比例Fig.1 The number and ratio of monitored samples in the Ringelman Emittance Level

圖2 各類(lèi)船舶排煙林格曼黑度比例Fig.2 The number and ratio of monitored samples verified by vessel type in the Ringelman Emittance leve

在記錄船舶林格曼黑度的同時(shí)，可以通過(guò)林格曼黑度望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)并記錄船舶名稱(chēng)，在海事局系統(tǒng)中查詢(xún)?cè)摯拇邦?lèi)型、船舶總噸、船舶建造時(shí)間、主機(jī)功率等基本信息。結(jié)合船舶數(shù)據(jù)庫(kù)，分析船舶排放狀況，可以發(fā)現(xiàn)海船的冒黑煙率是10.5%，高于內(nèi)河船的3.5%；海船的明顯冒黑煙率是2.4%，高于內(nèi)河船的明顯冒黑煙率0%(見(jiàn)圖2)。另外，有123艘船舶無(wú)法在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到信息，80艘船舶因拍攝角度、距離和對(duì)焦原因無(wú)法識(shí)別船名，共計(jì)203艘船舶被列為無(wú)法識(shí)別船舶，其冒黑煙率為3.0%，未發(fā)現(xiàn)明顯冒黑煙船舶。其結(jié)果介于海船和內(nèi)河船之間，說(shuō)明無(wú)法識(shí)別的船舶既包括海船又包括內(nèi)河船(見(jiàn)下表)。

表 各類(lèi)船舶排煙林格曼黑度比例Tab. The number and ratio of monitored samples verified by vessel type in the Ringelman Emittance level

4.2 船齡與冒黑煙率的關(guān)系

圖3 監(jiān)測(cè)樣本船齡分布Fig.3 The vessel age distribution of monitored samples

在監(jiān)測(cè)樣本中，按已明確識(shí)別的392條船舶的船齡信息統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖3)，船齡1～5年的船舶有35艘次，占8.9%；船齡6～10年的船舶158艘次，占40.3%；船齡11～15年的船舶130艘次，占33.2%；船齡16～20年的船舶28艘次，占7.1%；船齡20年以上的船舶41艘次，占10.5%。不同船齡船舶的排放黑煙情況如圖4所示。

圖4 船舶冒黑煙率與船齡的關(guān)系Fig.4 The relation between the black smoke emission rate and the vessel age of monitored samples

由圖4可見(jiàn)，使用船齡超過(guò)十年的船舶冒黑煙率和明顯高于船齡在10年以?xún)?nèi)的船舶。但現(xiàn)有數(shù)據(jù)中船齡在16～20年間的船舶冒黑煙率和明顯冒黑煙率較低，這部分船舶共計(jì)28艘次，樣本數(shù)較少可能是造成結(jié)果異常的主要原因。

圖5 監(jiān)測(cè)樣本總噸分布Fig.5 The gross tonnage distribution of monitored samples

圖6 船舶冒黑煙率與船舶總噸的關(guān)系Fig.6 The relation between the black smoke emission rate and the gross tonnage of monitored samples

4.3 船舶總噸與冒黑煙率的關(guān)系

按已明確識(shí)別的430條船舶的總噸信息統(tǒng)計(jì)如圖5所示，總噸≤99的船舶有1艘次，占0.2%；總噸100～499的船舶90艘次，占20.9%；；總噸500～999的船舶18艘次，占4.2%；總噸1 000～2 999的船舶93艘次，占21.6%；總噸3 000～9 999的船舶121艘次，占28.1%；總噸10 000～49 999的船舶97艘次，占22.6%；總噸≥50 000的船舶10艘次，占2.3%。

由圖6可見(jiàn)，船舶總噸分布來(lái)分析，500總噸以上船舶冒黑煙率較高，冒黑煙率隨船舶總噸變大而明顯升高，但50 000總噸及以上的10艘船舶未發(fā)現(xiàn)明顯冒黑煙船舶，且這些船舶的船齡分布各不相同(船齡1～5年的1艘，6～10年的1艘，11～15年3艘，16～20年1艘，20年以上4艘)。

4.4 船舶主機(jī)功率與冒黑煙率的關(guān)系

圖7 監(jiān)測(cè)樣本主機(jī)功率分布Fig.7 The main engines’ MCR distribution of monitored samples

在監(jiān)測(cè)樣本中，按船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第一、二階段)對(duì)于船舶功率的分類(lèi)，按已明確識(shí)別的430條船舶的主機(jī)功率信息統(tǒng)計(jì)如圖7所示，功率P<2 000的船舶有234艘次，占37.0%；功率2 000≤P<3 300的船舶77艘次，占12.2%；功率3 300≤P<3 700的船舶10艘次，占1.6%；功率P≥3 700的船舶109艘次，占17.2%。

由圖8可見(jiàn)，冒黑煙率和明顯冒黑煙率最高的是主機(jī)額定功率2000≤P<3000千瓦的船舶，冒黑煙率第二的是3300≤P<3700千瓦的船舶，明顯冒黑煙率第二的是P≥3700千瓦的船舶。

4.5 船舶冒黑煙監(jiān)管建議

如前所述《上海市大氣污染防治條例》已將船舶排放明顯可見(jiàn)黑煙列為違法行為。本文研究結(jié)果表明海船的明顯冒黑煙率為2.4%，內(nèi)河船為0，據(jù)海事部門(mén)統(tǒng)計(jì)(上海海事局、上海交通委統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))上海港2017年進(jìn)出港船舶189.9萬(wàn)艘次，其中海船24.2萬(wàn)艘次，內(nèi)河船165.7萬(wàn)艘次，估算得船舶明顯冒黑煙數(shù)為5808條。平均每天約16條船舶正常巡航時(shí)明顯冒黑煙，考慮到進(jìn)出港工況更易出現(xiàn)黑煙現(xiàn)象，因此有必要進(jìn)行冒黑煙船舶的監(jiān)測(cè)監(jiān)管。

圖8 船舶冒黑煙率與船舶主機(jī)功率的關(guān)系Fig.8 The relation between the black smoke emission rate and the main engines’ MCR of monitored samples

從船舶航行安全的角度出發(fā)，建議目前只對(duì)船舶正常巡航時(shí)的排放進(jìn)行監(jiān)管。

參考英國(guó)、美國(guó)和中國(guó)香港的現(xiàn)行法規(guī)，結(jié)合上海港的船舶實(shí)際情況，建議 ：

(1)在上海主要航道設(shè)立至少3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同一艘船舶若在3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中被發(fā)現(xiàn)有2次明顯冒黑煙，即判定為違規(guī)，并采用攝像取證的方法

(2)由于船舶大小和功率不同，其排放的黑煙量也有不同。建議建立船舶排放違規(guī)處罰分級(jí)機(jī)制，按船舶大小或發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小設(shè)定罰金數(shù)額。

(3)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，有6.0%的船舶介于冒黑煙和明顯冒黑煙之間，建議設(shè)立分階段監(jiān)管，在需要時(shí)間和區(qū)域?qū)嵤└鼑?yán)格的排放限值，例如在某些特定時(shí)段或日期，黃浦江外環(huán)隧道至徐浦大橋區(qū)域船舶排放黑煙林格曼黑度不得超過(guò)1級(jí)。

(4)建立船舶排放數(shù)據(jù)庫(kù)，海事部門(mén)可將船舶大氣污染排放監(jiān)測(cè)信息納入其中，建立黑名單機(jī)制，對(duì)于屢次違規(guī)的船舶可加大處罰。

5 總 結(jié)

使用林格曼黑度法對(duì)船舶排煙進(jìn)行監(jiān)測(cè)，效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單、取證方便、不會(huì)受制于測(cè)試地理環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但是受天氣條件影響。在晴天、陰天和多云的天氣條件下，在航道周邊設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，即可開(kāi)展監(jiān)測(cè)。在發(fā)現(xiàn)冒黑煙船舶并需要取證時(shí)，可通過(guò)林格曼黑度成像系統(tǒng)進(jìn)行拍照或視頻錄像取證。

船舶尾氣的林格曼黑度明顯冒黑煙率與船舶的船齡成正比，即船齡越高，船舶明顯冒黑煙率越高。船舶總噸大于500的船舶都出現(xiàn)了不小于10%的冒黑煙率，船舶越大，明顯冒黑煙率越高。船舶的明顯冒黑煙率與主機(jī)功率無(wú)明顯關(guān)系。因此，在冒黑煙監(jiān)測(cè)及執(zhí)法過(guò)程中可重點(diǎn)對(duì)船齡較老且總噸較大的船舶進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果和上海港情況的分析，建議：將船舶明顯冒黑煙限值設(shè)為不超過(guò)林格曼黑度2級(jí)；采用多點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)合攝像取證的方法判定船舶違規(guī)；只針對(duì)船舶巡航工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；建立船舶排放違規(guī)處罰分級(jí)機(jī)制；設(shè)立分階段標(biāo)準(zhǔn)，在需要時(shí)間和區(qū)域?qū)嵤└鼑?yán)格的排放限值；建立黑名單機(jī)制，對(duì)于屢次違規(guī)的船舶可加大處罰。

致謝：感謝上海海事局危防處、船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控中心、上海市地方海事局對(duì)本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)工作的大力支持。