機場大氣污染物高時間分辨率排放清單計算方法研究

陳文君，廖一嘉，周建力，劉芳彤，許民甲，烏云娜

1.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院，北京 102206 2.華北電力大學新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室，北京 102206

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和技術的不斷進步，我國航空運輸業(yè)的發(fā)展持續(xù)向好。2015—2019年，我國民航運輸總量從851.7億t·km迅速增長至1 293.3億t·km，年平均增幅約為12.7%；2019年，民航旅客運輸量和機場旅客吞吐量分別為6.60億人次和13.52億人次[1]。但與此同時，航空運輸業(yè)快速發(fā)展所帶來的環(huán)境問題也愈發(fā)嚴重[2]。根據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)2016年報告[3]，全球范圍內(nèi)人為CO2總排放量的約2%為航空排放。相關報告還指出，民航飛機排放的碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)等氣體將對當?shù)乜諝赓|量造成不利影響，并損害人體健康[4]。大氣污染物排放清單是我國實施空氣質量監(jiān)管、制定環(huán)境保護政策的重要依據(jù)[5]。建立不同尺度的大氣污染物排放清單，有利于相關部門有針對性地實施不同級別的大氣污染排放監(jiān)管。排放清單在空間上的高分辨率化有利于更好地摸清本地污染排放情況[6]，在時間上的高分辨率化有利于進行實時監(jiān)管，從而保證在發(fā)生突發(fā)性大氣污染事件時可迅速進行檢測及應對。

隨著環(huán)保工作的不斷深入,機場大氣污染物排放清單的建立工作逐漸受到各界的重視[7]。夏卿等[8]對民航機場飛機起飛著陸排放量進行了估算，采用了標準起飛著陸(Landing and Take-off，LTO)循環(huán)識別飛機的各種狀態(tài)；樊守彬等[9]應用排放和擴散建模系統(tǒng)(Emissions and Dispersion Modeling System，EDMS)建立了機場大氣污染物排放清單，明確了機場大氣污染物的主要排放源；徐冉等[10]收集了北京首都國際機場相關數(shù)據(jù)，建立了首都國際機場飛機排放清單；周子航等[11]等建立了成都雙流國際機場大氣污染物排放清單，并分析了污染排放的時空特征。在現(xiàn)有機場大氣污染物排放清單研究中，關于污染物排放源的識別工作和排放因子的本地化工作已較為完善，但清單的時間尺度一般為年度、季度或月度級別，且所包含的地面保障設備(GSE)運作狀況數(shù)據(jù)較少。因此，為了更好地分析機場大氣污染物的排放特征，實現(xiàn)對機場周邊大氣環(huán)境質量的實時監(jiān)控，需建立具備更高時間分辨率的排放清單。

本文在前人研究的基礎上，以提高時間分辨率為目標，對機場大氣污染物主要排放源的排放量計算方法進行了改進。首先，分析了機場大氣污染物的排放來源，明確了計算范圍。其次，結合我國民航飛機主要機型的發(fā)動機型號組成情況，收集整理了更加本地化的污染排放因子。再次，根據(jù)飛機飛行全過程大氣污染物排放組成情況相關研究，將單次LTO循環(huán)排放因子拆分成起飛和降落兩部分。最后，通過收集首都國際機場航班數(shù)據(jù)和統(tǒng)計地勤設備一日活動情況，進行實例計算。通過與相關研究的對比，證明計算方法的可行性，并對計算結果進行誤差分析。

1 計算范圍與計算方法

1.1 機場大氣污染物排放特征

ICAO《機場空氣質量手冊》所含計算方法[12-16]按照污染物的排放來源，將機場大氣污染物排放劃分為3部分：飛機發(fā)動機排放、機場地勤設備排放和機場固定源排放。機場大氣污染物總排放量的計算公式見公式(1)。其中，飛機發(fā)動機為最主要的污染物排放源。2012年首都國際機場大氣污染物排放中，由飛機發(fā)動機產(chǎn)生的CO、揮發(fā)性有機物(VOCs)、NOx、二氧化硫(SO2)、可吸入顆粒物(PM10)的排放量占比分別達到了37.9%、76.6%、91.6%、91.0%、47.3%[17]。

Ei=Ei,a+Ei,g+Ei,s

(1)

式中：i為污染物類型；Ei為機場的i類污染物排放總量，t；Ei,a、Ei,g、Ei,s分別表示飛機發(fā)動機、機場地勤設備、機場固定源的i類污染物排放總量，t。

1.1.1 飛機發(fā)動機排放

飛機發(fā)動機作為飛機的動力設備，在運行過程中因燃油消耗、局部高溫等會產(chǎn)生大量大氣污染物。ICAO將飛機單次起降活動的全過程記作一次LTO循環(huán)，包括靠近、滑行引導、起飛和爬升4個階段，如表1所示。ICAO通過對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，給出了飛機在LTO循環(huán)各階段的狀態(tài)時間(Time in Mod，TIM)的理想數(shù)據(jù)。

表1 LTO循環(huán)及各階段TIMTable 1 LTO cycle and TIM

通過對國內(nèi)航空公司的機型組成及發(fā)動機型號構成情況進行統(tǒng)計，加權得出國內(nèi)不同機型的單次LTO循環(huán)排放因子，并參考《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南(試行)》等[18-19]，確定了PM10、細顆粒物(PM2.5)的排放因子，最終整理出我國民航飛機常見機型排放因子，如表2所示。

表2 常見機型單次LTO循環(huán)排放因子Table 2 Single LTO cycle emission factors for main aircrafts g/LTO

除飛機主發(fā)動機外，部分機型還安裝有小型渦輪發(fā)動機，可作為動力輔助單元(Auxiliary Power Unit，APU)在需要時為飛機提供動力。但APU排放量較小，使用情況難以統(tǒng)計，并且部分飛機并未安裝，所以本文未納入考慮。

1.1.2 地勤設備排放

機場地勤設備可在飛機停航和維護時為飛機提供各類服務。其種類繁多，大致分為GSE、飛機加油相關設備、飛機除冰相關設備。其中，飛機加油和除冰工作的排放量較小且排放物種類單一，在本文的計算方法中不納入考慮。

不同國家的GSE排放因子并不統(tǒng)一，國內(nèi)主要參照《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》[20]。按照能源類型，可將GSE分為汽油型、柴油型和電能型。電能驅動的GSE幾乎不產(chǎn)生大氣污染物排放，在本文的計算方法中不納入考慮。

根據(jù)相關研究，在美國聯(lián)邦航空管理局頒布的AirportGroundSupportEquipment:EmissionReductionStrategies,InventoryandTutorial[21]的基礎上，對上述GSE的排放因子取均值，并結合我國《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》，整理出汽油型設備和柴油型設備的排放因子，如表3、表4所示。

表3 機場常見汽油型GSE排放因子Table 3 Emission factors for main GSE (gasoline) g/(kW·h)

表4 機場常見柴油型GSE排放因子Table 4 Emission factors for main GSE (diesel oil) g/(kW·h)

1.1.3 固定源排放

為了維持機場的正常運行，機場內(nèi)建設有許多不可移動的大型設施，其在運行時同樣會產(chǎn)生大氣污染。這些設施主要包括動力和供熱設備(如鍋爐、發(fā)電機)、焚化爐、機場與飛機維修設施、燃料相關設施(如燃料廠、輸油管道和加油站)等。除此之外，消防培訓活動和建筑施工活動等也會產(chǎn)生污染物排放。固定設施的排放量計算公式可查看ICAO《機場空氣質量手冊》。機場內(nèi)固定設施的大氣污染物排放與其他大氣污染物排物放場景相似，可通過安裝檢測設備進行監(jiān)管，在本文計算方法中不納入考慮。

1.2 計算方法

本文針對飛機主發(fā)動機和GSE設計了半小時尺度的排放量計算方法，涉及的大氣污染物包括CO2、HC、NOx、CO、SO2、PM2.5、PM10。

1.2.1 飛機主發(fā)動機排放量計算

為實現(xiàn)高時間分辨率的排放量計算，需要將LTO循環(huán)拆分成出發(fā)和到達兩種狀態(tài)，拆分后的LTO循環(huán)如圖1所示。

圖1 LTO循環(huán)拆分示意圖Fig.1 Divided LTO cycle

航班飛行的全過程分為起飛階段、空中飛行階段和著陸階段。其中，起飛階段包括了滑出、地面起飛和初始爬升(離地爬升至1 000 m高度)3個過程，空中飛行階段包括了高空爬升(自離地1 000 m高度爬升至巡航高度)、巡航和下降過程(自巡航結束點下降至離地1 000 m高度)，著陸階段包括了接近(自離地1 000 m高度下降至主輪接地)、地面著陸和滑入過程。相關研究[22-23]通過對航班飛行全過程的大氣污染物排放特征進行分析，得到了各階段的污染物排放量占比，如圖2所示。

圖2 不同飛行階段的各污染物排放量占比Fig.2 The emission proportion in each phase

基于圖2中的研究結果，整理起飛和著陸階段的各類污染物排放量比例，將不同污染物單次LTO循環(huán)的排放因子進行拆分，分別得到出發(fā)航班和到達航班的大氣污染物排放因子，如表5、表6所示。在此基礎上，通過統(tǒng)計進出港航班的機型、數(shù)量及時間，可計算得出該時間尺度內(nèi)的飛機發(fā)動機污染物排放量，計算公式如下：

(2)

式中：Ei,e表示飛機發(fā)動機總排放量，g；Nj,d和Nj,a分別表示出港和進港的j型飛機的數(shù)量；Eij,d和Eij,a分別表示j型飛機在出發(fā)和到達狀態(tài)的i類污染物的排放因子，g/架次。

表5 常見機型出發(fā)階段排放因子Table 5 Emission factors for departure flight g/架次

表6 常見機型到達階段排放因子Table 6 Emission factors for arrival flight g/架次

1.2.2 GSE排放量計算

在初始排放因子的基礎上，進一步考慮了GSE的發(fā)動機功率和負載率。若能獲取每臺機場地勤設備的工作馬力變化數(shù)據(jù)及實時負載率，則可直接納入計算?？紤]到大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，在新型號的地勤設備中，獲取這些實時信息和數(shù)據(jù)是有望實現(xiàn)的。但目前要想進行高時間分辨率的相關計算，只能基于大量已有數(shù)據(jù)的平均值。通過統(tǒng)計相關文獻數(shù)據(jù)，確定了我國機場常見GSE的平均發(fā)動機功率和平均負載率，如表7所示。在此基礎上，通過統(tǒng)計該時間尺度內(nèi)機場GSE的活動情況，即可計算污染物排放量。GSE的污染物排放量計算公式見公式(3)。

(3)

式中:Ei,g為由GSE排放的i類污染物的總量，g；BHPj為j類設備的平均發(fā)動機馬力,kW；LFj為j類設備的平均負載率，%；Eij為j設備的i類污染物排放因子，g/(kW·h)；tj為j類設備的工作時間，h。

表7 常見GSE的發(fā)動機功率和平均負載率Table 7 Engine power and average load ratio for common GSE equipment

2 實例計算及結果分析

2.1 實例計算

通過北京首都國際機場工作人員的大力配合，采用Python語言對機場官方網(wǎng)站的公開信息進行統(tǒng)計后，本文收集整理了首都國際機場某日24 h的真實數(shù)據(jù)，包括全天出發(fā)航班的機型與出發(fā)時間、全天到達航班的機型與到達時間、常見GSE組成情況、全天GSE活動狀況。

首都國際機場當日進出港航班總數(shù)為996架次，共涉及518架飛機，機型組成情況如下：空客公司各類機型共計198架，占比38.2%，其中主要機型為A320、A321、A330，分別為50、72、56架；波音公司各類機型共計241架，占比46.5%，其中又以B737-800型為主，為181架，占當日飛機總數(shù)的34.9%。根據(jù)表2可知，A330機型各類大氣污染物的單次LTO循環(huán)排放因子都處于較高水平，因此，從污染物排放角度，各航空公司應優(yōu)化機型組成，逐漸減少該機型的占比，以減少大氣污染物排放。當日及后續(xù)幾日進出港航班數(shù)量的時間分布如圖3所示。由圖3可知，進出港航班數(shù)量的時間分布趨勢大致相同，均在02：00—06：00處于較低水平，在14：00左右達到峰值。

注：圖中標注的數(shù)值為日期1的架次數(shù)。圖3 進出港航班數(shù)量的時間分布Fig.3 Distribution of the number of inbound and outbound flights over time

首都國際機場現(xiàn)有地面作業(yè)車輛共計3 630輛，其中，通用車1 325輛，民航特種車1 100輛，專項特種車1 205輛。機場內(nèi)常見GSE的能源類型及數(shù)量組成情況如表8所示?？梢钥吹剑壳半妱釉O備占常見設備總數(shù)量的比例僅為14.2%，未來可進一步增加電動設備的比例，以減少大氣污染物排放。全天24 h處于活動(非待命)狀態(tài)的GSE的數(shù)量統(tǒng)計情況如圖4所示。其中，組類1包括擺渡車與客梯車，組類2包括清水車、加油車、食品車、行李車、空調車和充電車，組類3包括污水車和垃圾車，組類4為牽引車。對比進出港航班數(shù)量可知：組類1與組類2的活動水平與進出港航班數(shù)量的變化趨勢較為相近；組類3則有一定的滯后性；組類4則一直處于較低水平，與進出港航班數(shù)量無明顯直接聯(lián)系。在后續(xù)計算中，默認處于活動狀態(tài)的GSE在該時間段內(nèi)一直處于運行狀態(tài)。

表8 首都國際機場常見GSE組成Table 8 Composition of common GSE in Beijing Capital International Airport輛

圖4 GSE的24 h活動水平Fig.4 GSE activity level in 24-hour

經(jīng)計算，建立了首都國際機場某日高時間分辨率大氣污染物排放清單，如表9所示，其中包含了飛機發(fā)動機排放與GSE排放。當日除顆粒物以外的其余5類大氣污染物的排放量變化趨勢如圖5所示。以NOx和PM2.5為例進行分析，NOx的排放峰值出現(xiàn)在08：00左右，為488 642.6 g，平均每半小時的排放量為178 802.71 g，00：00—08：00、08：00—16：00、16：00—24：00的排放量分別占日排放總量的20.9%、45.2%、33.9%；PM2.5的排放峰值出現(xiàn)在08：00，為3 644.34 g，00：00—08：00、08：00—16：00、16：00—24：00的排放量分別占日排放總量的20.4%、43.9%、35.7%。

表9 首都國際機場大氣污染物高時間分辨率排放清單

圖5 首都國際機場大氣污染物排放量時間分布Fig.5 Temporal distribution of air pollutants emissionin Beijing Capital International Airport

對比相關文獻研究結果[11]，其日排放的分布趨勢與本文計算結果相似，不同污染物的排放量占比也相近，間接驗證了該計算方法的可靠性。

2.2 不確定性分析

該計算案例中，結果的不確定性來源于活動水平和排放因子。其中，活動水平方面的不確定性可通過收集更為準確與實時的數(shù)據(jù)來解決，排放因子方面的不確定性則需要通過進一步的研究工作進行優(yōu)化。

2.2.1 活動水平

本案例收集的機場航班機型與進出港時間數(shù)據(jù)來自北京首都國際機場官方網(wǎng)站上的航班計劃，總體可靠性較強，但在高時間分辨率排放量計算上存在明顯的不足。主要原因是航班的真實起降情況更為復雜，存在延誤、取消等狀況，會造成污染排放在時間分配上的差異。此外，地勤設備的活動水平難以實現(xiàn)準確統(tǒng)計。本案例從首都國際機場獲取的GSE活動狀態(tài)數(shù)據(jù)增加了計算結果的準確性，但相關數(shù)據(jù)在高時間分辨率排放量計算上的適用性有待進一步提升。理想情況下，未來通過大數(shù)據(jù)技術可實現(xiàn)對飛機發(fā)動機與GSE活動情況的實時檢測和統(tǒng)計，從而實現(xiàn)實時排放量計算。

2.2.2 排放因子

本案例采用的排放因子經(jīng)過了本地化處理，對國內(nèi)機場的適用性較強。分析排放因子的確定過程，誤差主要來自于LTO循環(huán)中的TIM值。其中，靠近和滑行引導兩部分的準確率分別只有30%和7%，誤差最大。將同種機型采用相同排放因子的思路應用到高時間分辨率排放量計算中，會產(chǎn)生一定的誤差。理想情況下，應該精確到具體的發(fā)動機型號。為了拆分現(xiàn)有的排放因子，需要對飛機飛行全過程的排放特征進行大量的數(shù)據(jù)分析。而本文采用的拆分依據(jù)具有一定的局限性，代表性不強，實際情況更為復雜，這進一步增加了清單的不確定性。

3 結論

本文以提高機場大氣污染物排放清單的時間分辨率為目標，在前人研究的基礎上，收集整理了飛機發(fā)動機與GSE的排放因子，并對計算方法進行了調整，實現(xiàn)了對半小時時間分辨率大氣污染物排放清單的計算。同時，收集了首都國際機場某日24 h的真實數(shù)據(jù)，建立了首都國際機場高時間分辨率大氣污染物排放清單。相關結論如下：

1)首都國際機場當日進出港航班總數(shù)為996架次，其中起飛503架次，降落493架次。機場全天大多數(shù)時間處于較為繁忙的工作狀態(tài)，只有02：00—06：00處于低運營水平。

2)當日的CO2、HC、NOx、CO、SO2、PM2.5、PM10總排放量分別為4 503 823.08、350 084.94、8 582 530.23、4 665 950.08、456 216.91、88 846.00、91 380.19 g。各類污染物排放量的時間分布和機場航班進出港數(shù)量的時間分布一致，且與以往有關研究中的排放量分布相似，間接驗證了本方法計算結果的可靠性。

3)本文設計的計算方法可行，但不確定性因素較多。為滿足高時間分辨率的排放量計算，未來的研究應著力提升設備活動水平相關數(shù)據(jù)的準確性，完善排放因子的拆分依據(jù)。

4)結合統(tǒng)計分析結果，為減少機場大氣污染物排放，建議進一步優(yōu)化機型組成，降低污染排放因子較高的機型的比例；普及APU，用于低功率運行，減少飛機燃油消耗；提升地面設備電氣化水平，減少地勤設備排放。

致謝：本文航班起降架次、時間，GSE設備運作時間等數(shù)據(jù)的獲取，得到了北京首都國際機場工作人員的幫助與支持，特此感謝！