宋利生

（中國(guó)東方航空股份有限公司，上海 201299）

19世紀(jì)70年代以來(lái)商用噴氣機(jī)交通運(yùn)輸?shù)拇蠓黾?，引起了人們?duì)于飛機(jī)和機(jī)場(chǎng)污染物排放的更多地關(guān)注。不同于大多數(shù)的運(yùn)輸方式，飛機(jī)會(huì)在不同高度行駛很長(zhǎng)的距離，產(chǎn)生的排放會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量和區(qū)域及國(guó)際環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。

主要研究影響當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的3種主要?dú)怏w污染物HC、CO和NOx，其它污染物如SO2由于航空燃油質(zhì)量的不斷提高含硫量也越來(lái)越低，對(duì)空氣質(zhì)量的影響與其它排放源相比很小，所以不予以研究。而CO2和由水蒸氣引起的凝結(jié)尾跡主要是在高空引起氣候的變化，也不予以研究。

1 ICAO發(fā)動(dòng)機(jī)排放物計(jì)算方法分析

飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的全部活動(dòng)可用起降循環(huán)LTO（landing and take-off）來(lái)描述，是指飛機(jī)離開(kāi)登機(jī)口到回到登機(jī)口的一個(gè)過(guò)程。它可概括為4個(gè)階段：滑行、起飛、爬升和進(jìn)近，不包括巡航階段。每個(gè)階段的時(shí)間取決于具體操作，通過(guò)計(jì)算飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)所有LTO循環(huán)的排放即可算出飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的總排放量。ICAO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)，將起降循環(huán)劃分為4個(gè)階段，如表1所示，它定義LTO上限為從地表到大氣邊界層頂部高度915 m（3 000 ft）的地方，如圖1所示。

圖1 ICAO標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)模型Fig.1 ICAO reference LTO cycle model

ICAO在其發(fā)布的關(guān)于機(jī)場(chǎng)空氣質(zhì)量指導(dǎo)的文件（airport air quality guidance manual）中介紹了3種計(jì)算機(jī)場(chǎng)飛機(jī)排放的方法：

表1 ICAO標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)各階段推力設(shè)置和時(shí)間Tab.1 Power setting and time of ICAO reference LTO cycle

1）簡(jiǎn)單方法 是最簡(jiǎn)單的方法，需要最少的數(shù)據(jù)，但計(jì)算結(jié)果不精確。

2）高級(jí)方法 提高了精度，需要飛機(jī)類型，EI計(jì)算和TIM。

3）精密方法 精密的方法不使用LTO認(rèn)證數(shù)據(jù)和TIM，而是利用實(shí)際的飛機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。在許多情況下，這種方法需要使用一些對(duì)公眾不公開(kāi)的數(shù)據(jù)和模型，操作難度較大。

3種方法由簡(jiǎn)到密，主要是數(shù)據(jù)來(lái)源上的差別。前兩種方法使用的是ICAO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)起降循環(huán)LTO模型。精密方法使用的是飛機(jī)實(shí)際起降循環(huán)，因各個(gè)階段所耗用的時(shí)間及燃油量無(wú)法確定，所以在計(jì)算上沒(méi)有可操作性，需要由企業(yè)單獨(dú)建立數(shù)據(jù)庫(kù)加以統(tǒng)計(jì)。現(xiàn)重點(diǎn)介紹第2種方法。計(jì)算公式為

其中：Eij為j型飛機(jī)在一個(gè)LTO循環(huán)內(nèi)的i污染物的總排放量；EIjk為j型飛機(jī)某型發(fā)動(dòng)機(jī)工作在k模式下污染物i的排放因子（g/kg）；FFjk為j型飛機(jī)某發(fā)動(dòng)機(jī)工作在k模式下的燃油消耗率；TIMjk為j型飛機(jī)k模式所消耗的時(shí)間；NEj為j型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。

計(jì)算出每一機(jī)型/發(fā)動(dòng)機(jī)組合的單個(gè)LTO的排放后，乘以這一機(jī)型/發(fā)動(dòng)機(jī)組合的在這個(gè)機(jī)場(chǎng)的LTO循環(huán)數(shù)，再對(duì)所有的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組合求和就等于這個(gè)機(jī)場(chǎng)飛機(jī)總的污染物排放量。

ICAO沒(méi)有給出SOx的排放認(rèn)證，然而SOx又是含硫燃料的必然產(chǎn)物。美環(huán)保署EPA對(duì)航空燃油的含硫量進(jìn)行一項(xiàng)調(diào)查，結(jié)果顯示平均每消耗1 kg燃油約產(chǎn)生1 g的SOx即EI（SOx）=1 g/kg。不能過(guò)度依賴這個(gè)平均值，但可以用來(lái)進(jìn)行一個(gè)排放評(píng)估。

2 機(jī)場(chǎng)排放物計(jì)算方法和應(yīng)用計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

考慮到中國(guó)民航以1周為周期的航班時(shí)刻特征（不考慮臨時(shí)航班的變化）以及航空公司飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配情況的復(fù)雜以及數(shù)據(jù)來(lái)源的匱乏，在排放因子上采用與ICAO不同的方法，即根據(jù)每一型飛機(jī)所選裝的各種發(fā)動(dòng)機(jī)的比例計(jì)算其平均排放因子進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算分以下幾個(gè)步驟：

1）搜集所要研究機(jī)場(chǎng)的1周的航班信息；

2）搜集該機(jī)場(chǎng)各航空公司的機(jī)隊(duì)配置信息（飛機(jī)／發(fā)動(dòng)機(jī)匹配數(shù)據(jù)）；

3）查詢ICAO飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(kù)（ICAOaircraft engine emissions databank），計(jì)算各型號(hào)飛機(jī)的各個(gè)工作狀態(tài)的平均排放因子；

4）計(jì)算各機(jī)場(chǎng)污染物總排放量。

飛機(jī)污染氣體排放總量計(jì)算公式為

其中：Eij為一個(gè)LTO循環(huán)j型飛機(jī)的i污染物的排放總量，LTOj為j型飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)1周的LTO循環(huán)數(shù)。

其中：A為某航空公司j型飛機(jī)的總架數(shù)，NEj為j型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)；Kn為配n型發(fā)動(dòng)機(jī)的j型飛機(jī)的架數(shù)；Fjnk為n型發(fā)動(dòng)機(jī)在k模式下的燃油消耗率。

其中：EIink為n型發(fā)動(dòng)機(jī)在k模式下的i污染物排放因子，可由ICAO排放數(shù)據(jù)庫(kù)獲得（ICAO aircraft engine emissions databank）；Kn為n型發(fā)動(dòng)機(jī)的j型飛機(jī)架數(shù)。

2.2 中國(guó)機(jī)場(chǎng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放物計(jì)算分析

由于國(guó)外航空公司數(shù)據(jù)的匱乏，僅列舉幾個(gè)國(guó)外航班較少的中型機(jī)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，以保證結(jié)果的盡量準(zhǔn)確。在搜集整理了中國(guó)主要航空公司的機(jī)隊(duì)配置信息的基礎(chǔ)上，計(jì)算了中國(guó)主要航空公司各種機(jī)型一個(gè)LTO循環(huán)的污染物排放量，再根據(jù)機(jī)場(chǎng)1周的航班計(jì)劃計(jì)算總排放量。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)計(jì)算得出深圳等4個(gè)機(jī)場(chǎng)2009年幾種污染物的年排放量（t）及LTO數(shù)（周），如表3所示。

從圖2和圖3可看出排放量與飛機(jī)的起降循環(huán)成正比關(guān)系，其中NOx為主要排放污染物，所占比例均超過(guò)50%，是影響機(jī)場(chǎng)周圍空氣質(zhì)量的主要污染物，歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)場(chǎng)專門(mén)建立了針對(duì)NOx的的收費(fèi)制度，對(duì)此應(yīng)引起足夠重視。

表2 ICAO飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放數(shù)據(jù)Tab.2 ICAO engine exhaust emissions data bank

表3 4機(jī)場(chǎng)2009年污染物年排放量Tab.3 Four airports’total exhaust emissions in 2009

圖2 污染物排放量比較Fig.2 Emission comparison of four airports

圖3 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)起降次數(shù)比較Fig.3 LTO number comparison of four airports

2.3 結(jié)果精度分析

中國(guó)民航航班一般根據(jù)客流特點(diǎn)劃分為冬春季和夏秋季航班，而且存在臨時(shí)變動(dòng)的情況，按1周來(lái)計(jì)算會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。研究采用ICAO標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)，它已規(guī)定好飛機(jī)起降循環(huán)的各個(gè)模式的時(shí)間和推力設(shè)置，而實(shí)際情況各個(gè)模式的時(shí)間及油耗并不確定，這給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)了一定的不確定性，并且由于航空公司飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)具體配置信息的無(wú)法抓取，而此處采用了飛機(jī)一個(gè)LTO的平均排放數(shù)據(jù)，也給計(jì)算結(jié)果造成了一定的偏離。要想準(zhǔn)確地計(jì)算機(jī)場(chǎng)飛機(jī)的排放量涉及數(shù)據(jù)很多，但如果運(yùn)用本方法對(duì)機(jī)場(chǎng)飛機(jī)的排放量進(jìn)行一個(gè)總體評(píng)估分析，如構(gòu)成、發(fā)展趨勢(shì)、對(duì)比等，仍具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3 常用機(jī)場(chǎng)減排措施

中國(guó)民航在航空減排方面，因無(wú)強(qiáng)制性量化減排指標(biāo)，政策上主要是按照《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》中規(guī)定“采用節(jié)油機(jī)型，提高載運(yùn)率、客座率和運(yùn)輸周轉(zhuǎn)能力，提高燃油效率，降低油耗”，并按照國(guó)際民航組織倡導(dǎo)的各項(xiàng)措施，重點(diǎn)倡導(dǎo)機(jī)場(chǎng)、航空公司節(jié)約能源消耗。目前國(guó)際上常用的減排措施分為三種：技術(shù)措施、運(yùn)營(yíng)措施和基于市場(chǎng)的措施。

技術(shù)措施主要是指淘汰老舊機(jī)型，使用新型的飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)等。如波音公司最新研制的B787型客機(jī)，其整機(jī)在復(fù)合材料的使用上達(dá)到了史無(wú)前例的80%，相比同尺寸飛機(jī)更輕更省油，污染氣體排放量減少了約20%。除此之外，新型可替代燃料的使用也是目前技術(shù)手段減排中的重要手段。技術(shù)手段的減排措施也是最直接最有效的減排方法，但對(duì)于航空公司來(lái)說(shuō)，在這方面需要花費(fèi)的開(kāi)支巨大。

運(yùn)營(yíng)措施可以說(shuō)是目前國(guó)際上主要的減排手段，要減少排放就要對(duì)排放源進(jìn)行控制。如地面支持設(shè)備的更新?lián)Q代，減少高排放設(shè)備的使用，盡量使用低排或零排的電力車輛。控制機(jī)場(chǎng)的交通方式，減少燃油汽車和巴士的數(shù)量和使用，盡量使用電力驅(qū)動(dòng)的交通運(yùn)輸車輛。使用新的空中交通管理系統(tǒng)，如CNS/ATM的使用，可以優(yōu)化飛行路線，減少飛行時(shí)間，有效地減少了飛機(jī)的排放。飛機(jī)使用單發(fā)滑行至跑道，或使用拖車?yán)僚艿揽捎行p少飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的排放。飛機(jī)使用低功率起飛，一般飛機(jī)起飛都是全功率，而飛機(jī)的排放往往在這個(gè)時(shí)候達(dá)到最高，在保證安全起飛的情況下，適當(dāng)?shù)販p少起飛功率可以實(shí)現(xiàn)減排。中國(guó)民航部門(mén)可以在這方面制定相應(yīng)的措施加以指導(dǎo)。

基于市場(chǎng)的措施，主要是針對(duì)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)污染物排放的收費(fèi)，如飛機(jī)起降收費(fèi)，針對(duì)某些污染物的收費(fèi)等，歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家已逐漸建立起飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)排放的收費(fèi)管理制度。如瑞士的蘇黎世國(guó)際機(jī)場(chǎng)，制定了飛機(jī)的起降收費(fèi)制度，制定了針對(duì)NOx的收費(fèi)制度。這些制度既可為保證機(jī)場(chǎng)周圍空氣質(zhì)量的治理獲取一定的經(jīng)費(fèi)，也可在一定程度上促進(jìn)航空公司不斷改進(jìn)機(jī)型，提升運(yùn)營(yíng)管理措施來(lái)降低飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的排放開(kāi)支。

[1]ICAO.Environment Protection Annex 16 to the Convention on International Civil Aviation[R].Third Edition，July 1993.

[2]ICAO.Airport Air Quality Guidance Manual[R].ICAO Preliminary Unedited Version，15 April，2007.

[3]EPA.Evaluation of Air Pollutant Emissions from Subsonic Commercial Jet Aircraft[R].April 1999.

[4]Emanuel Fleuti.Airport Emission Inventory[R].11 November 2008.

[5]IATA.Environmental Review 2004[R].2004.

[6]ARCHIE MUCKLE JR.ICAO Guidance：Aircraft Emissions Charges Related to Air Quality，ICAO Colloquium on Aviation Emissions with Exhibition[R].May 2007.

[7]EMANUEL FLEUTI.Local Emission Charge in Europe，ICAO Colloquium on Aviation Emissions with Exhibition[R].May 2007.

[8]ICAO.ICAO Aircraft Emissions Databank[EB/OL].[2012-07-01].http：//www.caa.co.uk.