周子航，陸成偉，譚欽文，鄧 也，白苑冰

1.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都市大氣科研重點實驗室，四川 成都 610072 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065 3.成都市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 成都 610011

隨著科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，航空運輸日益成為人們?nèi)粘＝?jīng)濟(jì)生活中最重要的交通運輸方式之一，同時中國航空運輸業(yè)高速發(fā)展，對世界航空運輸市場影響日益增加。根據(jù)國際民用航空組織(ICAO)發(fā)布的2013年環(huán)境報告[1]，全球民用航空2005年約排放630 Mt CO2，約占所有人為排放量的2%～3%，NOx排放量約占人為排放量的3%，飛機(jī)對環(huán)境和氣候的影響，主要源于其在平流層和對流層交界處的排放，國外研究建立了飛機(jī)巡航過程中發(fā)動機(jī)大氣污染物排放的物理化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)制模型[1-9]。機(jī)場大氣污染物排放清單作為人為源排放清單的一部分，在國內(nèi)外逐漸被重視和研究，UNAL等[10]采用多尺度空氣質(zhì)量模式(CMAQ)模型對亞特蘭大國際機(jī)場環(huán)境影響進(jìn)行模擬。黃清鳳等[11]基于標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸(LTO)循環(huán)數(shù)據(jù)建立了廣州白云國際機(jī)場排放清單。徐冉等[12]使用ICAO推薦方法，基于LTO循環(huán)數(shù)據(jù)建立了首都國際機(jī)場排放清單。目前國內(nèi)機(jī)場污染物排放研究處于起步階段，且大部分聚焦于北京、上海、廣州等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，沒有針對西部地區(qū)機(jī)場的相關(guān)研究。同時，上述機(jī)場排放研究均僅針對飛機(jī)LTO循環(huán)，沒有涉及到機(jī)場地勤等重要污染源。另外，城市尺度的大氣污染物排放清單作為科學(xué)管理的重要支撐，其高時空分辨率顯得越發(fā)重要，國內(nèi)機(jī)場排放研究通常局限于大氣污染物排放量的計算，少有考慮其時空分布。

本文通過收集成都雙流國際機(jī)場全年逐日航班和地面保障設(shè)備數(shù)據(jù)，基于機(jī)場空氣質(zhì)量手冊計算方法(Airport air quality manual，簡稱“ICAO手冊”)[13]，對成都雙流國際機(jī)場的飛機(jī)LTO循環(huán)排放因子進(jìn)行了本地化，采用自下而上的排放清單構(gòu)建方法，計算了包括飛機(jī)LTO循環(huán)和地面保障設(shè)備的大氣污染物排放量。根據(jù)進(jìn)出港航班時間分布、機(jī)場跑道分布、地面保障設(shè)備的活動區(qū)域等，建立了高時空分辨率的機(jī)場大氣污染物排放清單。該清單作為人為源大氣污染物排放清單的重要組成，應(yīng)用于空氣質(zhì)量模型的預(yù)警預(yù)報和控制對策等研究中。

1 實驗部分

1.1 研究范圍和對象

成都雙流國際機(jī)場位于成都市西南郊，距市中心16 km。機(jī)場共有2條平行跑道、2座航站樓，候機(jī)面積50萬m2，可滿足旅客年吞吐量5 000萬人次需求。截至2016年12月，成都雙流國際機(jī)場已開通航線270條，是中國中西部地區(qū)最大的航空樞紐港，2016年旅客吞吐量4 603.9萬人次，居中西部機(jī)場第一，全國前四。

本文研究范圍為成都雙流國際機(jī)場，研究對象包括飛機(jī)發(fā)動機(jī)(僅指商業(yè)飛機(jī)，飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放源主要分為商業(yè)飛機(jī)、軍用飛機(jī)和通用飛機(jī)，由于軍用飛機(jī)涉及保密，通用飛機(jī)活動水平數(shù)據(jù)不易獲取，暫僅研究商業(yè)飛機(jī)的發(fā)動機(jī)排放)、機(jī)場地勤和機(jī)場固定源3部分。研究的大氣污染物包括CO、VOCs、NOx、PM10、PM2.5、SO2。

1.2 估算方法

1.2.1 機(jī)場大氣污染物排放量計算方法

計算方法基于ICAO手冊，機(jī)場大氣污染物排放量為飛機(jī)發(fā)動機(jī)、機(jī)場地勤、機(jī)場固定源污染物排放量的加和，即：

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

(1)

式中:i為污染物類型;Ei為機(jī)場i污染物的排放總量,t;Ei,a為飛機(jī)發(fā)動機(jī)i污染物的排放總量,t;Ei,g為機(jī)場地勤i污染物的排放總量，t；Ei,s為機(jī)場固定源i污染物的排放總量，t。

1.2.2 飛機(jī)發(fā)動機(jī)污染物排放

采用ICAO規(guī)定的LTO循環(huán)描述飛機(jī)在近地面的整個活動過程(圖1)，水平地面至915 m高度為涉及飛機(jī)LTO循環(huán)排放的高度范圍。1個LTO循環(huán)包括進(jìn)近、滑行和地面慢車、起飛、爬升4個工作模式。其中，各模式的時間和發(fā)動機(jī)推力設(shè)置如下：進(jìn)近4.0 min，推力30%；滑行和地面慢車26 min(進(jìn)場為7 min，出場為19 min)，推力7%；起飛0.7 min，推力100%；爬升2.2 min，推力85%。

圖1 ICAO手冊排放認(rèn)證LTO循環(huán)Fig.1 Illustration of ICAO emissions certification procedure in the LTO cycle

飛機(jī)發(fā)動機(jī)在與機(jī)場相關(guān)的排放源中占主導(dǎo)地位。飛機(jī)發(fā)動機(jī)主要指用于提供飛機(jī)向前動力的主發(fā)動機(jī)(Aircraft Main Engine)，以及其他沒有替代來源的輔助動力裝置(APU)。因此，飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放計算分成2部分進(jìn)行，主要使用ICAO手冊方法。

1.2.2.1 飛機(jī)主發(fā)動機(jī)排放計算

飛機(jī)主發(fā)動機(jī)排放主要與3個參數(shù)相關(guān)：狀態(tài)時間(TIM)、主發(fā)動機(jī)排放因子(EI)、主發(fā)動機(jī)燃料消耗量。TIM即前文中4種不同飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力設(shè)置下的模式時間，以min為單位。EI為某指定發(fā)動機(jī)單位燃料消耗量下的污染物排放量，ICAO發(fā)布的主發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(EEDB)[14]提供了各類飛機(jī)發(fā)動機(jī)按照發(fā)動機(jī)排放認(rèn)證制度，在4種不同工作模式下的污染物排放指數(shù)和燃料消耗量。飛機(jī)主發(fā)動機(jī)NOx、HC、CO排放計算方法如下：

Ei=∑TIMj×60×FFj×EIij

(2)

式中:i為污染物類型；j為狀態(tài)類型，TIMj為j狀態(tài)的運行時間，min；FFj為j狀態(tài)的燃料消耗量，kg/s；EIij為i污染物在j狀態(tài)下每使用1 kg燃料的排放因子，g/kg。

而對于PM10，則采用一次近似(FOA)方法計算，F(xiàn)OA方法和數(shù)據(jù)由航空環(huán)境保護(hù)委員會(CAEP)提供和更新。具體計算方法和參數(shù)可查閱ICAO手冊中附錄D部分內(nèi)容。

1.2.2.2 飛機(jī)APU排放計算

飛機(jī)APU通常為小型渦輪發(fā)動機(jī)，在飛機(jī)主發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，APU為飛機(jī)設(shè)備照明和通風(fēng)提供電力和壓縮空氣，亦用來為飛機(jī)主發(fā)動機(jī)的啟動提供動力，商用飛機(jī)通常都有APU[15]。由于APU排放測試未納入認(rèn)證制度，ICAO沒有提供公開排放數(shù)據(jù)，因此采用ICAO給出的估算方法，對APU制造商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均處理。飛機(jī)APU排放計算方法如下：

Ei=T×EFi

(3)

式中：i為污染物類型；Ei為i污染物的排放量；T為APU持續(xù)運行時間，長途運輸機(jī)型T取75 min，短途運輸機(jī)型T取45 min；EFi為i污染物的排放因子，g。長途運輸機(jī)型EFi為每75 min造成的i污染物排放量，短途運輸機(jī)型EFi為每45 min造成的i污染物排放量。具體計算參數(shù)可查閱ICAO手冊中表3-A1-3部分內(nèi)容。

1.2.3 機(jī)場地勤排放

機(jī)場地勤在飛機(jī)停航或維護(hù)時是重要的機(jī)場相關(guān)排放源，主要用于提供地勤服務(wù)的設(shè)施類型和數(shù)量，取決于飛機(jī)型號和類型。

1.2.3.1 地面保障設(shè)備(GSE)

GSE是機(jī)場為停靠飛機(jī)提供相關(guān)服務(wù)的設(shè)備，GSE的類型、數(shù)量和運行狀態(tài)主要由飛機(jī)類型、?？繀^(qū)域、飛行狀態(tài)等決定，并通常運行于飛機(jī)?？繀^(qū)域。GSE包括地面動力裝置、空調(diào)機(jī)組、飛機(jī)空氣渦輪起動機(jī)、窄/寬體飛機(jī)牽引車、乘客登機(jī)梯、傳送帶車、裝貨機(jī)、拖車、給養(yǎng)車、加油車、儲油罐車、擺渡車等。

在獲取GSE類型、燃料用量、設(shè)備功率和運行時間等參數(shù)后，通過《非道路移動污染源排放清單編制技術(shù)指南計算方法》[16]進(jìn)行計算。

1.2.3.2 機(jī)場控制區(qū)移動源(AVT)

AVT通行于機(jī)場周界內(nèi)的限制區(qū)道路，與GSE僅服務(wù)于飛機(jī)停靠區(qū)域不同。因此，AVT不包括GSE和機(jī)場陸側(cè)移動源，僅指道路機(jī)動車(載貨汽車、載客汽車、摩托車等)?？墒褂肐VE機(jī)動車排放模型對機(jī)動車大氣污染物排放量進(jìn)行計算，該模型利用內(nèi)嵌的基礎(chǔ)排放因子和相應(yīng)修正系數(shù)的計算，最終得出不同技術(shù)水平機(jī)動車的修正后排放因子[17]，同時該模型適于發(fā)展中國家使用[18]。

1.2.3.3 飛機(jī)加油

機(jī)場在飛機(jī)加油過程中，一般采用機(jī)坪管線加油方式或罐式加油車加油方式。這2種加油方式，均會在加油過程中造成油氣揮發(fā)，加油過程中HC排放計算公式和參數(shù)可查閱ICAO手冊附錄3。

1.2.3.4 除冰劑使用

近期（10月 29日-11月 2日），中國化肥批發(fā)價格綜合指數(shù)持穩(wěn)運行。11月5日中國化肥批發(fā)價格綜合指數(shù)（CFCI）為2319.29點，環(huán)比下跌5.52點，跌幅為0.24%；同比上漲317.21點，漲幅為15.84%；比基期下跌59.58點，跌幅為2.50%。

飛機(jī)和機(jī)場設(shè)施由于使用由丙二醇、乙二醇等物質(zhì)組成的除冰劑，會導(dǎo)致有機(jī)成分的排放。機(jī)場除冰劑造成的HC排放計算公式、參數(shù)見ICAO手冊附錄2。

1.2.4 機(jī)場固定源污染物排放

1.2.4.1 鍋爐、加熱裝置、發(fā)電機(jī)和焚燒設(shè)備

鍋爐、加熱裝置、發(fā)電機(jī)和焚燒設(shè)備是燃料、廢棄物等燃燒過程造成的排放，參照《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊》方法計算。

1.2.4.2 機(jī)場維修服務(wù)

大型機(jī)場的飛機(jī)維修服務(wù)一般由商業(yè)航空公司或其他服務(wù)商提供，機(jī)身噴涂作業(yè)會有HC排放。同時，建筑、跑道、滑行道、停機(jī)坪、瀝青修復(fù)等涂料或有機(jī)溶劑使用中亦會排放HC。機(jī)場維修服務(wù)造成的HC排放計算見ICAO手冊附錄3。

1.2.4.3 機(jī)場油庫

機(jī)場存儲和運輸大量航空煤油(Jet-A、jet kerosene、JP-4等)、航空汽油和機(jī)動車用油等燃料，在油品存儲和運輸過程中會排放VOCs。對于儲罐存儲過程中造成的VOCs揮發(fā)，使用美國環(huán)保署開發(fā)的Tanks4.0.9 d模型[19-20]和相應(yīng)公式[21]計算。油品運輸過程造成的排放使用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)[22-23]、AP-42排放因子庫[24]中方法計算。

部分機(jī)場開展應(yīng)急消防演練時，使用柴油、航空煤油等作為火焰模擬發(fā)生器的燃料，會生成大量顆粒物、VOCs等大氣污染物。機(jī)場消防演練造成的污染物排放計算見ICAO手冊附錄3。

1.3 活動水平的獲取和處理方法及飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放因子的確定

使用Python語言，結(jié)合urllib2庫，在成都雙流國際機(jī)場官方網(wǎng)站上獲取航班號、始發(fā)地、目的地等詳細(xì)航班信息，數(shù)據(jù)獲取程序開源自由傳播，可以通過訪問https://github.com/Chengwei-Lu/dynaLTO獲取。GSE活動水平數(shù)據(jù)由成都雙流國際機(jī)場提供，主要包括平臺車和牽引車等車輛設(shè)備的數(shù)量、功率、排放標(biāo)準(zhǔn)、燃油類型、年使用小時等排放計算所需數(shù)據(jù)。其他活動水平數(shù)據(jù)未能獲取，沒有納入計算。

將航班信息數(shù)據(jù)整理為LTO循環(huán)數(shù)據(jù)，航空器型號按航空公司進(jìn)行分類。同時從參考資料[25]和文獻(xiàn)[15]中整理出國內(nèi)各航空公司航空器型號及其發(fā)動機(jī)構(gòu)成情況，建立航空器型號和EEDB發(fā)動機(jī)型號映射關(guān)系(主要包括52種發(fā)動機(jī))，對各航空公司同一機(jī)型的不同發(fā)動機(jī)組成進(jìn)行加權(quán)計算，再結(jié)合所獲取LTO循環(huán)數(shù)據(jù)，最后使用公式2計算出適用于成都雙流國際機(jī)場的飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放因子，見表1。

表1 飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放因子*Table 1 Emission factors for aircraft engine g/LTO

注：“*”表示僅列出LTO循環(huán)數(shù)最大的10個航空器型號；“**” 指《非道路移動源排放清單編制技術(shù)指南》中民航運輸飛機(jī)的PM2.5排放因子與PM10排放因子之比為0.98，研究以0.98為兩者固定比值，由PM10排放因子推算出PM2.5排放因子。

1.4 排放清單時空分配方法

為滿足大氣污染源控制和空氣質(zhì)量模擬預(yù)測研究的需要，基于成都雙流國際機(jī)場實際情況和空氣質(zhì)量數(shù)值模型[26](本文基于CMAQ模式的SMOKE排放清單處理模式)輸入數(shù)據(jù)的要求，完成排放清單時空分配。

空間分配采用基于GIS的計算方法將污染源的排放量分配到對應(yīng)的網(wǎng)格中[27]：將污染源視作面源，分為進(jìn)近跑道排放、進(jìn)近滑行跑道排放、怠速排放(包括APU排放和GSE排放)、起飛滑行跑道排放、起飛跑道排放和爬升排放共6個區(qū)域，并在GIS底圖中建立地理范圍；然后基于上述區(qū)域排放特征，分配相應(yīng)污染物排放量；最后利用建立的0.1 km×0.1 km(機(jī)場分辨率要求較高，1 km×1 km網(wǎng)格不適用)網(wǎng)格完成污染物排放量網(wǎng)格化工作。

時間分配則通過對進(jìn)出港航班信息數(shù)據(jù)分別進(jìn)行逐時統(tǒng)計分析，獲取全年平均逐時LTO循環(huán)數(shù)(航班進(jìn)港或出港均視作0.5次LTO循環(huán))，完成成都雙流國際機(jī)場LTO循環(huán)時間分配。由于計算中涉及到的各污染源污染物排放都是緊密圍繞航班進(jìn)出港產(chǎn)生的，排放規(guī)律較為一致，因此統(tǒng)一使用LTO循環(huán)數(shù)的小時變化對機(jī)場大氣污染物排放量進(jìn)行時間分配。

2 結(jié)果與討論

2.1 活動水平分析

2015年6月—2016年6月期間，成都雙流國際機(jī)場LTO循環(huán)數(shù)為237 654次，空中客車、波音飛機(jī)分別占77%、21%，其余為龐巴迪、巴西航空和其他公司的飛機(jī)，機(jī)型構(gòu)成見圖2。

圖2 成都雙流國際機(jī)場機(jī)型構(gòu)成Fig.2 Composition of Chengdu Shuangliu International Airport′s airplane model

由圖2可見，機(jī)型主要為A320、A321、A319、B738等,其中，長途運輸機(jī)型LTO循環(huán)數(shù)為2 757次，短途運輸機(jī)型LTO循環(huán)數(shù)為234 897次；寬體飛機(jī)LTO循環(huán)數(shù)為32 980次，窄體飛機(jī)LTO循環(huán)數(shù)為204 674次。

從LTO循環(huán)數(shù)日變化來看，10月下旬—11月中旬和元旦前后有較為明顯的下降，其余日期變化幅度較小，這是由于國慶和元旦等節(jié)假日后成都市人口流動大幅下降，客運和貨運航班數(shù)量銳減，LTO循環(huán)數(shù)日變化構(gòu)成見圖3。

圖3 成都雙流國際機(jī)場LTO循環(huán)數(shù)日變化Fig.3 Diurnal variation of Chengdu Shuangliu International Airport′s LTO cycles

獲取的GSE活動水平數(shù)據(jù)如表2所示。機(jī)場共計使用GSE設(shè)備128臺，排放標(biāo)準(zhǔn)主要為國三標(biāo)準(zhǔn)，少量為國二標(biāo)準(zhǔn)，燃料類型全部為柴油，日均使用時間約為1.4～12 h。

表2 GSE活動水平數(shù)據(jù)

2.2 機(jī)場大氣污染物排放量分析

成都雙流國際機(jī)場CO、VOCs、NOx、PM10、PM2.5、SO2排放量分別為1 169.2、134.2、2 108.7、28.1、27.3、252.8 t，主要包括飛機(jī)發(fā)動機(jī)和機(jī)場地勤2個排放源，其中機(jī)場地勤僅考慮GSE設(shè)備排放，見表3。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的主發(fā)動機(jī)排放為機(jī)場主要排放源，分別占上述污染物總排放量的88%、84%、89%、64%、65%、50%，由于滑行和地面慢車模式持續(xù)時間最長(約占總模式時間的79%)，所以其污染物排放量較大。

2.3 排放清單時空分布特征

2.3.1 空間分布特征

飛機(jī)發(fā)動機(jī)作為線源排放，GSE作為面源排放，因此污染物排放分布較為均勻且和跑道分布相關(guān)性較高：CO、VOCs排放主要分布于滑行跑道，分別占總排放量的93%、95%，這是由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)處于低推力狀態(tài)，燃燒不充分，導(dǎo)致CO、VOCs大量排放，隨著推力大幅上升，在起飛和爬升階段，CO、VOCs排放量大幅下降，其排放比例下降至2%以下；NOx排放主要位于起飛和爬升跑道，分別占總排放量的27%、51%，這是由于高推力狀態(tài)下燃料充分燃燒使NOx排放顯著升高；PM10、PM2.5、SO2排放主要源于柴油燃料使用，因此主要位于停機(jī)坪和滑行跑道等怠速區(qū)域，同時也是GSE的主要工作區(qū)域。污染物排放空間分布見圖4。

表3 成都雙流國際機(jī)場大氣污染物排放量Table 3 Air pollutants emission for Chengdu Shuangliu International Airport t

2.3.2 時間分布特征

進(jìn)出港航班從06:00開始增多且在09:00以前主要以出港航班為主，直至23:00運輸高峰結(jié)束后，進(jìn)出港航班尤其是出港航班大幅減少，進(jìn)港航班開始占據(jù)主導(dǎo)。機(jī)場大氣污染物排放量按LTO循環(huán)數(shù)小時變化進(jìn)行時間分配，00:00—05:00、06:00—11:00、12:00—17:00和18:00—23:00各時段大氣污染物排放量分別占日均排放量的7%、33%、33%、29%，除凌晨時段由于航班較少排放量較低外，其他時段排放量較為平均。機(jī)場大氣污染物排放量時間分布見圖5。

圖5 成都雙流國際機(jī)場大氣污染物排放量時間分布Fig.5 Temporal distribution of air pollutants emission in Chengdu Shuangliu International Airport

2.4 不確定性分析

大氣污染物源排放清單由于活動水平數(shù)據(jù)缺失、排放因子的選擇等因素，必然存在著不確定性[28]，不確定性分析方法主要包括定性分析方法和定量分析方法[27]，本文采用定性分析方法。

LTO循環(huán)數(shù)據(jù)從官方網(wǎng)站獲取，GSE活動水平數(shù)據(jù)由官方提供，均較為可靠。飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放因子基于各航空公司航空器型號及其發(fā)動機(jī)構(gòu)成情況進(jìn)行推算，因未獲得各航空公司航空器型號的真實發(fā)動機(jī)構(gòu)成，導(dǎo)致建立的航空器型號和EEDB發(fā)動機(jī)型號映射關(guān)系存在一定的不確定性，最終造成飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放因子存在一定誤差。同時由于估算采用的ICAO排放因子主要在海平面靜態(tài)條件和7%、30%、85%、100%額定推力設(shè)置下測試，可能與飛機(jī)實際飛行狀態(tài)并不相同[12]。GSE采用文獻(xiàn)[16]排放因子，由于其僅對非道路移動源的功率做了分類，沒有對類型進(jìn)行細(xì)分，因此存在一定不確定性?？臻g分配基于污染源排放特征，其中飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放根據(jù)跑道分配，不確定性較小。GSE采用面源分配而不是以工作路徑為主的線源，進(jìn)一步加大清單的不確定性。

3 結(jié)論

1)2015年6月—2016年6月期間，成都雙流國際機(jī)場LTO循環(huán)數(shù)為237 654次，以空中客車和波音公司的飛機(jī)為主，成都雙流國際機(jī)場CO、VOCs、NOx、PM10、PM2.5、SO2排放量分別為1 169.2、134.2、2 108.7、28.1、27.3、252.8 t，其中飛機(jī)主發(fā)動機(jī)為主要排放源。

2)僅收集到LTO和GSE活動水平數(shù)據(jù)，AVT和固定源等的缺失，影響了機(jī)場排放清單的完整性。

3)因只考慮飛機(jī)發(fā)動機(jī)和GSE面源排放，污染物排放分布和跑道類型相關(guān)性較高。對于GSE排放污染物的空間分配應(yīng)基于其工作路徑以線源為主。

4)活動水平數(shù)據(jù)可靠性較高，排放因子存在一定不確定性。航空公司航空器型號和EEDB發(fā)動機(jī)型號映射關(guān)系和GSE排放因子有待進(jìn)一步本地化。

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