張 俊 余 杰 李 強(qiáng) 李建娜 樊守彬 汪 標(biāo) 趙蕓程

(1.北京新機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部，北京 102604；2.北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；3.北京京環(huán)建環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)中心，北京 102299)

隨著民航事業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)飛機(jī)排放尾氣中的大氣污染物(CO、NOx、SO2、碳?xì)浠衔?HC)、PM2.5等)對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越明顯。機(jī)場(chǎng)作為飛機(jī)起飛和著陸的主要場(chǎng)所，其中飛機(jī)排放的大氣污染物對(duì)其周邊環(huán)境可以造成局部濃度偏高的影響。研究表明，機(jī)場(chǎng)飛機(jī)排放的NOx和CO總量分別約占流動(dòng)污染源產(chǎn)生量的4%[1]；飛機(jī)每消耗1 t航空煤油，通常會(huì)排放3 187.00 kg CO2、0.98 kg SO2、0.56 kg CO和21.12 kg NOx[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)尾氣排放規(guī)律和排放源清單的研究較為深入。夏卿等[3]1471研究了飛機(jī)在起飛和著陸階段的污染物排放情況。黃勇等[4]采用燃油流量法對(duì)中國(guó)上空民航飛機(jī)NOx排放量及其分布進(jìn)行了研究。SONG等[5]研究了機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣的大氣環(huán)境影響，并分析其排放源。UNAL等[6]深入分析了亞特蘭大國(guó)際機(jī)場(chǎng)周邊的大氣污染物擴(kuò)散和濃度分布。WINTHER等[7]和TURGUT等[8]分別就丹麥哥本哈根國(guó)際機(jī)場(chǎng)和土耳其國(guó)家航空公司飛機(jī)大氣污染物排放清單進(jìn)行了核算。但目前對(duì)于機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣減排措施及其效果研究較少。本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)已采取的飛機(jī)尾氣減排措施，應(yīng)用國(guó)際民航組織推薦的FLEXPART模型[9-10]分析減排效果，以期為機(jī)場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)時(shí)采取合適的減排措施提供參考。

1 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣排放影響因素及減排措施概述

1.1 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣排放的影響因素

一般將飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的活動(dòng)定義為標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸(LTO)循環(huán)，主要包括進(jìn)近、滑行、起飛和爬升4種模式。機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣排放的影響因素主要有：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)

機(jī)場(chǎng)飛機(jī)排放大氣污染物與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型、實(shí)際工作條件(包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度、溫度、老化程度、維修周期等)以及周?chē)h(huán)境有密切關(guān)系。

(2)燃 油

飛機(jī)燃油是機(jī)場(chǎng)飛機(jī)排放大氣污染物的關(guān)鍵影響因素[11]。飛機(jī)燃油在燃燒過(guò)程中會(huì)有大量CO2和水的產(chǎn)生，同時(shí)也產(chǎn)生大氣污染物。

(3)飛行調(diào)度與優(yōu)化管理手段

機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣的排放在一定程度上也受飛行調(diào)度與優(yōu)化管理手段的影響。通過(guò)飛行調(diào)度和優(yōu)化管理，可以在一定程度上減少飛機(jī)滑行時(shí)間，從而達(dá)到減少飛機(jī)尾氣排放的目的。

1.2 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣減排措施

改進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機(jī)是減少機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣減排的最根本措施，也可以綜合考慮各機(jī)型的排放特性及目標(biāo)機(jī)型在機(jī)場(chǎng)的起降架次，通過(guò)機(jī)型組合或者調(diào)整各機(jī)型起降架次，達(dá)到降低機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣大氣污染物排放量的目的。此外，采用其他輔助設(shè)施減少燃油的消耗也是可行、可控的減排措施。

2 材料與方法

2.1 研究對(duì)象

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)已經(jīng)成為中國(guó)地位最重要、生產(chǎn)運(yùn)輸最繁忙的大型國(guó)際航空港。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于永定河北岸，距天安門(mén)廣場(chǎng)直線距離約46 km，距北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)約67 km。機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)為東經(jīng)116.423 796°、北緯39.511 571°。本研究以北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的民航飛機(jī)為研究對(duì)象，研究機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣大氣污染物(主要考慮SO2、CO、HC、NOx和PM2.5)的減排情況。

從中國(guó)研究較多的民航飛機(jī)NOx排放情況來(lái)看，垂直方向最大排放量在離地1.0、9.0 km處，由于機(jī)場(chǎng)近地面范圍對(duì)人類(lèi)活動(dòng)才有較大影響[12]，因此在不考慮巡航條件下發(fā)動(dòng)機(jī)排放[13]的情況下，本研究確定近地面范圍在915 m以內(nèi)。

2.2 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)已采取的飛機(jī)尾氣減排措施

2.2.1 減少飛機(jī)滑行時(shí)間

飛機(jī)滑行時(shí)間一般為26.0 min[14]。有研究顯示，當(dāng)飛機(jī)滑行時(shí)間從26.0 min降至22.0 min時(shí)，大氣污染物總量可以下降6%[3]1473。一般，飛機(jī)滑行時(shí)間每縮短1 min，CO和HC可減排3%[15]。基于此，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)通過(guò)采取優(yōu)化滑行路線和采用高級(jí)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)(A-SMGCS)來(lái)減少飛機(jī)滑行時(shí)間。

(1)優(yōu)化滑行路線

飛機(jī)完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)約需32.9 min，其中滑行時(shí)間為26.0 min。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)對(duì)跑道滑行路線進(jìn)行了優(yōu)化，借助“三縱一橫”全向型跑道構(gòu)型有效縮短了飛機(jī)從機(jī)位到跑道的滑行距離，減少了飛機(jī)滑行時(shí)間。

機(jī)場(chǎng)構(gòu)型主要是指跑道的數(shù)量和方位以及航站區(qū)與跑道的相對(duì)位置。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)通過(guò)前期的仿真模擬研究和相關(guān)實(shí)際運(yùn)營(yíng)案例研究[16]，在比較了全平行、鏈?zhǔn)胶腿蛐团艿罉?gòu)型(見(jiàn)圖1)后最終確定了以平行跑道為主的“三縱一橫”全向型跑道構(gòu)型[17]。

圖1 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)擬采用的幾種跑道構(gòu)型比較Fig.1 Comparison of runway configurations to be adopted for Beijing Daxing International Airport

(2)采用A-SMGCS

A-SMGCS是民航局大力推進(jìn)的一項(xiàng)新技術(shù)，可以有效提升飛機(jī)地面滑行的效率。A-SMGCS除可自動(dòng)識(shí)別飛機(jī)在跑道及滑行道上運(yùn)行的潛在沖突并發(fā)出告警外，還可以規(guī)劃滑行路線，并提供滑行引導(dǎo)。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在采取優(yōu)化滑行路線及采用A-SMGCS后，飛機(jī)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)可節(jié)省滑行時(shí)間約4 min。

2.2.2 飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置(APU)替代

飛機(jī)在航站樓?？繒r(shí)，主發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，APU可為飛機(jī)艙內(nèi)提供照明和空調(diào)等的電力和壓縮空氣，少數(shù)的APU還可以向飛機(jī)提供附加推力。長(zhǎng)期以來(lái)，飛機(jī)在地面等待時(shí)間內(nèi)所需動(dòng)力由APU提供。但是APU作為一種使用航空燃油的發(fā)動(dòng)機(jī)存在能耗較大、污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。為減少機(jī)場(chǎng)飛機(jī)大氣污染物的排放，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)全面推廣地面電源裝置(GPU)替代APU，設(shè)置了89個(gè)電源井，同時(shí)配置了為遠(yuǎn)機(jī)位?？匡w機(jī)提供電源的地面服務(wù)車(chē)。

2.3 方法和數(shù)據(jù)

2.3.1 FLEXPART模型方法

模擬方向?yàn)榍跋?4 h，模擬區(qū)域包括機(jī)場(chǎng)及附近區(qū)域(機(jī)場(chǎng)用地紅線外10 km范圍內(nèi))，模型的粒子(即污染物)釋放位置在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)(東經(jīng)116.423 796°，北緯39.511 571°)，輸出時(shí)間分辨率為1 h，可以計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格中粒子的傳輸濃度，即可計(jì)算對(duì)區(qū)域的濃度貢獻(xiàn)和傳輸通道的分布。

模型所需的氣象數(shù)據(jù)采用北京氣象站近20年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。年平均風(fēng)速為2.4 m/s，最大風(fēng)速為14.0 m/s；年最大風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾SW，其風(fēng)頻為9.45%，無(wú)主導(dǎo)風(fēng)向；年平均靜風(fēng)頻率為7.39%；年平均氣溫為13.2 ℃，最冷的1月平均氣溫為-3.0 ℃，最熱的7月平均氣溫為27.1 ℃，極端最高氣溫41.9 ℃，極端最低氣溫-17.0 ℃；年平均相對(duì)濕度為53.0%；年平均降水量為508.6 mm，最大降水量為813.2 mm，最小降水量為266.9 mm；年日照時(shí)數(shù)為2 483.7 h。

2.3.2 排放源計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)下機(jī)場(chǎng)飛機(jī)各模式尾氣排放的大氣污染物排放量采用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Ei,m為m模式下污染物i的年排放量，g；nj為j型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量；lj為j型飛機(jī)的年標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)數(shù)；Fj,m為j型飛機(jī)在m模式下的平均燃油消耗率，kg/s；EIi,j,m為j型飛機(jī)在m模式下污染物i的平均排放因子，g/kg；tj,m為j型飛機(jī)在m模式下的工作時(shí)間，s。

污染物的平均排放因子數(shù)據(jù)來(lái)自ICAO飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.easa.europa.eu/domains/environment/icao-aircraft-engine-emissions-databank)；飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、年標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)數(shù)、平均燃油消耗率、工作時(shí)間等數(shù)據(jù)使用北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣排放情況

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在采取減排措施后飛機(jī)尾氣大氣污染物減排效果見(jiàn)表1，其中減少飛機(jī)滑行時(shí)間是由優(yōu)化滑行線路和采用A-SMGCS共同作用的結(jié)果。與不采取減排措施相比，各大氣污染物排放量均有較明顯減少，SO2、CO、HC、NOx、PM2.5減排量分別為9.13、133.29、13.21、130.16、3.97 t/a，減排比例分別為11.51%、20.33%、20.74%、11.08%、67.98%。

表1 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)采取減排措施后飛機(jī)尾氣大氣污染物減排效果Table 1 Emission reduction of aircraft exhaust pollutants before and after emission reduction measures taken at Beijing Daxing International Airport

由于飛機(jī)滑行時(shí)間減少，耗油量也將減少，相比不采取減排措施時(shí)，飛機(jī)滑行模式下的耗油量由12 925.45 t/a下降至10 936.92 t/a，可減少1 988.53 t/a。目前，民航客機(jī)主要使用的航空燃油受原油價(jià)格影響每天的波動(dòng)較大，各個(gè)機(jī)場(chǎng)的價(jià)格也不一致，主要在6 000元/t上下波動(dòng)。因此，以6 000元/t進(jìn)行計(jì)算，飛機(jī)滑行時(shí)間減少可以節(jié)約1 193.118萬(wàn)元/a。

綜上所述，通過(guò)采取減少飛機(jī)滑行時(shí)間(包括優(yōu)化滑行路線和采用A-SMGCS)和APU替代等減排措施后，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)尾氣的減排，并且還可通過(guò)減少耗油量實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣擴(kuò)散情況

飛機(jī)尾氣中的最主要大氣污染物是NOx，是高溫燃燒下產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要包括NO、NO2，因此機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣的擴(kuò)散情況主要選擇了NOx進(jìn)行分析。

根據(jù)FLEXPART模型分析結(jié)果，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)尾氣的NOx等大氣污染物在氣象條件的影響下，擴(kuò)散范圍基本集中在10 km以內(nèi)，擴(kuò)散范圍不大，屬于局地污染，相比不采取減排措施情況下，大氣污染物影響范圍縮小，NOx最大影響質(zhì)量濃度約4 μg/m3，總體隨距離增加，濃度減少；采取減排措施后，機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣NOx平均約可下降0.06 μg/m3，對(duì)較遠(yuǎn)距離的區(qū)域NOx影響質(zhì)量濃度在0.5 μg/m3以下。

3.3 對(duì)附近區(qū)域敏感點(diǎn)的影響分析

本研究在機(jī)場(chǎng)附近區(qū)域選擇了代表性的環(huán)境敏感點(diǎn)，分析機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣中大氣污染物對(duì)敏感點(diǎn)的影響，比較得出采取減排措施的效果，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 飛機(jī)尾氣中大氣污染物對(duì)敏感點(diǎn)的影響質(zhì)量濃度對(duì)比1)Table 2 Comparison of mass concentrations of aircraft exhaust influenced pollutants to sensitive points

由表2可見(jiàn)，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在采取減排措施后，飛機(jī)排放的尾氣中5種大氣污染物對(duì)9個(gè)環(huán)境敏感點(diǎn)的影響基本都有所降低，說(shuō)明減排措施確實(shí)有效。

4 結(jié) 論

(1)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在飛機(jī)尾氣減排方面主要采取了減少飛機(jī)滑行時(shí)間(包括優(yōu)化滑行路線和采用A-SMGCS)和APU替代等減排措施。

(2)與不采取減排措施相比，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)在采取減排措施后可以使飛機(jī)尾氣中SO2、CO、HC、NOx、PM2.5分別減排9.13、133.29、13.21、130.16、3.97 t/a。機(jī)場(chǎng)飛機(jī)排放的尾氣對(duì)機(jī)場(chǎng)附近區(qū)域各敏感點(diǎn)的影響也基本都有所降低，說(shuō)明減排措施確實(shí)有效。

(3)以飛機(jī)尾氣排放的最主要大氣污染物NOx為例，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛機(jī)尾氣排放的大氣污染物擴(kuò)散范圍基本集中在10 km以內(nèi)，屬于局地污染，相比不采取措施情況下，NOx污染范圍縮小，影響濃度下降。

(4)由于飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的滑行時(shí)間減少，飛機(jī)在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)內(nèi)耗油量可減少1 988.53 t/a，因此可節(jié)約1 193.118萬(wàn)元/a。可見(jiàn)，北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)采取的減排措施不僅可有效降低大氣污染物的排放，同時(shí)也可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。