基于AIS 的內(nèi)河船舶污染物產(chǎn)生量清單建立方法研究

摘要：本文以船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（AutomaticIdentificationSystem，AIS）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用回歸模擬計(jì)算的方法解決了內(nèi)河船舶污染物排放清單建立過程中的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)缺失的難題，研究建立了一套內(nèi)河船舶水污染物及大氣污染物產(chǎn)生量清單的計(jì)算方法，建立了長江干線部分區(qū)域內(nèi)河船舶的產(chǎn)污清單，確定了船舶水污染物和大氣污染物的產(chǎn)生總量，獲得了高精度的清單測算結(jié)果。關(guān)鍵詞：AIS；內(nèi)河船舶；污染物產(chǎn)生量；清單測算0引言污染物排放清單可以描述出不同污染物排放源在一定時(shí)間和空間內(nèi)產(chǎn)生的各類污染物的排放總量及時(shí)空變化規(guī)律，可以幫助識別排放高位值以及重要污染源，其建立對于控制與治理相關(guān)污染十分重要。目前，長江經(jīng)濟(jì)帶持續(xù)開展船舶和港口污染突出問題整治行動(dòng)，實(shí)行船舶水污染物“船上存儲、交岸處置”，推進(jìn)船舶大氣污染物“零產(chǎn)生”。本研究參照污染物排放清單，建立內(nèi)河船舶水污染物及大氣污染物產(chǎn)生量的清單（以下簡稱產(chǎn)污清單）測算方法。目前關(guān)于海港、長江近出?？趨^(qū)域的大氣污染物排放清單測算較多，缺乏內(nèi)河水域尤其針對船舶水污染物的研究。面對全球疫情影響下復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)形勢，促進(jìn)內(nèi)循環(huán)意味著內(nèi)河航運(yùn)將發(fā)揮越來越重要的作用，而減少能源消耗、降低環(huán)境污染也是內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展的前提。本研究綜合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法和產(chǎn)污經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，研究內(nèi)河水域船舶水污染物和大氣污染物產(chǎn)污清單的建立方法，以長江干線部分區(qū)域（包括三峽水利樞紐工程與葛洲壩水利樞紐工程的航段）2020年AIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算相關(guān)污染物產(chǎn)生量底數(shù)，指導(dǎo)相關(guān)區(qū)域采取分類分區(qū)的船舶污染防治措施，提高航運(yùn)綠色發(fā)展水平。1

船舶污染物船舶污染物按物理形態(tài)可分為“水、氣、聲、渣”四大類，即船舶污水、船舶廢氣、船舶噪聲及船舶固體廢物。在實(shí)際監(jiān)管工作中，將其更具體地劃分為船舶含油污水、船舶生活污水、船舶洗艙水、船舶壓艙水、船舶廢氣、船舶噪聲及船舶垃圾等。內(nèi)河航行船舶按用途可分為干散貨船、液貨船（油船、化學(xué)品船、液化氣船）、集裝箱船、客滾船、多用途船、漁船、自卸砂船等，數(shù)量較多、船型復(fù)雜，噸級不等，在運(yùn)營過程中污染物排放種類多、實(shí)時(shí)監(jiān)管難度大、污染治理較為復(fù)雜。不同類型船舶在航行狀態(tài)、航線、動(dòng)力等方面的差別也會(huì)導(dǎo)致污染物產(chǎn)生水平的差異，難以實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化管理。2

研究方法及目的本研究以AIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用回歸模擬計(jì)算的方法，推算清單測算必需的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，基于完善后的數(shù)據(jù)庫建立內(nèi)河船舶水污染物及大氣污染物產(chǎn)污清單的測算方法。并以此計(jì)算長江干線包括三峽水利樞紐工程與葛洲壩水利樞紐工程的航段（30°~31°N，110°~112°E）船舶水污染物和大氣污染物的產(chǎn)生總量，涉及的污染物包括船舶含油污水（主要為機(jī)器處所油污水）、船舶生活污水（主要為黑水）、船舶垃圾、船舶廢氣（NOx、PM10、PM2.5、SO2、CO、HC）。基于清單結(jié)果，對產(chǎn)污清單的特征進(jìn)行分析，并從源頭防治、污染物接收轉(zhuǎn)運(yùn)、體制機(jī)制、新技術(shù)研發(fā)等方面提出船舶水污染和大氣污染防治對策和建議。3

相關(guān)研究進(jìn)展3.1

船舶水污染物及船舶垃圾的測算針對船舶水污染物及船舶垃圾的測算，現(xiàn)有研究主要通過實(shí)地調(diào)研得到某些觀測點(diǎn)污染物的產(chǎn)生量，進(jìn)而建立基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行總體估算。根據(jù)對國內(nèi)民用船舶的調(diào)查結(jié)果，得出生活污水的產(chǎn)生量約為70L/（人·天）。選取了太湖流域骨干航道的船閘、港口等5個(gè)觀測點(diǎn)，得出船員垃圾的平均產(chǎn)生量在0.25kg/（人·天），船舶油污水的產(chǎn)生量范圍在0.69~13.29m3/a，同時(shí)通過船舶流量的變化情況，對航段進(jìn)行劃分，建立分段船舶污染負(fù)荷的估算方法并應(yīng)用于蘇南運(yùn)河。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指南也有船舶水污染物產(chǎn)生量的估算方法，如《港口和船舶污染物接收轉(zhuǎn)運(yùn)及處置設(shè)施建設(shè)方案編制指南》中基于船舶簽證信息的污染物計(jì)算方法、《港口、碼頭、裝卸站和船舶修造拆解單位船舶污染物接收能力要求》（JT/T879—2013）中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式等。3.2

船舶大氣污染物針對船舶大氣污染物，現(xiàn)有研究較為成熟，其方法體系可以分為自上而下（如燃油法、貿(mào)易法等）和自下而上（如統(tǒng)計(jì)法、動(dòng)力法等）兩類。燃油法是根據(jù)燃油的消耗量，利用估算的平均排放因子進(jìn)行總排放量的測算。貿(mào)易法是通過貨物周轉(zhuǎn)量、貨物種類等，結(jié)合某類污染物的經(jīng)驗(yàn)排放量，進(jìn)行總體排放量的估算。統(tǒng)計(jì)法是通過船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)（如船舶進(jìn)出港艘次數(shù)），結(jié)合船舶分類、功率分布、活動(dòng)模式分類及相關(guān)排放因子來估算總體排放量。動(dòng)力法主要運(yùn)用AIS數(shù)據(jù)，通過船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，確定船舶運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而利用相應(yīng)的排放因子進(jìn)行計(jì)算[7]。根據(jù)船舶進(jìn)出港數(shù)據(jù)、吞吐量、燃油消耗量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算所得結(jié)果都較為粗略。AIS數(shù)據(jù)能獲取高分辨率的船舶動(dòng)態(tài)信息，從而確定船舶發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)負(fù)荷及工況，在計(jì)算精度和時(shí)空分辨率上具有極大的優(yōu)勢。4

產(chǎn)污清單建立方法本研究選取船舶AIS數(shù)據(jù)作為產(chǎn)污清單的計(jì)算基礎(chǔ)，AIS數(shù)據(jù)可以提供船舶較為詳細(xì)的軌跡信息及相關(guān)活動(dòng)水平。船載AIS設(shè)備分為A級和B級兩類，數(shù)據(jù)信息包括靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息以及相關(guān)航次信息。船舶靜態(tài)信息主要包括船舶船名、呼號（海船）、海上移動(dòng)識別碼（MMSI）、IMO號碼（海船）、AIS天線位置等，可知船舶船長、船寬、船舶種類等，主要在安裝AIS設(shè)備時(shí)輸入。靜態(tài)數(shù)據(jù)直接影響接收站是否能識別船舶，由于人為設(shè)置的原因，會(huì)出現(xiàn)信息錯(cuò)誤或缺失的情況。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括船舶位置（經(jīng)度、緯度）、UTC時(shí)間、船首向、對地航向、對地航速等，由與AIS連接的傳感器自動(dòng)更新，在自主模式下，AIS數(shù)據(jù)以不同的更新頻率自動(dòng)發(fā)送。本研究主要選取AIS原始數(shù)據(jù)中的以下字段進(jìn)行分析計(jì)算（見表1）。表1產(chǎn)污清單所需主要字段及解析Tab.1Mainfieldsandanalysisrequiredbythepollutionlist為建立船舶水污染物和大氣污染物產(chǎn)污清單測算模型，本研究引入“船舶活動(dòng)度”這一概念，即某水域在某時(shí)段內(nèi)活動(dòng)船舶的相關(guān)停留時(shí)間，按小時(shí)計(jì)算。這一數(shù)據(jù)通過對AIS原始數(shù)據(jù)的抽稀獲得。在AIS設(shè)備自主工作的模式下，數(shù)據(jù)以不同的時(shí)間間隔發(fā)送信息，本研究針對特定船舶（以MMSI號為識別標(biāo)記），無論1小時(shí)內(nèi)該船發(fā)送多少條AIS報(bào)文，均按1小時(shí)活動(dòng)度進(jìn)行計(jì)算。4.1

船舶水污染物產(chǎn)生量的測算（1）船舶機(jī)器處所油污水式中：T機(jī)器處所油污水為機(jī)器處所油污水產(chǎn)生量，t；A

為船舶活動(dòng)度，h；qb

為機(jī)器處所油污水產(chǎn)污系數(shù)，t/h；k

為船載AIS開機(jī)率，%。船舶機(jī)器處所油污水參照《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2020）》提供的計(jì)算方法進(jìn)行換算，每小時(shí)產(chǎn)生的艙底水量取q=1.8×10-5GT，單位為m3/h，GT為總噸。（2）船舶生活污水式中：T生活污水為生活污水產(chǎn)生量，t；r為船舶所載人數(shù)，人；qs

為生活污水產(chǎn)污系數(shù)，t/（人·小時(shí)）。綜合實(shí)地調(diào)研及各類研究，本研究測算船舶生活污水產(chǎn)生量選用的參數(shù)分為兩部分進(jìn)行計(jì)算，第一部分為船員產(chǎn)生，每艘船舶根據(jù)船舶類型及噸級確定最低配員人數(shù)；第二部分為客船所載乘客產(chǎn)生，取平均載客量進(jìn)行計(jì)算，生活污水產(chǎn)污系數(shù)取70L/（人·天）。（3）船舶垃圾式中：T

船舶垃圾為船舶垃圾產(chǎn)生量，t；qg

為船舶垃圾產(chǎn)污系數(shù)，t/（人·小時(shí)）。船舶垃圾產(chǎn)生量的計(jì)算同船舶生活污水，根據(jù)相關(guān)調(diào)查，船舶垃圾產(chǎn)污系數(shù)取0.25kg/（人·天）。4.2

船舶大氣污染物產(chǎn)生量的測算根據(jù)船舶主機(jī)、輔機(jī)在不同運(yùn)行工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，結(jié)合相關(guān)的排放因子、發(fā)動(dòng)機(jī)低載荷校正因子、油品校正因子、船舶活動(dòng)度等參數(shù)確定相應(yīng)的排放量。式中：Ei

為某種類型污染物的排放量，t；MCR為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW；LF為負(fù)載因子；EFi

為對應(yīng)污染物排放因子，g/（kW·h）；LLAi

為對應(yīng)污染物低負(fù)載校正因子；FCFi

為對應(yīng)污染物燃料修正因子；CFi

為對應(yīng)污染物排放控制因子。原始AIS數(shù)據(jù)中缺少相關(guān)船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)的字段，包括船舶主機(jī)功率及輔機(jī)功率。本研究中的船舶主機(jī)功率根據(jù)原始數(shù)據(jù)中“船舶長度”這一字段及相關(guān)研究中得出的船舶噸級與船舶長度、船舶主機(jī)功率與船舶噸級之間的數(shù)理關(guān)系進(jìn)行推算，輔機(jī)功率通過主機(jī)額定功率和“輔機(jī)/主機(jī)比”的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行推算。船舶航行狀態(tài)的確定按航速劃分為停泊（SOG=0）、泊岸行駛（SOG≤3）及正常航行（SOG>3），主機(jī)負(fù)載率LF主機(jī)=（實(shí)際航速/最大航速）3，客船最大航速取7.6節(jié)，其余取9.3節(jié)；輔機(jī)負(fù)載率參照《內(nèi)河船舶大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》，取0.43。各類排放因子的選取參照國內(nèi)外文獻(xiàn)、清單編制經(jīng)驗(yàn)值、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，排放因子的取值如表2、表3所示。表2污染物排放因子及燃油校正因子，g/（kW·h）Tab.2Pollutantemissionfactorandfuelcorrectionfactor，g/（kW·h）表3低負(fù)載校正因子Tab.3Lowloadcorrectionfactor5

產(chǎn)污清單在長江干線的應(yīng)用本研究選取長江干線包括三峽水利樞紐工程與葛洲壩水利樞紐工程的航段（30°~31°N，110°~112°E），重點(diǎn)關(guān)注船舶過閘相關(guān)區(qū)域。經(jīng)過計(jì)算分析，全年研究區(qū)域內(nèi)總船舶活動(dòng)數(shù)為5692702小時(shí)，船舶各類污染物產(chǎn)生總量如表4所示。表4各類污染物產(chǎn)生量Tab.4Productionofvariouspollutants6

結(jié)論及對策建議本研究綜合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法和產(chǎn)污經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，根據(jù)AIS數(shù)據(jù)建立了內(nèi)河船舶大氣污染物及水污染物產(chǎn)污清單的計(jì)算方法，采用回歸模擬計(jì)算解決了清單建立過程中船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)包括船舶主機(jī)功率及輔機(jī)功率缺失的難題，并以長江干線部分航段為例獲得了高精度的清單測算結(jié)果。本研究參照相關(guān)實(shí)地調(diào)研及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行產(chǎn)污系數(shù)和排放因子的選取，但此類系數(shù)容易受到船舶狀態(tài)、工況、燃油質(zhì)量等因素的影響，給船舶污染物產(chǎn)生量的計(jì)算帶來較大的不確定性，需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)測來確定。從產(chǎn)污清單測算結(jié)果來看，三峽工程待閘河段船舶污染物的產(chǎn)生量遠(yuǎn)大于其他河段。目前，過閘船舶產(chǎn)生的各類污染物主要在到港后交由港口進(jìn)行接收，在待閘期間也可以向船舶污染物接收船進(jìn)行交付。為了減緩三峽通航調(diào)度核心水域的待閘船舶污染物排放壓力，可以適當(dāng)調(diào)整過閘計(jì)劃編制確認(rèn)線，引導(dǎo)船舶沿途待閘、船舶污染物提前交付，分散核心水域船舶數(shù)量。在污染物防治方面，根據(jù)《關(guān)于建立健全長江經(jīng)濟(jì)帶船舶和港口污染防治長效機(jī)制的意見》的要求，相關(guān)部門需嚴(yán)格落實(shí)源頭管控、提升運(yùn)行和管理水平、夯實(shí)各方責(zé)任