学思践悟 | 排放控制区船舶大气污染监测系统研究

2021-02-26 11:10来源： 海上环境保护专业研究委员会

摘要：随着我国船舶大气排放控制区范围的扩大和受控污染物种类增加，传统的监测手段无法及时发现船舶违章行为，特别是离岸在航船的违规超标排放；同时，由于缺乏信息化系统支撑，目前执法过程中存在对靠泊船舶的重复或过度检查和抽样行为。为解决上述问题，本文参考欧洲海事安全署（EMSA）和北欧国家开展的研究和应用，对基于欧盟Thetis-EU系统的船舶大气污染监测系统框架、传感器、搭载平台、数据应用等方面进行详细介绍和分析，为我国在排放控制区内建立船舶大气污染监测系统提供参考。

关键词：排放控制区；船舶大气污染监测系统；燃油硫含量

大量研究表明大气污染对人身健康和自然环境都有严重的负面影响[1]，2001年东亚地区（包括中国、日本和韩国）因船舶大气污染导致的过早死亡人数保守估计达15,000人，近期研究发现这一数据可能被明显低估。目前全球船舶燃油中硫含量标准（35,000ppm）为陆地设备标准（10-350ppm）至少百倍以上，以香港地区为例，根据香港环境保护局（HK EPA）公布的《2012年香港排放清单报告》数据统计，该地区2012年SO2排放总量中船舶排放占比超过一半达到50.38%[2]。

借鉴发达国家履行国际公约而设置排放控制区的实践经验，2015年12月2日，交通运输部发布《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》（交海发[2015]177号）[3]，方案划定了3个排放控制区（ECZ），并明确了ECZ内航行船舶的大气排放控制要求及相应时间节点，要求船舶在控制区内（ECZ）港口靠岸停泊期间应使用符合要求的低硫燃油。2017年中国海事局[4]共实施船舶燃油检查3万余艘次，国际航行船舶违章率3.2%，环境监测数据显示控制区内核心港区硫化物含量明显减少。但与欧盟[5]和北美[6]排放控制区相比排放控制区的覆盖水域范围、污染控制种类和允许排放标准均有较大差距。2018年11月30日，交通运输部发布《船舶大气污染物排放控制区实施方案》（交海发[2018]168号）[7]，方案将我国排放控制区范围扩展至整个沿海水域和长江干线、西江干线等内水通航水域，排放控制物也将涵盖NOx、PM和挥发性有机物（VOC）。规定的实施有利于IMO提出的2020年全球水域普遍使用0.5%低硫油的目标在我国水域顺利实现。

建立全方位监控系统的必要性

随着我国沿海排放控制范围的扩大和监控污染物种类增加，作为我国防止船舶污染大气工作的责任机关之一，中国海事局亟需在现有的管理制度和操作规程基础上，制定和引入更加有效的监管机制和监控手段。为了实现这一目的，需要开发基于风险的全方位监测系统，研究更加先进的科技手段和监测方法。监测系统依靠先进的遥测、抽样监测技术生成有较高成本收益的有效行动信息，这些信息能够协助港口国检查官确定最有可能违规的船舶进行登轮检查。而且可以预期，这些信息将最终连同登轮检查信息能够在司法程序中使用。

在起步阶段可以通过引入较新但相对简单的方法，例如，便携式燃油硫含量监测设备、研究通过油温判定燃油种类的可能性等。目前，中国海事局已经开始为一线执法人员配备快速监测设备，并逐步提高配备率和使用率；最终通过采用空中移动监控平台与设置于海上交通要道附近关键位置，例如跨海桥梁、港口、灯塔岛屿等的固定监测平台相结合的方式构建更加高效的全方位监测系统[8]。据报道，2017年8月份，深圳海事局尝试使用无人机悬停船舶烟囱上空，快速测定燃油硫含量[9]。

基于Thetis-EU的船舶综合监控系统框架

及主要构成、功能简介

（一）成本效益分析

基于登船检查和遥测手段成本的分析[10]通过2014至2016年ComMon项目主要参与者提供的实际数据完成。如表 1所示，对于登船检查,成本包括交通&人力和样品检测两部分，采用实验室分析方法的平均成本是381欧元，使用便携式XFR设备进行分析的成本是306欧元（不包括设备采购成本）。相比而言基于固定平台的遥测成本仅为40欧元每船，基于移动平台（船舶、飞机）的遥测成本为263欧元，单独使用飞机作为移动平台的成本为263欧元。移动平台成本数据包括37,000艘次固定平台遥测和4,100艘次移动平台遥测。

表 1 基于登船检查和遥测方式成本效益分析一览表

（二）基于Thetis-EU平台的应用系统架构

在欧盟区域内，各方均已认识到数据交换对船舶违章控制具有决定性作用。欧盟海上安全局的THETIS-EU系统可以通过改造成为供各种数据（固定嗅探器、PSC检查报告、飞机监测数据等）的交换平台和共享平台，具体流程参见图1。从2015年1月1日起，Thetis-EU平台已经将船舶大气污染遥测数据基于风险选船机制的一个参数作为可选项开始运行，截止2017年5月22日，已有21,000燃油质量相关的PSC检查予以实施[11]。

图 1 基于Thetis-EU系统的

监控数据交换共享框图

（三）遥测设备

1.空气嗅探器

研究表明，船舶燃油硫含量与船舶烟囱废气中二氧化硫浓度成比例，嗅探器与船舶烟羽直接接触后通过对空气样本中二氧化硫浓度进行定量并换算后可以获得燃油硫含量。探测目标不仅限于硫化物，同时可以监测二氧化碳和氮氧化物，工作过程中主要因素是环境风向风速。商业成品空气嗅探器一般自重60kg左右，工作功率在500w，需要同时配备必要的空调或加热设备，图2左上为2015年应用于瑞士哥德堡港空气监测终端[12]，在投入使用的第一周对200余艘船舶进行监测，结果发现近20%船舶存在疑似违章。

2.迷你空气嗅探设备

基本工作原理与标准空气嗅探器相同，不同的是迷你空气嗅探器使用更加小的电化学传感器，这使得设备尺寸小、功耗小，重量只有500g左右，价格更低。但对环境较敏感，探测极限和交叉灵敏度都较高，高质量的测量需要建立在较高的气体浓度和较长的暴露时间。设备外形参见图2右上。

3.差分吸收光谱设备（DOAS）

差分光谱吸收设备通过对穿过船舶烟羽光线进行频谱分析，可以获取目标成分（SO2、NO2、CO2）质量流，从而获取船舶燃油中相应的硫含量（特别是0.1%-1.0%范围），设备通常重量在80kg左右，功率200w以上，工作是要求距离船舶1km以内，太阳光照良好。图 2左下图描述了机载终端工作场景和监测航线设计要求。

4.XRF设备

便携式X射线荧光光谱仪可以由调查官或专项检查人员带上船舶开展现场油样监测，而不必将油样送至专业实验室进行，设备具有使用便捷、精度高、单次复合监测等特点。图 2右下为某品牌光谱仪外观，便携分析仪已开始在海事一线配备，执法人员可以在登轮后现场快速进行硫含量监测。

图 2 传感器与检测设备

5.其他设备（AIS、气象设备）

AIS设备提供的船舶动、静态信息可以用来确定船舶身份，辅助完成气体排放主体的辨识和确认，因此通常需要同时配备AIS设备。实践表明，单独依靠AIS数据确认气体排放船舶效率较低，如果结合气象数据特别是风力风向信息将会大幅提高效率，这些气象信息可以通过自带气象设备获取，也可以使用附近专业气象站或者航空电子设备数据。如果可能温度、湿度等气象数据也需要进行记录，以便于后期结果质量评估时使用。

（四）搭载平台

1.固定平台

固定平台适宜设置在港口口门、桥梁、灯塔、航路附近岛屿等区域，设置时应考虑距离航路距离、盛行风向、电力以及安装难度等因素。设备距离航路距离以数百为宜，当风力风向条件良好时，探测距离可以到达2km，固定平台搭载的嗅探传感器和差分吸收光谱仪（DOAS）可以稳定通过探测航经船舶烟羽中SO2含量来换算燃油硫含量。应用时需要注意不同船舶烟羽混合和船舶主体的确认。

图 3 丹麦大贝尔特桥固定监测点

2015年，丹麦环境保护局（DEPA）选取大贝尔特桥（Great Belt Bridge）作为固定观测点[13]，对该水域年均通过量25,000艘次的交通流进行监测。图 4中为设备安装位置、传感器及监测设备。从2015年6月到2017年1月590天的观察期内，有效观察天数480天，完成11,161艘船舶烟羽采样监测，数据质量优良率达56%。

2.移动平台

（1）固定翼飞机、直升机

除传统的车载、船载平台外，有人机载平台也是效率较高的平台之一，简单可以分为固定翼飞机和直升机两种。固定翼飞机根据船舶航向、航速、风力风向和太阳角度计算出适合每条船舶的遥测航线，在距离船舶水平距离200-2000米处，保持45-350米高度使用嗅探器或DOAS对船舶烟羽进行遥测分析。嗅探器采样时间在1-2秒之间，条件适宜时每小时可以完成10艘船舶监控。直升机平台搭载迷你嗅探器与被测船舶同向同速保持30-45米高度完成遥测，每小时可完成15艘次。由于不受采样时间限制，所以测试结果精度高，同时不存在烟羽混淆和船舶身份辨识问题。目前比较领先的应用研究是使用Navajo Piper固定翼飞机开展船舶尾气排放监测项目，如图 4所示监测过程中首先在约200米高度通过光学设备对船舶排放筛选，对可疑目标进入第二阶段，根据风向、船舶航向等因素设计观测航线，保持65米高度使用空气嗅探设备进行监测，在2015-2016年245小时的飞行时间内完成900艘次船舶气体排放监测，对于燃油硫含量0.2%及以上船舶违章行为检出结果的置信界限为95%。研究发现[14]2016年第二季度监测水域船舶燃油硫含量符合要求的比例为92%。

图 4 机载船舶气体排放监测平台

（2）无人机

无人机可搭载迷你嗅探器、光电设备对船舶进行尾气排放监控。目前欧盟海事局的RPAS项目和芬兰的ComMon项目都正在积极开展研究和应用。欧盟海事安全局（EMSA）从2015年开始研究在海事监管领域内使用无人机开展包括船舶尾气排放监控在内的应用研究[15]。并将数据融入Thetis-EU系统，实现数据的报告、验证与共享等。目前项目的应用范围包括海洋污染和尾气排放监控、搜救应急、非法移民和渔业作业等。北欧国家ComMon项目最新的招标文件显示最新的研究方向包括无人机卫星通信、垂直起降无人机、超长续航时间/航程无人机等。2017年5月11日举行的演示开放日公布资料显示，已使用无人机续航能力从时间从6-12小时，起飞重量从25kg到235kg，并可根据任务需要搭载不同种类探测器和传感器。表 2详细列举了项目中使用的无人机及其主要参数。

表 2 EMSA RPAS项目主要无人机及参数一览表

（五）疑似违章船舶地理分布模式分析

1.丹麦沿岸水域

2015年7月至2016年10月，固定翼飞机平台对丹麦近近海海水域进行的900艘船舶燃油硫含量监测，测量结果数据空间分布情况如图 5所示。燃料硫含量值采用不同颜色进行标记：绿色（<0.16％m/m），黄色（0.16-0.3％m/m）和红色（>0.3％m/m），黄色和红色标记的测量值高于欧盟硫磺指令的合规阈值。可以看出，这些测量的地理位置没有明显的模式。

图 5 丹麦近海船舶燃油硫含量

监测数据空间分布图

2.英吉利海峡水域

2016年9月2日至10日，Common项目在西经5度的北欧硫排放控制区边界线附近进行了6次平均持续时间为4至5小时的飞行监测，图 6中黑色虚线表示硫排放控制区边界线。114艘船使用嗅探系统进行测量，相当于SECA内的71艘船和外部的42艘船。71艘船中有9艘（13％）超过了0.15％的合规阈值，其中三分之二的船只离开排放控制区。进入硫排放控制区的不合规船舶都在SECA边境附近进行测量。

图 6 英吉利海峡船舶燃油硫含量

监测数据空间分布图

我国船舶大气污染监测系统的设计

在我国中国海事局的协同管理平台（4A）平台可以作为数据的交换和共享平台。如图7所示，监测系统首先应涵盖传统海事监管科技和手段，例如船舶交通管理系统（VTS）、船舶自动识别系统（AIS）、远程识别与跟踪系统（LRIT）、港口国/船旗国检查（PSC/FSC）、执法船艇/飞机巡逻和卫星遥感技术等，同时尽快引入最新科技，包括无人机监测系统、（车）船载移动监控终端、船舶终端尾气实时监测报告系统、燃油质量计量（MFM）等。如图 7所示，系统各组成部分将数据上传至综合数据库，最终根据应用需要开发不同的应用平台，例如，为实现监控船舶气体排放而开发具有实时可视化、违章报警、分析查询、选船分析等功能的综合船舶大气污染监控系统。同时也可将信息应用于搜救应急、渔业、海关、海警等多个领域。