張亞朋 倪訓鵬 張 劍 徐舜吉

一、背景

目前，無論是國際公約還是相關(guān)地區(qū)及國家的法律法規(guī)，對于船舶大氣污染物特別是硫氧化物的排放要求都越來越嚴格，關(guān)于船用燃油硫含量的法規(guī)相繼出臺并不斷修訂實施。如根據(jù)MARPOL公約附則Ⅵ第14.4條規(guī)定，在排放控制區(qū)內(nèi)的船舶所使用的燃油硫含量不得大于0.10%（m/m）。根據(jù)MEPC.305（73）決議，自2020年3月1日開始船上使用或者攜帶使用的燃油硫含量不允許超過0.50%（m/m）。同時一些國家或地區(qū)也相繼開始設立排放控制區(qū)，對船舶硫氧化物排放控制提出了更高的要求，例如歐盟法規(guī)要求在其港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過2小時的船舶不得使用硫含量超過0.10%（m/m）的船用燃油；根據(jù)《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》（交海發(fā)〔2018〕68號）在我國沿海排放控制區(qū)范圍內(nèi)的船舶使用燃油的硫含量不得超過0.50%（m/m）。

船舶排放控制區(qū)政策的落實，需要強有力的監(jiān)管手段作為保障。自交通運輸部在2015年底發(fā)文設立船舶排放控制區(qū)以來，針對排放控制區(qū)內(nèi)的船舶監(jiān)管，各級海事管理機構(gòu)進行了不同程度的探索。目前海事部門主要通過現(xiàn)場執(zhí)法過程中對燃油質(zhì)量、供受油單證、記錄文書等控制區(qū)相關(guān)要求內(nèi)容的檢查，并視情況進行燃油取樣檢測的方式實現(xiàn)對排放控制區(qū)船舶燃油硫含量的監(jiān)管。但目前這些監(jiān)管手段存在檢查目標比較隨機、針對性不強、效率相對較低等缺點。如何充分利用最新的科技成果，自動識別尾氣中污染物排放量較高的船舶，指導海事現(xiàn)場執(zhí)法，是現(xiàn)階段急需進行的研究。

二、嗅探技術(shù)在船舶大氣監(jiān)測方面的應用情況分析

目前，按監(jiān)測技術(shù)不同，對空氣環(huán)境監(jiān)測手段分為嗅探技術(shù)、光學傳感和激光雷達遙測三類。激光雷達遙測主要應用于測量空氣中顆粒物的濃度，嗅探技術(shù)和光學遙測主要測量空氣環(huán)境中污染氣體的濃度。

嗅探技術(shù)是通過傳感器采集空氣質(zhì)量信息，實現(xiàn)一定區(qū)域、點內(nèi)主要污染物信息的采集。從嗅探器大小上區(qū)分，嗅探技術(shù)分為傳統(tǒng)嗅探器技術(shù)和微型嗅探器技術(shù)兩種；從能否移動區(qū)分，嗅探技術(shù)可分為嗅探技術(shù)固定監(jiān)測（搭載平臺為橋梁、岸基）和嗅探技術(shù)移動監(jiān)測（搭載平臺為無人機、直升機、固定翼飛機等飛行設備）。例如，根據(jù)各國水域港口的具體情況，歐洲ECA內(nèi)的港口國采取了不同的監(jiān)測技術(shù)對ECA內(nèi)在航船舶進行監(jiān)管。其中使用的嗅探技術(shù)有比利時嗅探技術(shù)移動監(jiān)測（定翼機機載嗅探器）、荷蘭嗅探技術(shù)固定監(jiān)測（岸基嗅探器和定翼機機載嗅探器）、丹麥嗅探技術(shù)固定監(jiān)測（Great Belt Bridge岸基嗅探器）和嗅探技術(shù)移動監(jiān)測（直升機機載微型嗅探器）、歐洲海事局嗅探技術(shù)移動監(jiān)測（長程無人機機載微型嗅探器）、德國嗅探技術(shù)固定監(jiān)測（岸基嗅探器）。

歐盟對不同監(jiān)測技術(shù)的效果研究后發(fā)現(xiàn)：在排放控制區(qū)內(nèi)使用嗅探技術(shù)對在航船舶監(jiān)管能提高登船檢查的效率，提高監(jiān)督工作的阻嚇性。例如，根據(jù)比利時2017年P(guān)SC抽樣統(tǒng)計檢查發(fā)現(xiàn)，使用嗅探技術(shù)監(jiān)測后，發(fā)現(xiàn)違規(guī)燃油硫含量超標船舶查實率由不使用嗅探技術(shù)監(jiān)測時的2.7%提升至7.3%，使用嗅探技術(shù)監(jiān)管對燃油硫含量超標船舶的查實率提升了近166%。在2017年，比利時PSC對使用嗅探技術(shù)監(jiān)管發(fā)現(xiàn)的所有警報中的40%進行了確認，從而驗證嗅探技術(shù)能大大提升PSC檢查效率。經(jīng)過成本效益分析后發(fā)現(xiàn)，對排放控制區(qū)內(nèi)在航船舶監(jiān)管，使用嗅探技術(shù)比不使用嗅探技術(shù)可節(jié)約33%的成本。

由于我國自2016年才開始設立船舶排放控制區(qū)，排放控制區(qū)的監(jiān)管起步較晚，目前在上海、天津、寧波、深圳等地試行使用的基于嗅探技術(shù)的固定監(jiān)測設備均處于試驗階段，還未取得比較成熟的、可以復制推廣的經(jīng)驗。

三、固定監(jiān)測平臺的構(gòu)建

在碼頭、航道岸邊或橋梁處等區(qū)域科學布設基于嗅探技術(shù)的固定監(jiān)測儀，并形成固定點監(jiān)測網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對周邊船舶污染物排放的全方位連續(xù)性監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果將及時發(fā)送給海事相關(guān)部門，并為海事有效監(jiān)測港區(qū)碼頭、航道水域的船舶大氣污染物排放提供便利決策服務。

（一）基本原理

嗅探技術(shù)是基于傳統(tǒng)的空氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，通過利用提取設備（嗅探器）測量尾氣煙羽內(nèi)SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此獲得燃油中的硫含量（%）。根據(jù)MEPC.259（68）廢氣清洗系統(tǒng)導則和相關(guān)的研究文獻，船用燃油或柴油中碳含量約為87%。在發(fā)動機理想的工況下，假定燃油中的碳和硫全部燃燒分別轉(zhuǎn)化為CO2和SO2，則燃油中的硫含量可用式（1）計算：

其中：SFC為燃油中的硫含量，A（S）為硫的相對原子質(zhì)量，A（C）為碳的相對原子質(zhì)量。

（二）船舶尾氣中SO2、CO2和NO2的監(jiān)測

基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測平臺的嗅探器為意大利Unitec生產(chǎn)的ETL3000型空氣質(zhì)量監(jiān)測儀（符合歐洲標準2008/50EC）。ETL3000是一款多參數(shù)監(jiān)測站，采用Unitec SENS-IT傳感器可持續(xù)戶外污染物監(jiān)測；同時為保證測量結(jié)果的高靈敏選擇性，每一個SENS-IT傳感器專門用來測量某一個成分的氣體，并通過插口連接到數(shù)據(jù)記錄裝置。數(shù)據(jù)處理裝置可以控制所有操作過程，包括持續(xù)數(shù)據(jù)獲?。?秒獲取一次數(shù)據(jù)）。

1.SO2氣體濃度的測定

對于SO2氣體的監(jiān)測采用SENS-IT（EC，電化學技術(shù)）傳感器，測量范圍為5～10 000 ppb，測量精度為20 ppb。傳感器由常溫超導稀土金屬（鉍）元件高精度集成，當硫氧化物在被測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)時，整個恒定的超高頻常溫超導諧振探測場就會被微弱擾動，中央處理器就會瞬間將這種微弱繞擾動信號進行數(shù)字化分析并迅速轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。由于常溫超導稀土金屬（鉍）元件固有的超高頻常溫超導諧振特性（即超導高頻常溫超導諧振系數(shù)）只對硫氧、氮氧（SOx、NOx）黑煙量敏感，所以超高頻常溫超導諧振探測場只對污染氣體的微弱擾動產(chǎn)生信號反應，而不會被其他氣體成分造成交叉干擾，從而能在很短的時間內(nèi)獲取所探測尾氣中硫氧化物含量的信息。

2.NO2氣體濃度的測定

對于NO2氣體的監(jiān)測采用SENS-IT（TF-MOS，厚膜金屬氧化半導體技術(shù)）傳感器，測量范圍為10～250 ppb，測量精度為10 ppb。傳感器的活性表面是納米結(jié)構(gòu)的半導體金屬氧化物，傳感器表面發(fā)生的第一個反應是大氣中氧的吸附，由此從氧分子到半導體產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移。第二個反應是NO2氣體與吸附的氧發(fā)生反應（氧化還原反應），使得電子在半導體的傳導帶中進行釋放。通過提取這些反應中所產(chǎn)生的電流信號，即可計算出NO2的濃度。

3.CO2氣體濃度的測定

對于CO2氣體的監(jiān)測采用SENS-IT（IR，紅外線技術(shù)）傳感器，測量范圍為10～5 000 ppm，測量精度為50 ppm。SENS-IT（IR，紅外線技術(shù)）傳感器是通過監(jiān)測CO2分子吸收的紅外線輻射數(shù)量來測量CO2的濃度。

（三）確定船舶尾氣煙羽經(jīng)過固定監(jiān)測點的方法

當船舶尾氣煙羽飄過固定監(jiān)測點時，嗅探器監(jiān)測到的SO2、CO2的濃度會有一個上升及下降的過程，最大濃度點即為極值點。固定監(jiān)測點測得的極值點峰值則是當時船舶尾氣擴散至固定監(jiān)測點時的各污染氣體的濃度。因此，當固定監(jiān)測點監(jiān)測到SO2、CO2濃度出現(xiàn)極值點時，即表明有船舶尾氣煙羽飄過固定點監(jiān)測裝置。船舶尾氣煙羽經(jīng)過固定點監(jiān)測裝置時，SO2、CO2濃度變化曲線如圖1、圖2所示。

圖1 SO2濃度變化曲線

圖2 CO2濃度變化曲線

圖3 固定點組合監(jiān)測設備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（四）系統(tǒng)組成

在實際安裝船舶尾氣污染物排放固定監(jiān)測點時，采用供電電源、污染物監(jiān)測系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)一體化組合的辦法將其安裝到合適位置，組合監(jiān)測設備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

單個固定監(jiān)測點布設完成并正常運行后，固定監(jiān)測點的“污染氣體傳感器系統(tǒng)”對該監(jiān)測點附近所?？康拇暗腟O2、CO2、NO2等污染氣體排放情 況進行監(jiān)測，各監(jiān)測點數(shù)據(jù)通過4G方式傳輸至大數(shù)據(jù)信息平臺，大數(shù)據(jù)信息平臺將從監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù)進行篩選處理，根據(jù)設定的閾值，提取大于閾值的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并綜合監(jiān)測點周圍環(huán)境的風速風向等氣象信息和AIS數(shù)據(jù)進行分析計算，定位出燃油硫含量疑似超標的船舶。然后大數(shù)據(jù)信息平臺自動把篩選出的燃油硫含量疑似超標的船舶信息發(fā)送至海事主管機關(guān)信息發(fā)布平臺。根據(jù)該船動態(tài)，對于欲靠本轄區(qū)的在航船舶，海事主管機關(guān)信息發(fā)布平臺將通知執(zhí)法人員登輪檢查，執(zhí)法人員在船抽取油樣并送檢監(jiān)測。對于不在本轄區(qū)靠泊的過境在航船舶，海事主管機關(guān)信息發(fā)布平臺將報警信息發(fā)送至該船的下一個目的港的海事主管機關(guān)，由其安排執(zhí)法人員登輪檢查。大數(shù)據(jù)信息平臺數(shù)據(jù)處理原理如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)信息平臺數(shù)據(jù)處理原理簡圖

（五）影響因素分析

1.污染氣體間的交叉干擾因素

由嗅探器對氣體的監(jiān)測原理可知，嗅探器在對污染氣體監(jiān)測的過程中會出現(xiàn)污染氣體之間的交叉干擾問題。例如，嗅探器在對SO2氣體的監(jiān)測過程中會受到NO2氣體的干擾。一些研究表明，即使在嗅探器內(nèi)設置了一些算法對監(jiān)測的SO2氣體濃度值進行修正，但污染氣體中SO2氣體的實際濃度也約為所測SO2氣體濃度減去所測NO2氣體濃度的1.2%后的值。

2.在航船舶與固定監(jiān)測點距離及天氣影響

船舶排放的尾氣從船舶煙囪位置飄散至固定點監(jiān)測位置的過程中，各污染物的濃度都在下降。因此，固定監(jiān)測點嗅探器監(jiān)測的船舶尾氣的濃度與在航船舶之間的距離有關(guān)，距離越近測得的尾氣濃度越高；反之，濃度越低。雖然理論上假定各污染物的濃度下降的速率相同，但實際各污染氣體的濃度下降速率與當時的風速、空氣溫度、濕度有很大關(guān)系。如SO2會與空氣中的水反應，若空氣濕度太大，則船舶尾氣煙羽中SO2氣體濃度在擴散過程中下降速率變大。

3.大氣背景值的影響

在計算所測尾氣硫碳比時，式（1）中SO2（ppb）和CO2（ppm）值為嗅探器監(jiān)測濃度值減去大氣背景值。大氣背景值偏高的話，將影響嗅探裝置對污染氣體的濃度的監(jiān)測，以致監(jiān)測的范圍變小和精度變差。

由此可見，還需進一步研究并對固定監(jiān)測點監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行修正處理。運用統(tǒng)計學原理，分析各方面因素影響的權(quán)重，確定最終的固定監(jiān)測點自動報警時硫碳比的閾值。

四、固定監(jiān)測平臺應用中存在的問題

（一）從尾氣中的數(shù)據(jù)推算出的船舶燃油硫含量的精確度有待提高

當前階段，基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測平臺研究處于初始階段，通過監(jiān)測在航船舶尾氣中SO2（ppb）與CO2（ppm）的比值推算的燃油硫含量與實際上船進行燃油取樣檢測出的結(jié)果有一定出入，監(jiān)測結(jié)果的質(zhì)量或可信度有待提高。

（二）受季節(jié)性風向的影響，部分時間不能發(fā)揮作用

現(xiàn)階段船舶尾氣固定監(jiān)測點位于外二期，碼頭沿線為東北—西南方向，當天氣為西北風、西風和西南風時，在航船舶的尾氣煙羽將不能經(jīng)過固定點裝置，此時，固定點裝置將不起作用。上海地處江海交匯的長三角東部，位于東亞季風盛行的北亞熱帶地區(qū)，屬于北亞熱帶季風氣候。上海受冬夏季風進退影響，11月至翌年2月盛行冬季西北風，氣候干燥寒冷；4月至8月盛行夏季東南風，氣候暖熱濕潤，但7、8月間在西北太平洋副熱帶高壓直接控制下，有時出現(xiàn)西南風高溫干燥天氣；3月和9月至10月的前期是季風轉(zhuǎn)換的過渡季節(jié)，一般以東北風和東風為主，低溫陰雨天氣較多。因此在11月至翌年2月西北風和7、8月西南風期間，此固定點監(jiān)測可能會不起作用。

（三）船舶流量大，導致目標船舶定位較難

轄區(qū)水域船舶流量大，交通密度高，在航船舶間距小。船舶排放的尾氣容易相互混合，交叉干擾現(xiàn)象多，嚴重影響固定監(jiān)測點對在航船舶尾氣含量的測定以及對燃油硫含量超標船舶的定位。

五、對策措施

（一）綜合考慮多重因素，合理確定報警閾值

在不影響船舶航行計劃的情況下，盡可能多地對尾氣煙羽經(jīng)過固定點監(jiān)測裝置的船舶上船取樣并檢測。通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)計算出在航船舶燃油硫含量與實際船舶使用的燃油硫含量的對比，結(jié)合當時大氣環(huán)境污染物背景值和風向、濕度等天氣因素，不斷試驗，總結(jié)出不同情況下的修正系數(shù)，進一步確定硫碳比報警閾值，提升固定點監(jiān)測裝置監(jiān)測結(jié)果的質(zhì)量或可信度。

（二）合理選擇固定監(jiān)測布點數(shù)量和位置

國際上的一些研究表明，固定監(jiān)測點對在200～500米范圍內(nèi)經(jīng)過的船舶監(jiān)測效果最好。因此，固定監(jiān)測點布設選址需進行科學的論證試驗，根據(jù)航道特點和進出船舶的特點，在排放控制區(qū)航道兩岸之間的合適位置布設一定數(shù)量的嗅探式固定監(jiān)測點，以解決受季節(jié)性風向影響而不能發(fā)揮作用的問題。

（三）統(tǒng)籌運用多種技術(shù)，提升監(jiān)管的有效性

基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測平臺對正在靠離監(jiān)測點附近泊位或在監(jiān)測點附近航行的船舶監(jiān)管比較有效，但對遠離固定監(jiān)測點船舶的監(jiān)管有一定的局限性。建議引進新型的固定點光學遙測儀器與固定點嗅探技術(shù)互補，并和無人機平臺移動嗅探技術(shù)統(tǒng)籌并用，建立排放控制區(qū)內(nèi)在航船舶的一體化的監(jiān)測網(wǎng)絡，搭建網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)，形成分布廣泛的監(jiān)測點位，提供更翔實的監(jiān)測數(shù)據(jù)。例如，若船舶流量密度大，固定監(jiān)測點只能定位燃油硫含量超標船舶范圍，則根據(jù)實際情況，選擇固定點光學遙測或無人機平臺移動監(jiān)測去進一步篩選定位燃油硫含量超標船舶。