胡健波，鄧孟濤，徐 旻，謝 昕，張翰林，彭士濤

（1.水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心，交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津300456；2. 上海海事局，上海200086）

一、引言

船舶大氣污染防治是綠色航運(yùn)發(fā)展的重要組成部分，是航運(yùn)業(yè)貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要舉措，涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括硫氧化物（SOx）排放相關(guān)的GB 17411《船用燃料油》和其它污染物排放相關(guān)的GB 15097《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》[1]。前者按船舶類型設(shè)定了船用燃料油的硫含量限值[2]，后者按發(fā)動(dòng)機(jī)等級(jí)設(shè)定了一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）等污染物的排放限值[3]。為持續(xù)改善沿海和內(nèi)河港口城市空氣質(zhì)量，交通運(yùn)輸部在珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀） 水域船舶排放控制區(qū)（簡(jiǎn)稱“排放控制區(qū)”）實(shí)施取得明顯成效后，于2018年印發(fā)了《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》[4]，嚴(yán)控SOx、NOx、顆粒物（PM）和發(fā)揮性有機(jī)化合物（VOCs）等污染物排放，并規(guī)定了使用低硫燃油、靠港使用岸電等措施。

然而，由于船舶運(yùn)營(yíng)期間的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)缺失，船舶大氣污染防治仍面臨巨大壓力，尤其是老舊船舶的冒黑煙現(xiàn)象[5]。當(dāng)下航運(yùn)企業(yè)對(duì)于船舶大氣污染防治的主動(dòng)責(zé)任意識(shí)不強(qiáng)，只把船舶冒黑煙現(xiàn)象視為發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)、安全問(wèn)題的一個(gè)表征[6,7]，帶病航行附帶產(chǎn)生的船舶大氣污染問(wèn)題長(zhǎng)期被忽視。英美等發(fā)達(dá)國(guó)家已將船舶冒黑煙控制納入當(dāng)?shù)貓?zhí)法體系，我國(guó)只有香港特別行政區(qū)的《船舶及港口管制條例》、臺(tái)灣地區(qū)的《交通工具空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和上海市的《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為，并制定了相應(yīng)的罰則[8]。船舶黑煙這一HC和PM排放污染嚴(yán)重的現(xiàn)象應(yīng)是我國(guó)船舶大氣污染防治的重要工作內(nèi)容，但相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)管應(yīng)用較少[8-11]。

通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外船舶黑煙管控要求，科學(xué)分析黑煙的視覺(jué)機(jī)理，識(shí)別傳統(tǒng)林格曼黑度法存在問(wèn)題的原因；并根據(jù)船舶黑煙檢測(cè)的要求和特點(diǎn)，提出了適用于船舶黑煙檢測(cè)的改良型林格曼黑度法。

二、國(guó)內(nèi)外船舶黑煙管控要求

國(guó)內(nèi)外船舶黑煙管控的共同點(diǎn)都是采用林格曼黑度法這一視覺(jué)黑度指標(biāo)作為判定依據(jù)。雖然林格曼煙氣黑度與煙氣中HC和PM沒(méi)有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是這一方法成本低、可操作性強(qiáng)，因而被國(guó)內(nèi)外普遍采用。國(guó)內(nèi)外船舶黑煙管控的嚴(yán)格程度與處罰力度有所不同，分別對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)展開(kāi)詳細(xì)的介紹。

（一）國(guó)外

美國(guó)多個(gè)州對(duì)船舶黑煙排放出臺(tái)了管控標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)阿拉斯加州《船舶可見(jiàn)污染物標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定船舶在阿拉斯加海岸線3 n mile之內(nèi)排放的煙氣不透光度不能高于20%（相當(dāng)于林格曼黑度1級(jí)）。德克薩斯州則規(guī)定船舶排氣的不透光度不能連續(xù)5 min超過(guò)30%。美國(guó)《加利福尼亞健康與安全法典》第41701條規(guī)定，所有排放源3 min及以上時(shí)長(zhǎng)連續(xù)排放的氣體與林格曼黑度2級(jí)的顏色一樣深或更深，視為違法。

英國(guó)在《清潔空氣法案1993》第1部分第3條中對(duì)黑煙做了明確定義，即與林格曼黑度2級(jí)相當(dāng)或更深的顏色。船舶應(yīng)在英國(guó)領(lǐng)海水域遵守此項(xiàng)規(guī)定，違法者可能被罰款高達(dá)5 000英鎊。

迪拜政府于2014年7月2日發(fā)表聲明，呼吁所有船舶確保在港口期間嚴(yán)格遵守關(guān)于空氣排放的規(guī)定。所有?？康习莞劭诘拇岸急仨氉袷禺?dāng)?shù)氐腜CFC-EHS 港口和海事法規(guī)，以遏制該地區(qū)的空氣污染，包括船舶黑煙。

新加坡海事和港口管理局（MPA）于2019年3月發(fā)布通函，警告經(jīng)營(yíng)人采取所有必要措施，防止船舶在其整個(gè)港口停留期間從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置和船上輔助機(jī)械上排放過(guò)量的煙灰、灰渣或黑煙。經(jīng)營(yíng)人未能遵守上述規(guī)定將是違法行為，可能會(huì)被起訴。如被定罪，違法者可能被罰款高達(dá)5 000新元。

（二）國(guó)內(nèi)

香港特別行政區(qū)的《船舶及港口管制條例》（第313章）及《商船（本地船只）條例》（第548章）規(guī)定：非本地船只或本地船只如在香港水域內(nèi)排放分量足以造成滋擾的煙霧屬于犯罪。但是對(duì)黑煙排放限值未進(jìn)行明確的定義，且該法條沒(méi)有根據(jù)船舶大小和違規(guī)次數(shù)制定不同的罰款依據(jù)。因此，香港政府于2014年出臺(tái)了《船舶黑煙管制條例》修訂版，規(guī)定若船舶3 min及以上時(shí)長(zhǎng)連續(xù)排放的氣體與林格曼黑度2級(jí)的顏色一樣深或更深，則視為違法。本地船舶的最高罰款為10 000～25 000港幣，遠(yuǎn)洋船為25 000～50 000港幣。

臺(tái)灣地區(qū)于2006年出臺(tái)的《交通工具空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第8條規(guī)定：允許主機(jī)功率3 000 kW以上的船舶啟動(dòng)時(shí)20秒內(nèi)和3 000 kW以下的船舶啟動(dòng)時(shí)10秒內(nèi)，排煙目測(cè)不透光度不超過(guò)60%（相當(dāng)于林格曼黑度3級(jí)）；其它時(shí)段的排煙目測(cè)不透光度不超過(guò)40%（相當(dāng)于林格曼黑度2級(jí)）。

上海市的《上海市大氣污染防治條例》第38條第5款規(guī)定: 在本市行駛的機(jī)動(dòng)車、船不得排放明顯可見(jiàn)的黑煙。第85條第2款規(guī)定: 違反本條例第三十八條第一款、第五款規(guī)定，在本市行駛的機(jī)動(dòng)船向大氣排放污染物超過(guò)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)或者排放明顯可見(jiàn)黑煙的，由海事部門責(zé)令改正，可以處1 000～10 000元罰款；情節(jié)嚴(yán)重的，處10 000～50 000元罰款。

三、黑煙的視覺(jué)機(jī)理

黑煙是一個(gè)視覺(jué)上的煙氣排放指標(biāo)，其背后的機(jī)理主要是煙羽與觀測(cè)者視線方向上的太陽(yáng)光被吸收和散射的過(guò)程以及其它方向散射光的影響（圖1）。光的主要源頭是視線方向的煙羽后方的太陽(yáng)散射光，次要源頭是其它方向的太陽(yáng)散射光。觀測(cè)到的光經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程，分別是經(jīng)過(guò)煙羽段的吸收與散射和經(jīng)過(guò)煙羽與觀測(cè)者之間的散射；之所以不包括煙羽與觀測(cè)者之間的吸收過(guò)程，是因?yàn)槟軌蜻M(jìn)入到近地表大氣層的太陽(yáng)光波段必然是大氣分子吸收能力很弱的波段，該過(guò)程可以忽略不計(jì)。

圖1 黑煙的視覺(jué)機(jī)理示意圖

Sback為從觀測(cè)者角度的煙羽后方的太陽(yáng)散射光強(qiáng)度，Saccept為觀測(cè)者觀測(cè)到的光線強(qiáng)度。

x為煙羽的不透光度（0～100%），即近距離觀測(cè)的煙羽黑度，越黑則x越大；反之，越白或越淡則x越小。x值等于0、0.2、0.4、0.6、0.8和1分別代表林格曼黑度0、1、2、3、4和5級(jí)。

y為煙羽到觀測(cè)者之間的太陽(yáng)光散射率（0～100%），與天氣霧霾程度和距離有關(guān)，霧霾越重、距離越遠(yuǎn)，則y越大；反之，霧霾越輕、距離越近，則y越小。例如，當(dāng)霧霾很嚴(yán)重時(shí)，y近似1，則遠(yuǎn)處的煙羽不可見(jiàn)（無(wú)論是否黑煙），Saccept=Sback；當(dāng)幾乎沒(méi)有霧霾時(shí)，y近似0，則遠(yuǎn)處的煙羽清晰可見(jiàn)，近距離和遠(yuǎn)距離（使用望遠(yuǎn)鏡）觀測(cè)的煙羽黑度差別不大，Saccept=Sback×(1-x)。

四、傳統(tǒng)林格曼黑度法存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)林格曼黑度法根據(jù)HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測(cè)定林格曼煙氣黑度圖法》（簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”）[12]，需要林格曼煙氣黑度圖參照輔助，并對(duì)觀測(cè)位置和條件、觀測(cè)方法、計(jì)算方法、質(zhì)量保證措施等做了明確的要求。但是，存在干凈天空林格曼黑度等級(jí)大于0和非晴朗天氣無(wú)法開(kāi)展檢測(cè)工作這兩個(gè)問(wèn)題。

根據(jù)傳統(tǒng)林格曼黑度法的視覺(jué)機(jī)理（圖2）可知，從林格曼煙氣黑度圖的0級(jí)黑度圖（白色涂料）上觀測(cè)到的是太陽(yáng)散射光的全部反射光，而非來(lái)自煙羽后方的太陽(yáng)散射光，導(dǎo)致干凈天空的黑度檢測(cè)結(jié)果存在一定等級(jí)的黑度（大于0級(jí)）。標(biāo)準(zhǔn)的解決辦法是，選擇在合適的天氣和時(shí)間開(kāi)展檢測(cè)，確保林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的背景天空。另一種解決辦法是，林格曼煙氣黑度圖棄用白色涂料，改用透光材質(zhì)，即不同等級(jí)的黑度為干凈天空與黑線的混合色。

圖2 傳統(tǒng)林格曼黑度法的視覺(jué)機(jī)理示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，林格曼煙氣黑度圖距離觀測(cè)者較近，而煙羽距離觀測(cè)者較遠(yuǎn)，導(dǎo)致非晴朗天氣下的尾氣煙羽與觀測(cè)者之間的大氣散射影響不可忽略，嚴(yán)重扭曲煙羽黑度的判定。標(biāo)準(zhǔn)的解決辦法是不建議在雨雪天、霧天開(kāi)展檢測(cè)工作，即要求觀測(cè)時(shí)的天氣能見(jiàn)度很高。

因此，傳統(tǒng)的林格曼黑度法的應(yīng)用條件較為苛刻且結(jié)果較為主觀，只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見(jiàn)度很高時(shí)應(yīng)用。

五、適用于船舶黑煙檢測(cè)的改良型林格曼黑度法

（一）船舶黑煙檢測(cè)要求

1. 需適應(yīng)大多數(shù)的天氣條件

船舶是移動(dòng)的大氣污染源，具有移動(dòng)范圍廣（跨省甚至跨國(guó)）的特點(diǎn)。因此，在發(fā)現(xiàn)船舶冒黑煙時(shí)，需要迅速開(kāi)展煙羽黑度檢測(cè)，否則很可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)駛離轄區(qū)。這對(duì)檢測(cè)技術(shù)的普適性要求較高，要求能適應(yīng)大多數(shù)的天氣條件。

2. 需適應(yīng)晃動(dòng)的黑度檢測(cè)方法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外船舶黑煙管控要求，各個(gè)國(guó)家判定船舶是否冒黑煙的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)持續(xù)冒黑煙，因此需要連續(xù)檢測(cè)煙羽的林格曼黑度并錄制視頻留證。在發(fā)現(xiàn)船舶冒黑煙時(shí)，觀測(cè)者很有可能是手持相機(jī)或手機(jī)錄制視頻證據(jù)，甚至是在海巡艇等晃動(dòng)平臺(tái)錄制視頻證據(jù)。因?yàn)椴豢杀苊獾幕蝿?dòng)，使得煙羽在視頻畫面中的位置往往不固定。要求觀測(cè)者同時(shí)手持小型的林格曼煙氣黑度圖（圖3）和錄制視頻證據(jù)，獲取穩(wěn)定視頻數(shù)據(jù)的難度較大，需適應(yīng)晃動(dòng)的黑度檢測(cè)方法或目視判別方法。

圖3 手持小型的林格曼煙氣黑度圖進(jìn)行船舶黑煙檢測(cè)的示例

3. 應(yīng)盡可能在移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)

另外，標(biāo)準(zhǔn)要求觀測(cè)者的視線應(yīng)與煙羽飄動(dòng)的方向垂直，在太陽(yáng)光照射下觀測(cè)時(shí)，盡量使照射光線與視線成直角，光線不應(yīng)來(lái)自觀察者的前方或后方。船舶在水上航行，如若在岸邊觀測(cè)，很可能無(wú)法滿足上述觀測(cè)位置要求。因此，應(yīng)盡可能在海巡艇上或者利用無(wú)人機(jī)等移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，開(kāi)展船舶黑煙檢測(cè)工作。

（二）改良型林格曼黑度法

為了滿足船舶黑煙檢測(cè)的要求且保證煙羽林格曼黑度的準(zhǔn)確度，需要基于黑煙的視覺(jué)機(jī)理和船舶的特點(diǎn)，提出適用于船舶黑煙檢測(cè)的改良型林格曼黑度法。根據(jù)公式1推導(dǎo)，可以獲得林格曼黑度相關(guān)的x值計(jì)算公式如下：

根據(jù)觀察，船上或多或少存在一定的黑色物體，可以假設(shè)是林格曼黑度5級(jí)（x=1）的煙羽，例如船體黑漆或船上窗戶等船上暗目標(biāo)。觀測(cè)者看到這些暗目標(biāo)時(shí)，暗目標(biāo)的Saccept= Sback×y，即觀測(cè)到的暗目標(biāo)亮度與煙羽與觀測(cè)者之間的散射有關(guān)。當(dāng)霧霾很嚴(yán)重時(shí)，y近似1，則船上暗目標(biāo)和煙羽均不可見(jiàn)，暗目標(biāo)或煙羽的Saccept=Sback。當(dāng)幾乎沒(méi)有霧霾時(shí)，y近似0，則遠(yuǎn)處船上的暗目標(biāo)清晰可見(jiàn)，近距離和遠(yuǎn)距離（使用望遠(yuǎn)鏡）觀測(cè)的效果差別不大，暗目標(biāo)的Saccept=0。根據(jù)公式2，以上這些情形下觀測(cè)船上暗目標(biāo)，計(jì)算結(jié)果均是x=1，說(shuō)明船上的暗目標(biāo)作為林格曼黑度5級(jí)煙羽的假設(shè)成立。因此，公式2可以演變成如下的公式3。

可以假設(shè)煙羽附近的干凈天空是一種林格曼黑度0級(jí)（x=0）的煙羽。觀測(cè)者看到干凈天空時(shí)，干凈天空的Saccept=Sback，即觀測(cè)到的亮度就是觀測(cè)者角度的煙羽后方的太陽(yáng)散射光強(qiáng)度，因?yàn)闊o(wú)論怎么變換觀測(cè)位置，觀測(cè)同一片天空的亮度是不變的（無(wú)論霧霾是否嚴(yán)重）。根據(jù)公式2，計(jì)算結(jié)果是x=0，說(shuō)明干凈天空作為林格曼黑度0級(jí)煙羽的假設(shè)成立。因此，公式3可以演變成如下的公式4。

其中，Saccept、Saccept暗目標(biāo)和Saccept干凈天空分別是觀測(cè)者觀測(cè)到的煙羽、暗目標(biāo)和干凈天空的亮度。根據(jù)公式4，以船上暗目標(biāo)和干凈天空分別作為林格曼黑度5級(jí)和0級(jí)煙羽的參照（圖4），可以準(zhǔn)確計(jì)算出船舶煙羽的林格曼黑度。船上暗目標(biāo)應(yīng)來(lái)自煙羽所在船舶，確保暗目標(biāo)與煙羽離觀測(cè)者的距離一致，光線被散射的程度相同。圖4中遠(yuǎn)處另一艘船舶的船上暗目標(biāo)的顏色深度不如煙羽所在船舶，不能作為本船煙羽黑度測(cè)定的參照，另外這也說(shuō)明了煙羽與觀測(cè)者之間的大氣散射對(duì)傳統(tǒng)林格曼黑度法結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。這種適用于船舶黑煙檢測(cè)的改良型林格曼黑度法，無(wú)需林格曼煙氣黑度圖，而且不存在傳統(tǒng)的林格曼黑度法的苛刻使用條件（只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見(jiàn)度很高時(shí)應(yīng)用）。

圖4 改良型林格曼黑度法以船上暗目標(biāo)和干凈天空分別作為林格曼黑度5級(jí)和0級(jí)參照的示例

最后，建議在海巡艇或無(wú)人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用改良型林格曼黑度法，以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觀測(cè)位置和角度的要求。

六、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外船舶黑煙管控要求，識(shí)別了林格曼黑度法在船舶黑煙檢測(cè)中應(yīng)用的廣泛性，主要是基于該方法成本低、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)科學(xué)分析黑煙的視覺(jué)機(jī)理，認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)林格曼黑度法應(yīng)用條件較為苛刻且結(jié)果較為主觀，只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見(jiàn)度很高時(shí)應(yīng)用?？偨Y(jié)了船舶黑煙檢測(cè)需適應(yīng)大多數(shù)的天氣條件、需適應(yīng)晃動(dòng)的黑度檢測(cè)方法和應(yīng)盡可能在移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)這三大要求，并根據(jù)船上或多或少存在一定的暗目標(biāo)的特點(diǎn)，以船上暗目標(biāo)和干凈天空分別作為林格曼黑度5級(jí)和0級(jí)煙羽的參照，提出了適用于船舶黑煙檢測(cè)的改良型林格曼黑度法，為適用于船舶黑煙檢測(cè)的技術(shù)與裝備研發(fā)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。