田序偉　殷彤　尉子璇　鄧志鵬

【摘 要】 為解決煤炭中轉(zhuǎn)港口的煤炭粉塵污染問題，基于港口無組織揚塵的發(fā)生和抑制機(jī)理、港區(qū)及周邊粉塵污染物溯源模型，以及環(huán)境管理與決策平臺設(shè)計，對港口粉塵污染溯源關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出煤炭港口粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策的實施方案。本文可為全面掌握港區(qū)大氣污染物來源及空間分布情況，精準(zhǔn)定位污染位置，甄別區(qū)域污染貢獻(xiàn)量，提升港口大氣污染物監(jiān)測、控制、管理的信息化、智能化水平起到指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】 煤炭粉塵；無組織揚塵；抑制機(jī)理；污染物溯源

0 引 言

近年來，隨著海洋運輸業(yè)的發(fā)展，港口大氣污染問題已成為人們越來越關(guān)注的問題。21世紀(jì)以來，我國大力發(fā)展港口建設(shè)，港口不斷向大型化、專業(yè)化、綜合化方向發(fā)展。港口的建設(shè)運營帶動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時造成的環(huán)境污染問題已逐漸引起社會的關(guān)注和主管部門的重視，將其納入了影響港口科學(xué)、健康、可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

由于港口的綜合功能屬性，港口各種作業(yè)和船舶在港口停留都可能對港口環(huán)境產(chǎn)生不同類型的污染，如水污染、大氣污染和噪聲污染，其中大氣污染是防治難度最大的污染源之一。港口大氣污染主要由港口散貨作業(yè)揚塵、船舶尾氣排放、港區(qū)煉化企業(yè)排放等產(chǎn)生。有專家指出，港口和船舶污染已成為繼機(jī)動車尾氣污染、工業(yè)企業(yè)排放之后第三大大氣污染來源。

我國港口多集中在珠三角、長三角和環(huán)渤海等城市群密集、人口稠密地區(qū)，港口大氣污染給港口周邊城市帶來了巨大的生態(tài)環(huán)境危害；因此，加強港口環(huán)境污染監(jiān)測治理，特別是港口大氣污染監(jiān)測與治理刻不容緩。

港口大氣污染主要來自港口區(qū)域固定污染源和移動污染源。固定污染源包括煤炭、礦粉等干散貨的裝船卸船作業(yè)，以及煤炭和干散貨堆場的自然揚塵，污染物主要為可吸入顆粒物PM2.5、PM10、總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulate，TSP）等顆粒。各類碼頭泊位空氣污染物的排放源、特征污染物及發(fā)生量不盡相同，大氣污染問題和防治對策與不同碼頭類型及周邊環(huán)境密切相關(guān)，具有特殊性。目前，我國港口對于煤炭等干散貨裝卸儲運過程的揚塵污染，采用半封閉環(huán)保型料棚，或防風(fēng)抑塵網(wǎng)配合噴淋系統(tǒng)、干霧抑塵等方式，盡量減少裝卸、堆存和轉(zhuǎn)運過程中的揚塵。

半封閉環(huán)保型料棚抑塵效果好，但造價高昂。目前，干散貨港口主要采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)配合噴淋系統(tǒng)的環(huán)保工藝，在經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性2個方面較為均衡，具有較高性價比，但使用此工藝須有嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)測手段和相關(guān)的環(huán)境分析能力，才能保證符合相關(guān)環(huán)保要求。

1 港口大氣粉塵監(jiān)測研究現(xiàn)狀

洪文俊等[1]指出，我國港口大氣環(huán)境監(jiān)測工作存在監(jiān)測能力整體水平較低、監(jiān)測手段落后、數(shù)據(jù)分析和環(huán)境預(yù)警能力欠缺等問題，并提出通過建立港區(qū)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，對污染物的排放特征及時進(jìn)行聯(lián)動分析，評估水運行業(yè)污染源排放對區(qū)域空氣質(zhì)量的影響程度；裴成磊等[2]首次使用傳感器法微型站與標(biāo)準(zhǔn)站相結(jié)合的方式對在廣州黃埔老港區(qū)周邊開展了環(huán)境空氣自動監(jiān)測；張雪晶等[3]在傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測手段基礎(chǔ)上，綜合分析單顆粒質(zhì)譜源解析、高密度網(wǎng)格監(jiān)測、3D激光雷達(dá)監(jiān)測、移動式空氣質(zhì)量監(jiān)測站、車載顆粒物監(jiān)測等先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點，探討了適合當(dāng)前大氣污染溯源監(jiān)測方法。

國內(nèi)港口也開展了大氣粉塵污染監(jiān)測研究和防治實踐，如秦皇島港煤炭專業(yè)化碼頭、黃驊港煤炭下水碼頭、張家港煤炭碼頭等，均采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)配合噴淋系統(tǒng)的環(huán)保工藝。近年來，在越來越嚴(yán)格的環(huán)保政策要求下，各科研院所和相關(guān)單位紛紛開展抑塵機(jī)理和控制技術(shù)相關(guān)研究。如華能太倉港務(wù)有限公司研發(fā)了散貨煤炭堆場粉塵顆粒物自動監(jiān)測裝置；秦皇島港股份有限公司自主研發(fā)了港口煤炭轉(zhuǎn)運全流程智能化降塵抑塵系統(tǒng)；神華黃驊港研發(fā)了堆場自然揚塵網(wǎng)格化監(jiān)測方法和雨簾式噴灑水系統(tǒng)，取得了較好的粉塵防治效果。

國內(nèi)針對港口大氣污染防治研究還存在不足，主要是以下幾點：

（1） 對于港口大氣污染監(jiān)測能力建設(shè)尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究，不能適應(yīng)新形勢下的環(huán)保需要；

（2） 環(huán)境監(jiān)測能力整合水平較低，監(jiān)測的深度和廣度未能跟上形勢發(fā)展的需求；

（3） 監(jiān)測手段較為落后，監(jiān)測時效性不高，頻次較低，監(jiān)測未常態(tài)化，對港口揚塵和船舶排放的即時反應(yīng)能力較薄弱；

（4） 數(shù)據(jù)分析和預(yù)警能力欠缺，對污染特征分析和潛力挖掘，以及環(huán)境管理和趨勢研判支撐有限。

針對上述問題，本文從港口粉塵污染溯源的角度，探索港口粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策關(guān)鍵技術(shù)，提出港口粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策方案設(shè)計，為港口粉塵溯源及環(huán)境治理提供技術(shù)支持。

2 港口粉塵污染溯源關(guān)鍵技術(shù)分析

通過煤炭堆場無組織揚塵機(jī)理研究，構(gòu)建堆場粉塵污染溯源模型，在煤炭港口關(guān)鍵位置布設(shè)大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達(dá)、局部粉塵在線監(jiān)測、精準(zhǔn)氣象監(jiān)測等系統(tǒng)，開發(fā)煤炭中轉(zhuǎn)港口粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策系統(tǒng)軟件平臺，形成一整套環(huán)境管理決策智能化管控技術(shù)。

2.1 煤炭港口無組織揚塵產(chǎn)生和抑制機(jī)理研究

通過現(xiàn)場調(diào)研和多維度大氣顆粒物監(jiān)測實驗，開展無組織揚塵產(chǎn)生及抑制機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)煤炭港口起塵主要環(huán)節(jié)和因素，對比不同抑塵方法，提出合理的抑塵方案。

2.2 煤炭港口粉塵污染溯源算法模型研究

采用多種大氣污染物智能監(jiān)測技術(shù)，通過現(xiàn)場實驗、模型實驗，研發(fā)建立大氣顆粒物空間分布不穩(wěn)定變化的跟蹤溯源模型，用以解析港區(qū)粉塵來源，精準(zhǔn)定位起塵位置，甄別區(qū)域粉塵貢獻(xiàn)量，為粉塵治理提供可行的路徑。

粉塵污染溯源計算模型是研究的核心，是基于多維度云監(jiān)測大數(shù)據(jù)的反算模型，對港口粉塵污染進(jìn)行溯源計算。粉塵污染精準(zhǔn)溯源計算模型包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、信息處理模塊和可視化協(xié)同決策模塊。

監(jiān)測模塊包括大氣物理流場監(jiān)測，用于為信息處理模塊提供輸入數(shù)據(jù)。大氣物理流場監(jiān)測采用基于激光掃描雷達(dá)、網(wǎng)格化多點監(jiān)測和高精度氣象監(jiān)測組網(wǎng)組成的多維度云監(jiān)測。

信息處理模塊包括大氣物理流場計算模塊、源解析模型、地理信息系統(tǒng)。大氣物理流場計算模塊定性定量描述大氣污染物從排放源到被檢測點所經(jīng)歷的全過程；源解析模型用于分析環(huán)境污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)并對污染物進(jìn)行定性和定量源解析；地理信息系統(tǒng)用于處理區(qū)域、分辨率、地形地貌、建筑物和路況信息。

可視化協(xié)同決策模塊用于可視化展示物理來源回溯、生成綜合溯源結(jié)論和自動報告。

2.3 煤炭港口多維度大氣污染云監(jiān)測技術(shù)研究

采用“1+N云監(jiān)測技術(shù)”實現(xiàn)煤炭港口多維度粉塵高精度監(jiān)測和感知，1即大氣顆粒物激光掃描雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，N包括多個局部粉塵在線監(jiān)測終端系統(tǒng)、氣象精細(xì)化監(jiān)測系統(tǒng)和無人機(jī)巡航監(jiān)控系統(tǒng)。通過以上多維系統(tǒng)協(xié)同運行采集，實時獲取港區(qū)范圍內(nèi)及周邊區(qū)域煤炭粉塵空間分布的準(zhǔn)確位置、顆粒物類型和質(zhì)量濃度等數(shù)據(jù)，以便準(zhǔn)確掌握煤炭粉塵對周邊環(huán)境的影響程度。

大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達(dá)采用波長532 nm線偏振激光對大氣顆粒物進(jìn)行遙感探測。雷達(dá)通過對垂直和水平偏振信號的探測，解析大氣消光系數(shù)、退偏振比廓線、邊界層高度、光學(xué)厚度等參數(shù)，可獲取大氣顆粒物時空分布特征、污染層時空變化、顆粒物輸送和沉降等信息，如圖1和圖2所示。

在對港口大氣污染網(wǎng)格化在線監(jiān)測中，要根據(jù)港口地形、作業(yè)方式等，對港口大氣污染監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行科學(xué)的網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格部署一臺空氣質(zhì)量在線監(jiān)測儀，在線連續(xù)進(jìn)行PM2.5、PM10、TSP、二氧化氮、一氧化碳、二氧化硫、臭氧等指標(biāo)的監(jiān)測，數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)较到y(tǒng)云監(jiān)測中心。

精細(xì)化氣象監(jiān)測系統(tǒng)采用一體式氣象監(jiān)測站，實時在線連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、大氣濕度等，數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)较到y(tǒng)云監(jiān)測中心。監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于環(huán)境管理的氣象要素判定，也可用于配合大氣物理流場計算模型的研究。

2.4 粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策軟件平臺研發(fā)

粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策軟件平臺，主要包括港口大氣污染監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析模塊、港口大氣污染監(jiān)測預(yù)警報警模塊、港口大氣污染時空演變分析模塊、港口大氣污染協(xié)同管理與決策模塊，如圖3所示。

2.4.1 港口大氣污染監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析模塊

該模塊是實現(xiàn)對港口大氣污染實時監(jiān)測顯示功能和大數(shù)據(jù)分析功能，包括港口大氣污染實時地圖（監(jiān)測點位地圖、污染源分布圖）、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)查看（站點實時數(shù)據(jù)查看）、港口大氣污染數(shù)據(jù)多維度統(tǒng)計分析（固定污染源、移動污染源占比，各監(jiān)測指標(biāo)統(tǒng)計指數(shù)）、區(qū)域污染貢獻(xiàn)柱狀圖。

2.4.2 港口大氣污染監(jiān)測預(yù)警報警模塊

該模塊是實現(xiàn)對港口大氣污染監(jiān)測智能化預(yù)警功能，根據(jù)多維度云監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動研判各監(jiān)測指標(biāo)是否符合國家相關(guān)要求，發(fā)生數(shù)據(jù)超標(biāo)，系統(tǒng)智能響應(yīng)并進(jìn)行預(yù)警或報警。

2.4.3 港口大氣污染時空演變分析模塊

該模塊是實現(xiàn)對港口大氣污染時空演變分析功能，包括港口公司內(nèi)部、外部大氣污染物產(chǎn)生、輸送和污染溯源分析，污染物來源分析，環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)云圖，環(huán)境質(zhì)量變化預(yù)測等，并利用時空地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行效果呈現(xiàn)。

2.4.4 港口大氣污染協(xié)同管理與決策模塊

該模塊是實現(xiàn)對港口大氣污染協(xié)同管理與決策支撐功能，包括污染源定位、邊界污染濃度控制、污染范圍擴(kuò)散分析、重點污染區(qū)域排名等。

3 粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策實施方案設(shè)計

本實施方案分為以下4個步驟，路線圖如圖4所示。

（1） 通過現(xiàn)場調(diào)研和監(jiān)測實驗，開展煤炭港口無組織揚塵產(chǎn)生和抑制機(jī)理研究，找到港口起塵主要環(huán)節(jié)和因素；針對不同抑塵方法進(jìn)行比對驗證，找到適合煤炭中轉(zhuǎn)碼頭的抑塵方案。

（2） 通過現(xiàn)場實驗和模型實驗對大氣污染物進(jìn)行智能化監(jiān)測，構(gòu)建大氣顆粒物空間分布不穩(wěn)定變化的跟蹤溯源模型；找到港區(qū)粉塵來源，確定起塵精確位置，甄別區(qū)域粉塵貢獻(xiàn)度。

（3） 組建由大氣顆粒物激光掃描雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)、局部粉塵在線監(jiān)測系統(tǒng)、氣象精細(xì)化監(jiān)測系統(tǒng)和無人機(jī)巡航監(jiān)控系統(tǒng)組成的“1+N”式的煤炭港口多維度大氣污染云監(jiān)測體系，全面開展大氣環(huán)境監(jiān)測實驗。

（4） 開發(fā)一套粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策軟件平臺，實現(xiàn)港口大氣污染多維度云監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示、港口大氣污染溯源計算與可視化展示、港口大氣污染監(jiān)測預(yù)警與演變趨勢研判，最終實現(xiàn)對煤炭中轉(zhuǎn)港口的環(huán)境管理與決策支持。

4 結(jié) 語

本文對煤炭港口粉塵污染溯源及環(huán)境管控技術(shù)進(jìn)行分析，針對港口大氣污染溯源關(guān)鍵技術(shù)，從粉塵無組織揚塵產(chǎn)生和抑制機(jī)理、污染溯源模型算法和多維度大氣污染云監(jiān)測技術(shù)3個方面，構(gòu)建了系統(tǒng)性的港口污染溯源監(jiān)測體系；設(shè)計了粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策軟件平臺的架構(gòu)及功能模塊，并給出了具體的實施方案。本研究成果可以為港口搭建粉塵在線監(jiān)測治理平臺提供技術(shù)參考，為行業(yè)主管單位、企業(yè)等進(jìn)行安全生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測提供支持，為港口生態(tài)文明建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

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