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(yáng)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(jì)，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(shí)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(yáng)塵；抑制機(jī)理；污染物溯源

0 引 言

近年來，隨著海洋運(yùn)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(yùn)營帶動(dòng)了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)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(yáng)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(dòng)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(qiáng)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(dòng)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(yáng)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(yùn)過程的揚(yáng)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(yùn)過程中的揚(yáng)塵。

半封閉環(huán)保型料棚抑塵效果好，但造價(jià)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(gè)方面較為均衡，具有較高性價(jià)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(shí)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，評估水運(yùn)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(dòng)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(yùn)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(yáng)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(diǎn)：

（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(shí)效性不高，頻次較低，監(jiān)測未常態(tài)化，對港口揚(yáng)塵和船舶排放的即時(shí)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(jì)，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(yáng)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(yáng)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(shí)驗(yàn)，開展無組織揚(yáng)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(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(jì)算。粉塵污染精準(zhǔn)溯源計(jì)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(diǎn)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(jì)算模塊、源解析模型、地理信息系統(tǒng)。大氣物理流場計(jì)算模塊定性定量描述大氣污染物從排放源到被檢測點(diǎn)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(dòng)報(bào)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(shí)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(gè)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(yùn)行采集，實(shí)時(shí)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(shí)空分布特征、污染層時(shí)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(gè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)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(bào)警模塊、港口大氣污染時(shí)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(shí)現(xiàn)對港口大氣污染實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)地圖（監(jiān)測點(diǎn)位地圖、污染源分布圖）、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)查看（站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看）、港口大氣污染數(shù)據(jù)多維度統(tǒng)計(jì)分析（固定污染源、移動(dòng)污染源占比，各監(jiān)測指標(biāo)統(tǒng)計(jì)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(bào)警模塊

該模塊是實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)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(bào)警。

2.4.3 港口大氣污染時(shí)空演變分析模塊

該模塊是實(shí)現(xiàn)對港口大氣污染時(shí)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(dòng)態(tài)云圖，環(huán)境質(zhì)量變化預(yù)測等，并利用時(shí)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(shí)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(diǎn)污染區(qū)域排名等。

3 粉塵污染溯源及環(huán)境管理決策實(shí)施方案設(shè)計(jì)

本實(shí)施方案分為以下4個(gè)步驟，路線圖如圖4所示。

（1） 通過現(xiàn)場調(diào)研和監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，開展煤炭港口無組織揚(yáng)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(yàn)證，找到適合煤炭中轉(zhuǎn)碼頭的抑塵方案。

（2） 通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。

（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(shí)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(jì)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(shí)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(yáng)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(gè)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(jì)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(shí)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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