北京首都國際機場離場地面污染物排放量估算

楊芮

摘 要：為了分析北京首都機場周圍地面航班污染物的排放量，文章采用了標準起飛著陸循環（LTO）的油耗排放模型。并對其中滑行階段的排放量計算進行了修正，結合ICAO發動機排放數據庫（Engine emission data bank）和中國民航局下發的適航報告規定以及北京首都國際機場的CDM放行數據得到場面實際污染物排放量。考慮實際滑行時間，提高了地面航空器污染物排放量的計算精度，得出了更為適合北京機場的討論數據。為促進機場地面節能減排，改善機場周遭環境質量提出了研究的角度。對首都機場來說，LTO循環模型的滑行階段過程中HC的排放量超出了實際排放量的62.06%，CO的排放量超出了實際的62.67%，NOX的排放量超出了實際排放的60.91%。

關鍵詞：場面滑行；污染物排放；排放修正

中圖分類號：V231.25 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0012-04

Abstract： In order to analyze the emission of pollutants from ground flights around Beijing Capital International Airport， the fuel consumption and emission model of standard Landing and Take-Off （LTO） cycle is adopted in this paper. And the calculation of the emissions in the gliding phase is corrected. Combined with the ICAO engine emission data bank and China Civil Aviation Administration issued airworthiness report regulations and Beijing Capital International Airport's CDM release data to obtain the scene actual pollutant emissions. Considering the actual taxiing time， the calculation accuracy of pollutant emission from ground aircraft is improved， and the discussion data which is more suitable for the Airport are obtained. In order to promote the airport ground energy conservation and emission reduction and improve the environmental quality around the airport， this paper puts forward the research point of view. For the Capital Airport， the HC emissions in the sliding phase of the LTO cycle model exceed the actual emissions by 62.06%， the emissions of CO exceed the actual emissions by 62.67%， and the emissions of NOX exceed the actual emissions by 60.91%.

Keywords： surface taxiing； pollutant discharge； emission correction

1 背景

由于機場附近住宅開發量的增加和商業航空旅行的持續增長，機場周圍的空氣污染已經成為政府和居民熱議焦點。Scott Fruin團隊發現，洛杉磯機場周圍區域來自航空器的污染水平大幅提高，來自汽車排放的污染還不到顆粒物總量的5%，調查區域顆粒物濃度相當于174英里至491英里高速公路交通所產生的顆粒物[1]。航空器排放出眾多高濃度污染物，例如排出的熱汽冷卻凝固后形成極細顆粒，可被人體吸入肺部，甚至能夠進入血液循環，在血管中形成氧化壓力，誘發炎癥，從而引起動脈粥樣硬化或動脈堵塞，特別是對患有心肺功能疾患、哮喘病的人群而言，還會導致其身體健康狀況發生其他各種惡化。大型飛機以及機艙僅排放的顆粒物就能擴散至機場周邊10英里的范圍。研究人員指出全球各大機場附近居民的健康都受到了嚴重危害。

隨著人們環保意識的增強，相關管理部門正在制定更為嚴格的技術標準，以便減少飛機的噪聲和污染排放。國際航空屆也采取措施減少航空器排放。國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）發布了多項指導材料和技術文件，旨在解決飛機排放的污染物對當地空氣質量的不良影響，條款涉及液體燃料排放、煙霧以及噴氣發動機的主要排放污染物例如碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOX）和一氧化碳（CO）。ICAO 附件16《環境保護》中，規定了飛機發動機排放標準和噪聲標準[2]。ICAO發布的2016環境報告中指出，2010年，全球民航共消耗142百萬噸燃油，排放了4.48億噸二氧化碳，預計到2040年，燃油消耗會增加2.8-3.9倍；2050年會增加4至6倍，二氧化碳排放也將成倍增長。在全球變暖的大背景下，航空碳排放必將引起更大的社會關注[3]。因此，全面開展航空減排技術研究，勢在必行。

現有研究中，分航空巡航和機場起降階段估算飛機排放。航路巡航階段研究包括：Pejovic等根據空中交通流量數據，整體估算了英國航空器污染物排放程度[4]；Gauss等研究了NOX排放對大氣環境質量影響[5]；魏志強、王超對航班飛行各階段污染物排放進行了整體估算（2010）[6]；孫見忠考慮了航空器發動機性能退化后，估算了航班污染物排放量（2012）[7]。ICAO文件中，將航班從空中降落至機場至再次起飛到高空整個工作過程定義為LTO（Landing Take-off Cycle）循環，包括進近、滑行、起飛和爬升等四個過程。根據這一定義，Tsilingiridis對Greek機場的污染物排放量進行了整體估算[8]；Harshad Khadilkar建立了航空器地面

燃油消耗模型，結合運行數據發現，滑行時間、加速是影響滑行油耗的重要因素[9]；夏卿對中國民航各機場飛機的污染物排放量進行了整體估算（2008）[10]。

ICAO定義的LTO循環雖然覆蓋了飛機地面運行的各個階段，但忽略了機型、滑行距離、滑行時間等可能對燃油消耗帶來重大影響的多個因素，僅是對實際情況一種理想平均。本文將嘗試從實際運行數據出發，更為精確的計算機場排放。

2 航空器排放計算模型

當研究航班的污染物排放時，我們可以從航班的發動機著手。通過不同型號的發動機的排放系數不同可以計算航班在不同LTO子工作過程中的污染物排放。本文主要分析滑行階段污染物排放量[11]，主要影響因素包括：（1）機型，飛機型號以及其對應的發動機型號、數量；（2）發動機型號，不同發動機燃油燃燒效率及對應的排放物不同；（3）排放污染物類型及對應的排放系數；（4）發動機工作模式，滑行階段發動機通常采用空檔模式；（5）滑出時間。

按照ICAO定義的LTO循環，安裝兩臺Trent 772發動機的空客A330發動機工作模式及排放如表1所示。其中煙霧數是技術人員使用過濾器對參考發動機排放的廢氣樣品進行評定的一個無量綱的量化煙霧排放水平的值，由0至100代表煙霧排放量逐漸變大。

從表中可以看出，滑行階段污染物排放量遠遠大于其他階段，值得重點關注。如前所述，ICAO定義的LTO循環中，按照固定的滑行時間計算滑行排放，沒有考慮航班滑行時間的巨大差異。本文將考慮實際滑行時間，提高排放計算精度。

飛機地面滑行階段，機型、發動機型號、發動機工作模式、排放污染物類型及排放系數可以看作定值。地面滑行排放量E可以表示為：

E=？撞i？撞jEij （1）

Eij=Ti×FBi×EIij（2）

其中：Ti表示航空器i滑行時間，FBi表示飛機i燃油消耗系數，EIij表示飛機i排放污染物j的排放系數。

我國民航主要使用空客、波音系列飛機，相同機型對應發動機型號不盡相同。如A320-200機型配備的發動機型號就有4種。民航局適航部門下發的民用航空器及航空發動機型號書寫指南提供了各機型配備的發動機型號，如表2所示。

由ICAO發動機排放數據庫中查得各類發動機燃油消耗率及各類污染物排放系數值，按照每種機型對應的多個發動機種類的排放系數進行加權平均，計算得某機型的航班平均燃油消耗率和污染物排放系數，如表3所示。

機場滑行時間可以從空管的協同決策系統中采集。2014年2月，北京首都國際機場航班滑行數據如表4所示。

表4中，撤擋輪時間與實際起飛時間之間差值，就是地面滑行時間。

3 滑行排放計算

2014年02月01日至05月31日止共120天內，北京首都國際機場離場航班地面滑行階段的污染物排放量得到結果如圖1所示。

從圖中可以看出，從早上6點開始污染物排放量急劇增大，并一直保持在較大的數值，直到晚21時下降。長時間處于較高的排放狀態中。將式（1）計算結果與ICAO定義的標準排放量模型進行對比，如表5。

對北京首都機場來說，由于ICAO的LTO模型定義標準滑行時間（26分鐘）與實際滑行時間相差較大，實際排放量也因此遠小于標準值，這也證明了本文研究的重要性。

4 結束語

本文在理想平均的國際標準LTO循環的基礎之上，對其中的滑行階段的污染物排放進行了修正，采用北京首都機場2014年02月實際的地面滑行污染物排放量來進行討論。由計算結果可知，飛機在滑行模式下污染物的排放量長時間處于較高的狀態下。因此，從環境的觀點出發，機場可以對跑道流量等因素進行調控，控制跑道的流量來達到節能減排的目的，改善機場周邊空氣環境質量。

參考文獻：

[1]N Hudda， T Gould， K Hartin，etal. Emission from an international airport increase particle number concentrations 4-fold at 10km downwind[J]. Environmental Science & Technology， 2014，48（12）：6628.

[2]ICAO. Environmental Protection Annex 16[R]. 1993.

[3]ICAO. Environmental Report 2016 Aviation and Climate Change[R]. 2016.

[4]PEJOVIC T，NOLAND R B，WILLIAMS V，etal. Estimates of UK CO2 emissions from aviation using air traffic date[J]. Climatic Change，2008，88（3/4）：367-384.

[5]GAUSS M，ISAKSENISA，LEEDS，etal. Impact of aircraft NOX emissions on the atmosphere-tradeoffs to reduce the impact[J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2006，6（6）：1529-1548.

[6]魏志強，王超.航班飛行各階段污染物排放量估算方法[J].交通運輸工程學報，2010，10（6）：48-52.

[7]孫見忠，左洪福，劉鵬鵬，等.航空發動機污染物排放量估算[J].交通運輸工程學報，2012，12（2）：53-61.

[8]TSILINGIRIDIS G. Aircraft air pollution emissions in Greek airports[J]. Global NEST，2009，11（4）：528-534.

[9]Harshad Khadilkar. Estimation of Aircraft Taxi-out Fuel Burn using Flight Data Recorder Archives. Transportation Research Part D Transport & Environment ，2012，17（7）：532-537.

[10]夏卿，左洪福，楊軍利.中國民航機場飛機起飛著陸（LTO）循環排放量估算[J].環境科學學報，2008，28（7）：1469-1474.

[11]陳林.我國航空運輸LTO階段和巡航階段排放量測算與預測[J].北京交通大學學報（社會科學版），2013，12（4）：27-33.