基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的干散貨港區(qū)PM2.5分布規(guī)律研究*

刁昶皓 封學(xué)軍 張 艷 馬 賽 周云鵬

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

PM2.5在大氣中含量較少，但其對(duì)空氣質(zhì)量和能見(jiàn)度等有重要的影響。與PM10相比，PM2.5粒徑小，富含大量有毒、有害物質(zhì)且在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。目前中國(guó)港口大氣總懸浮顆粒物(TSP)濃度普遍超標(biāo)，部分老港區(qū)中心地帶月均降塵量達(dá)到400 t/km2；有些港口的降塵量占所在城市全部降塵量的50%以上，構(gòu)成較嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題[1]。干散貨碼頭(特別是煤炭和礦石碼頭)區(qū)域空氣中顆粒物含量較高，對(duì)港口工作人員身體健康有著極大的影響，同時(shí)對(duì)港口所在城市的空氣質(zhì)量也存在著巨大威脅[2]。

目前，歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)港區(qū)空氣質(zhì)量方面開(kāi)展了大量工作，如美國(guó)洛杉磯—長(zhǎng)灘兩港聯(lián)合實(shí)施“圣佩羅灣潔凈空氣行動(dòng)計(jì)劃”、紐約—新澤西兩港聯(lián)合實(shí)施“潔凈空氣措施和港口空氣管理計(jì)劃”、荷蘭鹿特丹港實(shí)施“里吉蒙地區(qū)空氣質(zhì)量行動(dòng)項(xiàng)目”、澳大利亞悉尼港實(shí)施“綠色港口指南”[3-4]等，這些計(jì)劃的實(shí)施在很大程度上改善了港口大氣環(huán)境質(zhì)量，而國(guó)內(nèi)港區(qū)大氣防治工作還在起步階段。傳統(tǒng)的港區(qū)大氣污染監(jiān)測(cè)通常借助固定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)開(kāi)展近地面大氣污染研究，缺乏對(duì)港區(qū)空氣中污染物垂直分布特征的觀測(cè)，目前已有較多學(xué)者對(duì)城市近地層空氣中PM2.5等污染物的垂直分布特征展開(kāi)研究[5-7]，皆采用在城市高層建筑物的不同高度懸掛檢測(cè)儀的方法，但港區(qū)內(nèi)基本上不存在超百米的建筑物，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案并不可行。

無(wú)人機(jī)具有視域廣、靈活機(jī)動(dòng)、飛行高度可控、定點(diǎn)與巡航相結(jié)合等特點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-12]。本研究嘗試通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載微型空氣質(zhì)量檢測(cè)器對(duì)連云港港區(qū)內(nèi)PM2.5進(jìn)行空間分布規(guī)律研究，有效解決固定監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，研究PM2.5等大氣污染物的垂直分布、垂直擴(kuò)散及區(qū)域性輸送特征，為評(píng)估抑塵措施的抑塵效果、建立模型、區(qū)域空氣質(zhì)量評(píng)估和預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 技術(shù)方案

1.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇

連云港港地處中國(guó)沿海中部的海州灣西南岸、江蘇省的東北端，主要港區(qū)位于北緯34°44′，東經(jīng)119°27′。港口北倚長(zhǎng)6 km的東西連島，南靠巍峨的云臺(tái)山，東臨太平洋，西部為臨港產(chǎn)業(yè)集中區(qū)。連云港港被譽(yù)為新亞歐大陸橋東橋頭堡和新絲綢之路東端起點(diǎn)，是中國(guó)中西部地區(qū)最便捷、最經(jīng)濟(jì)的出海口。研究其干散貨港區(qū)揚(yáng)塵分布規(guī)律特別是PM2.5空間分布規(guī)律，對(duì)連云港港打造“綠色港口”具有重要指導(dǎo)意義。

考慮到無(wú)人機(jī)飛行的安全性和測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，通過(guò)對(duì)港區(qū)地形、地面設(shè)施、天氣情況的調(diào)查和綜合分析，選擇旗臺(tái)干散貨港區(qū)作為監(jiān)測(cè)場(chǎng)地。在港區(qū)的典型污染源設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展PM2.5濃度檢測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

1—碼頭前沿作業(yè)區(qū)；2—堆場(chǎng)傳送帶；3—堆料機(jī)下風(fēng)向30 m；4—堆料機(jī)下風(fēng)向50 m圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Position of monitoring point

《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見(jiàn)稿)》規(guī)定，無(wú)人機(jī)飛行至120 m以上需征得相關(guān)部門(mén)同意，因此，此次監(jiān)測(cè)過(guò)程無(wú)人機(jī)最高飛行至120 m。無(wú)人機(jī)攜帶污染物檢測(cè)設(shè)備在污染源處垂直上升，檢測(cè)設(shè)備每5 s測(cè)得一組數(shù)據(jù)，從而得到大氣污染物PM2.5在不同高度的濃度分布。

1.2 監(jiān)測(cè)概況

1.2.1 監(jiān)測(cè)場(chǎng)地及天氣情況

干散貨港區(qū)的主要貨種為皮爾巴拉混合礦(PB粉)，卸貨作業(yè)流程為橋式卸船機(jī)卸料至皮帶機(jī)，經(jīng)皮帶機(jī)傳輸?shù)蕉蚜蠙C(jī)，然后進(jìn)入堆場(chǎng)堆垛。港區(qū)目前已基本做到對(duì)堆場(chǎng)的全覆蓋，并且有完善的噴淋系統(tǒng)，每天定時(shí)對(duì)所有堆場(chǎng)進(jìn)行噴淋，在此次無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)，該港區(qū)堆場(chǎng)已完成噴淋，但港區(qū)周?chē)床贾梅里L(fēng)抑塵網(wǎng)。

監(jiān)測(cè)當(dāng)天連云港天氣晴轉(zhuǎn)多云，風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng)，風(fēng)力1～2級(jí)。連云港市區(qū)4個(gè)監(jiān)測(cè)站測(cè)得的PM2.5平均值為32 μg/m3，作為港區(qū)PM2.5背景濃度。

1.2.2 設(shè)備情況

此次試驗(yàn)選用QLY-XJ6型環(huán)保無(wú)人機(jī)搭載QLY-QT14型空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，連同地面控制站構(gòu)建檢測(cè)平臺(tái)。空氣質(zhì)量檢測(cè)儀可實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中溫度、濕度和CO2、PM2.5、PM1.0、PM10等指標(biāo)濃度，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置、編輯賬戶(hù)信息、結(jié)合地圖查看飛行軌跡、進(jìn)行產(chǎn)品傳感器的添加和刪除等操作，還可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行后續(xù)處理。第三方檢測(cè)中心多次對(duì)檢測(cè)儀中PM2.5傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果顯示，PM2.5傳感器的相對(duì)誤差在5%左右，這表明該檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果具有較高可信度。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 PM2.5的垂直分布規(guī)律與原因分析

2.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1

因碼頭前沿工作區(qū)的橋式抓斗卸船機(jī)為鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)，易形成電磁波干擾，無(wú)人機(jī)距離過(guò)近會(huì)影響其飛行穩(wěn)定和安全，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)1設(shè)在卸船機(jī)下風(fēng)向50 m處。監(jiān)測(cè)時(shí)共有4臺(tái)橋式抓斗卸船機(jī)同時(shí)工作，將船中PB粉轉(zhuǎn)移至傳送帶上。該區(qū)域的污染源有兩個(gè)，即卸船機(jī)作業(yè)揚(yáng)塵和未完全封閉的皮帶機(jī)傳輸過(guò)程揚(yáng)塵。經(jīng)實(shí)地踏勘，抓斗式卸船機(jī)作業(yè)的高度區(qū)間約為5～20 m，皮帶機(jī)高度約為5 m，無(wú)人機(jī)從地面起飛，飛行高度設(shè)置為120 m。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的PM2.5垂直分布規(guī)律見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處PM2.5垂直方向的平均質(zhì)量濃度為37 μg/m3；PM2.5在0～120 m高度只有一個(gè)峰值，出現(xiàn)在距地面50 m處，為77 μg/m3，次高值位于距地面30 m處，為50 μg/m3，最低值位于距地面20 m處，為22 μg/m3；總體看來(lái)，PM2.5濃度在距地面0～50 m高度內(nèi)波動(dòng)較為明顯，超過(guò)65 m后PM2.5變化相對(duì)較小。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.2 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 1

2.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2

監(jiān)測(cè)點(diǎn)2設(shè)置在碼頭后方堆場(chǎng)中的傳送帶旁，位于港區(qū)作業(yè)集中區(qū)，該處作業(yè)源多且復(fù)雜，包括傳送帶、周?chē)褕?chǎng)和正在作業(yè)的堆料機(jī)。傳送帶高約2 m，堆料機(jī)作業(yè)高度約為6 m。受到上述復(fù)合排放源、粒子特性、氣象條件等多種因素的影響，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5的空間分布規(guī)律較一般氣態(tài)污染物復(fù)雜。由于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于港區(qū)后方堆場(chǎng)內(nèi)部，為保障無(wú)人機(jī)的安全起飛，操控?zé)o人機(jī)從港區(qū)道路地面起飛，無(wú)人機(jī)在傳送帶附近上空懸停(高度約5 m)并開(kāi)始檢測(cè)，由于監(jiān)測(cè)期間70 m以上高空有鳥(niǎo)群經(jīng)過(guò)，考慮到無(wú)人機(jī)安全，設(shè)定飛行高度為70 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的PM2.5垂直分布規(guī)律見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2垂直方向PM2.5平均質(zhì)量濃度為62 μg/m3，隨著無(wú)人機(jī)爬升，PM2.5濃度迅速增加，在20 m處達(dá)到最大值110 μg/m3，此后迅速降至40～60 μg/m3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.3 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 2

2.1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3

監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于堆場(chǎng)內(nèi)部正在作業(yè)的堆料機(jī)下風(fēng)向30 m處，污染源為正在作業(yè)的堆料機(jī)和周?chē)褕?chǎng)，堆場(chǎng)高度約為5 m。由于近地面作業(yè)揚(yáng)塵較大，為保證檢測(cè)的精準(zhǔn)度，從距地面20 m處開(kāi)始操控?zé)o人機(jī)爬升，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的PM2.5垂直分布規(guī)律見(jiàn)圖4。結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3垂直方向的PM2.5平均質(zhì)量濃度為37 μg/m3，距地面20～40 m處為低濃度振蕩區(qū)(PM2.5在25～30 μg/m3)，40 m后PM2.5質(zhì)量濃度迅速上升，于45 m處達(dá)到次高值52 μg/m3，短暫回落后PM2.5繼續(xù)迅速增加，并于60 m處達(dá)到峰值62 μg/m3，此后大幅回落，在30～40 μg/m3波動(dòng)，PM2.5最低值出現(xiàn)在距地面30 m處，為25 μg/m3。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.4 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 3

2.1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4

監(jiān)測(cè)點(diǎn)4位于堆場(chǎng)內(nèi)部正在作業(yè)的堆料機(jī)下風(fēng)向50 m處，為方便與監(jiān)測(cè)點(diǎn)3結(jié)果對(duì)比，此次無(wú)人機(jī)飛行的初始高度也設(shè)為距地面20 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的PM2.5垂直分布規(guī)律見(jiàn)圖5。可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4垂直方向的PM2.5平均值為39 μg/m3，飛行過(guò)程中出現(xiàn)了3個(gè)波峰，分別為距地面40、60、115 m處，PM2.5分別為62、60、56 μg/m3；PM2.5最低值出現(xiàn)在距地面90 m處，為20 μg/m3。

2.1.5 垂直方向PM2.5濃度變化的原因

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于抓斗式卸船機(jī)的下風(fēng)向50 m處，PM2.5在距地面50 m附近形成高濃度區(qū)域；PM2.5在距地面0～50 m波動(dòng)較明顯，原因可能在于作業(yè)機(jī)械的高度(距地面5～20 m)不斷變化，即抓斗作業(yè)導(dǎo)致的粉塵污染不是由固定高度產(chǎn)生，且抓斗作業(yè)的間歇性導(dǎo)致在此范圍內(nèi)PM2.5濃度波動(dòng)明顯。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的PM2.5垂直分布規(guī)律Fig.5 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 4

監(jiān)測(cè)點(diǎn)2在港區(qū)內(nèi)污染最嚴(yán)重，是由開(kāi)放式傳送帶和監(jiān)測(cè)區(qū)域附近正在作業(yè)堆料機(jī)的共同作用導(dǎo)致，因此該監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均濃度比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)高出約40%。傳送帶作業(yè)產(chǎn)生的PM2.5在20 m高度附近聚集，從而產(chǎn)生高濃度現(xiàn)象。此后，高濃度的PM2.5開(kāi)始向低濃度擴(kuò)散，導(dǎo)致距地面30 m內(nèi)的PM2.5濃度波動(dòng)較為明顯，距地面10～25 m為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高濃度區(qū)域。

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于堆場(chǎng)內(nèi)部，PM2.5濃度受傳送帶的影響較監(jiān)測(cè)點(diǎn)2小，所以除高濃度區(qū)域(40～65 m)外，PM2.5濃度波動(dòng)并不明顯，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的平均濃度低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3高濃度區(qū)域的出現(xiàn)，主要與堆料機(jī)自身高度有關(guān)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)4在垂直方向的PM2.5濃度總體波動(dòng)明顯，但平均濃度較低，原因在于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離正在作業(yè)的堆料機(jī)較遠(yuǎn)，受到堆場(chǎng)內(nèi)作業(yè)的影響較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的主要污染源為堆場(chǎng)的地面揚(yáng)塵，距地面35～65 m為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高濃度區(qū)域。

2.2 PM2.5的水平分布規(guī)律

為考察同一污染源所產(chǎn)生的PM2.5在水平方向上的變化規(guī)律，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的PM2.5進(jìn)行水平分布規(guī)律分析。結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的PM2.5分布規(guī)律基本一致，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的PM2.5平均濃度比監(jiān)測(cè)點(diǎn)3高5.4%，說(shuō)明隨著與污染源水平距離的增加，20～70 m高度的PM2.5濃度有增長(zhǎng)趨勢(shì)。PM2.5的高濃度區(qū)域也由40～65 m擴(kuò)展為35～65 m，說(shuō)明隨著與污染源水平距離的增加，高濃度區(qū)域的范圍有擴(kuò)大的趨勢(shì)。

2.3 相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、濕度、CO2、PM2.5、高度的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，表示相關(guān)度越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)

4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)間相關(guān)性分析結(jié)果分別見(jiàn)表2至表5。可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處PM2.5與其他因素間均為極弱相關(guān)，說(shuō)明卸船作業(yè)是PM2.5產(chǎn)生的主要原因，因此在碼頭前沿作業(yè)區(qū)需要增加抑塵措施，從源頭減少揚(yáng)塵的產(chǎn)生；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處PM2.5濃度較高且與其他4項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性都達(dá)到中等程度相關(guān)，這是因?yàn)樵摫O(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染源為開(kāi)放式傳送帶和正在作業(yè)的堆料機(jī)，周?chē)褕?chǎng)也對(duì)PM2.5濃度有一定的貢獻(xiàn)，污染源情況復(fù)雜且污染嚴(yán)重，因此需要對(duì)開(kāi)放式傳送帶這一作業(yè)流程進(jìn)行綜合整治；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處PM2.5與濕度、CO2相關(guān)性較高，說(shuō)明在堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)需要增加灑水等抑塵措施，并且使用清潔能源車(chē)輛；監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處PM2.5與CO2的相關(guān)性極弱，與溫度、濕度和高度的相關(guān)性較弱，這與該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理位置有關(guān)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4位于堆場(chǎng)內(nèi)部，受到港作機(jī)械排放的CO2影響很小，堆場(chǎng)內(nèi)小規(guī)模的作業(yè)對(duì)PM2.5濃度影響較弱，因此堆場(chǎng)內(nèi)部PM2.5濃度主要受堆場(chǎng)地面揚(yáng)塵的影響。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的相關(guān)性分析結(jié)果

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的相關(guān)性分析結(jié)果

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的相關(guān)性分析結(jié)果

表5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的相關(guān)性分析結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 使用無(wú)人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)可有效采集干散貨港區(qū)0～120 m高度的PM2.5等污染物濃度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)港區(qū)內(nèi)部粉塵污染物的空間分布規(guī)律分析，為港區(qū)粉塵總量估算、治理措施等提供數(shù)據(jù)支持。

(2) 港區(qū)堆場(chǎng)內(nèi)作業(yè)源上方10～25 m處易形成PM2.5高濃度區(qū)域，隨著與污染源水平距離的增加，PM2.5濃度在距地面20～70 m有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而PM2.5高濃度區(qū)域的范圍也有擴(kuò)大趨勢(shì)。

(3) 碼頭前沿作業(yè)區(qū)的PM2.5濃度與溫度、濕度、CO2濃度、高度等4項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性不大，卸船作業(yè)是PM2.5產(chǎn)生的主要原因；傳送帶處的復(fù)雜作業(yè)情況導(dǎo)致各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間都有較高的相關(guān)性，是高濃度PM2.5產(chǎn)生的根本原因，證明港區(qū)皮帶機(jī)廊道全封閉的重要性；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3中PM2.5濃度與濕度和CO2濃度相關(guān)性較高，表明在堆場(chǎng)內(nèi)部采取抑塵措施時(shí)，需要控制灑水量及采用清潔能源車(chē)輛等；監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處的PM2.5濃度受到溫度、濕度、高度和CO2濃度的影響較小，表明堆場(chǎng)揚(yáng)塵是主要污染源，應(yīng)對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行覆蓋和噴淋從而達(dá)到抑塵目的。