基于無人機平臺的干散貨港區PM2.5分布規律研究*

刁昶皓 封學軍 張 艷 馬 賽 周云鵬

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

PM2.5在大氣中含量較少，但其對空氣質量和能見度等有重要的影響。與PM10相比，PM2.5粒徑小，富含大量有毒、有害物質且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。目前中國港口大氣總懸浮顆粒物(TSP)濃度普遍超標，部分老港區中心地帶月均降塵量達到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，構成較嚴重的空氣污染問題[1]。干散貨碼頭(特別是煤炭和礦石碼頭)區域空氣中顆粒物含量較高，對港口工作人員身體健康有著極大的影響，同時對港口所在城市的空氣質量也存在著巨大威脅[2]。

目前，歐美等西方發達國家針對港區空氣質量方面開展了大量工作，如美國洛杉磯—長灘兩港聯合實施“圣佩羅灣潔凈空氣行動計劃”、紐約—新澤西兩港聯合實施“潔凈空氣措施和港口空氣管理計劃”、荷蘭鹿特丹港實施“里吉蒙地區空氣質量行動項目”、澳大利亞悉尼港實施“綠色港口指南”[3-4]等，這些計劃的實施在很大程度上改善了港口大氣環境質量，而國內港區大氣防治工作還在起步階段。傳統的港區大氣污染監測通常借助固定監測站點開展近地面大氣污染研究，缺乏對港區空氣中污染物垂直分布特征的觀測，目前已有較多學者對城市近地層空氣中PM2.5等污染物的垂直分布特征展開研究[5-7]，皆采用在城市高層建筑物的不同高度懸掛檢測儀的方法，但港區內基本上不存在超百米的建筑物，傳統監測方案并不可行。

無人機具有視域廣、靈活機動、飛行高度可控、定點與巡航相結合等特點，已在許多領域得到廣泛應用[8-12]。本研究嘗試通過無人機搭載微型空氣質量檢測器對連云港港區內PM2.5進行空間分布規律研究，有效解決固定監測站的數據缺失問題，研究PM2.5等大氣污染物的垂直分布、垂直擴散及區域性輸送特征，為評估抑塵措施的抑塵效果、建立模型、區域空氣質量評估和預測提供技術支撐。

1 技術方案

1.1 監測區域與監測點選擇

連云港港地處中國沿海中部的海州灣西南岸、江蘇省的東北端，主要港區位于北緯34°44′，東經119°27′。港口北倚長6 km的東西連島，南靠巍峨的云臺山，東臨太平洋，西部為臨港產業集中區。連云港港被譽為新亞歐大陸橋東橋頭堡和新絲綢之路東端起點，是中國中西部地區最便捷、最經濟的出?？?。研究其干散貨港區揚塵分布規律特別是PM2.5空間分布規律，對連云港港打造“綠色港口”具有重要指導意義。

考慮到無人機飛行的安全性和測量數據的精準性，通過對港區地形、地面設施、天氣情況的調查和綜合分析，選擇旗臺干散貨港區作為監測場地。在港區的典型污染源設置4個監測點，利用無人機開展PM2.5濃度檢測，監測點位置見圖1。

1—碼頭前沿作業區；2—堆場傳送帶；3—堆料機下風向30 m；4—堆料機下風向50 m圖1 監測點位置Fig.1 Position of monitoring point

《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》規定，無人機飛行至120 m以上需征得相關部門同意，因此，此次監測過程無人機最高飛行至120 m。無人機攜帶污染物檢測設備在污染源處垂直上升，檢測設備每5 s測得一組數據，從而得到大氣污染物PM2.5在不同高度的濃度分布。

1.2 監測概況

1.2.1 監測場地及天氣情況

干散貨港區的主要貨種為皮爾巴拉混合礦(PB粉)，卸貨作業流程為橋式卸船機卸料至皮帶機，經皮帶機傳輸到堆料機，然后進入堆場堆垛。港區目前已基本做到對堆場的全覆蓋，并且有完善的噴淋系統，每天定時對所有堆場進行噴淋，在此次無人機監測試驗時，該港區堆場已完成噴淋，但港區周圍未布置防風抑塵網。

監測當天連云港天氣晴轉多云，風向為東南風轉東風，風力1～2級。連云港市區4個監測站測得的PM2.5平均值為32 μg/m3，作為港區PM2.5背景濃度。

1.2.2 設備情況

此次試驗選用QLY-XJ6型環保無人機搭載QLY-QT14型空氣質量檢測儀，連同地面控制站構建檢測平臺?？諝赓|量檢測儀可實時檢測環境中溫度、濕度和CO2、PM2.5、PM1.0、PM10等指標濃度，支持數據存儲、設備系統設置、編輯賬戶信息、結合地圖查看飛行軌跡、進行產品傳感器的添加和刪除等操作，還可將數據導出進行后續處理。第三方檢測中心多次對檢測儀中PM2.5傳感器的校準結果顯示，PM2.5傳感器的相對誤差在5%左右，這表明該檢測儀的檢測結果具有較高可信度。

2 數據分析

2.1 PM2.5的垂直分布規律與原因分析

2.1.1 監測點1

因碼頭前沿工作區的橋式抓斗卸船機為鐵質結構，易形成電磁波干擾，無人機距離過近會影響其飛行穩定和安全，從而影響數據的準確性，所以監測點1設在卸船機下風向50 m處。監測時共有4臺橋式抓斗卸船機同時工作，將船中PB粉轉移至傳送帶上。該區域的污染源有兩個，即卸船機作業揚塵和未完全封閉的皮帶機傳輸過程揚塵。經實地踏勘，抓斗式卸船機作業的高度區間約為5～20 m，皮帶機高度約為5 m，無人機從地面起飛，飛行高度設置為120 m。

監測點1的PM2.5垂直分布規律見圖2。由圖2可見，監測點1處PM2.5垂直方向的平均質量濃度為37 μg/m3；PM2.5在0～120 m高度只有一個峰值，出現在距地面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，PM2.5濃度在距地面0～50 m高度內波動較為明顯，超過65 m后PM2.5變化相對較小。

圖2 監測點1的PM2.5垂直分布規律Fig.2 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 1

2.1.2 監測點2

監測點2設置在碼頭后方堆場中的傳送帶旁，位于港區作業集中區，該處作業源多且復雜，包括傳送帶、周圍堆場和正在作業的堆料機。傳送帶高約2 m，堆料機作業高度約為6 m。受到上述復合排放源、粒子特性、氣象條件等多種因素的影響，該監測點PM2.5的空間分布規律較一般氣態污染物復雜。由于該監測點位于港區后方堆場內部，為保障無人機的安全起飛，操控無人機從港區道路地面起飛，無人機在傳送帶附近上空懸停(高度約5 m)并開始檢測，由于監測期間70 m以上高空有鳥群經過，考慮到無人機安全，設定飛行高度為70 m。監測點2的PM2.5垂直分布規律見圖3。結果顯示，監測點2垂直方向PM2.5平均質量濃度為62 μg/m3，隨著無人機爬升，PM2.5濃度迅速增加，在20 m處達到最大值110 μg/m3，此后迅速降至40～60 μg/m3。

圖3 監測點2的PM2.5垂直分布規律Fig.3 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 2

2.1.3 監測點3

監測點3位于堆場內部正在作業的堆料機下風向30 m處，污染源為正在作業的堆料機和周圍堆場，堆場高度約為5 m。由于近地面作業揚塵較大，為保證檢測的精準度，從距地面20 m處開始操控無人機爬升，監測點3的PM2.5垂直分布規律見圖4。結果顯示，監測點3垂直方向的PM2.5平均質量濃度為37 μg/m3，距地面20～40 m處為低濃度振蕩區(PM2.5在25～30 μg/m3)，40 m后PM2.5質量濃度迅速上升，于45 m處達到次高值52 μg/m3，短暫回落后PM2.5繼續迅速增加，并于60 m處達到峰值62 μg/m3，此后大幅回落，在30～40 μg/m3波動，PM2.5最低值出現在距地面30 m處，為25 μg/m3。

圖4 監測點3的PM2.5垂直分布規律Fig.4 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 3

2.1.4 監測點4

監測點4位于堆場內部正在作業的堆料機下風向50 m處，為方便與監測點3結果對比，此次無人機飛行的初始高度也設為距地面20 m。監測點4的PM2.5垂直分布規律見圖5?？梢钥闯?，監測點4垂直方向的PM2.5平均值為39 μg/m3，飛行過程中出現了3個波峰，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

監測點1位于抓斗式卸船機的下風向50 m處，PM2.5在距地面50 m附近形成高濃度區域；PM2.5在距地面0～50 m波動較明顯，原因可能在于作業機械的高度(距地面5～20 m)不斷變化，即抓斗作業導致的粉塵污染不是由固定高度產生，且抓斗作業的間歇性導致在此范圍內PM2.5濃度波動明顯。

圖5 監測點4的PM2.5垂直分布規律Fig.5 The vertical distribution of PM2.5 at the monitoring point 4

監測點2在港區內污染最嚴重，是由開放式傳送帶和監測區域附近正在作業堆料機的共同作用導致，因此該監測點平均濃度比其他監測點高出約40%。傳送帶作業產生的PM2.5在20 m高度附近聚集，從而產生高濃度現象。此后，高濃度的PM2.5開始向低濃度擴散，導致距地面30 m內的PM2.5濃度波動較為明顯，距地面10～25 m為該監測點的高濃度區域。

由于監測點3位于堆場內部，PM2.5濃度受傳送帶的影響較監測點2小，所以除高濃度區域(40～65 m)外，PM2.5濃度波動并不明顯，且監測點3的平均濃度低于監測點2。而監測點3高濃度區域的出現，主要與堆料機自身高度有關。

監測點4在垂直方向的PM2.5濃度總體波動明顯，但平均濃度較低，原因在于該監測點距離正在作業的堆料機較遠，受到堆場內作業的影響較小，監測點4的主要污染源為堆場的地面揚塵，距地面35～65 m為該監測點的高濃度區域。

2.2 PM2.5的水平分布規律

為考察同一污染源所產生的PM2.5在水平方向上的變化規律，對監測點3與監測點4的PM2.5進行水平分布規律分析。結果顯示，監測點3與監測點4的PM2.5分布規律基本一致，監測點4的PM2.5平均濃度比監測點3高5.4%，說明隨著與污染源水平距離的增加，20～70 m高度的PM2.5濃度有增長趨勢。PM2.5的高濃度區域也由40～65 m擴展為35～65 m，說明隨著與污染源水平距離的增加，高濃度區域的范圍有擴大的趨勢。

2.3 相關性分析

采用Pearson相關系數法分析各監測點溫度、濕度、CO2、PM2.5、高度的相關關系。相關系數的絕對值越大，表示相關度越強，相關系數的判斷標準見表1。

表1 相關系數判斷標準

4個監測點各項指標間相關性分析結果分別見表2至表5?？梢钥闯?，監測點1處PM2.5與其他因素間均為極弱相關，說明卸船作業是PM2.5產生的主要原因，因此在碼頭前沿作業區需要增加抑塵措施，從源頭減少揚塵的產生；監測點2處PM2.5濃度較高且與其他4項指標相關性都達到中等程度相關，這是因為該監測點的污染源為開放式傳送帶和正在作業的堆料機，周圍堆場也對PM2.5濃度有一定的貢獻，污染源情況復雜且污染嚴重，因此需要對開放式傳送帶這一作業流程進行綜合整治；監測點3處PM2.5與濕度、CO2相關性較高，說明在堆場作業時需要增加灑水等抑塵措施，并且使用清潔能源車輛；監測點4處PM2.5與CO2的相關性極弱，與溫度、濕度和高度的相關性較弱，這與該監測點的地理位置有關。監測點4位于堆場內部，受到港作機械排放的CO2影響很小，堆場內小規模的作業對PM2.5濃度影響較弱，因此堆場內部PM2.5濃度主要受堆場地面揚塵的影響。

表2 監測點1的相關性分析結果

表3 監測點2的相關性分析結果

表4 監測點3的相關性分析結果

表5 監測點4的相關性分析結果

3 結 語

(1) 使用無人機檢測平臺可有效采集干散貨港區0～120 m高度的PM2.5等污染物濃度數據，實現港區內部粉塵污染物的空間分布規律分析，為港區粉塵總量估算、治理措施等提供數據支持。

(2) 港區堆場內作業源上方10～25 m處易形成PM2.5高濃度區域，隨著與污染源水平距離的增加，PM2.5濃度在距地面20～70 m有增長的趨勢，而PM2.5高濃度區域的范圍也有擴大趨勢。

(3) 碼頭前沿作業區的PM2.5濃度與溫度、濕度、CO2濃度、高度等4項指標相關性不大，卸船作業是PM2.5產生的主要原因；傳送帶處的復雜作業情況導致各項數據之間都有較高的相關性，是高濃度PM2.5產生的根本原因，證明港區皮帶機廊道全封閉的重要性；監測點3中PM2.5濃度與濕度和CO2濃度相關性較高，表明在堆場內部采取抑塵措施時，需要控制灑水量及采用清潔能源車輛等；監測點4處的PM2.5濃度受到溫度、濕度、高度和CO2濃度的影響較小，表明堆場揚塵是主要污染源，應對堆場進行覆蓋和噴淋從而達到抑塵目的。