摘 要

近年来，内河航运业的发展得到突飞猛进的同时，船舶产生的大气污染物对城市环境的影响也受到广泛的关注。交通运输部在2018年将长江干线划定为内河船舶排放控制区，对内河船舶排放控制提出更高的要求。然而，由于内河船舶基础数据的缺失以及复杂航行环境因素的扰动，导致计算结果存在很大不确定性。与此同时，由于内河船舶数量多、船型种类丰富，海量的船舶数据也给排放计算带来较大的困难。

本文旨在提出一种精细化内河船舶废气排放快速估算方法，目的是消除外部流场环境扰动下带来的船舶排放计算误差，同时提高内河船舶排放计算的效率，解决计算量繁杂的问题。首先，针对内河复杂航行环境因素对船舶排放计算造成影响的问题，通过水流数值模拟的方法构建流场模型，对AIS信息中的航速进行修正，得到由主机提供的真实速度，进一步对主机负荷因子进行了优化；其次，针对长江干线海量船舶数据带来的计算量偏大的问题，根据船舶类型和船舶尺度进行抽样，基于回归分析法构建内河船舶排放快速估算模型。本文以货船为例，根据相关性分析确定自变量和因变量，分别对上行船舶以及下行船舶进行回归分析，得出货船每公里排放量的拟合模型，并对模型有效性进行了验证。结果表明，本文所提出的估算模型与传统动力法相比较，计算结果误差较小，满足精确性和实用性。本文的研究使得内河船舶排放计算模型得到进一步补充和完善，能够更好地为船舶废气减排和环境保护提供决策支持。

关键词：内河船舶；废气排放；流场模拟；船速修正；快速估算

Abstract

In recent years, with the rapid development of inland navigation industry, the impact of air pollutants produced by ships on the urban environment has also been widely concerned. In 2018, the Ministry of transport designated the Yangtze River trunk line as the inland river ship emission control area, putting forward higher requirements for the inland river ship emission control. However, due to the lack of basic data of inland ships and the disturbance of complex navigation environment factors, the calculation results are very uncertain. At the same time, because of the large number of inland ships and the rich types of ships, the massive ship data also brings great difficulties to the emission calculation.

The purpose of this paper is to propose a fast and refined method for the estimation of emissions from inland ships. The purpose is to eliminate the calculation errors caused by the disturbance of the external flow field environment, improve the efficiency of the calculation of emissions from inland ships, and solve the problem of complex calculation. First of all, aiming at the problem of the influence of the complex navigation environment factors of inland river on the calculation of ship discharge, the flow field model is built by the method of numerical simulation of water flow, the speed in AIS information is modified, the real speed provided by the main engine is obtained, and the load factor of the main engine is further optimized; secondly, aiming at the problem of large amount of calculation brought by the massive ship data of the Yangtze River trunk line Based on the regression analysis method, a fast estimation method for the exhaust emissions of inland ships is constructed. Taking the cargo ship as an example, this paper determines the independent variable and dependent variable according to the correlation analysis, carries on the regression analysis to the upstream ship and the downstream ship respectively, and obtains the fitting model of the ship's discharge per kilometer, as the same time, the validity of the model is verified. The results show that compared with the traditional dynamic method, the error of the proposed model is smaller, which satisfies the accuracy and practicability. The research of this paper makes the calculation model of inland river ship emissions further supplement and perfect, which can better provide decision support for ship emission reduction and environmental protection

Key Words：Inland ship; Exhaust emission; Flow field simulation; Ship speed correction; Fast estimation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容 3

1.4 技术路线 3

第2章 内河船舶船速修正与主机工况估计 5

2.1 流场建模与仿真 5

2.1.1 研究水域范围 5

2.1.2 水流数值模拟 6

2.1.3 流场数值模拟结果及分析 7

2.2 船速修正方法 13

2.3 负荷因子估计 16

第3章 内河船舶排放估算与拟合方法 18

3.1 内河船舶排放估算方法 18

3.2 内河船舶排放抽样统计 18

3.2.1 废气排放的主要参数确定 18

3.2.2 内河船舶排放抽样统计 21

3.3 内河船舶排放拟合方法 25

3.3.1 影响因子的选取 25

3.3.2 影响因子的筛选 26

3.3.3 回归分析与建立排放估算模型 27

3.4 内河船舶排放快速估算与验证 33

3.4.1 内河船舶排放快速估算模型 33

3.4.2 估算模型的检验 33

3.4.3 估算模型的实例检验 34

第4章 总结与展望 35

4.1 总结 35

4.2 展望 35

参考文献 37

致 谢 39

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

水路运输在我国具有悠久的历史，因其能够大大降低货物的运输成本，以及在五种运输方式中运量最大的优势，使得航运业得到了长期快速的发展，但同时，它也带来了相当巨大的船舶排放。

船舶排放是颗粒物、二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物等对空气质量影响最大的污染物的关键来源之一。船舶的废气排放量虽然不如陆上交通工具的废气排放量大，但在船舶数量不断增加，以及排放量计算更加精细化的要求下，如何减少航运业的污染气体排放成为一个紧迫的难题，因此，当前船舶排放已成为研究大气污染的一个重要方向。当前国内学者主要侧重于沿海以及港口水域的船舶排放研究，对内河航运业造成大气污染的研究却相对较少。但我国内河资源非常丰富，由内河船舶运输所造成的污染问题也较为严重。根据文献^[1]可知，内河使用柴油机的船舶平均每年排放SO_X约10万吨，NO_X 81万吨，PM 6.6万吨。在意识到船舶排放污染的严重性之后，我国先后发布了多个有针对性的文件。2015年，我国开始设立针对船舶的大气污染物排放控制区，并在2018年扩大其范围，划分为沿海和内河；期间也发布了船用发动机排放的国家标准，对其做出了更高标准的要求^[2-4] 。

船舶排放的污染物不仅对于大气污染严重，也对沿岸居民的健康造成威胁。首先，我国是人口大国，内河沿岸居民数量明显高于其他国家或地区；另外，根据天气情况，船舶排放的废气可以渗透到内陆，对沿岸陆地造成大规模的污染，是沿岸居民区的空气质量显著下降。再加上我国内河航线十分繁忙，以家庭为单位的私营船舶众多，污染防控措施普及困难，这使得船舶造成污染的区域更广，影响人口更多。因此，不论从哪个方面来讲，都有必要对内河船舶排放污染进行针对性地研究，并提出有效的防控措施。