適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法

胡健波，鄧孟濤，徐 旻，謝 昕，張翰林，彭士濤

（1.水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，港口水工建筑技術國家工程研究中心，交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津300456；2. 上海海事局，上海200086）

一、引言

船舶大氣污染防治是綠色航運發展的重要組成部分，是航運業貫徹落實黨中央、國務院關于加快推進生態文明建設和打贏藍天保衛戰的重要舉措，涉及的相關標準包括硫氧化物（SOx）排放相關的GB 17411《船用燃料油》和其它污染物排放相關的GB 15097《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》[1]。前者按船舶類型設定了船用燃料油的硫含量限值[2]，后者按發動機等級設定了一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）等污染物的排放限值[3]。為持續改善沿海和內河港口城市空氣質量，交通運輸部在珠三角、長三角、環渤海（京津冀） 水域船舶排放控制區（簡稱“排放控制區”）實施取得明顯成效后，于2018年印發了《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》[4]，嚴控SOx、NOx、顆粒物（PM）和發揮性有機化合物（VOCs）等污染物排放，并規定了使用低硫燃油、靠港使用岸電等措施。

然而，由于船舶運營期間的大氣污染物排放標準缺失，船舶大氣污染防治仍面臨巨大壓力，尤其是老舊船舶的冒黑煙現象[5]。當下航運企業對于船舶大氣污染防治的主動責任意識不強，只把船舶冒黑煙現象視為發動機性能下降導致的經濟、安全問題的一個表征[6,7]，帶病航行附帶產生的船舶大氣污染問題長期被忽視。英美等發達國家已將船舶冒黑煙控制納入當地執法體系，我國只有香港特別行政區的《船舶及港口管制條例》、臺灣地區的《交通工具空氣污染物排放標準》和上海市的《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為，并制定了相應的罰則[8]。船舶黑煙這一HC和PM排放污染嚴重的現象應是我國船舶大氣污染防治的重要工作內容，但相關的檢測技術與監管應用較少[8-11]。

通過梳理國內外船舶黑煙管控要求，科學分析黑煙的視覺機理，識別傳統林格曼黑度法存在問題的原因；并根據船舶黑煙檢測的要求和特點，提出了適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法。

二、國內外船舶黑煙管控要求

國內外船舶黑煙管控的共同點都是采用林格曼黑度法這一視覺黑度指標作為判定依據。雖然林格曼煙氣黑度與煙氣中HC和PM沒有準確的對應關系，但是這一方法成本低、可操作性強，因而被國內外普遍采用。國內外船舶黑煙管控的嚴格程度與處罰力度有所不同，分別對國外和國內展開詳細的介紹。

（一）國外

美國多個州對船舶黑煙排放出臺了管控標準。美國阿拉斯加州《船舶可見污染物標準》規定船舶在阿拉斯加海岸線3 n mile之內排放的煙氣不透光度不能高于20%（相當于林格曼黑度1級）。德克薩斯州則規定船舶排氣的不透光度不能連續5 min超過30%。美國《加利福尼亞健康與安全法典》第41701條規定，所有排放源3 min及以上時長連續排放的氣體與林格曼黑度2級的顏色一樣深或更深，視為違法。

英國在《清潔空氣法案1993》第1部分第3條中對黑煙做了明確定義，即與林格曼黑度2級相當或更深的顏色。船舶應在英國領海水域遵守此項規定，違法者可能被罰款高達5 000英鎊。

迪拜政府于2014年7月2日發表聲明，呼吁所有船舶確保在港口期間嚴格遵守關于空氣排放的規定。所有?？康习莞劭诘拇岸急仨氉袷禺數氐腜CFC-EHS 港口和海事法規，以遏制該地區的空氣污染，包括船舶黑煙。

新加坡海事和港口管理局（MPA）于2019年3月發布通函，警告經營人采取所有必要措施，防止船舶在其整個港口停留期間從發動機排氣裝置和船上輔助機械上排放過量的煙灰、灰渣或黑煙。經營人未能遵守上述規定將是違法行為，可能會被起訴。如被定罪，違法者可能被罰款高達5 000新元。

（二）國內

香港特別行政區的《船舶及港口管制條例》（第313章）及《商船（本地船只）條例》（第548章）規定：非本地船只或本地船只如在香港水域內排放分量足以造成滋擾的煙霧屬于犯罪。但是對黑煙排放限值未進行明確的定義，且該法條沒有根據船舶大小和違規次數制定不同的罰款依據。因此，香港政府于2014年出臺了《船舶黑煙管制條例》修訂版，規定若船舶3 min及以上時長連續排放的氣體與林格曼黑度2級的顏色一樣深或更深，則視為違法。本地船舶的最高罰款為10 000～25 000港幣，遠洋船為25 000～50 000港幣。

臺灣地區于2006年出臺的《交通工具空氣污染物排放標準》第8條規定：允許主機功率3 000 kW以上的船舶啟動時20秒內和3 000 kW以下的船舶啟動時10秒內，排煙目測不透光度不超過60%（相當于林格曼黑度3級）；其它時段的排煙目測不透光度不超過40%（相當于林格曼黑度2級）。

上海市的《上海市大氣污染防治條例》第38條第5款規定: 在本市行駛的機動車、船不得排放明顯可見的黑煙。第85條第2款規定: 違反本條例第三十八條第一款、第五款規定，在本市行駛的機動船向大氣排放污染物超過規定的排放標準或者排放明顯可見黑煙的，由海事部門責令改正，可以處1 000～10 000元罰款；情節嚴重的，處10 000～50 000元罰款。

三、黑煙的視覺機理

黑煙是一個視覺上的煙氣排放指標，其背后的機理主要是煙羽與觀測者視線方向上的太陽光被吸收和散射的過程以及其它方向散射光的影響（圖1）。光的主要源頭是視線方向的煙羽后方的太陽散射光，次要源頭是其它方向的太陽散射光。觀測到的光經歷了兩個過程，分別是經過煙羽段的吸收與散射和經過煙羽與觀測者之間的散射；之所以不包括煙羽與觀測者之間的吸收過程，是因為能夠進入到近地表大氣層的太陽光波段必然是大氣分子吸收能力很弱的波段，該過程可以忽略不計。

圖1 黑煙的視覺機理示意圖

Sback為從觀測者角度的煙羽后方的太陽散射光強度，Saccept為觀測者觀測到的光線強度。

x為煙羽的不透光度（0～100%），即近距離觀測的煙羽黑度，越黑則x越大；反之，越白或越淡則x越小。x值等于0、0.2、0.4、0.6、0.8和1分別代表林格曼黑度0、1、2、3、4和5級。

y為煙羽到觀測者之間的太陽光散射率（0～100%），與天氣霧霾程度和距離有關，霧霾越重、距離越遠，則y越大；反之，霧霾越輕、距離越近，則y越小。例如，當霧霾很嚴重時，y近似1，則遠處的煙羽不可見（無論是否黑煙），Saccept=Sback；當幾乎沒有霧霾時，y近似0，則遠處的煙羽清晰可見，近距離和遠距離（使用望遠鏡）觀測的煙羽黑度差別不大，Saccept=Sback×(1-x)。

四、傳統林格曼黑度法存在的問題

傳統林格曼黑度法根據HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測定林格曼煙氣黑度圖法》（簡稱“標準”）[12]，需要林格曼煙氣黑度圖參照輔助，并對觀測位置和條件、觀測方法、計算方法、質量保證措施等做了明確的要求。但是，存在干凈天空林格曼黑度等級大于0和非晴朗天氣無法開展檢測工作這兩個問題。

根據傳統林格曼黑度法的視覺機理（圖2）可知，從林格曼煙氣黑度圖的0級黑度圖（白色涂料）上觀測到的是太陽散射光的全部反射光，而非來自煙羽后方的太陽散射光，導致干凈天空的黑度檢測結果存在一定等級的黑度（大于0級）。標準的解決辦法是，選擇在合適的天氣和時間開展檢測，確保林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的背景天空。另一種解決辦法是，林格曼煙氣黑度圖棄用白色涂料，改用透光材質，即不同等級的黑度為干凈天空與黑線的混合色。

圖2 傳統林格曼黑度法的視覺機理示意圖

根據標準要求，林格曼煙氣黑度圖距離觀測者較近，而煙羽距離觀測者較遠，導致非晴朗天氣下的尾氣煙羽與觀測者之間的大氣散射影響不可忽略，嚴重扭曲煙羽黑度的判定。標準的解決辦法是不建議在雨雪天、霧天開展檢測工作，即要求觀測時的天氣能見度很高。

因此，傳統的林格曼黑度法的應用條件較為苛刻且結果較為主觀，只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見度很高時應用。

五、適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法

（一）船舶黑煙檢測要求

1. 需適應大多數的天氣條件

船舶是移動的大氣污染源，具有移動范圍廣（跨省甚至跨國）的特點。因此，在發現船舶冒黑煙時，需要迅速開展煙羽黑度檢測，否則很可能會在短時間內駛離轄區。這對檢測技術的普適性要求較高，要求能適應大多數的天氣條件。

2. 需適應晃動的黑度檢測方法

根據國內外船舶黑煙管控要求，各個國家判定船舶是否冒黑煙的標準是連續一定時長持續冒黑煙，因此需要連續檢測煙羽的林格曼黑度并錄制視頻留證。在發現船舶冒黑煙時，觀測者很有可能是手持相機或手機錄制視頻證據，甚至是在海巡艇等晃動平臺錄制視頻證據。因為不可避免的晃動，使得煙羽在視頻畫面中的位置往往不固定。要求觀測者同時手持小型的林格曼煙氣黑度圖（圖3）和錄制視頻證據，獲取穩定視頻數據的難度較大，需適應晃動的黑度檢測方法或目視判別方法。

圖3 手持小型的林格曼煙氣黑度圖進行船舶黑煙檢測的示例

3. 應盡可能在移動平臺進行觀測

另外，標準要求觀測者的視線應與煙羽飄動的方向垂直，在太陽光照射下觀測時，盡量使照射光線與視線成直角，光線不應來自觀察者的前方或后方。船舶在水上航行，如若在岸邊觀測，很可能無法滿足上述觀測位置要求。因此，應盡可能在海巡艇上或者利用無人機等移動觀測平臺，開展船舶黑煙檢測工作。

（二）改良型林格曼黑度法

為了滿足船舶黑煙檢測的要求且保證煙羽林格曼黑度的準確度，需要基于黑煙的視覺機理和船舶的特點，提出適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法。根據公式1推導，可以獲得林格曼黑度相關的x值計算公式如下：

根據觀察，船上或多或少存在一定的黑色物體，可以假設是林格曼黑度5級（x=1）的煙羽，例如船體黑漆或船上窗戶等船上暗目標。觀測者看到這些暗目標時，暗目標的Saccept= Sback×y，即觀測到的暗目標亮度與煙羽與觀測者之間的散射有關。當霧霾很嚴重時，y近似1，則船上暗目標和煙羽均不可見，暗目標或煙羽的Saccept=Sback。當幾乎沒有霧霾時，y近似0，則遠處船上的暗目標清晰可見，近距離和遠距離（使用望遠鏡）觀測的效果差別不大，暗目標的Saccept=0。根據公式2，以上這些情形下觀測船上暗目標，計算結果均是x=1，說明船上的暗目標作為林格曼黑度5級煙羽的假設成立。因此，公式2可以演變成如下的公式3。

可以假設煙羽附近的干凈天空是一種林格曼黑度0級（x=0）的煙羽。觀測者看到干凈天空時，干凈天空的Saccept=Sback，即觀測到的亮度就是觀測者角度的煙羽后方的太陽散射光強度，因為無論怎么變換觀測位置，觀測同一片天空的亮度是不變的（無論霧霾是否嚴重）。根據公式2，計算結果是x=0，說明干凈天空作為林格曼黑度0級煙羽的假設成立。因此，公式3可以演變成如下的公式4。

其中，Saccept、Saccept暗目標和Saccept干凈天空分別是觀測者觀測到的煙羽、暗目標和干凈天空的亮度。根據公式4，以船上暗目標和干凈天空分別作為林格曼黑度5級和0級煙羽的參照（圖4），可以準確計算出船舶煙羽的林格曼黑度。船上暗目標應來自煙羽所在船舶，確保暗目標與煙羽離觀測者的距離一致，光線被散射的程度相同。圖4中遠處另一艘船舶的船上暗目標的顏色深度不如煙羽所在船舶，不能作為本船煙羽黑度測定的參照，另外這也說明了煙羽與觀測者之間的大氣散射對傳統林格曼黑度法結果準確性的影響。這種適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法，無需林格曼煙氣黑度圖，而且不存在傳統的林格曼黑度法的苛刻使用條件（只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見度很高時應用）。

圖4 改良型林格曼黑度法以船上暗目標和干凈天空分別作為林格曼黑度5級和0級參照的示例

最后，建議在海巡艇或無人機等移動平臺上應用改良型林格曼黑度法，以滿足標準對觀測位置和角度的要求。

六、結語

通過梳理國內外船舶黑煙管控要求，識別了林格曼黑度法在船舶黑煙檢測中應用的廣泛性，主要是基于該方法成本低、可操作性強的優點。通過科學分析黑煙的視覺機理，認識到傳統林格曼黑度法應用條件較為苛刻且結果較為主觀，只能在林格曼煙氣黑度圖與煙氣有相似的天空背景且天氣能見度很高時應用?？偨Y了船舶黑煙檢測需適應大多數的天氣條件、需適應晃動的黑度檢測方法和應盡可能在移動平臺進行觀測這三大要求，并根據船上或多或少存在一定的暗目標的特點，以船上暗目標和干凈天空分別作為林格曼黑度5級和0級煙羽的參照，提出了適用于船舶黑煙檢測的改良型林格曼黑度法，為適用于船舶黑煙檢測的技術與裝備研發奠定了科學基礎。