李新興,孫國(guó)金,田偉利,張清宇* (.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 0058;.浙江大學(xué)化學(xué)工程系,浙江 杭州 0058;.杭州合一環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 0058)
氮氧化物(NOx)是大氣環(huán)境中的主要污染物之一,在大氣中通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)引起光化學(xué)煙霧和灰霾,損害人體的呼吸系統(tǒng),導(dǎo)致暴露人群慢性氣管炎、支氣管炎、呼吸困難的發(fā)病率增加,肺功能降低[1-3],NOx也會(huì)引起酸雨、臭氧和水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題[4].由 NOx排放引發(fā)的環(huán)境問題已給人體健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅[5].因此,“十二五”期間我國(guó)將 NOx列為污染物總量控制的約束性指標(biāo).在世界范圍內(nèi),交通運(yùn)輸已成為NOx排放的主要來源,占人為排放源的37%,而在墨西哥的大城市中這一比例高達(dá)82%,主要為道路機(jī)動(dòng)車的排放[6].我國(guó)的北京[7]、上海[8-9]、廣州[10]大氣中40%的NOx來自機(jī)動(dòng)車排放[11].2009年,全國(guó)機(jī)動(dòng)車NOx排放量為583.3萬(wàn)t,約占全國(guó)NOx總排放量的24.3%[12].機(jī)動(dòng)車主要從淘汰高排放車輛[13]、改善車用油品質(zhì)量[14]和積極發(fā)展新能源汽車[15-16]方面開展NOx減排工作,此外加強(qiáng)對(duì)在用車的管理,如區(qū)域機(jī)動(dòng)車限行[17]和執(zhí)行嚴(yán)格的機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)[18],也可有效減少機(jī)動(dòng)車NOx的排放.近年來我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加,2009年達(dá)到1.68億輛[19],是2004年的1.6倍,機(jī)動(dòng)車NOx排放量在城市整體中又占有相當(dāng)?shù)谋壤页手鹉晟仙内厔?shì),故開展機(jī)動(dòng)車NOx減排工作的研究,對(duì)“十二五”NOx減排工作有著十分重要的意義.
本文以杭州市主城區(qū)為例,通過調(diào)研和模擬,建立了杭州市機(jī)動(dòng)車 NOx排放清單,根據(jù)機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)了“十二五”期間機(jī)動(dòng)車的增量,計(jì)算了新增機(jī)動(dòng)車的NOx排放量,并將“十二五”期間機(jī)動(dòng)車NOx排放情況分為3個(gè)情景,探討了不同的情景下機(jī)動(dòng)車NOx的排放情況和減排效果.
國(guó)際上通用的大氣污染物排放清單的計(jì)算公式為:排放清單=活動(dòng)水平×污染物的排放系數(shù).本研究中機(jī)動(dòng)車污染物排放清單的計(jì)算公式如下:
式中:EF為機(jī)動(dòng)車排放量,t/a;Ai為i型車的數(shù)量,輛;EFs,i為i型車的啟動(dòng)排放因子,g/次;EFr,i為i型車的運(yùn)行排放因子,g/km;VKTi為i型車的年均行駛里程,km.
2010年杭州市主城區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到69.02萬(wàn)輛,輕型客車、出租車、公交車、輕型貨車和重型貨車的保有量依次為582841,8048,22143,47169,30062輛.
1.1 不同車型機(jī)動(dòng)車排放因子的計(jì)算
國(guó)際機(jī)動(dòng)車排放模型(IVE)是由加州大學(xué)河邊分校(UCR)和國(guó)際可持續(xù)發(fā)展研究中心(ISSRC)專為發(fā)展中國(guó)家機(jī)動(dòng)車污染控制工作開發(fā)的機(jī)動(dòng)車排放模型,利用IVE模型建立機(jī)動(dòng)車污染物排放清單在國(guó)內(nèi)已有成功實(shí)例.其計(jì)算原理是利用模型內(nèi)嵌的基本排放因子乘以一系列修正系數(shù)在于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的車輛技術(shù)組成相結(jié)合,最終得到研究區(qū)域的機(jī)動(dòng)車排放因子.但是該模型中采用的基本排放因子不能夠真實(shí)反應(yīng)我國(guó)的機(jī)動(dòng)車污染排放情況[21-22],而且模型中關(guān)于車型的分類較為復(fù)雜,部分不適用于我國(guó).因此,本課題組利用 IVE模型的內(nèi)核開發(fā)了一套比較適合我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放情況的模型——鴻環(huán)機(jī)動(dòng)車排放分析系統(tǒng),經(jīng)測(cè)試模型模擬值準(zhǔn)確度較高.
選擇杭州市典型道路經(jīng)過調(diào)研和測(cè)試獲得模型所需的參數(shù),計(jì)算得出不同車型的啟動(dòng)和運(yùn)行排放因子如圖1所示.
圖1 2010年杭州市不同車型機(jī)動(dòng)車NOx啟動(dòng)和運(yùn)行排放因子Fig.1 Start-up and running emission factors of NOx for Hangzhou vehicles in 2010
1.2 車輛啟動(dòng)次數(shù)和年均行駛里程
考慮到杭州市的發(fā)展情況和居民的出行規(guī)律,通過調(diào)研并結(jié)合本課題組以前的研究得出杭州市不同車型的日均啟動(dòng)次數(shù)和年均行駛里程如圖2所示[23-24]:
圖2 杭州市不同車型的日均啟動(dòng)次數(shù)和年均行駛里程Fig.2 Vehicle annual mileage and daily start-ups for Hangzhou vehicles
1.3 機(jī)動(dòng)車NOx排放清單的建立
利用式(1)計(jì)算得出 2010年杭州市機(jī)動(dòng)車NOx排放量為4.43萬(wàn)t/a,各車型NOx排放量和所占的比例如圖3所示,重型貨車占34.1%,是NOx排放的主要來源.
圖3 2010年杭州市各類機(jī)動(dòng)車NOx排放狀況Fig.3 Emission inventory of NOx from motor vehicles in Hangzhou in 2010
2004~2010年間,杭州市機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)較快,由2004年的30.2萬(wàn)輛(其中主城區(qū)22.9萬(wàn)輛)增加到2010年的125.3萬(wàn)輛(其中主城區(qū)69萬(wàn)輛),年均增長(zhǎng)率達(dá)到26.74%[25]. 圖4為杭州市2004~2010年不同類型車輛的保有量增長(zhǎng)情況.
圖4 2004~2010年杭州市機(jī)動(dòng)車保有量Fig.4 Vehicle population of Hangzhou in 2004~2010
2.1 “十二五”期間NOx新增量測(cè)算
2.1.1 “十二五”期間機(jī)動(dòng)車新增量預(yù)測(cè) 由圖4可見,杭州市機(jī)動(dòng)車保有量呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì),不同類型的機(jī)動(dòng)車保有量也呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì),故在 2004~2010年的基礎(chǔ)上采用指數(shù)回歸的方法預(yù)測(cè)2015年杭州市機(jī)動(dòng)車保有量.如下:
式中:Y是2015年機(jī)動(dòng)車保有量,輛;x為年份;a, b為回歸系數(shù).
通過對(duì)不同類型的車輛建立指數(shù)回歸方程,預(yù)測(cè)得出2015年杭州市主城區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量將達(dá)到91萬(wàn)輛,新增機(jī)動(dòng)車22萬(wàn)輛,不同類型車輛增長(zhǎng)情況如表1所示.
表1 “十二五”杭州市機(jī)動(dòng)車新增保有量情況Table 1 Increased vehicle number of Hangzhou in 2011~2015
2.1.2 “十二五”期間NOx新增量的確定 2011年7月1日起杭州市開始執(zhí)行國(guó)Ⅳ機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)[26],同時(shí)考慮到我國(guó)執(zhí)行國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的不確定性,因此新增車輛均參照國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)下的排放因子[27]計(jì)算NOx排放量.利用式(1)計(jì)算得出新增車輛的NOx排放量,由圖5可以看出,“十二五”期間新增NOx排放量為1968.6t,重型貨車是新增NOx排放的主要來源,占60.6% .
圖5 “十二五”杭州市機(jī)動(dòng)車NOx新增排放量Fig.5 Predicted vehicular NOx emission increment of Hangzhou in 2011~2015
2.2 “十二五”期間NOx減排潛力測(cè)算
2.2.1 機(jī)動(dòng)車淘汰工程 根據(jù)杭州市環(huán)境保護(hù)局《關(guān)于將國(guó)Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)柴油車納入黃色環(huán)保檢驗(yàn)合格標(biāo)志管理的通告》,自2011年11月1日起將國(guó)Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)柴油車納入“黃標(biāo)車”管理;同時(shí)杭州市計(jì)劃將 2300輛國(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)公交車在“十二五”期間淘汰,并增加混合動(dòng)力公交車的比例.根據(jù)“十二五”期間機(jī)動(dòng)車淘汰的數(shù)量,利用公式(3)計(jì)算淘汰車輛的NOx排放量:
式中:R機(jī)動(dòng)車淘汰為淘汰機(jī)動(dòng)車的NOx削減量,t/a; Bi為“十二五”期間淘汰該類型機(jī)動(dòng)車的數(shù)量,輛;EFi淘汰車輛的NOx綜合排放因子,g/km;VKTi為淘汰車輛的年均行駛里程.
計(jì)算得出淘汰杭州市“黃標(biāo)車”可減少NOx排放 0.47萬(wàn) t,淘汰國(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)公交車可減少 NOx排放0.15萬(wàn)t.
2.2.2 油品替代工程 杭州市已于2011年執(zhí)行Ⅳ四機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn),但我國(guó)機(jī)動(dòng)車油品執(zhí)行的是國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn),國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)汽車燃用國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)油與燃用國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)油相比可減少NOx排放.根據(jù)《“十二五”主要污染物總量控制規(guī)劃編制技術(shù)指南(征求意見稿)》,“十二五”期間將在污染較為嚴(yán)重的區(qū)域先供應(yīng)國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)油品.根據(jù)油品質(zhì)量由國(guó)Ⅲ提高到國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車 NOx排放系數(shù)的差值計(jì)算NOx削減量.
式中: R機(jī)動(dòng)車油品替代為機(jī)動(dòng)車油品質(zhì)量由國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)提高到國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn) NOx的削減量,t/a;Ci,j該類型機(jī)動(dòng)車中供應(yīng)國(guó)Ⅳ油品的機(jī)動(dòng)車數(shù)量,輛;ΔFi,j供應(yīng)國(guó)Ⅳ油品的機(jī)動(dòng)車與供應(yīng)國(guó)Ⅲ油品的機(jī)動(dòng)車相比,NOx排污系數(shù)的差值, kg/(年×輛).
計(jì)算得出杭州市“十二五”期間實(shí)施油品替代工程可減少NOx排放,0.126萬(wàn)t.
2.2.3 增加混合動(dòng)力公交車 混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)公交車相比可減少NOx排放[28],杭州市近幾年也在大力發(fā)展混合動(dòng)力公交車,因此“十二五”期間通過增加混合動(dòng)力公交車的比例有助于削減NOx排放.
式中:R混合動(dòng)力公交車為混合動(dòng)力公交車替換傳統(tǒng)公交車 NOx削減量,t/a; Di為混合動(dòng)力公交車的數(shù)量,輛;△EFi為混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)公交車相比NOx排放因子的差值,g/km; VKTi為混合動(dòng)力公交車的年均行駛里程,km.
通過計(jì)算得出,杭州市“十二五”期間新增公交車中50%的比例為混合動(dòng)力公交車可減少NOx排放 400t,全部改為混合動(dòng)力公交車可減少NOx排放800t.
2.2.4 積極發(fā)展新能源汽車 2009年初,我國(guó)啟動(dòng)了“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程,計(jì)劃用 3a左右的時(shí)間,全國(guó)每年發(fā)展10個(gè)城市,每個(gè)城市都推出 1000輛新能源汽車開展示范運(yùn)行,目前試點(diǎn)城市已發(fā)展到25個(gè)[29].杭州市也積極發(fā)展新能源汽車,2012年新能源汽車示范運(yùn)行數(shù)量將達(dá)3000輛,“十二五”期間杭州市新能源汽車產(chǎn)業(yè)年均增長(zhǎng)率超過100%,成為新能源汽車發(fā)展的重要基地[30].
可見,“十二五”期間杭州市積極發(fā)展新能源汽車、提高新能源汽車的市場(chǎng)占有率可以減少NOx排放,新能源汽車的市場(chǎng)占有率越大,NOx的減排潛力越大.
根據(jù) NOx排放量的測(cè)算情況,結(jié)合杭州市發(fā)展現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)“現(xiàn)行管理、改善方案、強(qiáng)化方案”3個(gè)“十二五”期間杭州市NOx減排情景[31],分析NOx的減排效果.“現(xiàn)行管理”情景主要考慮執(zhí)行國(guó)家機(jī)動(dòng)車管理政策機(jī)動(dòng)車NOx排放情況,“改善方案”情景在“現(xiàn)行管理”的基礎(chǔ)上考慮機(jī)動(dòng)車淘汰和油品替代方案下機(jī)動(dòng)車 NOx減排效果,“強(qiáng)化方案”是在“改善方案”方案的基礎(chǔ)上增加混合動(dòng)力車和新能源車的比例下機(jī)動(dòng)車NOx進(jìn)一步的減排效果.不同情景下NOx的減排量和削減率如表2所示.
由表2可以看出,“十二五”期間杭州市,如果按照“現(xiàn)行管理”方案,執(zhí)行國(guó)家關(guān)于機(jī)動(dòng)車管理的有關(guān)政策NOx排放量將會(huì)增加0.196萬(wàn)t;若執(zhí)行“改善方案”可減少NOx排放0.746萬(wàn)t,削減率達(dá)16.84%,其中機(jī)動(dòng)車淘汰工程和油品替代工程可分別減少NOx排放0.62萬(wàn)t和0.126萬(wàn)t,削減率分別為16.84%和2.84%;若執(zhí)行“強(qiáng)化管理”方案,在“改善方案”的基礎(chǔ)上,大力發(fā)展混合動(dòng)力公交車,積極發(fā)展新能源汽車,可以增加 NOx的減排潛力,新能源汽車的市場(chǎng)占有率越大,NOx的減排潛力越大.“十二五”期間杭州市執(zhí)行“改善方案”——機(jī)動(dòng)車淘汰工程和油品替代工程可以達(dá)到相應(yīng)的NOx減排 10%的目標(biāo).但是由于機(jī)動(dòng)車排放的污染物種類較多,且各污染物之間有特定的聯(lián)系,因此減少機(jī)動(dòng)車 NOx的排放還要綜合考慮,制定出一套科學(xué)、合理的減排對(duì)策.
表2 杭州市“十二五”期間機(jī)動(dòng)車NOx減排情景分析Table2 Summary scenario analysis results of vehicular NOx emission abatement in Hangzhou
4.1 基于模型建立了杭州市機(jī)動(dòng)車NOx的排放清單,結(jié)果表明2010年杭州市主城區(qū)機(jī)動(dòng)車NOx排放量為4.43萬(wàn) t,其中重型貨車所排放的NOx比例最高,達(dá)34.1%,是重點(diǎn)控制的對(duì)象.
4.2 2004~2010年杭州市機(jī)動(dòng)車保有量年均增長(zhǎng)率為26.74%,根據(jù)保有量增長(zhǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)得出杭州市2015年杭州市主城區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量將達(dá)到91萬(wàn)輛,增加22萬(wàn)輛,“十二五”期間新增NOx排放量0.197萬(wàn)t,其中重型貨車占60.6%.
4.3 通過對(duì)“現(xiàn)行管理”“改善方案”“強(qiáng)化方案”進(jìn)行情景分析得出,執(zhí)行“改善管理”方案——機(jī)動(dòng)車淘汰工程和油品替代工程可減少NOx減排0.746萬(wàn)t,削減率為16.84%.
4.4 執(zhí)行“強(qiáng)化方案”,增加混合動(dòng)力公交車的比例,積極發(fā)展新能源汽車提高其市場(chǎng)占有率,可增加NOx減排潛力.
4.5 “十二五”期間杭州市執(zhí)行機(jī)動(dòng)車淘汰工程、油品替代工程方案可完成 NOx減排 10%的減排目標(biāo).
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