李新興 ,孫國金,王孝文,田偉利,張清宇*,焦 荔

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)化學(xué)工程系,浙江 杭州 310058；3.杭州合一環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 310058；4.杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站,浙江 杭州 310007)

我國機(jī)動車保有量巨大,年均增長率高達(dá)12.6%,2009年首次成為世界機(jī)動車產(chǎn)銷第一大國[1].機(jī)動車排放的污染物已經(jīng)成為許多城市大氣污染物的重要來源[2-4],而且由于機(jī)動車大多行駛在人口密集區(qū)域,尾氣排放會直接影響人體健康.我國在“十二五”期間將重點(diǎn)削減NOx的排放,而機(jī)動車是其排放的重要來源.因此,控制機(jī)動車污染物的排放已成為防治城市污染的重點(diǎn)工作之一,而對機(jī)動車尾氣排放特征及分擔(dān)率的研究是必不可少的基礎(chǔ)工作.

許多學(xué)者已開展了對機(jī)動車污染排放特征及分擔(dān)率的研究,如北京[5]、珠江三角洲[6]、重慶[7]、長春[8]、濟(jì)南[9]等,這些研究大多采用模型或其他方法獲得研究區(qū)域的排放因子,計(jì)算出機(jī)動車污染物排放清單,獲得了分車型、地區(qū)、道路類型、排放標(biāo)準(zhǔn)以及燃料類型的機(jī)動車尾氣排放特征與分擔(dān)率,部分研究還計(jì)算出了機(jī)動車排放源在總排放源中的分擔(dān)率.這些研究為了解機(jī)動車污染物的排放現(xiàn)狀,合理有效的制定機(jī)動車污染防治的管理策略提供了理論支持和決策依據(jù).

國際機(jī)動車排放模型(IVE)是由國際可持續(xù)發(fā)展研究中心(ISSRC)和加州大學(xué)(UCR)河邊分校共同開發(fā)的專為發(fā)展中國家機(jī)動車污染控制工作開發(fā)的機(jī)動車排放模型.IVE模型在我國機(jī)動車污染排放的研究中應(yīng)用較為廣泛[10-12],郭慧等[13-14]對杭州市基本排放因子也做了本地化校正.張清宇等[15]基于動態(tài)排放因子建立了杭州市未來20年的排放清單.本文選擇杭州市主城區(qū)為研究區(qū)域,利用修正后的IVE模型計(jì)算出杭州市區(qū)機(jī)動車的排放因子,建立了2010年機(jī)動車排放的CO、NOx、HC和PM10污染物排放清單,分析了杭州市區(qū)分車型、燃料類型、排放標(biāo)準(zhǔn)以及道路類型的機(jī)動車污染物排放特征及分擔(dān)率,以期為杭州市機(jī)動車污染防治和環(huán)境綜合治理提供決策依據(jù)和參考.

1 機(jī)動車污染物排放清單

1.1 研究方法及資料來源

分別選取杭州市區(qū)高速路、快速路、主干道和民用支路4種典型道路,于2010年對機(jī)動車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了為期 2個月的調(diào)研測試.調(diào)研時間7:00～22:00,包括工作日和非工作日,測試采用 GPS接收器逐秒收集機(jī)動車實(shí)際運(yùn)行參數(shù),拍攝得到交通流量視頻資料,結(jié)合視頻檢測分析技術(shù),獲得調(diào)查路段每小時的車流量、車速和車型比例等數(shù)據(jù).

根據(jù)我國機(jī)動車分類方式,結(jié)合杭州市統(tǒng)計(jì)年鑒[16],將杭州市機(jī)動車分為乘用車、出租車、公交車、輕型貨車和重型貨車 5類,整理得出2010年杭州市不同排放標(biāo)準(zhǔn)和不同燃油類型的機(jī)動車保有量數(shù)據(jù),如表1所示.機(jī)動車日均啟動次數(shù)和年均行駛里程(VKT)數(shù)據(jù),引用本課題組之前的研究結(jié)果[17-18],如圖1所示.

表1 2010年杭州市機(jī)動車保有量 Table 1 Vehicle inventory of Hangzhou city in 2010

圖1 杭州市不同車型的日均啟動次數(shù)和年均行駛里程Fig.1 Vehicle annual mileage and daily start-ups for Hangzhou vehicles

根據(jù)機(jī)動車調(diào)研獲得的車輛行駛工況數(shù)據(jù),利用修正后的 IVE模型計(jì)算出杭州市每小時的機(jī)動車CO、NOx、HC和PM10的啟動和運(yùn)行排放因子,最終計(jì)算出不同道路類型、不同排放標(biāo)準(zhǔn)下、不同車型的機(jī)動車啟動和運(yùn)行的綜合排放因子,并建立杭州市機(jī)動車污染物排放清單.

1.2 排放清單的計(jì)算

國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=活動水平×污染物的排放系數(shù).本研究中機(jī)動車污染物排放清單的計(jì)算公式如式(1).

式中:EF為i型機(jī)動車排放量,t/a;Ai為i型車的數(shù)量,輛;EFs,i為i型車的啟動排放因子,g/(次·輛);Si為i型車的啟動次數(shù),次/d;EFr,i為i型車的運(yùn)行排放因子,g/(km·輛);VKTi為i型車的年均行駛里程,km.

利用 IVE模型計(jì)算的排放因子、機(jī)動車保有量以及機(jī)動車日均啟動次數(shù)和年均行駛里程和式(1)計(jì)算得出杭州市 2010年機(jī)動車 CO、NOx、HC和PM10排放清單.2010年杭州市機(jī)動車CO、NOx、HC和PM10的排放量分別為44.05,2.31,4.43,0.65萬t/a.

2 機(jī)動車尾氣排放特征及分擔(dān)率

2.1 分車型排放分擔(dān)率

不同車型的車輛由于排放因子、運(yùn)營比例、行駛里程和保有量等特征參數(shù)的不同,其在機(jī)動車污染物排放總量中所占的比例會有顯著差異.城市機(jī)動車分車型排放分擔(dān)率是指研究區(qū)域內(nèi)機(jī)動車不同車型污染物排放量與該污染物機(jī)動車排放總量之比.2010年杭州市區(qū)不同車型機(jī)動車污染排放分擔(dān)率如圖2.

由圖2可知,杭州市區(qū)中不同車型對 CO、NOx、HC和PM10的排放貢獻(xiàn)水平差別較大.乘用車、出租車和公交車是CO排放的主要來源,三者 CO排放總量的 97%以上,其中乘用車是CO排放的最主要來源,占總排放量的64.7%;乘用車和公交車是 HC排放的主要來源,分別占HC總排放量的 66%和 19.8%;重型貨車、公交車和乘用車是NOx排放的主要來源,三者占NOx總排放量的 93%以上;重型貨車和公交車是PM10排放的主要來源,二者約占 PM10總排放量的90%.由圖1可知,輕型車是杭州市CO和HC排放的主要來源,重型車是 NOx和 PM10排放的主要來源,這主要是由于不同車型尾氣控制系統(tǒng)的分布差異有關(guān),乘用車雖然保有量較大,但由于 NOx和 PM10的排放因子較小,對 NOx和PM10的排放貢獻(xiàn)較小.

圖2 2010年杭州市區(qū)不同車型的排放分擔(dān)率Fig.2 Vehicle emission distribution of different type of vehicles in Hangzhou district in 2010

2.2 燃油類型排放特征

為了解機(jī)動車燃料對污染物排放情況的影響,對杭州市機(jī)動車中汽油車和柴油車保有量與排放分擔(dān)率進(jìn)行了分析,如圖3所示.

圖3 2010年杭州市機(jī)動車燃料排放分擔(dān)率Fig.3 Emission contribution of different fuel types in Hangzhou

由圖 3可知,杭州市機(jī)動車燃油比例對不同污染物的排放貢獻(xiàn)率不同.對 NOx和 PM10,柴油車的排放分擔(dān)率遠(yuǎn)大于其保有量的貢獻(xiàn)率,且柴油車對PM10的排放分擔(dān)率要大于其對NOx的排放分擔(dān)率.而柴油車對CO和HC的排放分擔(dān)率低于其保有量的貢獻(xiàn)率.汽油車的CO和HC排放貢獻(xiàn)率高于其保有量貢獻(xiàn)率,分別高出 12%和 4%.這種不同燃料類型對機(jī)動車污染物排放貢獻(xiàn)的差異與不同燃料的機(jī)動車尾氣控制系統(tǒng)和排放因子的差異性密切相關(guān).此外,以柴油為主要燃料動力的機(jī)動車,受燃料供應(yīng)水平和各地方對柴油車標(biāo)準(zhǔn)的控制力度影響,燃油品質(zhì)往往不高,其對于PM10和NOx的排放因子遠(yuǎn)高于等同動力效能下汽油車的對應(yīng)排放因子.

結(jié)合圖2和圖3,可以看出,CO和HC的排放主要來自汽油乘用車;NOx主要來自重型貨車和公交車,2種燃油的差別不大;PM 的排放主要來自柴油重型貨車,其次是柴油公交車.

2.3 啟動與運(yùn)行排放特征

機(jī)動車污染物排放主要由機(jī)動車在啟動和運(yùn)行過程中產(chǎn)生,啟動和運(yùn)行過程對機(jī)動車污染物排放的貢獻(xiàn)率,如圖4所示.

圖4 杭州市2010年機(jī)動車啟動運(yùn)行排放特征Fig.4 Emission contribution of running and start in Hangzhou

由圖 4可知,機(jī)動車污染物排放主要是在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的,啟動過程對 4種污染物的貢獻(xiàn)率都較小,HC的啟動排放占HC總排放的9%,其他3種污染物的啟動排放約占5%左右.機(jī)動車污染控制需重點(diǎn)控制運(yùn)行排放.

雖然啟動排放因子有時會比運(yùn)行排放因子大,但是由于機(jī)動車啟動的時間很短,在機(jī)動車行駛過程中的比重很小,所以啟動和運(yùn)行排放呈現(xiàn)圖4的分布.

2.4 不同排放標(biāo)準(zhǔn)車輛分擔(dān)率分析

在過去幾年中,我國不斷實(shí)施嚴(yán)格的機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn),以控制機(jī)動車尾氣的排放.滿足不同排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛其尾氣控制系統(tǒng)也有所差異,杭州市機(jī)動車中滿足不同排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛所占的比例不同,不同標(biāo)準(zhǔn)車輛的保有量貢獻(xiàn)率與污染物排放分擔(dān)率,如圖5所示.

圖5 杭州市不同排放標(biāo)準(zhǔn)下污染物排放分擔(dān)率Fig.5 Vehicle emission contribution of different vehicle standards in Hangzhou district in 2010

由圖5可知,不同排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛對污染物排放的貢獻(xiàn)率差異較大.國0和國I車輛的4種污染物排放分擔(dān)率均大于其保有量貢獻(xiàn)率,國Ⅲ車輛的4種污染物排放分擔(dān)率均小于其保有量貢獻(xiàn)率.占保有量 30%的國 I前(含國 I)車輛,對機(jī)動車CO、HC、NOx和PM10的排放分擔(dān)率分別為67%、69%、58%和82%;占保有量49%的國Ⅲ車對CO、HC、NOx和PM10的貢獻(xiàn)率僅為11%、7%、15%和2%;國Ⅱ機(jī)動車保有量與其污染物排放分擔(dān)率相當(dāng).說明實(shí)施嚴(yán)格的機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)有利于控制機(jī)動車污染物的排放,杭州市機(jī)動車污染物的控制主要以國 0和國I車輛為主.

2.5 道路類型分擔(dān)率分析

不同類型道路上機(jī)動車的污染物排放量計(jì)算為用機(jī)動車道路排放源強(qiáng)與道路長度的乘積,具體如式(2)所示:

式中:E為j型道路機(jī)動車年排放量,t/a;Li為j型道路的長度,km;EFi,j為j類型道路i小時的綜合排放因子,g/(km·輛);Vi,j為j型道路i小時的車流量,輛/h.

由圖 6可知,杭州市不同類型道路上機(jī)動車污染物排放分擔(dān)率不同.主干道和民用支路上的機(jī)動車是 4種污染物排放的主要來源,主要是因?yàn)橹鞲傻篮兔裼弥吩诘缆奉愋椭兴急壤^大,合計(jì)為 92%.主干道占道路總長度的 24%,是機(jī)動車CO、HC和NOx排放的主要來源,貢獻(xiàn)率分別為 66%、65%和 64%,這主要是因?yàn)橹鞲傻缆访孑^寬、車流量較大,高峰時期出現(xiàn)交通擁堵等, 由于部分主干道對卡車限行,故對PM10的排放貢獻(xiàn)率為 34%.民用支路雖然占道路總長度的68%,但由于道路暢通,車流量較小,對機(jī)動車CO、HC和NOx的排放貢獻(xiàn)率較低,但是由于民用道路未對卡車進(jìn)行限制,因而其 PM10的排放貢獻(xiàn)相對較大,約為55%.高速路和快速路合計(jì)占道路總長度的8%,對4種污染物的貢獻(xiàn)率均較小;但由于快速路處于主要的交通區(qū)域,車流量較大,車速也相對較低,故污染排放貢獻(xiàn)率比高速路大.同時快速路由于沒有紅綠燈限制,車流量和車速都高于主干道,其對污染物的排放貢獻(xiàn)率大于道路比例,其中CO、HC和NOx的排放分擔(dān)率約高出道路比例10%.這說明,對針對不同道路類型的局部機(jī)動車污染控制措施,其手段和策略也應(yīng)存在差異.

圖6 杭州市2010年機(jī)動車道路類型分擔(dān)率Fig.6 Vehicle emission contribution of different road types in Hangzhou district in 2010

3 結(jié)論

3.1 2010年杭州市機(jī)動車CO、NOx、HC和PM10的排放量分別為44.05、2.31、4.43和0.65萬t/a.3.2 乘用車、出租車和公交車是CO排放的主要來源,三者占CO排放總量的97%以上;乘用車和公交車是HC排放的主要來源,分別占HC總排放量的 66%和 19.8%;重型貨車、公交車和乘用車是NOx排放的主要來源,三者占NOx總排放量的93%以上;重型貨車和公交車也是PM10排放的主要來源,二者約占 PM10總排放量的 90%.輕型車是杭州市CO和HC排放的主要來源,重型車是NOx和PM10排放的主要來源.

3.3 杭州市機(jī)動車燃油比例對不同污染物的排放貢獻(xiàn)率不同.柴油車的NOx和PM10排放分擔(dān)率遠(yuǎn)大于其保有量的貢獻(xiàn)率,而對CO和HC的排放分擔(dān)率低于其保有量的貢獻(xiàn)率.運(yùn)行排放是機(jī)動車排放的主要來源,啟動排放對 4種污染物的貢獻(xiàn)率較小,約占總排放的4%～5%.

3.4 執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)動車保有量貢獻(xiàn)率與污染物排放分擔(dān)率不成比例.占保有量 30%的國 0和國I車輛,對機(jī)動車CO、HC、NOx和PM10的排放分擔(dān)率分別為 67%、69%、58%和 82%;占保有量49%的國Ⅲ車對CO、HC、NOx和PM10的貢獻(xiàn)率僅為11%、7%、15%和2%.國0和國I車輛是機(jī)動車污染物控制的主要對象.

3.5 主干道上的機(jī)動車CO、HC和NOx排放較大,貢獻(xiàn)率分別為66%、65%和64%;快速路上的機(jī)動車污染物的排放貢獻(xiàn)率大于道路比例,其中CO、HC和NOx約高出道路比例10%,民用支路上的機(jī)動車是 PM10排放的主要來源.針對不同道路類型的局部機(jī)動車污染控制措施,應(yīng)采取不同的手段和策略.

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