齊 鵬，儲(chǔ)江偉，王伊安，王珊珊

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 前言

近幾年霧霾已經(jīng)成為全國(guó)各大城市頻發(fā)常見(jiàn)天氣，對(duì)人群的出行及社會(huì)安全造成了極大的影響，成為熱門(mén)課題。伴隨社會(huì)發(fā)展，人均生活水平逐漸提高，汽車(chē)已經(jīng)成為生活的必須品，選擇自駕或搭乘汽車(chē)已成為主要的出行交通方式，隨之而來(lái)的汽車(chē)排放污染，尤其是汽車(chē)排放PM2.5對(duì)霧霾的影響引發(fā)社會(huì)的全面關(guān)注。［1－2］

1 PM2.5的危害及汽車(chē)排放防控的意義

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，也稱(chēng)為可入肺顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小、污染面積大、活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。被吸入人體后會(huì)進(jìn)入支氣管和肺腔，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。這些細(xì)顆粒還可以通過(guò)支氣管和肺泡進(jìn)入血液，其中的可溶性物質(zhì)、有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對(duì)人體健康的傷害更大［3－4］。部分研究結(jié)果顯示，PM2.5導(dǎo)致人們的平均壽命減少8.6個(gè)月，并且PM2.5還可成為病毒和細(xì)菌的載體，為呼吸道傳染病的傳播推波助瀾。

伴隨汽車(chē)數(shù)量大幅增加對(duì)環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重。汽車(chē)尾氣排放所導(dǎo)致的PM2.5的產(chǎn)生，已經(jīng)成為大氣中PM2.5來(lái)源之一。因此，針對(duì)汽車(chē)尾氣排放中PM2.5的防控意義重大。

2 國(guó)內(nèi)外PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)與污染等級(jí)

國(guó)內(nèi)外對(duì)PM2.5的合格標(biāo)準(zhǔn):中國(guó)現(xiàn)在氣象行業(yè)內(nèi)通行的PM2.5合格標(biāo)準(zhǔn)為75 μg/m3。香港地區(qū)待批準(zhǔn)的新標(biāo)準(zhǔn)與大陸地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)一樣，也為75 μg/m3。印度的標(biāo)準(zhǔn)為60 μg/m3，加拿大的標(biāo)準(zhǔn)為30 μg/m3，新西蘭、澳大利亞等國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為25 μg/ m3。而美國(guó)由于聯(lián)邦制原因，各個(gè)州之間的標(biāo)準(zhǔn)存在差異，部分州采用65 μg/m3作為標(biāo)準(zhǔn)，而另一些州則采用25 μg/m3或35 μg/m3作為標(biāo)準(zhǔn)。

空氣質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn):空氣中的各種污染物都有自己的污染指數(shù)，人們把它們稱(chēng)為分指數(shù)。目前中國(guó)重點(diǎn)城市參加統(tǒng)計(jì)空氣污染指數(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有3項(xiàng)，統(tǒng)一規(guī)定為二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和總空中懸浮物(TSP)，并用0～500之間的數(shù)字來(lái)表示空氣污染指數(shù)的數(shù)值。在0～500之間，0～50、51～100、101～200、201～300和大于300分別對(duì)應(yīng)于中國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中日均值的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的污染物濃度限定數(shù)值，濃度單位為μg/m3［6－9］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

2 汽車(chē)排放PM2.5檢測(cè)方法

由汽車(chē)尾氣排放所導(dǎo)致的PM2.5污染成為日益嚴(yán)重的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)搭載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)尾氣排放進(jìn)行初步收集、檢測(cè)分析，觀察多種工況下，不同環(huán)境下汽車(chē)尾氣中 PM2.5的濃度變化規(guī)律［10－12］。

2.1 PM2.5檢測(cè)儀器工作原理

PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀通過(guò)光散射法進(jìn)行檢測(cè)，光散射法是利用光射線發(fā)生源產(chǎn)生光射線透過(guò)采集有灰塵的濾膜，以PM2.5顆粒物對(duì)光射線的吸收程度來(lái)測(cè)定顆粒物的濃度。這種測(cè)定方法假定儀器校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)膜片的材質(zhì)與所采集顆粒物的成分相同，測(cè)量時(shí)根據(jù)透光程度換算出最終數(shù)據(jù)。但是由于在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于標(biāo)準(zhǔn)膜片與實(shí)際情況往往并不相同，其測(cè)量的準(zhǔn)確性不僅與采樣流量有關(guān)，還受顆粒物成分的影響。這種方法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，且測(cè)量結(jié)果略高于微量振蕩天平法。

2.2 汽車(chē)排放PM2.5的收集裝置設(shè)計(jì)原理

主要是在定時(shí)條件下，設(shè)定容積的計(jì)算［13］: (1)確定汽車(chē)尾氣收集設(shè)備容積，依據(jù)公式計(jì)算

式中 M——為氣體分子量/mg·m－3;

a——測(cè)定的體積濃度值/ppm;

T——溫度/℃;

p——壓力/Pa。

(2)確定汽車(chē)尾氣收集設(shè)備設(shè)定單位時(shí)間，依據(jù)公式計(jì)算

尾氣排放量

式中 Q——尾氣排放通過(guò)流量/L;

v——汽車(chē)排量/L;

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min－1;

t——收集尾氣時(shí)間/s。

(3)汽車(chē)尾氣收集裝置的制作，收集裝置中用塑料薄膜確保箱體的密封性，內(nèi)置(空氣流量計(jì)、空氣干燥裝置、氣泵、氣壓表、濾膜裝置、穩(wěn)壓電源、風(fēng)扇等裝置);

2.3 通過(guò)PM2.5測(cè)試儀監(jiān)測(cè)汽車(chē)尾氣排放

(1)利用汽車(chē)尾氣收集裝置，設(shè)定時(shí)間30 s、60 s、3 min、5 min，分別在起動(dòng)工況、怠速工況等條件下收集汽車(chē)尾氣，對(duì)同排量汽車(chē)檢測(cè)，獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)。

(2)在不同氣象條件下(晴天、陰天)、分路段(主要街道、二環(huán)橋)、分時(shí)段(白天、夜晚)對(duì)相應(yīng)路段的汽車(chē)尾氣排放對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行檢測(cè)，并與利用裝置檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其相關(guān)性，及分擔(dān)率。

研究方法主要采用實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法。在理論分析與計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定采樣容積和時(shí)間，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證采集裝置及方法的合理性和準(zhǔn)確性。

2.4 汽車(chē)排放檢測(cè)方法

將汽車(chē)排放尾氣通過(guò)引流管導(dǎo)入尾氣收集箱內(nèi)，為確保汽車(chē)排放PM2.5不受壓力影響，尾氣收集箱為流通式收集采樣。通過(guò)PM2.5檢測(cè)儀、濕度計(jì)，紅外溫度測(cè)試儀對(duì)尾氣中PM2.5進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)整PM2.5檢測(cè)儀器安裝位置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)判定檢測(cè)區(qū)域［14］，如圖1～圖3所示。

圖1 檢測(cè)儀器頂置

圖2 檢測(cè)儀器中置

3 汽車(chē)排放PM2.5檢測(cè)結(jié)果分析

本文以反復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)為依據(jù)對(duì)汽車(chē)排放PM2.5進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比予以分析。

圖3 檢測(cè)儀器底置

3.1 汽車(chē)排放PM2.5檢測(cè)基本要求

下面兩項(xiàng)內(nèi)容的技術(shù)要求:

增加比對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)，參比采樣器與顆粒物監(jiān)測(cè)儀的直線距離的要求，具體指標(biāo)主要是參考美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)》、《Part 58—AMBIENT AIR QUALITY SURVEILLANCE》，并根據(jù)實(shí)際情況制定。使用高真空大流量采樣裝置進(jìn)行比對(duì)監(jiān)測(cè)，其采樣口與監(jiān)測(cè)儀采樣口的直線距離應(yīng)大于3 m;這個(gè)指標(biāo)的制定是參考美國(guó)EPA對(duì)于BAM－1020 PM2.5顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，并考慮到高真空大流量采樣器的工作原理，其流量比較大，與監(jiān)測(cè)儀采樣口的直線距離太小的話(huà)會(huì)干擾樣品的采集。同時(shí)如果距離太大，超過(guò)等濃度場(chǎng)范圍(10 m×10 m)會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，故比對(duì)監(jiān)測(cè)所有采樣口應(yīng)設(shè)置在面積為100 m2的范圍內(nèi);

文本中，PM10和PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采樣口與道路之間最小間隔距離主要是參考美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)》《Part 58－AMBIENT AIR QUALITY SURVEILLANCE》，其中規(guī)定PM10自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀與PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的采樣口與道路之間最小間隔距離的要求是一致的。

而按照《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)范(試行)》，PM10自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采樣口與道路之間最小間隔距離，如表2［15］。

表2 采樣口與交通道路之間最小間隔距離

但是上述表格中沒(méi)有PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的要求。通過(guò)比較EPA表E－1和表1，發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)不一致，但考慮到中國(guó)國(guó)情，本標(biāo)準(zhǔn)中此條的制定應(yīng)該依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)范(試行)》的附件三的要求，結(jié)合EPA標(biāo)準(zhǔn)的思路，即PM10自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀與PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的采樣口與道路之間最小間隔距離的要求是一致的，最終制定而成。

3.2 環(huán)境檢測(cè)

將PM2.5測(cè)試儀、溫濕表放置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)與室外，觀察并記錄變化數(shù)據(jù)。用于汽車(chē)排放采集數(shù)據(jù)相對(duì)比，如圖4、圖5所示。

圖4 室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)

圖5 室外環(huán)境檢測(cè)

通過(guò)儀器測(cè)試并完整記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件予以線性分析，可直觀體現(xiàn)檢測(cè)環(huán)境的差別。室外環(huán)境檢測(cè)數(shù)值與氣象發(fā)布數(shù)值基本一致，可證實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器比較準(zhǔn)確。

3.3 氣流流動(dòng)變化原理

汽車(chē)怠速排放溫度通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析的結(jié)果在30℃左右，如圖6。根據(jù)氣流變化基本特征，冷空氣沉降，熱空氣上升原理。結(jié)合北方高寒地區(qū)及四季分明的特點(diǎn)，以冬春和夏秋交替時(shí)，溫差相對(duì)比較接近分為兩組，由實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)軟件分析歸納出怠速排放時(shí)尾氣氣流的變化，如圖7。

3.4 檢測(cè)方式選擇原則

根據(jù)三種檢測(cè)設(shè)置獲得紀(jì)錄數(shù)據(jù)相比較，如圖8～圖11所示。

圖6 尾氣排放溫度測(cè)試

圖7 怠速排放氣流變化

表3

圖8 驗(yàn)表

圖9 單測(cè)試儀頂置

圖10 單測(cè)試儀中置

圖11 單測(cè)試儀底置

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件予以線性變化分析。從線性分析圖變化趨勢(shì)可直觀體現(xiàn)測(cè)試點(diǎn)與儀器安裝位置的必然關(guān)系。當(dāng)測(cè)試儀器安放在尾氣收集箱頂部時(shí)，PM2.5數(shù)值有階段性波動(dòng)，但相對(duì)變化不明顯不能完整、連續(xù)監(jiān)測(cè)PM2.5的實(shí)時(shí)濃度與均值變化。當(dāng)環(huán)境溫度在20℃左右時(shí)測(cè)試儀器安放在尾氣收集箱箱中部，可以直觀測(cè)試排放中PM2.5的實(shí)時(shí)濃度與均值變化。當(dāng)環(huán)境溫度在0℃左右時(shí)測(cè)試儀器安放在尾氣收集箱箱底部，可以直觀測(cè)試排放中PM2.5的實(shí)時(shí)濃度與均值變化，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得有效檢測(cè)方式。

4 總結(jié)

由于PM2.5對(duì)人體健康有很大的影響，其研究已經(jīng)逐漸成為環(huán)境研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)單車(chē)排放進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)汽油機(jī)汽車(chē)排放存在PM2.5，汽油機(jī)汽車(chē)?yán)鋯?dòng)時(shí)瞬時(shí)排放PM2.5數(shù)值較高，實(shí)時(shí)排放濃度可達(dá)到150 μg/m3至500 μg/m3之間達(dá)到嚴(yán)重污染，當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常怠速工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)排放濃度可達(dá)到1 μg/m3至100 μg/m3之間，所排放顆粒物極為微小對(duì)人無(wú)影響。同時(shí)環(huán)境的溫度、濕度、氣流對(duì)汽車(chē)排放PM2.5產(chǎn)生明顯影響因素，溫度越低排放值越高，濕度越低排放值越高，風(fēng)速越低排放影響越大。

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