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1 機(jī)動(dòng)車排放控制研究綜述

在幾十年機(jī)動(dòng)車污染控制進(jìn)程中，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)政策、管理對(duì)策，還是技術(shù)措施上，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1.1 排放控制技術(shù)措施

國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的排放控制技術(shù)措施包括改善機(jī)動(dòng)車供油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)，改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)、安裝三元催化轉(zhuǎn)化器、顆粒物捕集器、使用無(wú)鉛汽油、使用添加劑、使用LPG、CNG及醇類燃料、使用電動(dòng)車及混合動(dòng)力車等。

1.2 排放控制管理對(duì)策

管理對(duì)策包括在用車檢測(cè)維修(I/M)制度、老舊車輛淘汰制度、制定和加嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)高排放車實(shí)行限行、鼓勵(lì)公共交通、單雙號(hào)、部分街道限行、汽車牌號(hào)標(biāo)志實(shí)行限行措施、交通擁堵治理等。

1.3 排放控制經(jīng)濟(jì)政策

經(jīng)濟(jì)政策包括機(jī)動(dòng)車排污收費(fèi)、排污權(quán)交易、對(duì)生物柴油免征消費(fèi)稅、根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率征收車輛流通稅、車輛注冊(cè)稅、卡車行駛里程稅、道路使用稅、燃油稅等。

2 排放對(duì)策評(píng)價(jià)方法研究綜述

成本效益分析(Cost-Benefit Analysis，簡(jiǎn)稱CBA)屬公共經(jīng)濟(jì)學(xué)研究領(lǐng)域，主要面向政府在交通、城建等方面制定政策和投資項(xiàng)目的評(píng)價(jià)上。上世紀(jì)80年代后期，美國(guó)學(xué)者首次將成本效益分析引入到了污染與健康的研究中，之后該分析方法在環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展方面，例如溫室氣體、工業(yè)污染減排等，開始得到了廣泛的應(yīng)用，并于上世紀(jì)90年代中期應(yīng)用在機(jī)動(dòng)車污染控制對(duì)策的評(píng)估中。

成本效益分析中常用的三項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為凈現(xiàn)值(Net Present Value，NPV)、內(nèi)部收益率(Internal Rate of Return，IRR)以及效益成本比率(Benefit-Cost Ratio，BCR)。其主要分析思想是：在所評(píng)估的項(xiàng)目的實(shí)施期間，將收益流與成本流對(duì)時(shí)間進(jìn)行貼現(xiàn)，貼現(xiàn)使所有這些成本與效益都處于共同的時(shí)間框架內(nèi)，從而可以對(duì)所提議項(xiàng)目在一段時(shí)期內(nèi)(或生命周期內(nèi))的效益流與成本流(包括直接的項(xiàng)目投入與產(chǎn)出，以及能夠量化確認(rèn)的環(huán)境效果)進(jìn)行準(zhǔn)確的比較和評(píng)價(jià)。

3 排放模型綜述

3.1 概述

用于城市區(qū)域空氣質(zhì)量模型一般包括兩種尺度：一種是城市中小尺度(幾公里至幾十公里)，該尺度的空氣質(zhì)量模型可以反映城市范圍內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染物排放對(duì)環(huán)境的影響，為制定相應(yīng)的控制措施和策略的基礎(chǔ)。另一種為城市微尺度的空氣質(zhì)量模型，其主要模擬城市道路和十字路口處的機(jī)動(dòng)車排放污染物的擴(kuò)散。

3.2 模型歷史

國(guó)內(nèi)外對(duì)中小尺度的空氣質(zhì)量模型研究已經(jīng)發(fā)展了三代。第一代空氣質(zhì)量模型是高斯模型和拉格朗日煙團(tuán)軌跡模型，其代表是EIAA模型(典型高斯)、Aermod模型(穩(wěn)態(tài)高斯)、CALPUFF(不穩(wěn)態(tài)高斯)、和ADMS模型(3D 高斯)；第二代空氣質(zhì)量模型是歐拉數(shù)值模型，歐拉數(shù)值模型主要包括三種模型，即城市尺度光化學(xué)氧化模型(UAM，Urban Airshed Model)，區(qū)域酸沉降模型(RADM，the Regional Acid Deposition Model)，以及區(qū)域尺度光化學(xué)氧化模型(ROM，the Regional Oxidant Model)；第三代空氣質(zhì)量模型是區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型，即Models-3/CMAQ，于1998年第一次正式發(fā)布，該模型的特點(diǎn)在于：一方面，它可以同時(shí)模擬多種大氣污染物，包括臭氧、PM、氮氧化物、酸沉降以及能見度降低等在不同空間尺度范圍內(nèi)的行為過程；另一方面，Models-3的設(shè)計(jì)充分利用高科技的計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)如高性能的網(wǎng)絡(luò)資源、可視技術(shù)，從而使模擬技術(shù)能更高效、更精確，并且趨于多元化，Models-3/CMAQ適用于中尺度模擬范圍，可應(yīng)用于如跨省跨區(qū)域污染的控制等。

3.3 主流模型

流動(dòng)源排放模型從建模方法上可分為基于速度-加速度的統(tǒng)計(jì)模型、基于功率需求的物理模型、基于速度-加速度-排放矩陣的模型以及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立的模型四類，其中目前普遍認(rèn)可的建模方法是統(tǒng)計(jì)法和物理法。國(guó)外在模型開發(fā)方面的研究開展較早，美國(guó)早在上世紀(jì)七十年代就已經(jīng)開始進(jìn)行機(jī)動(dòng)車排放模型開發(fā)研究，目前國(guó)外主流的排放模型大多為統(tǒng)計(jì)回歸模型，如美國(guó)環(huán)保局開發(fā)的MOBILE模型、MOVES模型，加州空氣資源局開發(fā)的EMFAC模型以及歐洲環(huán)境署開發(fā)的COPERT模型等?；谖锢矸ㄩ_發(fā)的模型有美國(guó)加州大學(xué)河邊分校開發(fā)的CMEM模型等。國(guó)內(nèi)目前還沒有開發(fā)出自己的排放模型體系，環(huán)境管理人員和研究學(xué)者主要利用國(guó)外模型通過對(duì)模型輸入?yún)?shù)本地化的方法進(jìn)行相關(guān)研究，由于國(guó)外模型均基于本地車輛實(shí)際情況開發(fā)，普遍存在參數(shù)固化，可移植性差，機(jī)動(dòng)車分類、技術(shù)水平及測(cè)算單位與中國(guó)國(guó)情不符的問題，模型預(yù)測(cè)精度較低。但是國(guó)外模型開發(fā)較早且技術(shù)成熟，其模型結(jié)構(gòu)、計(jì)算原理、參數(shù)設(shè)置等也為開發(fā)北京市流動(dòng)源排放模型提供了有益的借鑒。

3.3.1MOBILE模型

其中MOBILE模型是開發(fā)最早的流動(dòng)源模型(如圖1所示)，計(jì)算原理為首先通過測(cè)試得到各排放控制水平車輛標(biāo)準(zhǔn)工況下的基本排放因子，之后考慮機(jī)動(dòng)車的車齡分布、行駛里程、新車排放因子、劣化率、行駛速度、檢查/維護(hù)制度、環(huán)境狀況、道路條件、車輛的使用工況以及車用油料特性等諸多因素對(duì)排放的影響，最終計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)各年、各車型的平均水平的排放因子；其優(yōu)點(diǎn)是模型開發(fā)較早，技術(shù)成熟且模型體系非常完善，是其它現(xiàn)有模型開發(fā)的參考基礎(chǔ)；缺點(diǎn)是模型基于固定工況、利用平均速度進(jìn)行排放修正，無(wú)法反映車輛行駛狀態(tài)對(duì)排放的影響，同時(shí)該模型參數(shù)輸入格式復(fù)雜，操作性差。

圖1 美國(guó)環(huán)保局(U.S. EPA)開發(fā)的MOBILE模型

3.3.2 EMFAC模型

EMFAC模型(如圖2所示)總體結(jié)構(gòu)和計(jì)算原理同MOBILE相同，其特點(diǎn)是模型細(xì)分了三種不同的尾氣排放計(jì)算模式：Burden、Emfac和Calimfac模式，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求自由選擇。

圖2 美國(guó)加州空氣資源署開發(fā)的EMFAC模型

3.3.3 COPERT模型

COPERT模型(如圖3所示)針對(duì)歐盟各國(guó)特點(diǎn)開發(fā)，基于燃油消耗數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域機(jī)動(dòng)車排放污染物總量，與MOBILE模型相比，該模型對(duì)車型分類更細(xì)，評(píng)價(jià)污染物更多，能夠計(jì)算一些并不常見的污染物(如N2O、NH3、SO2等)的排放量清單。

圖3 歐盟環(huán)保署開發(fā)的COPERT模型

3.3.4 IVE模型

IVE模型(International Vehicle Emission Model)是國(guó)際可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中心(ISSRC)開發(fā)的適用于不同國(guó)家和地區(qū)的宏觀模型(如圖4所示)，該模型結(jié)構(gòu)靈活，區(qū)域適用性好；其特點(diǎn)是模型摒棄了傳統(tǒng)模型利用平均速度進(jìn)行行駛狀況修正的方法，而是引入車輛特定功率(Vehicle Specific Power，VSP)參數(shù)，采用基于VSP的工況修正方法；同時(shí)該模型針對(duì)排放的歷史效應(yīng)(若干秒前的排放對(duì)當(dāng)前排放有影響的效應(yīng))引進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力(Engine Stress，ES)變量來反映歷史效應(yīng)對(duì)當(dāng)前排放的影響，但是該模型車型分類過于復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取困難。

圖4 國(guó)際可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中心(ISSRC)開發(fā)的IVE模型

3.3.5 CMEM模型

CMEM模型(Comprehensive Modal Emissions Model，CMEM)是基于排放原理開發(fā)的最著名的微觀排放模型(如圖5所示)，能夠預(yù)測(cè)某一類型車在某段時(shí)間內(nèi)的平均排放；模型包括六個(gè)主要模塊：發(fā)動(dòng)機(jī)功率；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；空燃比；油耗；發(fā)動(dòng)機(jī)排放。其最大優(yōu)點(diǎn)就是該模型是目前最詳細(xì)刻畫車輛排放內(nèi)部過程的模型，也是EMIT，PERE等很多基于功率負(fù)載模型建立的基礎(chǔ)，但是該模型最大的缺點(diǎn)也在于模型過于細(xì)致的刻畫了車輛的排放原理導(dǎo)致模型校正參數(shù)多(共有42個(gè)變量要校正)，擬合方程多和假設(shè)條件多)，運(yùn)算效率較低。

圖5 加州大學(xué)河邊分校同密歇根大學(xué)合作開發(fā)的CMEM模型

3.3.6MOVES模型

MOVES模型(Multi-scale mOtor Vehicle & equipment Emission System)是美國(guó)環(huán)保局在MOBILE模型多年的研究基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代尾氣排放模型(如圖6所示)，該模型充分整合了美國(guó)環(huán)保局在模型開發(fā)方面的研究經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可進(jìn)行宏觀、中觀、微觀三種層次的尾氣污染預(yù)測(cè)，同時(shí)該模型開發(fā)過程中不再僅僅局限于利用臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)，而是已經(jīng)開始考慮利用車載測(cè)試數(shù)據(jù)和遙感測(cè)試數(shù)據(jù)這些更具有代表性的道路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型開發(fā)，但是該模型所有參數(shù)均針對(duì)美國(guó)本土開發(fā)，參數(shù)固化，且模型結(jié)構(gòu)龐大，運(yùn)行速度緩慢。

圖6 美國(guó)環(huán)保局開發(fā)的MOVES模型

4 模型在北京的應(yīng)用分析

對(duì)上述模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行整理，如表1所示。對(duì)目前國(guó)內(nèi)外主流模型從功能分類、建模方法、車型分類、排放計(jì)算基于的行駛工況、排放影響參數(shù)選取及修正方法、操作友好性等多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)比較和在北京市的適用性分析。

表1 流動(dòng)源排放模型針對(duì)北京的優(yōu)缺點(diǎn)分析

參考文獻(xiàn)：

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