田 芳，付 帥，鄭 晅，李 雪

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210000：2.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

機動車CO排放因子是評估隧道車輛污染物排放量、運營需風(fēng)量設(shè)計、通風(fēng)系統(tǒng)控制以及工程環(huán)境評價的重要依據(jù)[1-2]。同時，CO排放因子作為一個動態(tài)變化的參量，受到尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、氣候條件以及燃料品質(zhì)等因素的影響，隨著車輛排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和發(fā)動機技術(shù)的更新，車輛CO排放因子也在不斷減小[3-5]。因此，研究特長公路隧道機動車CO排放因子，動態(tài)把握機動車CO排放因子，有利于減少隧道通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)和運營成本，符合低碳環(huán)保的工程設(shè)計理念。

目前，國內(nèi)外主要采用臺架試驗法、隧道實測法和模型預(yù)測法等確定機動車污染物排放因子。臺架試驗法[6]通過試驗臺架，測定機動車污染物排放建立機動車單車污染物排放因子。陳長虹等[7]及姚志良等[8]利用車載排放測試儀，開展了重型柴油車實際道路排放測試，在我國重型車實際道路排放研究方面取得了突破；鄧順熙等[9]采用底盤測功機，測試了我國輕型車CO，HC 和NOx的排放因子：高爽等[10]采用底盤測功機對國內(nèi)現(xiàn)有不同品牌輕型汽車進(jìn)行臺架試驗，并對尾氣樣品中VOCs 物種進(jìn)行定量分析。

隧道實測法通過現(xiàn)場監(jiān)測隧道內(nèi)車流排放污染物，確定機動車平均污染物排放因子。陳超等[11]對上海市延安東路越江隧道等隧道內(nèi)CO 和NOx濃度分布及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實測，推算得到中國城市地下道路車流綜合平均CO，NOx污染物排放因子現(xiàn)狀，推算結(jié)果與PIRAC2012年關(guān)于中國地區(qū)的研究結(jié)果有較好的一致性，且明顯小于現(xiàn)行相關(guān)公路隧道規(guī)范的設(shè)計值；ZHAO D T 等[12]對西安市文昌門-和平門隧道內(nèi)CO 和NOx濃度分布及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實測，推算可反映西安市綜合平均CO，NOx污染物排放因子現(xiàn)狀；王明年等[13]對廈門翔安海底隧道內(nèi)污染物濃度進(jìn)行了實測，給出了隧道通風(fēng)運營建議；朱春等[14]對澳洲Vulture street 公交專用隧道內(nèi)的細(xì)微顆粒物和氣體污染物進(jìn)行實測，分析了自然通風(fēng)和縱向通風(fēng)下隧道內(nèi)NOx、細(xì)微顆粒物濃度及粒度的分布特征。

模型預(yù)測法基于國內(nèi)外學(xué)者開展的車輛排放模型對機動車污染物排放因子進(jìn)行預(yù)測。目前，確定車輛排放的代表模型有美國環(huán)保局MOBILE模型、歐洲委員會COPERT模型[15]。其中，COPERT模型現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于歐盟國家機動車污染物排放因子估算和防治等研究工作[16]。此外，我國機動車排放標(biāo)準(zhǔn)沿用歐洲體系，COPERT模型所需數(shù)據(jù)量較少，可操作性強，在我國機動車排放因子研究中得到了較好的推廣。馬因韜等[17]對比分析MOBILE，EMFAC，COPERT 等模型在中國的適用程度，得出COPERT模型更適合研究中國實際排放標(biāo)準(zhǔn)下車輛污染物的排放情況，可兼容我國目前和未來一段時間機動車排放標(biāo)準(zhǔn)；李荔等[18]以COPERT模型建立江蘇省2015年機動車排放清單，分析了分車型、排放標(biāo)準(zhǔn)以及道路類型的機動車污染物排放分擔(dān)率：何曉云等[19]以COPERT 計算了杭州市分車型分排放標(biāo)準(zhǔn)下的機動車排氣污染物的排放因子，并估算了分車型分排放標(biāo)準(zhǔn)下各污染物分擔(dān)率：謝軼嵩等[20]利用COPERT模型建立了南京市2014年機動車CO，NOx，VOCs，PM10和PM2.5排放量模型；朱倩茹等[21]以COPERT模型，對比分析不同參數(shù)，研究了重型柴油貨車對CO，VOC，NOx，PM，SO2等污染物排放因子的影響。

綜上所述，臺架測試法和隧道實測法可確定一定工況下的機動車排放因子，但結(jié)果離散性較大且難以快速反映排放因子的變化情況。此外，特長公路隧道在結(jié)構(gòu)特征、交通特征、工程建設(shè)場址氣候條件、城市發(fā)展水平等方面有較大差異性，簡單照搬公路隧道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)、國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范將帶來很多問題。

為動態(tài)跟蹤并把握特長公路隧道污染物排放現(xiàn)狀，科學(xué)評估機動車污染物排放因子動態(tài)變化特性。本文在考慮燃料特征、排放控制水平、不同路況下的典型行駛工況等因素影響的情況下，利用COPERT模型，結(jié)合隧道實測法，對分車型分標(biāo)準(zhǔn)的CO排放因子進(jìn)行了細(xì)化研究。

1 COPERT模型參數(shù)

COPERT模型計算機動車綜合排放因子時，需要明確車輛所滿足的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、平均行駛速度、車輛的平均行駛里程、燃料蒸汽壓和含硫量以及氣候參數(shù)等。中國對載客機動車主要是按照準(zhǔn)載乘客數(shù)進(jìn)行劃分，與COPERT模型按照發(fā)動機排氣量劃分方式不同。我國車型與COPERT 車型轉(zhuǎn)化的具體方法見文獻(xiàn)[22]。

COPERT V模型是平均速度型排放因子模型，本文選取30 km/h 作為平均行駛速度[23-24]。

本文設(shè)定汽油和柴油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%和0.05%，而汽油的蒸汽壓冬、春2季為88 kPa，夏秋2季為72 kPa。

氣候參數(shù)包括月最低氣溫和月最高氣溫。本文采用全國31 個省2016年各月的最高氣溫和最低氣溫的平均值，代表國家水平的平均情況。

本文在考慮以上國內(nèi)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，采用COPERT 的12.4 km 默認(rèn)值。

2 隧道CO單車污染物排放模型

根據(jù)我國機動車數(shù)據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)狀，將機動車劃分為汽油車（小客車、大客車）和柴油車（輕型貨車、重型貨車）4 類。將車輛平均車速、氣候條件等代入COPERT模型，可預(yù)測隧道內(nèi)4種車型的單車CO排放因子。

2.1 單車CO排放模型

汽油車在不同排放標(biāo)準(zhǔn)不同車速時的CO排放因子見表1。

表1 載客汽車的CO排放因子 g·km－1·輛－1

圖1 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下載客汽車CO排放因子

根據(jù)表1中小客車在不同運行速度下的CO排放因子，利用數(shù)學(xué)擬合方法（擬合度R2＞0.9），得到不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系見公式（1）～（3）。

式中：EF為CO排放因子；v為速度。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車CO排放因子曲線見圖2。

圖2 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車CO排放因子曲線

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下大客車CO排放因子曲線見圖3。

同理可得不同排放標(biāo)準(zhǔn)下大客車CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系見公式（4）～（6）。

圖3 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下大客車CO排放因子曲線

從表1可以看出，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)提高，小客車和大客車CO排放因子不斷減少，國III 和國IV標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子基本保持一致，但當(dāng)排放標(biāo)準(zhǔn)提升到國V 時，CO排放因子顯著下降。當(dāng)小客車和大客車速度在不斷增大時，CO排放因子不斷減小。不同排放標(biāo)準(zhǔn)下載客汽車的CO排放因子見圖1。

由圖1～圖3可知，小客車在不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度均呈多項式關(guān)系。大客車在國III 和國IV 排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度也呈多項式關(guān)系，在國V 排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度呈線性關(guān)系。因此，提升車輛排放標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)提高車輛行駛速度，有利于減少CO排放。

輕型貨車和重型貨車在不同速度下的CO排放因子見表2。

表2 載貨汽車的CO排放因子 g·/km－1·輛－1

從表2可以看出，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，輕型貨車和重型貨車CO排放因子不斷減少，國III 和國IV標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子差別不大，基本保持一致，但當(dāng)排放標(biāo)準(zhǔn)提升到國V 時，CO排放因子有顯著的下降。不同車速的載貨汽車的CO排放因子見圖4。從圖4可以看出，當(dāng)輕型貨車和重型貨車速度在不斷增大時，CO排放因子不斷減小。

圖4 不同車速的載貨汽車CO排放因子變化

根據(jù)表2，輕型貨車在不同運行速度下的CO排放因子，利用數(shù)學(xué)擬合方法，得到不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系見公式（7）～（9）。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下輕型貨車的CO排放因子曲線見圖5。

圖5 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下輕型貨車的CO排放因子曲線

重型貨車CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系，見公式（10）～（12）。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下重型貨車CO排放因子變化曲線見圖6。

圖6 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下重型貨車CO排放因子曲線

由圖4～圖6可知，輕型貨車和重型貨車在不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度均呈線性關(guān)系，且載貨汽車CO排放因子小于載客汽車的CO排放因子，表明柴油車CO排放量低于汽油車CO排放。

2.2 機動車綜合CO排放因子

根據(jù)《2018年中國機動車管理年報》數(shù)據(jù)，汽車已占機動車主導(dǎo)地位，其構(gòu)成按車型分類，客車占88.8%，貨車占11.2%；按燃料類型分類，汽油車占89.0%，柴油車占9.4%，燃?xì)廛囌?.6%；按排放標(biāo)準(zhǔn)階段分類，國I 前標(biāo)準(zhǔn)的汽車占0.1%，國I標(biāo)準(zhǔn)的汽車占3.7%，國II標(biāo)準(zhǔn)的汽車占5.5%，國III標(biāo)準(zhǔn)的汽車占21.2%，國IV標(biāo)準(zhǔn)的汽車占47.5%，國V 及以上標(biāo)準(zhǔn)的汽車占21.2%[25－29]。因此，綜合考慮現(xiàn)行車輛存在不同排放標(biāo)準(zhǔn)的情況，假定國III標(biāo)準(zhǔn)車型比例為30%，國IV標(biāo)準(zhǔn)車型比例為50%，國V標(biāo)準(zhǔn)車型比例為20%，定義CO 平均排放因子EFave-i見公式（13）。

式中：i為不同的車型種類，分別是小客車（PC）、大客車（BUS）、輕型貨車（LDV）、重型貨車（HDV）。

根據(jù)式（13），可得載客汽車和載貨汽車的CO平均排放因子，見表3、表4。

表3 載客汽車的CO 平均排放因子 g·km－1·輛－1

表4 載貨汽車的CO 平均排放因子 g·km－1·輛－1

2.3 隧道運營現(xiàn)狀實測

選取西安市南五臺公路隧道進(jìn)行機動車污染物排放濃度及排放因子的測試。采樣地點為隧道東行線，隧道全長912 m，隧道橫截面為39 m2，雙向4 車道，在測試期間，為避免通風(fēng)影響，關(guān)閉隧道風(fēng)機，可認(rèn)為隧道內(nèi)污染物濃度變化是由交通活塞效應(yīng)和自然風(fēng)造成的。采樣點布置在距隧道出、入口200 m處，采樣高度為1.5 m，測點位置見圖7。

圖7 測點布置示意

采樣時間從2019年5月13日至2019年5月19日，為期1 周，包括5 個工作日和2 個非工作日。每天采樣時段劃分為早晨(7:00～10:00)，下午(12:00～15:00)，晚間(17:00～20:00)，夜間(22:00～24:00)，共4 個時段。

利用TSI Q－Trak 儀器對環(huán)境溫度、相對濕度、氣壓和風(fēng)速進(jìn)行了探測。此外，在測點1 和2 各安裝1臺攝像機來記錄交通數(shù)據(jù)，包括車輛類型、數(shù)量和車速。采用Ecotech 公司的EC 9830型CO 分析儀對測點處的CO 進(jìn)行在線監(jiān)測，精確穩(wěn)定地測定CO 的實時濃度。所有儀器在使用前都進(jìn)行了標(biāo)定。

為減少數(shù)據(jù)誤差，對采樣期間溫度、濕度、氣壓和風(fēng)速數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果見表5。

表5 實測隧道不同時段環(huán)境參數(shù)

由表5可知，隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化范圍不大，有利于實現(xiàn)對污染物的測量。對車輛類型、車輛數(shù)目以及車速等交通特征進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表6。監(jiān)測期間隧道內(nèi)2 處測點的CO 濃度變化見表7。由表6、表7可見，測點2 相比測點1，CO 濃度有一定比例的增加。

表6 實測隧道采樣日期交通特征

表7 監(jiān)測期間隧道內(nèi)2 處測點的CO 濃度變化 g·km－1·輛－1

采用質(zhì)量平衡模型計算機動車污染物CO排放因子，見式（14）。

式中：EF為實測時間段內(nèi)混合機動車流的CO 平均排放因子，g/（km·輛）；N為采樣時間段內(nèi)通過隧道的機動車總量，輛；L為隧道內(nèi)測點1 和測點2 之間的距離，km；Coutlet，Cinlet為隧道測點2 和測點1 處CO濃度，g/m3；V為隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，m/s；T為采樣時間間隔，s；A為隧道橫斷面面積，m2。

將表5～7 中的監(jiān)測結(jié)果代入公式（14），可得4個時段的CO 平均排放因子，見表8。將表8 中機動車的CO 平均排放因子和COPERT模型預(yù)測CO排放因子對比，發(fā)現(xiàn)速度在40～70 km/h 時，和預(yù)測結(jié)果相吻合，驗證了COPERT模型在我國城市機動車CO排放因子計算的適用性。

表8 機動車分時段CO排放因子 g·km－1·輛－1

2.4 與現(xiàn)行設(shè)計參數(shù)比較

目前，我國隧道通風(fēng)工程設(shè)計計算主要根據(jù)JTG T D70 2－02—2014 《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》（以下簡稱細(xì)則）。細(xì)則中CO 污染物基準(zhǔn)排放量以2000年為起點，按每年2.0%的遞減率計算至設(shè)計目標(biāo)年份獲得的排放量，作為隧道通風(fēng)設(shè)計目標(biāo)年份的基本排放量：此外，PIARC 于2019年更新了《Road Tunnels Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation》報告中也給出了最新污染物排放因子研究成果。以小客車CO排放因子為例，對COPERT 計算結(jié)果和細(xì)則基準(zhǔn)量和PIARC最新研究成果進(jìn)行對比，見圖8。

圖8 小客車CO排放因子與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)特性比較

從圖8可知，COPERT模型計算得到的CO排放因子和PIARC最新研究成果吻合，遠(yuǎn)低于我國公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則基準(zhǔn)量，表明隨著汽車工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展與進(jìn)步，環(huán)保意識的日益增強，燃料品質(zhì)與道路路況的不斷改善，以及中國對機動車排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)厲，機動車CO排放因子也在呈逐漸減小趨勢。

3 結(jié)論

（1）利用COPERT模型，計算了機動車在不同排放標(biāo)準(zhǔn)、不同行車速度下的CO排放因子，建立了特長公路隧道的CO單車排放模型。

（2）根據(jù)不同排放標(biāo)準(zhǔn)車型比例，推算得到混合車流CO 平均排放因子，并基于隧道實測法，將CO實測數(shù)據(jù)和COPERT模型預(yù)測結(jié)果對比，表明COPERT模型的在中國機動車污染物排放因子預(yù)測方面適用性較強。

（3）將COPERT模型預(yù)測數(shù)據(jù)和PIARC2019年最新研究成果及中國通風(fēng)設(shè)計細(xì)則污染物排放因子基準(zhǔn)量進(jìn)行對比，COPERT模型預(yù)測數(shù)據(jù)和PIARC研究結(jié)果較為吻合，均遠(yuǎn)低于通風(fēng)設(shè)計細(xì)則規(guī)定的基準(zhǔn)量。