佛山市中心城區機動車限行對污染物削減效果的分析

劉永紅,畢索陽,周 兵,王 成,廖瀚博,李 璐,蔡 銘 (.中山大學智能交通研究中心,廣東 廣州 5075；.廣東省公安廳交管局,廣東 廣州 50440)

機動車尾氣是佛山大氣污染的重要來源.2008年佛山市機動車保有量達到180×104輛,且逐年增長.為迎接 2010年廣州亞運會,實施機動車限行是短期內降低機動車尾氣污染的主要手段之一[1-3].

作為廣州亞運會分賽區之一,佛山市于 2009年12月26日至12月29日,對部分區域實施機動車臨時限行措施[4].具體措施如下:禁止非綠色環保標志汽車(即黃標車或2001年10月1日前上牌、未申領環保標志的汽車)在禪城、南海、順德區內通行;在 26,27日對綠色環保標志車輛及摩托車在321國道以南、順德水道以北、佛山一環西線以東至廣佛邊界區域內通行進行單雙號限行;對民生影響重大的物資運輸車輛(包括公交車、長途客運車、客運出租車、廠企交通車、校車以及軍警、消防、救護、搶險、環衛用車)等不作限行.

佛山過境車輛來往頻繁[5],僅禪城區日過境車輛多達15×104次,且采用年平均行駛里程方法對限行前后的機動車排放效果進行分析具有一定的局限性,因此,需從道路交通流角度分析限行對機動車污染削減程度的影響[6].

排放因子是機動車尾氣排放量計算的主要參數.目前,常用的排放因子計算模式主要有美國MOBILE,IVE,CMEM 和歐洲 COPERT等[7-8].這些模型在國內外應用較廣[9-16],在大中城市機動車尾氣污染控制、評估中發揮了巨大的作用.

本研究從佛山市中心城區道路交通流、車型保有量等方面入手,利用COPERT模型定量測算限行前后中心城區各個主要道路的單位路段污染物年排放量,旨在掌握中心城區限行前后的機動車尾氣排放量、得出機動車污染削減規律,為全面降低中心城區機動車污染排放提供依據.

1 交通流對比與分析

1.1 基本方法

在相同監測位置對交通流視頻進行分析,得到限行區域不同類型的道路限行前后交通流狀況.按照廣東省環境保護局文件分類方法,并結合佛山機動車保有量數據庫,將車輛分為輕型汽油車,輕型柴油車,重型汽油車,重型柴油車四種車型,及摩托車.利用 COPERT IV模型計算佛山市不同排放標準下的機動車排放因子,分析限行前后不同類型道路的單位路段污染物年排放量,根據區內道路總長及道路類型分布,得出機動車限行效果及機動車污染排放削減百分比.

1.2 交通調查與分析

交通流調查在限行前后一周內進行.每天24h連續調查,選取了限行范圍內5條典型道路,涵蓋了此次限行范圍內所有類型:快速路、高速路、國道、主干道、次干道.再運用交通流視頻檢測軟件與人工計數結合的方法,獲得調查路段的流量、速度、車型比.在交通流檢測中,車型按廣東省車管所車型分類方法分為摩托車、小型車、中型車和大型車.檢測結果表明,限行前交通早高峰出現在7:00～9:00,晚高峰出現在 17:00～19:00.摩托車出行較多,比重較大,其在主干路、次干路、支路比例分別為54%、48%、64%.而限行后,交通流高峰時間基本不變,摩托車在道路中所占比例有所下降.

限行前的流量及車型變化如表1、表2所示.

表1 交通流量的調查結果對比Table 1 Comparison of traffic volume

表2 交通流車型比例變化分析(%)Table2 The proportion of different vehicular types (%)

根據以上調查結果,利用式(1)計算出限行前后中心城區所有道路平均交通流量:

式中: Dx為第 x種道路的交通流量,輛/d;RPx為第 x種道路長度占中心城區道路總長度比例,%;Ta為中心城區所有道路平均交通流量,輛/d.

由此,對比限行前后中心城區所有道路平均交通流量可以得出:若在中心城區全面限行,其交通流量的平均下降比例可達(-)32.5%.

2 機動車污染削減幅度的計算

2.1 測算模式的選擇

COPERT模型起源于歐洲委員會(EC) 開展的機動車排放因子研究,被歐洲國家所廣泛應用.相關研究表明[17],COPERT模式相對于MOBILE模型更加接近我國臺架實測值.其基礎車輛測試數據來源于與我國有著類似車型分類及排放法規的歐洲.為此,選用COPERT模式來計算佛山市排放因子.

2.2 排放因子的確定

表3 佛山市機動車保有量Table 3 Vehicle inventory of Foshan City

表4 佛山市機動車排放因子[g/(km?輛)]Table 4 Emission factors of Foshan City[g/(km?veh)]

由佛山市交通規劃年報、佛山氣象臺、車輛管理所保有量數據、及調查數據等確定模型敏感參數.由《佛山市交通規劃年度報告》[5],佛山市機動車單次出行平均行駛里程約為 9.2km/次.燃油參數的選擇參照國家車用燃油標準[18-19]、成品油標準及當前佛山石化企業燃油消耗水平.車輛排放標準比例參照車管所的數據(表3).道路縱坡度取 0,平均負載設置為 50%.累計行駛里程按年平均行駛里程與車輛上牌時間乘積來標識車輛劣化程度.計算了車速為 20～80km/h(速度梯度為5km/h)下,各種車型的排放因子.由于篇幅關系,文中僅列出了35km/h下的機動車排放因子計算結果,如表4所示.

2.3 單位路段污染物年排放量的計算

利用以下公式計算不同類型道路的單位路段污染物年排放量:

式中:Ea為單位路段的污染物年排放量,t/(km·a);Nx為第 x種車型的流量,輛/d;EFx為第 x種車型排放因子,g/km;為第t種車型第y類排放標準下的單位路段污染物排放量,t/(km·a);Nt為第t種車型流量,輛/d;為第t種車型第y類排放標準下的機動車排放因子,g/(km?輛);為第y類排放標準在類型t車型的比重,%.

因此,由式(2)可知,單位路段污染物年排放量的降低與排放因子及交通流量的下降密切相關.在機動車尾氣污染控制業務中需遵循廣東省環境保護局文件,機動車分為輕型汽油車,輕型柴油車,重型汽油車,重型柴油車和摩托車.因此,需參照廣東省環境保護局文件和廣東省車輛管理所車型分類方法,并結合佛山機動車保有量分布情況,將車型進行一一對應.方法如下:摩托車對應摩托車,小型車按機動車保有量中的燃料類型比例折算出輕型汽油車和輕型柴油車,同樣大型車按燃料類型比例折算出重型汽油車和重型柴油車,而中型車按車型大小比例和燃料比例折算成輕型汽油車、輕型柴油車、重型汽油車和重型柴油車.因此,按照上述方法將交通流量(小型車、中型車、大型車,摩托車)分別對應國0、國I、國II、國 III排放標準下的輕型汽油車、輕型柴油車、重型汽油車、重型柴油車、摩托車.但由于限行期間全面限制黃標車通行,國 0汽車禁止上路,而上路的摩托車仍包括 4排放標準.因此,需將限行期間的交通流量(小型車、中型車、大型車,摩托車)對應至國I、國II、國III排放標準下的輕型汽油車、輕型柴油車、重型汽油車、重型柴油車以及國0、國I、國II、國III排放標準下的摩托車.

此外,由于限行前后調查路段速度存在差別,需采用不同速度等級的排放因子對限行前后單位路段污染物年排放量的進行計算和分析.

3 機動車污染削減幅度的分析

以調查路段為依據,對限行前后不同類型道路的單位路段污染物年排放量(Ea)進行對比和分析,得出上不同類型道路上4種主要污染物(CO、NOx、VOC、PM)的削減幅度,結果如表 5所示.并結合區內不同類型道路長度占區內所有道路長度比例,分析區內各污染物的平均削減幅度.

3.1 不同類型道路的CO削減幅度分析

表5 不同類型道路的單位路段排放量對比Table 5 Comparison of emission source intensity

CO為烴燃料燃燒的中間產物,且點燃式發動機與壓燃式發動機發火方式的異常,導致汽油車 CO排放因子較高.通過對此限行前后不同道路類型交通流可知,除流量均出現不同程度的下降外,車型比率亦出現較大變化.摩托車比例均出現不同程度的下降,而小型車比例上升.與此同時,由于黃標車限制出行,導致車輛綜合排放因子出現下降趨勢.從表5可知, 國道、高速路、快速路、主干路、次干路CO分別削減35.74%、62.44%、46.10%、51.66%、71.79%.

3.2 不同類型道路的NOx削減幅度分析

NOx的生成主要受到氧氣含量,燃燒溫度以及燃燒產物在高溫中停留時間的影響.由于柴油機氧氣充足,壓燃式的發火機理,因此導致其NOx排放因子較高.由于限行前后車流量明顯下降,導致了NOx一定程度的下降,但由于摩托車占有率的下降以及小型車和大型車比例的提高,導致NOx下降程度較低.與此同時,黃標車的限行對NOx排放因子的下降有較大影響.從表5可知:國道、高速路、快速路、主干路、次干路 NOx分別削減19.83 %、46.03 %、49.60 %、39.15 %、48.76 %.

3.3 不同類型道路的VOC削減幅度分析

VOC主要由汽車排氣管,燃油蒸發以及燃燒室泄漏等因素導致.而其在排氣管產生機理為多種原因引起的不完全燃燒,燃燒室的壁面淬熄作用,熱力過程的狹縫效應,壁面油膜和積炭的吸附作用,等.其產生機理與CO類似,主要由汽油機產生.從表5可知:國道、高速路、快速路、主干路、次干路VOC分別削減23.67%、48.71%、38.22%、46.33%、70.37 %.

3.4 不同類型道路的PM削減幅度分析

由于汽油機與柴油機燃燒機理的不同,汽油機與柴油機排放的微粒物也不同.汽油機 PM 主要組成為鉛化物、硫酸鹽等低分子物質,而柴油機微粒排放遠高于汽油機,成分也更為復雜.區內PM主要由輕型柴油車及重型柴油車分擔.從表5可知:國道、高速路、快速路、主干路、次干路PM分別削減38.97%、48.97%、54.01%、50.25%、60.42%.

3.5 區內平均削減幅度的分析

從表5中可以看出,限行前后國道、高速路、快速路等不同類型道路的單位路段污染物年排放量削減程度不一.通過式(4)可計算出區內所有道路的單位路段污染物排放量,即按不同類型道路長度占所有道路長度的比例將不同類型道路的單位路段污染物年排放量進行加權平均.

式中:Ev為區內所有道路的單位路段污染物年排放量;RPx為第x種道路長度占區內所有長度的比例,%;Ex為第x種道路的單位路段污染物年排放量,t/(km·a).

由此,對比限行前后中心城區所有道路的單位路段污染物年排放量可以得出:若在中心城區全面展開機動車限行,其區內各種污染物平均削減幅度如表6所示.

表6 機動車排放削減幅度分析Table 6 Reduction rate of vehicle exhaust emission

4 結語

利用COPERT模式計算出佛山地區不同速度等級(20～80km),不同排放標準(國0、國1、國II、國 III),不同車型(輕、重、摩托),不同燃料類型(汽油、柴油)下的機動車排放因子,由于采用年平均行駛里程方法測算限行前后機動車污染削減量所存在的局限性,運用交通流推算方法,通過在同一監測點位調查限行前后區內 5條不同道路類型24h的交通流量、速度及車型比等車流參數,并以此為依據,采用同種類型道路削減幅度類似的原則,推斷區內采用機動車限行前后主要污染物的削減幅度.結果表明,如區內全部開展此類機動車限行,機動車道路流量平均下降32.5 %,單位路段污染物(CO、NOx、VOC、PM)排放量分別下降48.1%、39.2 %、43.6 %、49.2 %.

[1]周俐峻.在用機動車排氣污染物的危害與防治對策 [J]. 科技資訊, 2009,31:249-250.

[2]趙 靚.機動車尾氣污染及其減排措施 [J]. 環境科學與管理,2008,5(33):87-88.

[3]張建民,機動車行駛速度對排放污染物的影響 [J]. 江蘇環境科技, 2007,4(20):64-65.

[4]佛山市環保局.佛山市環保系統空氣質量測試對機動車實行臨時限行措施實施方案 [R]. 佛環[2009]324號. 3-4.

[5]佛山市規劃局,佛山市城市規劃勘測設計院.佛山交通規劃年報,2008.

[6]國家環保總局.HJ/T 180-2005城市機動車排放空氣污染測算方法 [S]. 北京:中國環境科學出版社, 2005.

[7]王歧東,丁 焰.中國機動車排放模型的研究與展望 [J]. 環境科學研究, 2002,15(6):52-55.

[8]霍 紅,賀克斌,王歧東.機動車污染排放模型研究綜述 [J]. 環境污染與防治, 2006,28(7):526-530.

[9]Kassomenos P. Daily variation of traffic emissions in Athens,Greece. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENVIRONMENT AND POLLUTION, 2009,36(1–3):324–335.

[10]Mensink C. An urban transport emission model for the Antwerp area [J]. ATMOSPHERIC ENVIRONMENT, 2000:4595-4602.

[11]傅立新,郝吉明,何東全.北京市機動車污染物排放特征.環境科學, 2000,5(3):68-70.

[12]劉 歡,賀克斌,王岐東.天津市機動車排放清單及影響要素研究 [J]. 清華大學學報:自然科學版, 2008,48(3):371-374.

[13]王海鯤,陳長虹,黃 成.應用 IVE模型計算上海市機動車污染物排放 [J]. 環境科學學報, 2006,26(1):1-9.

[14]祝昌健.廣州市機動車尾氣排放系數及污染趨勢探討 [J]. 中國環境科學, 1997,17(3):216-219.

[15]吳 燁,郝吉明,傅立新.澳門機動車排放清單 [J]. 清華大學學報:自然科學版, 2004,42(12):1601-1604.

[16]徐成偉,吳超仲,初秀民.基于 CMEM 模型的武漢市輕型機動車平均排放因子研究 [J]. 交通與計算機, 2008,4(26):185-188.

[17]謝紹東,宋翔宇,申新華.應用 COPERT Ⅲ模型計算中國機動車排放因子 [J]. 環境科學, 2006,27(3):415-419.

[18]中華人民共和國質量檢驗檢疫總局.GB17930-2006車用汽油[S]. 北京:中國標準出版社, 2006.

[19]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 19147-2003車用柴油 [S]. 北京:中國標準出版社, 2004.

致謝：感謝佛山市環境保護局協助完成交通流拍攝工作.