高速公路隧道法研究機動車VOCs排放因子試驗

王玲玲+馬雙良+梁晶+王楠+王維思

摘要：通過高速公路隧道法測試各種機動車在正常行駛狀態下的VOCs排放，研究了機動車VOCs的排放特征和排放因子。試驗為避免城市內隧道實驗時受交通路況和車型等因素限制，選取連霍高速的康店隧道作為研究對象，得到31種C3～C12范圍內的VOCs排放因子，排放因子由大到小前三位是甲苯（8.74±6.12）mg/（km·輛）、萘（8.06±7.04）mg/（km·輛）、苯（5.63±2.88）mg/（km·輛），輕型車、重型車和客車的排放因子依次為：4.89 mg/（km·輛）、4.87 mg/（km·輛）和8.46mg/（km·輛）。試驗數據在一定程度上反映了機動車勻速行駛條件下的VOCs排放狀況，可為機動車污染控制提供研究基礎。

關鍵詞：高速公路隧道試驗；排放因子；機動車尾氣

中圖分類號：U467.48

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22000404

1 引言

大氣環境中的揮發性有機物VOCs不僅參與生成氣溶膠[1]，其較強的光化學反應活性也成為臭氧和光化學煙霧形成的前提[2，3]，對復合型大氣污染的形成至關重要。交通運輸是全球最大的VOCs人為排放源[4]，對于流動機動車的研究主要包括交通干道研究、臺架試驗研究和隧道研究等。機動車臺架試驗可獲得單輛車的排放因子[5]，綜合平均排放因子需通過現場試驗或模式計算獲得[6]。隧道實驗通過在隧道內外監測污染物的濃度，并根據現場的車流參數，獲得對應車輛的平均排放因子。與臺架測試相比，隧道實驗不但能獲取大量車輛樣本的排放水平，而且可反映機動車在實際交通流內的排放特征。一般選取隧管長、坡度和彎度較小、單向通車、通風口少且交通流量大的隧道進行試驗。隧道實驗研究機動車排放VOCs在國內外已廣泛開展。Touaty等[7]對巴黎某隧道大氣VOCs進行了實地測量和模型估算，指出異戊烷、乙烯、乙炔、丙烯和正丁烷在TVOC中含量最高。廣州珠江隧道試驗濃度最高的前三種為乙烯、異戊烷和甲苯[8，9]。在隧道試驗測定機動車VOCs排放的有關文獻中，大部分選取城市內隧道進行研究，不足之處在于車速受交通路況等影響較為顯著，而且車型受一定限制，中重型車偏少，測得的排放因子僅代表該區域車輛在一定情況下的結果，影響測試結果的代表性。因此，本研究在國內機動車排放研究中首次選擇了高速公路隧道進行機動車VOCs排放因子的研究。優點是所測車輛速度均勻（中等車速80km/h）、沒有城市擁堵造成的怠速情況，更接近不同車輛尾氣實際排放情況，增加了研究結果的使用范圍和代表性。通過隧道試驗研究了各種機動車在正常行駛情況下的VOCs排放，以彌補怠速情況下測試結果的不足。

2 試驗方法

2.1 隧道試驗

隧道試驗測試地點為我國公路東西交通大動脈連霍高速鄭州至洛陽段的康店隧道，全長0.975 km，截面積90 m2，測試有效長度0.870 km，測試點位分別位于隧道入口的50 m處和出口30 m處，測試點位在右側。使用帶有限流閥的不銹鋼蘇碼罐采集VOCs，采樣時間30～40 min，采集時間在9：00～17：00。該隧道中沒有設置風機，完全為自然排風，中間沒有風口。每次采集樣品時，同步計量通過車輛情況，統計車輛按輕型車（含面包車商務車）、客車（包括載人長途中巴和大巴車）和重型車（包括中型和重型柴油貨車）分類。測試時天氣晴朗，風力3級以下。

測試期間，總車流量在480～800輛/h不等，從10：00～16：00，除中午12：00～13：00車流量在500輛左右，其他時段車流量穩定在800±100輛/h間。三種車型的比例也比較穩定，小轎車等輕型車占53%～72%，每小時在460±106輛之間；重型貨車占25%～42%，每小時在212±20輛之間；大巴車明顯少于其他兩種車型，占3%～5%，每小時在32±8輛之間。

2.2 儀器分析方法

試驗儀器主要有：DSQⅡ氣相色譜質譜儀（美國賽默飛世爾公司）；DB-624 毛細管柱（美國安捷倫科技有限公司，60 m×0.32 mm×1.8 μm）；7100A 預濃縮儀（美國Entech 公司，配美國Entech 公司7016A 自動進樣器）；4600A 氣體動態稀釋儀（美國Entech 公司）；3100 罐清洗儀（美國Entech 公司）；蘇瑪罐（美國Entech 公司）；TO15 標準氣體、PAMS 標準氣體、內部標準氣體（φ=1×10-6，Linde Gas North America LLC）。

3 結果與分析

3.1 隧道進口和出口VOCs質量濃度

VOCs測定數據的結果顯示，進口處VOCs濃度在22～120 μg/m3之間，出口處對應進口處VOCs濃度增加了7～53 μg/m3。與北京大學邵敏等人2004年對廣州市珠江隧道（城市隧道）的測試結果[8]比較，康店高速隧道中重型車比例明顯高于珠江隧道（圖1），但車流量和進、出口處VOCs濃度均低于珠江隧道。高速公路的機動車排放因子具有不同的特點，其測試參數見表1。

將各參數代入公式（1）可得到VOCs各組分的排放因子，表2按照保留時間排序列出了尾氣VOCs排放中占主要含量的31種化合物的排放因子。

31種化合物的排放因子由大到小分別為甲苯（8.74±6.12）mg/（km·輛），萘（8.06±7.04）mg/（km·輛），苯（5.63±2.88）mg/（km·輛），二甲苯（3.07±1.89）mg/（km·輛），異戊烷（2.94±1.01）mg/（km·輛），丙烯（2.80±1.6）mg/（km·輛），正己烷（2.21±1.19）mg/（km·輛）等。

本課題研究結果和文獻中美國高速公路隧道實驗結果基本一致，不一致的是美國隧道尾氣中異戊烷最高；1993年Fort Mchenry隧道實驗[10，11]中機動車（輕型車）首要排放物為異戊烷（31.9±2.5）mg/（km·輛），其次為甲苯（28.5±2.6）mg/（km·輛）和二甲苯（23.9±419）mg/（km·輛）。而2002年美國Gubrist隧道實驗中機動車[12，13]排放因子研究顯示，相比1993年VOCs排放因子下降了80%左右，異戊烷和甲苯的排放因子分別下降到（6.2±0.7）和（6.4±0.8）mg/（km·輛）。初步分析VOCs排放因子高低和燃料品質及發動機催化器有一定關系，本研究中高速公路排放因子和2002年美國的排放因子水平接近。endprint

目前，國內鮮少有關于高速公路隧道試驗測定排放因子的研究結果，城市隧道試驗中廣州珠江隧道測試VOCs各組分以乙烯排放居首位，達到（52.9 ±7.4）mg/（km·輛），其次為異戊烷和甲苯。和廣州珠江城市隧道試驗相比，本次高速公路隧道實驗結果明顯偏低，這與車流量及車速、路況有直接關系，廣州珠江城市隧道監測期間高峰期出現堵車，且車輛中有摩托車等高排量的城市動力車，而本研究監測的高速公路隧道在監測期間車輛行使速度均勻，未出現堵車等非正常運行狀態，也沒有摩托車和其他動力車。研究結果比較接近車輛正常運行的實際排放情況。

需要說明的是本課題采用的儀器設備分析的VOCs范圍是C3～C12，因此分析結果不包括乙烷、乙烯和乙炔。

3.3 不同車型綜合VOCs平均排放因子

由質量平衡計算得到隧道試驗事例中機動車車組排放的污染物總質量M（g）后，機動車排放VOCs受車型影響。各個采樣時段，由于機動車構成的差異，排放因子的值也是不相同的。因此，可以根據各個樣本的排放因子和機動車構成比例，采用線性回歸模型求解各類機動車的排放因子（圖2）。可通過公式（2）計算得到隧道實驗事例中所有機動車平均排放因子：

車輛平均排放因子反映隧道內不同采樣時間機動車的平均排放水平，代表某種平均行駛速度、機動車組成、車齡分布和行駛里程分布情況的排放因子。大部分的隧道研究采用的方法是把機動車分為重型車和輕型車2類求解，考慮到載客大巴和重型車的區別，本課題將車型分為輕型車、重型車和客車三類來分擔排放因子。連霍高速公路是我國公路交通的東西大動脈，本研究通過對高速公路隧道試驗的尾氣測定可以得到重型車、客車和輕型車的排放因子。由模型計算結果可知，對12個樣本進行回歸分析，得到小型車排放因子為4.89 mg/（km·輛），客車排放因子為8.46mg/（km·輛），貨車排放因子為4.87 mg/（km·輛）（r2=0.737）。

3.4 動車尾氣VOCs的T/B比值

探查環境空氣中VOCs的污染來源時，常用甲苯和苯比值（T/B）關系來判斷機動車尾氣排放的貢獻[14]。苯是機動車尾氣VOCs的示蹤化合物，而甲苯除機動車外，還受多種污染源的影響，有研究機動車發動機燃燒等發現，當T/B比值小于2.0表示受機動車尾氣影響顯著，而受溶劑揮發等其他VOCs排放源影響時，T/B則相對較大。本研究中高速隧道T/B統計結果是1.16±0.54，而監測期間車輛在進入隧道的速度在60～100 km/h間（高速公路隧道的限速為80 km/h），從監測結果可見，當車輛在正常行駛過程中，油料燃燒較為充分，特別是高速公路隧道處于遠離城市外開闊環境，沒有其他的污染源，隧道中VOCs成分和T/B比值更能反映機動車實際運行的尾氣排放情況，T/B比值小于2規律明顯，隧道內和隧道口大氣具有明顯的機動車尾氣排放特征（表3）。

4 結論

（1） 連霍高速公路康店隧道測試機動車排放，得到31種C3～C12范圍內的VOCs排放因子，和2002年美國的排放因子水平接近。由大到小前三位是甲苯（8.74±6.12）mg/（km·輛）、萘（8.06±7.04）mg/（km·輛）、苯（5.63±2.88）mg/（km·輛），二甲苯、異戊烷、丙烯、正己烷排放因子緊隨其后。

（2） 康店高速公路隧道實驗得到輕型車、重型車和客車的排放因子依次為：4.89 mg/（km·輛）、4.87 mg/（km·輛）和8.46 mg/（km·輛）（r2=0.737）。

（3） 本研究中高速隧道T/B統計結果是1.16±0.54，說明隧道內和隧道口大氣VOCs的主要貢獻為機動車尾氣排放。

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Abstract： The emission of VOCs from vehicles under normal driving conditions is tested by the highway tunnel test to study the emission characteristics and emission factors of VOCs. Kangdian tunnel along Lian-Huo Expressway was selected to avoid some limiting factors， such as road traffic and vehicle types. The experiment results presented emission factors covering thirty-one species of VOCs from C3 to C12.Top 3 VOCs species with the highest emission factors were toluene， naphthalene and benzene andtheir emission factors were（8.74±6.12）mg·km-1·veh-1，（8.06±7.04）mg·km-1·veh-1 and（5.63±2.88）mg·km-1·veh-1， respectively. The emission factors for light duty vehicles， heavy duty vehicles and passenger vehicles were 4.89 mg·km-1·veh-1，4.87 mg·km-1·veh-1 and 8.46mg·km-1·veh-1， respectively. The results reflect the VOCsemissions of the motor vehicle under the condition of constant running， providing the research foundation for the pollution control to a certain extent.

Key words： expressway tunnel experiment； emission factors； vehicle exhaustendprint