杭州市區機動車污染物排放特征及分擔率

李新興 ,孫國金,王孝文,田偉利,張清宇*,焦 荔

(1.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 310058；2.浙江大學化學工程系,浙江 杭州 310058；3.杭州合一環境科技有限公司,浙江 杭州 310058；4.杭州市環境監測中心站,浙江 杭州 310007)

我國機動車保有量巨大,年均增長率高達12.6%,2009年首次成為世界機動車產銷第一大國[1].機動車排放的污染物已經成為許多城市大氣污染物的重要來源[2-4],而且由于機動車大多行駛在人口密集區域,尾氣排放會直接影響人體健康.我國在“十二五”期間將重點削減NOx的排放,而機動車是其排放的重要來源.因此,控制機動車污染物的排放已成為防治城市污染的重點工作之一,而對機動車尾氣排放特征及分擔率的研究是必不可少的基礎工作.

許多學者已開展了對機動車污染排放特征及分擔率的研究,如北京[5]、珠江三角洲[6]、重慶[7]、長春[8]、濟南[9]等,這些研究大多采用模型或其他方法獲得研究區域的排放因子,計算出機動車污染物排放清單,獲得了分車型、地區、道路類型、排放標準以及燃料類型的機動車尾氣排放特征與分擔率,部分研究還計算出了機動車排放源在總排放源中的分擔率.這些研究為了解機動車污染物的排放現狀,合理有效的制定機動車污染防治的管理策略提供了理論支持和決策依據.

國際機動車排放模型(IVE)是由國際可持續發展研究中心(ISSRC)和加州大學(UCR)河邊分校共同開發的專為發展中國家機動車污染控制工作開發的機動車排放模型.IVE模型在我國機動車污染排放的研究中應用較為廣泛[10-12],郭慧等[13-14]對杭州市基本排放因子也做了本地化校正.張清宇等[15]基于動態排放因子建立了杭州市未來20年的排放清單.本文選擇杭州市主城區為研究區域,利用修正后的IVE模型計算出杭州市區機動車的排放因子,建立了2010年機動車排放的CO、NOx、HC和PM10污染物排放清單,分析了杭州市區分車型、燃料類型、排放標準以及道路類型的機動車污染物排放特征及分擔率,以期為杭州市機動車污染防治和環境綜合治理提供決策依據和參考.

1 機動車污染物排放清單

1.1 研究方法及資料來源

分別選取杭州市區高速路、快速路、主干道和民用支路4種典型道路,于2010年對機動車運行參數進行了為期 2個月的調研測試.調研時間7:00～22:00,包括工作日和非工作日,測試采用 GPS接收器逐秒收集機動車實際運行參數,拍攝得到交通流量視頻資料,結合視頻檢測分析技術,獲得調查路段每小時的車流量、車速和車型比例等數據.

根據我國機動車分類方式,結合杭州市統計年鑒[16],將杭州市機動車分為乘用車、出租車、公交車、輕型貨車和重型貨車 5類,整理得出2010年杭州市不同排放標準和不同燃油類型的機動車保有量數據,如表1所示.機動車日均啟動次數和年均行駛里程(VKT)數據,引用本課題組之前的研究結果[17-18],如圖1所示.

表1 2010年杭州市機動車保有量 Table 1 Vehicle inventory of Hangzhou city in 2010

圖1 杭州市不同車型的日均啟動次數和年均行駛里程Fig.1 Vehicle annual mileage and daily start-ups for Hangzhou vehicles

根據機動車調研獲得的車輛行駛工況數據,利用修正后的 IVE模型計算出杭州市每小時的機動車CO、NOx、HC和PM10的啟動和運行排放因子,最終計算出不同道路類型、不同排放標準下、不同車型的機動車啟動和運行的綜合排放因子,并建立杭州市機動車污染物排放清單.

1.2 排放清單的計算

國際上通用的大氣污染物排放清單的計算公式為:排放清單=活動水平×污染物的排放系數.本研究中機動車污染物排放清單的計算公式如式(1).

式中:EF為i型機動車排放量,t/a;Ai為i型車的數量,輛;EFs,i為i型車的啟動排放因子,g/(次·輛);Si為i型車的啟動次數,次/d;EFr,i為i型車的運行排放因子,g/(km·輛);VKTi為i型車的年均行駛里程,km.

利用 IVE模型計算的排放因子、機動車保有量以及機動車日均啟動次數和年均行駛里程和式(1)計算得出杭州市 2010年機動車 CO、NOx、HC和PM10排放清單.2010年杭州市機動車CO、NOx、HC和PM10的排放量分別為44.05,2.31,4.43,0.65萬t/a.

2 機動車尾氣排放特征及分擔率

2.1 分車型排放分擔率

不同車型的車輛由于排放因子、運營比例、行駛里程和保有量等特征參數的不同,其在機動車污染物排放總量中所占的比例會有顯著差異.城市機動車分車型排放分擔率是指研究區域內機動車不同車型污染物排放量與該污染物機動車排放總量之比.2010年杭州市區不同車型機動車污染排放分擔率如圖2.

由圖2可知,杭州市區中不同車型對 CO、NOx、HC和PM10的排放貢獻水平差別較大.乘用車、出租車和公交車是CO排放的主要來源,三者 CO排放總量的 97%以上,其中乘用車是CO排放的最主要來源,占總排放量的64.7%;乘用車和公交車是 HC排放的主要來源,分別占HC總排放量的 66%和 19.8%;重型貨車、公交車和乘用車是NOx排放的主要來源,三者占NOx總排放量的 93%以上;重型貨車和公交車是PM10排放的主要來源,二者約占 PM10總排放量的90%.由圖1可知,輕型車是杭州市CO和HC排放的主要來源,重型車是 NOx和 PM10排放的主要來源,這主要是由于不同車型尾氣控制系統的分布差異有關,乘用車雖然保有量較大,但由于 NOx和 PM10的排放因子較小,對 NOx和PM10的排放貢獻較小.

圖2 2010年杭州市區不同車型的排放分擔率Fig.2 Vehicle emission distribution of different type of vehicles in Hangzhou district in 2010

2.2 燃油類型排放特征

為了解機動車燃料對污染物排放情況的影響,對杭州市機動車中汽油車和柴油車保有量與排放分擔率進行了分析,如圖3所示.

圖3 2010年杭州市機動車燃料排放分擔率Fig.3 Emission contribution of different fuel types in Hangzhou

由圖 3可知,杭州市機動車燃油比例對不同污染物的排放貢獻率不同.對 NOx和 PM10,柴油車的排放分擔率遠大于其保有量的貢獻率,且柴油車對PM10的排放分擔率要大于其對NOx的排放分擔率.而柴油車對CO和HC的排放分擔率低于其保有量的貢獻率.汽油車的CO和HC排放貢獻率高于其保有量貢獻率,分別高出 12%和 4%.這種不同燃料類型對機動車污染物排放貢獻的差異與不同燃料的機動車尾氣控制系統和排放因子的差異性密切相關.此外,以柴油為主要燃料動力的機動車,受燃料供應水平和各地方對柴油車標準的控制力度影響,燃油品質往往不高,其對于PM10和NOx的排放因子遠高于等同動力效能下汽油車的對應排放因子.

結合圖2和圖3,可以看出,CO和HC的排放主要來自汽油乘用車;NOx主要來自重型貨車和公交車,2種燃油的差別不大;PM 的排放主要來自柴油重型貨車,其次是柴油公交車.

2.3 啟動與運行排放特征

機動車污染物排放主要由機動車在啟動和運行過程中產生,啟動和運行過程對機動車污染物排放的貢獻率,如圖4所示.

圖4 杭州市2010年機動車啟動運行排放特征Fig.4 Emission contribution of running and start in Hangzhou

由圖 4可知,機動車污染物排放主要是在運行過程中產生的,啟動過程對 4種污染物的貢獻率都較小,HC的啟動排放占HC總排放的9%,其他3種污染物的啟動排放約占5%左右.機動車污染控制需重點控制運行排放.

雖然啟動排放因子有時會比運行排放因子大,但是由于機動車啟動的時間很短,在機動車行駛過程中的比重很小,所以啟動和運行排放呈現圖4的分布.

2.4 不同排放標準車輛分擔率分析

在過去幾年中,我國不斷實施嚴格的機動車污染物排放標準,以控制機動車尾氣的排放.滿足不同排放標準的車輛其尾氣控制系統也有所差異,杭州市機動車中滿足不同排放標準的車輛所占的比例不同,不同標準車輛的保有量貢獻率與污染物排放分擔率,如圖5所示.

圖5 杭州市不同排放標準下污染物排放分擔率Fig.5 Vehicle emission contribution of different vehicle standards in Hangzhou district in 2010

由圖5可知,不同排放標準的車輛對污染物排放的貢獻率差異較大.國0和國I車輛的4種污染物排放分擔率均大于其保有量貢獻率,國Ⅲ車輛的4種污染物排放分擔率均小于其保有量貢獻率.占保有量 30%的國 I前(含國 I)車輛,對機動車CO、HC、NOx和PM10的排放分擔率分別為67%、69%、58%和82%;占保有量49%的國Ⅲ車對CO、HC、NOx和PM10的貢獻率僅為11%、7%、15%和2%;國Ⅱ機動車保有量與其污染物排放分擔率相當.說明實施嚴格的機動車污染物排放標準有利于控制機動車污染物的排放,杭州市機動車污染物的控制主要以國 0和國I車輛為主.

2.5 道路類型分擔率分析

不同類型道路上機動車的污染物排放量計算為用機動車道路排放源強與道路長度的乘積,具體如式(2)所示:

式中:E為j型道路機動車年排放量,t/a;Li為j型道路的長度,km;EFi,j為j類型道路i小時的綜合排放因子,g/(km·輛);Vi,j為j型道路i小時的車流量,輛/h.

由圖 6可知,杭州市不同類型道路上機動車污染物排放分擔率不同.主干道和民用支路上的機動車是 4種污染物排放的主要來源,主要是因為主干道和民用支路在道路類型中所占比例較大,合計為 92%.主干道占道路總長度的 24%,是機動車CO、HC和NOx排放的主要來源,貢獻率分別為 66%、65%和 64%,這主要是因為主干道路面較寬、車流量較大,高峰時期出現交通擁堵等, 由于部分主干道對卡車限行,故對PM10的排放貢獻率為 34%.民用支路雖然占道路總長度的68%,但由于道路暢通,車流量較小,對機動車CO、HC和NOx的排放貢獻率較低,但是由于民用道路未對卡車進行限制,因而其 PM10的排放貢獻相對較大,約為55%.高速路和快速路合計占道路總長度的8%,對4種污染物的貢獻率均較小;但由于快速路處于主要的交通區域,車流量較大,車速也相對較低,故污染排放貢獻率比高速路大.同時快速路由于沒有紅綠燈限制,車流量和車速都高于主干道,其對污染物的排放貢獻率大于道路比例,其中CO、HC和NOx的排放分擔率約高出道路比例10%.這說明,對針對不同道路類型的局部機動車污染控制措施,其手段和策略也應存在差異.

圖6 杭州市2010年機動車道路類型分擔率Fig.6 Vehicle emission contribution of different road types in Hangzhou district in 2010

3 結論

3.1 2010年杭州市機動車CO、NOx、HC和PM10的排放量分別為44.05、2.31、4.43和0.65萬t/a.3.2 乘用車、出租車和公交車是CO排放的主要來源,三者占CO排放總量的97%以上;乘用車和公交車是HC排放的主要來源,分別占HC總排放量的 66%和 19.8%;重型貨車、公交車和乘用車是NOx排放的主要來源,三者占NOx總排放量的93%以上;重型貨車和公交車也是PM10排放的主要來源,二者約占 PM10總排放量的 90%.輕型車是杭州市CO和HC排放的主要來源,重型車是NOx和PM10排放的主要來源.

3.3 杭州市機動車燃油比例對不同污染物的排放貢獻率不同.柴油車的NOx和PM10排放分擔率遠大于其保有量的貢獻率,而對CO和HC的排放分擔率低于其保有量的貢獻率.運行排放是機動車排放的主要來源,啟動排放對 4種污染物的貢獻率較小,約占總排放的4%～5%.

3.4 執行不同標準的機動車保有量貢獻率與污染物排放分擔率不成比例.占保有量 30%的國 0和國I車輛,對機動車CO、HC、NOx和PM10的排放分擔率分別為 67%、69%、58%和 82%;占保有量49%的國Ⅲ車對CO、HC、NOx和PM10的貢獻率僅為11%、7%、15%和2%.國0和國I車輛是機動車污染物控制的主要對象.

3.5 主干道上的機動車CO、HC和NOx排放較大,貢獻率分別為66%、65%和64%;快速路上的機動車污染物的排放貢獻率大于道路比例,其中CO、HC和NOx約高出道路比例10%,民用支路上的機動車是 PM10排放的主要來源.針對不同道路類型的局部機動車污染控制措施,應采取不同的手段和策略.

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