機動車排放控制應用模型初探

(中國環境出版有限責任公司，北京 100062)

1 機動車排放控制研究綜述

在幾十年機動車污染控制進程中，無論是在經濟政策、管理對策，還是技術措施上，國內外都已經積累了較豐富的經驗。

1.1 排放控制技術措施

國內外出現的排放控制技術措施包括改善機動車供油系統、點火系統，改進燃燒室結構、安裝三元催化轉化器、顆粒物捕集器、使用無鉛汽油、使用添加劑、使用LPG、CNG及醇類燃料、使用電動車及混合動力車等。

1.2 排放控制管理對策

管理對策包括在用車檢測維修(I/M)制度、老舊車輛淘汰制度、制定和加嚴排放標準、對高排放車實行限行、鼓勵公共交通、單雙號、部分街道限行、汽車牌號標志實行限行措施、交通擁堵治理等。

1.3 排放控制經濟政策

經濟政策包括機動車排污收費、排污權交易、對生物柴油免征消費稅、根據發動機功率征收車輛流通稅、車輛注冊稅、卡車行駛里程稅、道路使用稅、燃油稅等。

2 排放對策評價方法研究綜述

成本效益分析(Cost-Benefit Analysis，簡稱CBA)屬公共經濟學研究領域，主要面向政府在交通、城建等方面制定政策和投資項目的評價上。上世紀80年代后期，美國學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境改善和可持續發展方面，例如溫室氣體、工業污染減排等，開始得到了廣泛的應用，并于上世紀90年代中期應用在機動車污染控制對策的評估中。

成本效益分析中常用的三項經濟指標為凈現值(Net Present Value，NPV)、內部收益率(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：在所評估的項目的實施期間，將收益流與成本流對時間進行貼現，貼現使所有這些成本與效益都處于共同的時間框架內，從而可以對所提議項目在一段時期內(或生命周期內)的效益流與成本流(包括直接的項目投入與產出，以及能夠量化確認的環境效果)進行準確的比較和評價。

3 排放模型綜述

3.1 概述

用于城市區域空氣質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)，該尺度的空氣質量模型可以反映城市范圍內機動車污染物排放對環境的影響，為制定相應的控制措施和策略的基礎。另一種為城市微尺度的空氣質量模型，其主要模擬城市道路和十字路口處的機動車排放污染物的擴散。

3.2 模型歷史

國內外對中小尺度的空氣質量模型研究已經發展了三代。第一代空氣質量模型是高斯模型和拉格朗日煙團軌跡模型，其代表是EIAA模型(典型高斯)、Aermod模型(穩態高斯)、CALPUFF(不穩態高斯)、和ADMS模型(3D 高斯)；第二代空氣質量模型是歐拉數值模型，歐拉數值模型主要包括三種模型，即城市尺度光化學氧化模型(UAM，Urban Airshed Model)，區域酸沉降模型(RADM，the Regional Acid Deposition Model)，以及區域尺度光化學氧化模型(ROM，the Regional Oxidant Model)；第三代空氣質量模型是區域多尺度空氣質量模型，即Models-3/CMAQ，于1998年第一次正式發布，該模型的特點在于：一方面，它可以同時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的行為過程；另一方面，Models-3的設計充分利用高科技的計算機硬件和軟件技術如高性能的網絡資源、可視技術，從而使模擬技術能更高效、更精確，并且趨于多元化，Models-3/CMAQ適用于中尺度模擬范圍，可應用于如跨省跨區域污染的控制等。

3.3 主流模型

流動源排放模型從建模方法上可分為基于速度-加速度的統計模型、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網絡方法建立的模型四類，其中目前普遍認可的建模方法是統計法和物理法。國外在模型開發方面的研究開展較早，美國早在上世紀七十年代就已經開始進行機動車排放模型開發研究，目前國外主流的排放模型大多為統計回歸模型，如美國環保局開發的MOBILE模型、MOVES模型，加州空氣資源局開發的EMFAC模型以及歐洲環境署開發的COPERT模型等。基于物理法開發的模型有美國加州大學河邊分校開發的CMEM模型等。國內目前還沒有開發出自己的排放模型體系，環境管理人員和研究學者主要利用國外模型通過對模型輸入參數本地化的方法進行相關研究，由于國外模型均基于本地車輛實際情況開發，普遍存在參數固化，可移植性差，機動車分類、技術水平及測算單位與中國國情不符的問題，模型預測精度較低。但是國外模型開發較早且技術成熟，其模型結構、計算原理、參數設置等也為開發北京市流動源排放模型提供了有益的借鑒。

3.3.1MOBILE模型

其中MOBILE模型是開發最早的流動源模型(如圖1所示)，計算原理為首先通過測試得到各排放控制水平車輛標準工況下的基本排放因子，之后考慮機動車的車齡分布、行駛里程、新車排放因子、劣化率、行駛速度、檢查/維護制度、環境狀況、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排放的影響，最終計算得到區域內各年、各車型的平均水平的排放因子；其優點是模型開發較早，技術成熟且模型體系非常完善，是其它現有模型開發的參考基礎；缺點是模型基于固定工況、利用平均速度進行排放修正，無法反映車輛行駛狀態對排放的影響，同時該模型參數輸入格式復雜，操作性差。

圖1 美國環保局(U.S. EPA)開發的MOBILE模型

3.3.2 EMFAC模型

EMFAC模型(如圖2所示)總體結構和計算原理同MOBILE相同，其特點是模型細分了三種不同的尾氣排放計算模式：Burden、Emfac和Calimfac模式，用戶可根據應用需求自由選擇。

圖2 美國加州空氣資源署開發的EMFAC模型

3.3.3 COPERT模型

COPERT模型(如圖3所示)針對歐盟各國特點開發，基于燃油消耗數據計算區域機動車排放污染物總量，與MOBILE模型相比，該模型對車型分類更細，評價污染物更多，能夠計算一些并不常見的污染物(如N2O、NH3、SO2等)的排放量清單。

圖3 歐盟環保署開發的COPERT模型

3.3.4 IVE模型

IVE模型(International Vehicle Emission Model)是國際可持續發展系統中心(ISSRC)開發的適用于不同國家和地區的宏觀模型(如圖4所示)，該模型結構靈活，區域適用性好；其特點是模型摒棄了傳統模型利用平均速度進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，采用基于VSP的工況修正方法；同時該模型針對排放的歷史效應(若干秒前的排放對當前排放有影響的效應)引進發動機壓力(Engine Stress，ES)變量來反映歷史效應對當前排放的影響，但是該模型車型分類過于復雜，數據獲取困難。

圖4 國際可持續發展系統中心(ISSRC)開發的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的最著名的微觀排放模型(如圖5所示)，能夠預測某一類型車在某段時間內的平均排放；模型包括六個主要模塊：發動機功率；發動機轉速；空燃比；油耗；發動機排放。其最大優點就是該模型是目前最詳細刻畫車輛排放內部過程的模型，也是EMIT，PERE等很多基于功率負載模型建立的基礎，但是該模型最大的缺點也在于模型過于細致的刻畫了車輛的排放原理導致模型校正參數多(共有42個變量要校正)，擬合方程多和假設條件多)，運算效率較低。

圖5 加州大學河邊分校同密歇根大學合作開發的CMEM模型

3.3.6MOVES模型

MOVES模型(Multi-scale mOtor Vehicle & equipment Emission System)是美國環保局在MOBILE模型多年的研究基礎上開發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環保局在模型開發方面的研究經驗和數據基礎，可進行宏觀、中觀、微觀三種層次的尾氣污染預測，同時該模型開發過程中不再僅僅局限于利用臺架測試數據，而是已經開始考慮利用車載測試數據和遙感測試數據這些更具有代表性的道路實測數據來進行模型開發，但是該模型所有參數均針對美國本土開發，參數固化，且模型結構龐大，運行速度緩慢。

圖6 美國環保局開發的MOVES模型

4 模型在北京的應用分析

對上述模型的優缺點進行整理，如表1所示。對目前國內外主流模型從功能分類、建模方法、車型分類、排放計算基于的行駛工況、排放影響參數選取及修正方法、操作友好性等多個方面進行詳細比較和在北京市的適用性分析。

表1 流動源排放模型針對北京的優缺點分析

參考文獻：

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[5]城市機動車排放空氣污染測算方法(HJ/T180-2005).