基于MOBILE 6.2模型的武漢市機(jī)動車污染物排放特征分析

高 俊，胡 輝，邢 攀，李 鋼，谷 威,廖 利

(1．華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2．武漢市機(jī)動車排氣污染防治管理中心，武漢430014)

近年來,我國較大范圍內(nèi)均出現(xiàn)過重霧霾污染天氣,特別在中大型或特大型城市地區(qū)。霧霾不僅嚴(yán)重影響城市區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量,導(dǎo)致大氣能見度降低[1],還會使諸如呼吸道疾病及其相關(guān)疾病的發(fā)病率上升,在影響氣候的同時給人們身體健康帶來巨大隱患[2]。大量的研究顯示,機(jī)動車尾氣排放對城市空氣污染產(chǎn)生較大影響,是碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)以及顆粒物(PM)等的重要來源[3]。隨著機(jī)動車保有量的逐年快速增加,機(jī)動車尾氣已成為大氣污染的主要來源之一。不僅如此,機(jī)動車尾氣中的一次污染物HC和NOx,是形成光化學(xué)煙霧的重要前體物,也是細(xì)顆粒物(PM2.5)中二次有機(jī)氣溶膠硝酸鹽和有機(jī)碳?xì)馊苣z的重要前體物。因此,實際運行中機(jī)動車污染物排放因子的模擬計算以及機(jī)動車的排放污染特征分析一直是國內(nèi)外研究的熱點問題[4-6]。

目前我國還沒有統(tǒng)一的宏觀機(jī)動車尾氣排放模型,僅有部分國內(nèi)大中城市涉及到城市機(jī)動車尾氣排放分析,而且主要是借鑒使用美國、歐洲等的幾種常用的尾氣排放模型[7-10]。其中美國環(huán)保局(USEPA)在1978年就開發(fā)了可以估算地區(qū)區(qū)域內(nèi)的機(jī)動車的尾氣排放,有關(guān)交通方面的項目評價以及交通約束對污染物排放的影響研究等的MOBILE模型。經(jīng)過數(shù)十年來的優(yōu)化使其對模擬估算機(jī)動車尾氣實際的排放特征更趨于合理和完善,最新版本為2003年優(yōu)化后的MOBILE 6.2.考慮到我國汽車的排放水平相對比較滯后,而且MOBILE模式的計算參數(shù)是可根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改,因而現(xiàn)階段仍適合我國不同地區(qū)環(huán)境參數(shù)差異的應(yīng)用。目前,有文獻(xiàn)報道的關(guān)于MOBILE 6.2模型的應(yīng)用包括北京[11]、西安[12]、杭州[13]、太原[14]等。本研究探討了將MOBILE 6.2模型應(yīng)用于武漢市機(jī)動車排氣污染物的估算分析,結(jié)合武漢市自身的車輛運營特征與車輛保有量數(shù)據(jù),對該模型的部分重要參數(shù)進(jìn)行本地化的模擬,分別估算分類別分車型的機(jī)動車污染物排放因子,對武漢市機(jī)動車尾氣排放現(xiàn)狀進(jìn)行分析,為武漢市機(jī)動車污染控制及減排措施的制定提供理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 MOBILE 6.2模型簡介

MOBILE 6.2模型實質(zhì)是在對大量的機(jī)動車的關(guān)于相關(guān)排放污染物的測試數(shù)據(jù)的累計統(tǒng)計以及回歸分析后的經(jīng)驗公式[15],將一些對機(jī)動車排放因子結(jié)果影響較大的變量設(shè)置為模型參數(shù),方便模型的本地化應(yīng)用。該模型分析所用的原始數(shù)據(jù)有兩類出處:USEPA測試的多種類型的機(jī)動車尾氣污染物排放結(jié)果,以及聯(lián)邦測試程序(federal test procedure,FTP)中檢測的污染物排放數(shù)據(jù)。在這些污染物數(shù)據(jù)的檢測中,可獲取各類別車型機(jī)動車尾氣排放因子的平均水平,此外,還包括各種參數(shù)(如發(fā)動機(jī)的排量,車輛的載重及自重,環(huán)境參數(shù)以及維修保養(yǎng)狀況等)對機(jī)動車尾氣排放的影響。結(jié)合各種參數(shù),MOBLIE 6.2模型將全部機(jī)動車分為28種類型，其中汽油車13類，柴油車11類，公交車3類和摩托車1類。結(jié)合武漢市機(jī)動車分類別車型的保有量的情況，將這28類車中部分類別進(jìn)行合并后共分為 LDGV、LDGT1、LDGT2、HDGV、LDDV、LDDT、HDDV、MC等8類(名稱來源于MOBLIE 6.2模型,具體對應(yīng)的車型詳見表2),對這8類機(jī)動車均考慮平均車速、平均行駛里程、武漢市氣象環(huán)境參數(shù)、油品性質(zhì)、維護(hù)保養(yǎng)狀況等各種因素對其尾氣污染物排放的影響,最終計算出總體排放特征。對所有的機(jī)動車,其基本的計算公式主要包括以下兩個:

第一,機(jī)動車的基本排放因子與其總行駛里程在特定的條件下應(yīng)呈線性關(guān)系:

Ci,p,n=Ai,p+Bi,p×Yi,n.

(1)

式中：Ci,p,n為基本排放因子,g·km-1;Ai,p為新車排放因子;Bi,p為排放因子劣化率;Yi,n為總行駛里程;i為機(jī)動車生產(chǎn)年;p為排氣污染物種類;n為核算年。

第二，在得到基本排放水平后,可結(jié)合本地化參數(shù)充分考慮對前述各因素的優(yōu)化,得到當(dāng)?shù)貦C(jī)動車尾氣實際排放因子E.

E=SUM(A,V,L,U,F).

(2)

式中：E為當(dāng)?shù)貦C(jī)動車尾氣實際的排放因子;SUM一種綜合函數(shù)的表述方法;A為機(jī)動車車載空調(diào)設(shè)備優(yōu)化系數(shù);V為車輛速度優(yōu)化系數(shù);L為機(jī)動車負(fù)載優(yōu)化系數(shù);U為拖車優(yōu)化系數(shù);F指代包括溫度、濕度或熱/冷啟動等特殊工況等其他可選的優(yōu)化系數(shù)。

通過式(1)和(2)可計算得到不同類別機(jī)動車不同車齡分布的實際排放因子,結(jié)合各不同類別車輛的車齡分布和累計行駛里程分布情況,經(jīng)加權(quán)平均等數(shù)學(xué)處理后即可模擬計算各分類別機(jī)動排氣污染物的綜合排放因子。

1.2 武漢市機(jī)動車保有量的確定

武漢市機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)的來源主要包括兩種:環(huán)保部認(rèn)定的公安交管部門數(shù)據(jù)和國家統(tǒng)計局印發(fā)的歷年《武漢市統(tǒng)計年鑒》上的數(shù)據(jù)。對比發(fā)現(xiàn)這兩類來源的機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)除分類別略有不同且交管部門數(shù)據(jù)略微偏小外其他均大同小異。原因在于計算機(jī)動車排氣污染物排放總量時環(huán)保部提供的污染物排放因子分類中不統(tǒng)計電車、掛車及拖拉機(jī)、農(nóng)用車,認(rèn)定前兩類不排放后兩類屬非道路移動源。而根據(jù)MOBILE 6.2模型在中國的其他城市的應(yīng)用情況以及武漢市機(jī)動車特征,運用該模型計算機(jī)動車污染物排放因子時是需要考慮掛車、拖拉機(jī)等。因此,本研究所用機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)均來源于歷年《武漢市統(tǒng)計年鑒》,最新統(tǒng)計年鑒中機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)為2014年,故本研究以2014年為基準(zhǔn)年。武漢市近十年機(jī)動車保有量分車型統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下表1.

表1 武漢市近十年機(jī)動車分類型保有量

為方便后續(xù)用該模型評價的需要,綜合對武漢市各類型車輛實際調(diào)查,結(jié)合表1武漢市機(jī)動車分類型保有量的數(shù)據(jù),得出武漢市所有車輛按MOBILE 6.2模型分類的轉(zhuǎn)換核算方法如表2所示。

表2 武漢市機(jī)動車按MOBILE 6.2模型計算分類的轉(zhuǎn)換關(guān)系

1.3 武漢市機(jī)動車分類別排放因子

根據(jù)近年來武漢市機(jī)動車保有量情況的統(tǒng)計,對MOBILE 6.2模型中各重要的參數(shù)進(jìn)行本地化的修正。參考相關(guān)MOBILE 6.2輸入?yún)?shù)的敏感性分析文獻(xiàn)[16]及其官方的使用指南,選擇敏感性較大的參數(shù)進(jìn)行本地化修正。本研究著重分析新車排放因子、劣化率、車齡分布、累計行駛里程情況、平均車速等重要參數(shù)的修正結(jié)果。主要輸入?yún)?shù)分析如下。

1)新車排放因子和劣化率的優(yōu)化

機(jī)動車的新車排放因子和劣化率一定程度上反映了車輛尾氣排放控制的技術(shù)水平。對這兩項參數(shù)的優(yōu)化,除通過常規(guī)對比研究地區(qū)與美國機(jī)動車排放控制水平來修正外,隨著車載測試方法(PEMS、遙感等)的應(yīng)用,還可以通過實測數(shù)據(jù)來對這兩類參數(shù)進(jìn)行具體優(yōu)化,從而保證該模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。參考其他城市相關(guān)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫信息,基于技術(shù)類型仍然可以近似得到武漢市分類別車型的新車排放因子和對應(yīng)于里程的劣化系數(shù)。

2)機(jī)動車登記分布和里程分布

機(jī)動車車齡分布和行駛里程分布反映在用車輛的使用情況,這兩個參數(shù)的本地化優(yōu)化主要是通過對獲得的武漢市機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)和平均行駛里程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。車輛的年代登記分布(車齡分布)指在用機(jī)動車中不同登記年代的車輛所占的比例。其計算公式為:

Vi=Ri/∑Ri,

(3)

Ri=Pi-Pi-1+Ri-n.

(4)

其中,i為年代,Ri為車輛年代登記數(shù),Pi為i年份的機(jī)動車保有量,n為機(jī)動車淘汰年限。根據(jù)對武漢市機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,機(jī)動車淘汰年限一般為10年。結(jié)合前述表1和歷年武漢市統(tǒng)計年鑒關(guān)于機(jī)動車保有量的詳細(xì)數(shù)據(jù)可計算得到2014年武漢市機(jī)動車車齡分布情況。

車輛的里程定義為車輛在使用的不同年代行駛的里程數(shù)。由于武漢市缺少完整的機(jī)動車行駛里程數(shù)據(jù),應(yīng)用國內(nèi)其他城市有關(guān)的研究成果并根據(jù)武漢市實際情況,將調(diào)研得到的各類型車輛使用年限和行駛里程進(jìn)行線性回歸和對數(shù)回歸統(tǒng)計處理,得到武漢市機(jī)動車不同年份累計行駛里程分布,對累積行駛里程的回歸采用組合公式,應(yīng)用行駛里程分布結(jié)果,進(jìn)一步計算得到武漢市2014年機(jī)動車按MOBILE 6.2模型分類的各車型年平均行駛里程如圖1所示。

圖1 2014年武漢市機(jī)動車年平均行駛里程Fig.1 Annual vehicle kilometers in Wuhan in 2014

3)機(jī)動車平均運行速度參數(shù)的優(yōu)化

通常,排放因子會隨著平均行駛速度而顯著改變。因此,MOBILE 6.2模式中速度的輸入值將會對計算結(jié)果有很大的影響,模式采用速度修正因子來對默認(rèn)速度(19.6 km·h-1)以外的行駛速度下的排放因子進(jìn)行修正,結(jié)合《2015年武漢市交通報告》中的平均速度信息,將2014年武漢市三環(huán)線內(nèi)道路平均車速定為21.0 km·h-1.

4)城市背景溫度包括日城市最高和最低溫度。2014年武漢市日平均最低和最高氣溫分別0 ℃和33 ℃,年平均最低和最高氣溫分別為12.8 ℃和21.8 ℃,年平均氣溫約為16.7 ℃.參數(shù)輸入時轉(zhuǎn)化為華氏溫度代入MOBILE 6.2模式進(jìn)行計算。

5)油料狀況優(yōu)化。按照武漢市油品的實際使用情況,分別輸入燃油的冬季和夏季的飽和蒸汽壓參數(shù)(45 kPa和65 kPa),油料中硫含量為10 mg·kg-1.

1.4 武漢市機(jī)動車分類別污染物排放量及分擔(dān)率

根據(jù)前述計算得到的武漢市道路機(jī)動車按MOBILE 6.2模型分車型的保有量數(shù)據(jù)、武漢市機(jī)動車各車型年均行駛里程和通過MOBILE 6.2模型確定的各車型關(guān)于HC、CO和NOx等3類污染物的平均排放因子,即可求得武漢市道路機(jī)動車分車型污染物的排放量以及各污染物的總排放量,計算得到2014年武漢市機(jī)動車尾氣3種氣態(tài)污染物總HC(THC),CO,NOx的排放量和分擔(dān)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢市機(jī)動車按MOBILE 6.2模型分類別的保有量數(shù)據(jù)

結(jié)合表1中武漢市機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)和表2的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系表,可計算出2014年武漢市機(jī)動車按MOBILE 6.2模型分車型的保有量,詳見圖2.結(jié)果表明,汽油轎車占比高達(dá)75%,柴油車所占比例也超過了12%,此外,摩托車依然有約10%的存在。

圖2 2014年武漢市機(jī)動車保有量(輛)及其占比Fig.2 Tenure of motor vehicles in Wuhan in 2014

2.2 武漢市機(jī)動車分車型排放因子

運用MOBILE 6.2的模型,根據(jù)前述對該模型的部分重要參數(shù)的本地化修正,代入新車排放因子、劣化率、車輛登記分布、里程分布、平均車速、城市背景溫度以及油料狀況等,計算得到2014年武漢市各類機(jī)動車的排放因子,結(jié)果如下圖3所示。由圖3可知,單車排放因子中,NOx的排放貢獻(xiàn)率最大的為重型柴油車,約為汽油轎車的15倍。而對CO的排放量貢獻(xiàn)較大的則是重型汽油車,與排放貢獻(xiàn)第二高的中型汽油車多出近一倍。本研究中排放因子與北京、西安或太原等地相比,模擬的結(jié)果均有一定程度的偏差,但大體趨勢基本保持一致,這可能取決于地域差異。

圖3 2014年武漢市機(jī)動車排放因子Fig.3 Emission factors of motor vehicles in Wuhan in 2014

市機(jī)動車各車型年均行駛里程分布和圖3各車型關(guān)于HC、CO和NOx等3類污染物的平均排放因子,即可求得武漢市2014年道路機(jī)動車分車型污染物的排放量以及各污染物的總排放量,結(jié)果見下表3.

表3 2014年武漢市機(jī)動車分車型排放量

2.3 武漢市機(jī)動車分車型排放量與分擔(dān)率

根據(jù)圖2武漢市機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)、圖1武漢由表3可知,2014年武漢市機(jī)動車排放的總HC、CO和NOx分別為7.78萬t、59.61萬t和6.32萬t.為進(jìn)一步評價每一類車型的機(jī)動車的污染物貢獻(xiàn)情況,根據(jù)表3可計算武漢市2014年機(jī)動車分車型排放分擔(dān)率,其結(jié)果見圖4.由圖4可知,按照MOBILE 6.2模型分類的八大類車型中,汽油轎車排放的總HC和CO分別占全部機(jī)動車的69.71%和82.86%,是這兩類污染物的主要貢獻(xiàn)車型。這主要是由于近年來汽油轎車尤其是私家車數(shù)量的高速增長。此外,重型柴油車的總HC的排放分擔(dān)率也達(dá)到8.22%,對總碳?xì)涞呐欧乓灿胁恍〉呢暙I(xiàn)。對于NOx的排放,其主要貢獻(xiàn)車型為重型柴油車,僅有5.44%的保有量但其排放分擔(dān)率卻高達(dá)57.97%,因此嚴(yán)格控制重型柴油車的數(shù)量可以對機(jī)動車尾氣中NOx的排放帶來顯著減少。同樣的由于汽油轎車的總量較大,其NOx排放的分擔(dān)率也達(dá)到31.65%.

圖4 2014年武漢市不同車型的污染物排放分擔(dān)率Fig.4 Emission share on different type of motor vehicles in wohon in 2014

3 結(jié)論

運用USEPA開發(fā)的MOBILE 6.2模型,綜合武漢市環(huán)境參數(shù)、機(jī)動車運營特征以及保有量數(shù)據(jù),對該模型中機(jī)動車分類、新車排放因子、劣化率、登記分布、里程分布、平均車速等主要參數(shù)進(jìn)行本地化修正,探討武漢市機(jī)動車分車型排放因子及其污染物排放情況。結(jié)果表明:

1) 2014年武漢市機(jī)動車污染物總HC、CO和NOx分別為7.78萬t、59.61萬t和6.32萬t.3類污染物中總HC的主要排放車型為汽油轎車,其次為重型柴油車、輕型汽油和車重型汽油車,其分擔(dān)率分別為69.71%,8.22%,5.67%,5.18%.CO的主要貢獻(xiàn)車型是汽油轎車,分擔(dān)率達(dá)82.86%.對于NOx的排放,其主要貢獻(xiàn)車型為重型柴油車,保有量為5.44%其排放分擔(dān)率卻高達(dá)約60%,此外汽油轎車的排放分擔(dān)率也高達(dá)31.65%.

2) 近年來汽油轎車尤其是私家車數(shù)量的高速增長,直接影響了總HC和CO的排放加大,嚴(yán)格控制重型柴油車可以對機(jī)動車NOx的減排帶來積極的效果。

3) 根據(jù)模型的敏感參數(shù)及計算得到的排放因子,機(jī)動車污染物的減排,除淘汰黃標(biāo)車、控制外來車輛轉(zhuǎn)入和提高新車準(zhǔn)入門檻等總量控制外,還可以結(jié)合提高油品品質(zhì)和車輛燃油效率,執(zhí)行更嚴(yán)格的機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)汽車環(huán)保定期檢驗、汽車環(huán)保檢驗合格標(biāo)志發(fā)放以及區(qū)域限行等管理措施。進(jìn)而有效地遏制機(jī)動車污染物的排放,降低機(jī)動車排放對大氣環(huán)境的影響。

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