廣西機動車道路尾氣排放遙感監測研究與應用分析

樊勇吉，陳軒，袁大海，唐昭

（1.廣西壯族自治區環境保護科學研究院機動車污染監控中心，廣西南寧 530022；2.廣西衛生職業技術學院檢驗系，廣西南寧 530021）

隨著廣西區內社會和經濟的發展，機動車成為居民出行必不可少的工具，居民對機動車的需求持續增長。目前廣西新能源汽車發展較快，但道路機動車的燃料仍以化石能源為主，2020 年廣西區域內在用機動車保有量為1 420 萬輛，較2019 年增長了131 萬輛，較2018 年增長了209 萬輛。在大氣移動源污染排放中，機動車尾氣排放占比較大，2020 年廣西機動車氮氧化物排放量為12.78 萬t，機動車排放是廣西城市大氣污染的主要來源之一，發展與利用機動車排放遙感檢測技術和方法已經成為機動車污染控制的必然趨勢[1-5]。根據《中國移動源環境管理年報（2021）》，目前全國已完成建設遙感監測（含黑煙抓拍）點位2 956 個，與國家-省-市三級聯網平臺聯網2 150 個，累計報送93 622.4 萬條監測數據。遙感技術在機動車尾氣排放的監管中發揮了重要作用，當前階段機動車遙感監測的目的為篩選超標車[6]，但目前針對大范圍的超標車及高峰時段污染物的排放研究較少[7-10]。本文通過對廣西機動車排放遙感點位平臺的數據進行分析，評估廣西遙感監測車輛的高峰時段，并分析其中高排放車的排放狀況，為今后的機動車污染遙測研究和廣西機動車尾氣污染控制提供參考。

1 機動車道路尾氣排放遙感及黑煙車監測平臺

1.1 機動車道路尾氣排放遙感及黑煙車監測原理

目前機動車尾氣遙感監測系統作為一種道路機動車尾氣自動光學檢測方法，是機動車排污檢控體系的重要組成部分，可在不影響車輛通行的情況下，對機動車尾氣排放情況進行監測。機動車尾氣遙感監測系統主要由控制模塊、外部環境實習分析系統、顯示控制器、監控大屏及配套的軟體等5 個部分組成，分為固定安裝式和非固定遙感2 種類型。固定安裝式有垂直和水平2 種固定安裝方式，道路兩側的鋼制框架，通過前期選點安裝在主要道路上，通過發射不可見紫外光及紅外光，對框架下經過的機動車的尾氣進行監控，原理是通過機動車尾氣吸收光路中的光線，進而改變對應的光譜，通過分析反算實現對機動車排放的氮氧化物、碳氫化合物和一氧化碳等污染物的體積分數的監測[11]。機動車道路尾氣排放遙感監測原理如圖1 所示。

圖1 機動車道路尾氣排放遙感監測原理

黑煙電子抓拍系統是將智能視頻（IV）技術應用于機動車尾氣污染的監控，根據采集的實時視頻信息探測機動車尾氣管部位判定其冒煙狀況，根據DSP 數據信號的有煙和無煙，以及尾氣煙羽背后的深色和淺色目標之間對比度的差異，來衡量尾氣煙羽的黑度。

系統抓拍的黑煙車可以自動選取冒黑煙視頻中最具代表性的一幅圖像，與按照比例縮小的林格曼煙度條在同一幅畫面中進行比對，根據尾氣黑煙體積分數判定其污染等級并進行標定。林格曼黑度等級如圖2所示。

圖2 林格曼黑度等級

1.2 平臺點位分布情況

截至2022 年8 月，廣西分布的黑煙及遙感監測站點共58 個，其中道路遙感監測站點8 個、黑煙車35 個、混合點位15 個，遙感監測及黑煙抓拍站點區域分布如表1 所示。

1.3 監督抽測不合格機動車及判定依據

黑煙車判定依據GB 3847—2018《柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）》、GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》[12]，對道路行使機動車等進行監督抽檢，檢查排放有明顯可見煙度或一次林格曼黑度超過1 級的機動車。

遙感超標車輛判定依據：污染物檢測結果超過標準規定限值1.1 倍的機動車。

遙感高排放車輛：遙感監測的各種污染物排放量為前10%且未超過標準規定限值的機動車。

裝用壓燃式發動機汽車污染物排放限值如表2所示。

表2 裝用壓燃式發動機汽車污染物排放限值

1.4 平臺基礎數據來源

平臺基礎數據為2022 年3 月在廣西分布的黑煙及遙感監測站點產生的黑煙及遙感數據，具體點位如表1所示。遙感系統平臺共檢測機動車1 209 412 輛，其中有效檢測量為786 633 輛，有效檢測率為65.04%，平均超標率為1.75%，超標車輛總數為7 224 輛。高排放車為42 772 輛，占比為7.33%，總檢測量中汽油車占比為75.2%，柴油車占比為22.5%，其他類型為電動車及混合動力車型，占比為0.2%。其中按車型分類，小型轎車占比32.7%，SUV 占比21.7%，為所有車型中檢測量最大的2 種車型，這是因為排氣管高度高的車輛的尾氣煙羽在垂直固定式（龍門架式）的光源發射檢測時相對容易檢出，也由于路上SUV 車型占比較高，所以相應檢測出的車型占比也高。

2022 年3 月，黑煙車抓拍系統超標黑煙車檢測量532 輛，其中小貨車166 輛，占比31.2%；重型貨車143 輛，占比26.9%；中型客車27 輛，占比5.1%；皮卡車26 輛，占比4.9%；其他類型車輛170 輛，占比31.9%。從抓拍的黑煙車林格曼等級判斷，其中林格曼等級為1、2、3、4、5 級的分別有6、62、121、161、182 輛。黑煙車抓拍捕捉到的機動車車輛大部分為小貨車及大貨車，貨車共占66.1%，貨車國Ⅰ、國Ⅱ的車輛較多，早期的貨車容易因年久失修而出現冒黑煙的現象。2022 年3 月廣西各市機動車遙感及超標數據分布如表3 所示。

表3 2022 年3 月廣西各市機動車遙感及超標數據分布

2 結果和分析

2.1 遙感監測數據結果分析

將1.3 節中經過篩選后的有效數據按照車輛發動機類型分為汽油車和柴油車2 個類型，并分別對汽油車的CO、HC、NO 排放情況及柴油車的NO 及不透光度進行統計。

汽油車和柴油車各污染因子體積分數遙測排放均值如表4 所示。

表4 汽油車和柴油車各污染因子體積分數遙測排放均值

由表4 及圖3 可見，廣西3 月份汽油車的CO 遙測排放均值為10 600×10-6，HC 的均值為110.76×10-6，NO 的均值為335.13×10-6；柴油車的NO 均值為591.29×10-6，其中不透光度均值為11.24%。從各設區市的排放均值分析，百色市汽油車CO 的均值排放量較廣西平均水平高了72.6%；河池市HC 較廣西均值高了87.5%；桂林市汽油車NO 均值較廣西均值高了131%，而柴油車的NO 污染物排放南寧市和崇左市的均值較高，較廣西均值分別高了43.9%、39.1%，柴油車不透光度桂林市較廣西均值高39.1%。這一結果表明，廣西污染因子排放均值差異較大，存在區域性排放特征。值得注意的是，表4 中反映的2 種類型車型污染物的實際道路遙測結果大部分高于GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》及GB 3847—2018《柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）》中規定的限值（如表5、表6 所示），而HJ 845—2017《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術要求（遙感檢測法）》中對NO 及不透光進行了限定[13]。

表6 穩態工況法排氣污染物體積分數排放限值

圖3 汽油車NO 及HC 體積分數全區排放均值分布圖

2.2 高峰期各污染物體積分數分析

2022 年3 月，遙感監測共檢測機動車6 653 067 輛，收集有效數據6 321 791 組，其中中型客車、大型客車、小型客車、小型貨車、重型貨車、中型貨車、其他類型車輛分別占比26.8%、1.9%、47.8%、8.7%、14.4%、0.1%、0.3%，可以發現主要車流量集中在2022-03-30，其占比為64.3%，其原因為月底系統平臺進行了數據的合并統計，如圖4 所示。每日車流量有3 個高峰，分別為07：00—09：00、14：00—15：00、17：00—18：00，如圖5 所示。原因為2 個峰分別對應上下班高峰期的車流量，因此選取3 月30 日07：00—09：00、14：00—15：00、17：00—18：00 時間段進行遙感污染物體積分數分析。

圖4 2022 年3 月遙感監測車流量分布

圖5 2022-03-30 遙感監測車流量分布

20 2 2 年3 月，平均每日道路遙感檢測車輛13 529 輛，無效數據不計入總數，遙感檢測車輛在早中晚高峰期間內的排放量之和作為該污染物當天交通高峰期的排放量總量[14]，廣西高峰期時段及CO、HC和NOx的排放量平均值分布情況如表7 所示。

表7 各點位各污染物排放量平均值

從表7 中可以得出一天當中17：00—18：00 時段的CO、CO2、NO 均值在3 個時間段中是最高的，分別較30 日均值高出22.58%、-0.47%、10.99%，HC排放最高的時段為早上07：00—09：00，此時排放量為0.246 t，較30 日均值高21.77%。CO2的排放較30 日均值低的原因在于，機動車尾氣排放的碳含量中，CO 和HC 增加之后因碳總量固定會影響CO2的排放。

2.3 遙感高排放車及全區機動車污染物排放量分析

為詳細分析遙感超標排放車輛的具體數據，隨機選取了廣西3 月30 日這一天的遙感數據進行詳細分析，其中比功率與車輛合格數之間的關系如表8 所示。傳統的機動車排放分析盡管考慮到了機動車參數、運行狀況、道路條件、環境因素等對機動車排放的影響，但作為對機動車排放產生關系密切的機動車的輸出功率并沒有考慮[15]。比功率是衡量汽車動力性能的一個綜合指標，具體是指汽車發動機最大功率與汽車總質量之比。一般來講，對同類型汽車而言，比功率越大，汽車的動力性越好。

表8 30 日各點位比功率區間分布表單位：%

其中合格車、不合格車及高排放車中，比功率P在（0，10]kW/t 區間內的占比最大，接近或超過60%，其中值得注意的是高排放車中，比功率小于等于0 kW/t 的區間內，其占比達到了14.30%，說明高排放車中動力性弱的汽車所占比例高。

通過對2022 年3 月遙感監測各點位排放量最高的CO、CO2、NO 等污染物排放前10%的車輛開展數據收集及分析，其結果見表9。

表9 2022 年3 月各監控點位高排放車輛總污染排放量及占比

如表9 所示，點位前10%的高排放車貢獻率CO、NO、HC、不透光度（%）均占比較高，最少的都超過30%的區間線，而CO2排放貢獻前10%的高排放車數量占比僅為14.37%，其原因在于CO2的數據波動幅度較小且最大最小值的極值差異不大，而HC 的極值差異較大，高排放車的占比達到了70.33%，其中大部分機動車輛對排放貢獻的比例較低。與此同時，占比前10%的車輛貢獻了遙感檢測車輛的大部分污染輸出，值得注意的是，柴油車以25.3%的比例，占NO 高排車數量的62.5%，占HC 高排車的59.8%，其原因為柴油車中此次統計的數據中79%為大型貨車，大型貨車的排放量中國Ⅲ、國Ⅳ車型中的污染物排放水平較高，以3 月30 日的排放數量作為日均值，在標準溫度和壓力下，單位換算成mg/m3，得出每輛車NO、HC 污染物排放均值分別為462.72 mg/m3、122.46 mg/m3。以2020年廣西區域內在用機動車保有量1 420萬輛為總量，參考文獻選取機動車平均燃油消耗量為9.0 L/100 km[16]，機動車平均年行駛里程《道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南（試行）》中的推薦值，平均年行駛里程選擇2.3×104km 作為參數值，計算得出NO、HC污染物分別為13.60 萬t、3.60 萬t。NO、HC 基于距離的平均排放因子分別為 0 . 4 2 g / k m 、0.11 g/km。移動源污染已成為廣西城市空氣污染的重要來源，是造成細顆粒物、光化學煙霧污染的重要原因，后續需建立完善移動源污染治理體系，提升機動車污染防治水平。

3 結論

廣西污染因子排放均值差異較大，存在區域性排放特征。廣西3 月份汽油車的CO 遙測排放均值為10 600×10-6，HC 的均值為110.76×10-6，NO 的均值為335.13×10-6，柴油車的NO 的均值為591.29×10-6，不透光度均值為11.24%。

對于3 個時段內交通高峰期的污染物排放體積分數，17：00—18：00 時段CO、CO2、NO 的均值在3 個時間段中最高，分別較30 日均值高出22.58%、-0.47%、10.99%，HC 排放最高的時段為07：00—09：00，此時為245.59×10-6，較30 日均值高21.77%。CO2的排放較30 日均值低的原因為機動車尾氣排放的碳含量中，CO 和HC 增加之后因碳總量固定會影響CO2的排放。

高排放車中，比功率小于等于0 kW/t 的區間內，其占比達到了14.3%，排放車中汽車的動力性弱的反而占高排放車的比例高，且點位前10%的高排放車貢獻率CO、NO、HC、不透光度（%）均占比較高，最少的都超過30%的區間線，而CO2排放貢獻前10%的高排放車數量占比僅為14.37%，原因在于CO2的數據極值差異不大，高排放車的占比達到了70.33%，少量的高排放車對整個車隊的排放有很大貢獻。柴油車以25.3%的比例，占NO 高排車數量的62.5%，占HC 高排車的59.8%，其原因為柴油車中此次統計的數據中79%為大型貨車，大型貨車的排放量中國Ⅲ、國Ⅳ車型中的污染物排放水平較高。通過單日遙感檢測車輛的平均污染物排放數據得出，廣西2020 年NO、HC污染物分別為13.60 萬t、3.60 萬t，基于距離的平均排放因子分別為0.42 g/km、0.11 g/km，廣西在車輛的NO 和HC 減排管理方面仍有提升空間。