佛山市中心城区机动车限行对污染物削减效果的分析

刘永红,毕索阳,周 兵,王 成,廖瀚博,李 璐,蔡 铭 (.中山大学智能交通研究中心,广东 广州 5075；.广东省公安厅交管局,广东 广州 50440)

机动车尾气是佛山大气污染的重要来源.2008年佛山市机动车保有量达到180×104辆,且逐年增长.为迎接 2010年广州亚运会,实施机动车限行是短期内降低机动车尾气污染的主要手段之一[1-3].

作为广州亚运会分赛区之一,佛山市于 2009年12月26日至12月29日,对部分区域实施机动车临时限行措施[4].具体措施如下:禁止非绿色环保标志汽车(即黄标车或2001年10月1日前上牌、未申领环保标志的汽车)在禅城、南海、顺德区内通行;在 26,27日对绿色环保标志车辆及摩托车在321国道以南、顺德水道以北、佛山一环西线以东至广佛边界区域内通行进行单双号限行;对民生影响重大的物资运输车辆(包括公交车、长途客运车、客运出租车、厂企交通车、校车以及军警、消防、救护、抢险、环卫用车)等不作限行.

佛山过境车辆来往频繁[5],仅禅城区日过境车辆多达15×104次,且采用年平均行驶里程方法对限行前后的机动车排放效果进行分析具有一定的局限性,因此,需从道路交通流角度分析限行对机动车污染削减程度的影响[6].

排放因子是机动车尾气排放量计算的主要参数.目前,常用的排放因子计算模式主要有美国MOBILE,IVE,CMEM 和欧洲 COPERT等[7-8].这些模型在国内外应用较广[9-16],在大中城市机动车尾气污染控制、评估中发挥了巨大的作用.

本研究从佛山市中心城区道路交通流、车型保有量等方面入手,利用COPERT模型定量测算限行前后中心城区各个主要道路的单位路段污染物年排放量,旨在掌握中心城区限行前后的机动车尾气排放量、得出机动车污染削减规律,为全面降低中心城区机动车污染排放提供依据.

1 交通流对比与分析

1.1 基本方法

在相同监测位置对交通流视频进行分析,得到限行区域不同类型的道路限行前后交通流状况.按照广东省环境保护局文件分类方法,并结合佛山机动车保有量数据库,将车辆分为轻型汽油车,轻型柴油车,重型汽油车,重型柴油车四种车型,及摩托车.利用 COPERT IV模型计算佛山市不同排放标准下的机动车排放因子,分析限行前后不同类型道路的单位路段污染物年排放量,根据区内道路总长及道路类型分布,得出机动车限行效果及机动车污染排放削减百分比.

1.2 交通调查与分析

交通流调查在限行前后一周内进行.每天24h连续调查,选取了限行范围内5条典型道路,涵盖了此次限行范围内所有类型:快速路、高速路、国道、主干道、次干道.再运用交通流视频检测软件与人工计数结合的方法,获得调查路段的流量、速度、车型比.在交通流检测中,车型按广东省车管所车型分类方法分为摩托车、小型车、中型车和大型车.检测结果表明,限行前交通早高峰出现在7:00～9:00,晚高峰出现在 17:00～19:00.摩托车出行较多,比重较大,其在主干路、次干路、支路比例分别为54%、48%、64%.而限行后,交通流高峰时间基本不变,摩托车在道路中所占比例有所下降.

限行前的流量及车型变化如表1、表2所示.

表1 交通流量的调查结果对比Table 1 Comparison of traffic volume

表2 交通流车型比例变化分析(%)Table2 The proportion of different vehicular types (%)

根据以上调查结果,利用式(1)计算出限行前后中心城区所有道路平均交通流量:

式中: Dx为第 x种道路的交通流量,辆/d;RPx为第 x种道路长度占中心城区道路总长度比例,%;Ta为中心城区所有道路平均交通流量,辆/d.

由此,对比限行前后中心城区所有道路平均交通流量可以得出:若在中心城区全面限行,其交通流量的平均下降比例可达(-)32.5%.

2 机动车污染削减幅度的计算

2.1 测算模式的选择

COPERT模型起源于欧洲委员会(EC) 开展的机动车排放因子研究,被欧洲国家所广泛应用.相关研究表明[17],COPERT模式相对于MOBILE模型更加接近我国台架实测值.其基础车辆测试数据来源于与我国有着类似车型分类及排放法规的欧洲.为此,选用COPERT模式来计算佛山市排放因子.

2.2 排放因子的确定

表3 佛山市机动车保有量Table 3 Vehicle inventory of Foshan City

表4 佛山市机动车排放因子[g/(km⋅辆)]Table 4 Emission factors of Foshan City[g/(km⋅veh)]

由佛山市交通规划年报、佛山气象台、车辆管理所保有量数据、及调查数据等确定模型敏感参数.由《佛山市交通规划年度报告》[5],佛山市机动车单次出行平均行驶里程约为 9.2km/次.燃油参数的选择参照国家车用燃油标准[18-19]、成品油标准及当前佛山石化企业燃油消耗水平.车辆排放标准比例参照车管所的数据(表3).道路纵坡度取 0,平均负载设置为 50%.累计行驶里程按年平均行驶里程与车辆上牌时间乘积来标识车辆劣化程度.计算了车速为 20～80km/h(速度梯度为5km/h)下,各种车型的排放因子.由于篇幅关系,文中仅列出了35km/h下的机动车排放因子计算结果,如表4所示.

2.3 单位路段污染物年排放量的计算

利用以下公式计算不同类型道路的单位路段污染物年排放量:

式中:Ea为单位路段的污染物年排放量,t/(km·a);Nx为第 x种车型的流量,辆/d;EFx为第 x种车型排放因子,g/km;为第t种车型第y类排放标准下的单位路段污染物排放量,t/(km·a);Nt为第t种车型流量,辆/d;为第t种车型第y类排放标准下的机动车排放因子,g/(km⋅辆);为第y类排放标准在类型t车型的比重,%.

因此,由式(2)可知,单位路段污染物年排放量的降低与排放因子及交通流量的下降密切相关.在机动车尾气污染控制业务中需遵循广东省环境保护局文件,机动车分为轻型汽油车,轻型柴油车,重型汽油车,重型柴油车和摩托车.因此,需参照广东省环境保护局文件和广东省车辆管理所车型分类方法,并结合佛山机动车保有量分布情况,将车型进行一一对应.方法如下:摩托车对应摩托车,小型车按机动车保有量中的燃料类型比例折算出轻型汽油车和轻型柴油车,同样大型车按燃料类型比例折算出重型汽油车和重型柴油车,而中型车按车型大小比例和燃料比例折算成轻型汽油车、轻型柴油车、重型汽油车和重型柴油车.因此,按照上述方法将交通流量(小型车、中型车、大型车,摩托车)分别对应国0、国I、国II、国 III排放标准下的轻型汽油车、轻型柴油车、重型汽油车、重型柴油车、摩托车.但由于限行期间全面限制黄标车通行,国 0汽车禁止上路,而上路的摩托车仍包括 4排放标准.因此,需将限行期间的交通流量(小型车、中型车、大型车,摩托车)对应至国I、国II、国III排放标准下的轻型汽油车、轻型柴油车、重型汽油车、重型柴油车以及国0、国I、国II、国III排放标准下的摩托车.

此外,由于限行前后调查路段速度存在差别,需采用不同速度等级的排放因子对限行前后单位路段污染物年排放量的进行计算和分析.

3 机动车污染削减幅度的分析

以调查路段为依据,对限行前后不同类型道路的单位路段污染物年排放量(Ea)进行对比和分析,得出上不同类型道路上4种主要污染物(CO、NOx、VOC、PM)的削减幅度,结果如表 5所示.并结合区内不同类型道路长度占区内所有道路长度比例,分析区内各污染物的平均削减幅度.

3.1 不同类型道路的CO削减幅度分析

表5 不同类型道路的单位路段排放量对比Table 5 Comparison of emission source intensity

CO为烃燃料燃烧的中间产物,且点燃式发动机与压燃式发动机发火方式的异常,导致汽油车 CO排放因子较高.通过对此限行前后不同道路类型交通流可知,除流量均出现不同程度的下降外,车型比率亦出现较大变化.摩托车比例均出现不同程度的下降,而小型车比例上升.与此同时,由于黄标车限制出行,导致车辆综合排放因子出现下降趋势.从表5可知, 国道、高速路、快速路、主干路、次干路CO分别削减35.74%、62.44%、46.10%、51.66%、71.79%.

3.2 不同类型道路的NOx削减幅度分析

NOx的生成主要受到氧气含量,燃烧温度以及燃烧产物在高温中停留时间的影响.由于柴油机氧气充足,压燃式的发火机理,因此导致其NOx排放因子较高.由于限行前后车流量明显下降,导致了NOx一定程度的下降,但由于摩托车占有率的下降以及小型车和大型车比例的提高,导致NOx下降程度较低.与此同时,黄标车的限行对NOx排放因子的下降有较大影响.从表5可知:国道、高速路、快速路、主干路、次干路 NOx分别削减19.83 %、46.03 %、49.60 %、39.15 %、48.76 %.

3.3 不同类型道路的VOC削减幅度分析

VOC主要由汽车排气管,燃油蒸发以及燃烧室泄漏等因素导致.而其在排气管产生机理为多种原因引起的不完全燃烧,燃烧室的壁面淬熄作用,热力过程的狭缝效应,壁面油膜和积炭的吸附作用,等.其产生机理与CO类似,主要由汽油机产生.从表5可知:国道、高速路、快速路、主干路、次干路VOC分别削减23.67%、48.71%、38.22%、46.33%、70.37 %.

3.4 不同类型道路的PM削减幅度分析

由于汽油机与柴油机燃烧机理的不同,汽油机与柴油机排放的微粒物也不同.汽油机 PM 主要组成为铅化物、硫酸盐等低分子物质,而柴油机微粒排放远高于汽油机,成分也更为复杂.区内PM主要由轻型柴油车及重型柴油车分担.从表5可知:国道、高速路、快速路、主干路、次干路PM分别削减38.97%、48.97%、54.01%、50.25%、60.42%.

3.5 区内平均削减幅度的分析

从表5中可以看出,限行前后国道、高速路、快速路等不同类型道路的单位路段污染物年排放量削减程度不一.通过式(4)可计算出区内所有道路的单位路段污染物排放量,即按不同类型道路长度占所有道路长度的比例将不同类型道路的单位路段污染物年排放量进行加权平均.

式中:Ev为区内所有道路的单位路段污染物年排放量;RPx为第x种道路长度占区内所有长度的比例,%;Ex为第x种道路的单位路段污染物年排放量,t/(km·a).

由此,对比限行前后中心城区所有道路的单位路段污染物年排放量可以得出:若在中心城区全面展开机动车限行,其区内各种污染物平均削减幅度如表6所示.

表6 机动车排放削减幅度分析Table 6 Reduction rate of vehicle exhaust emission

4 结语

利用COPERT模式计算出佛山地区不同速度等级(20～80km),不同排放标准(国0、国1、国II、国 III),不同车型(轻、重、摩托),不同燃料类型(汽油、柴油)下的机动车排放因子,由于采用年平均行驶里程方法测算限行前后机动车污染削减量所存在的局限性,运用交通流推算方法,通过在同一监测点位调查限行前后区内 5条不同道路类型24h的交通流量、速度及车型比等车流参数,并以此为依据,采用同种类型道路削减幅度类似的原则,推断区内采用机动车限行前后主要污染物的削减幅度.结果表明,如区内全部开展此类机动车限行,机动车道路流量平均下降32.5 %,单位路段污染物(CO、NOx、VOC、PM)排放量分别下降48.1%、39.2 %、43.6 %、49.2 %.

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致谢：感谢佛山市环境保护局协助完成交通流拍摄工作.