广西机动车道路尾气排放遥感监测研究与应用分析

樊勇吉，陈轩，袁大海，唐昭

（1.广西壮族自治区环境保护科学研究院机动车污染监控中心，广西南宁 530022；2.广西卫生职业技术学院检验系，广西南宁 530021）

随着广西区内社会和经济的发展，机动车成为居民出行必不可少的工具，居民对机动车的需求持续增长。目前广西新能源汽车发展较快，但道路机动车的燃料仍以化石能源为主，2020 年广西区域内在用机动车保有量为1 420 万辆，较2019 年增长了131 万辆，较2018 年增长了209 万辆。在大气移动源污染排放中，机动车尾气排放占比较大，2020 年广西机动车氮氧化物排放量为12.78 万t，机动车排放是广西城市大气污染的主要来源之一，发展与利用机动车排放遥感检测技术和方法已经成为机动车污染控制的必然趋势[1-5]。根据《中国移动源环境管理年报（2021）》，目前全国已完成建设遥感监测（含黑烟抓拍）点位2 956 个，与国家-省-市三级联网平台联网2 150 个，累计报送93 622.4 万条监测数据。遥感技术在机动车尾气排放的监管中发挥了重要作用，当前阶段机动车遥感监测的目的为筛选超标车[6]，但目前针对大范围的超标车及高峰时段污染物的排放研究较少[7-10]。本文通过对广西机动车排放遥感点位平台的数据进行分析，评估广西遥感监测车辆的高峰时段，并分析其中高排放车的排放状况，为今后的机动车污染遥测研究和广西机动车尾气污染控制提供参考。

1 机动车道路尾气排放遥感及黑烟车监测平台

1.1 机动车道路尾气排放遥感及黑烟车监测原理

目前机动车尾气遥感监测系统作为一种道路机动车尾气自动光学检测方法，是机动车排污检控体系的重要组成部分，可在不影响车辆通行的情况下，对机动车尾气排放情况进行监测。机动车尾气遥感监测系统主要由控制模块、外部环境实习分析系统、显示控制器、监控大屏及配套的软体等5 个部分组成，分为固定安装式和非固定遥感2 种类型。固定安装式有垂直和水平2 种固定安装方式，道路两侧的钢制框架，通过前期选点安装在主要道路上，通过发射不可见紫外光及红外光，对框架下经过的机动车的尾气进行监控，原理是通过机动车尾气吸收光路中的光线，进而改变对应的光谱，通过分析反算实现对机动车排放的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳等污染物的体积分数的监测[11]。机动车道路尾气排放遥感监测原理如图1 所示。

图1 机动车道路尾气排放遥感监测原理

黑烟电子抓拍系统是将智能视频（IV）技术应用于机动车尾气污染的监控，根据采集的实时视频信息探测机动车尾气管部位判定其冒烟状况，根据DSP 数据信号的有烟和无烟，以及尾气烟羽背后的深色和浅色目标之间对比度的差异，来衡量尾气烟羽的黑度。

系统抓拍的黑烟车可以自动选取冒黑烟视频中最具代表性的一幅图像，与按照比例缩小的林格曼烟度条在同一幅画面中进行比对，根据尾气黑烟体积分数判定其污染等级并进行标定。林格曼黑度等级如图2所示。

图2 林格曼黑度等级

1.2 平台点位分布情况

截至2022 年8 月，广西分布的黑烟及遥感监测站点共58 个，其中道路遥感监测站点8 个、黑烟车35 个、混合点位15 个，遥感监测及黑烟抓拍站点区域分布如表1 所示。

1.3 监督抽测不合格机动车及判定依据

黑烟车判定依据GB 3847—2018《柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）》、GB 18285—2018《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》[12]，对道路行使机动车等进行监督抽检，检查排放有明显可见烟度或一次林格曼黑度超过1 级的机动车。

遥感超标车辆判定依据：污染物检测结果超过标准规定限值1.1 倍的机动车。

遥感高排放车辆：遥感监测的各种污染物排放量为前10%且未超过标准规定限值的机动车。

装用压燃式发动机汽车污染物排放限值如表2所示。

表2 装用压燃式发动机汽车污染物排放限值

1.4 平台基础数据来源

平台基础数据为2022 年3 月在广西分布的黑烟及遥感监测站点产生的黑烟及遥感数据，具体点位如表1所示。遥感系统平台共检测机动车1 209 412 辆，其中有效检测量为786 633 辆，有效检测率为65.04%，平均超标率为1.75%，超标车辆总数为7 224 辆。高排放车为42 772 辆，占比为7.33%，总检测量中汽油车占比为75.2%，柴油车占比为22.5%，其他类型为电动车及混合动力车型，占比为0.2%。其中按车型分类，小型轿车占比32.7%，SUV 占比21.7%，为所有车型中检测量最大的2 种车型，这是因为排气管高度高的车辆的尾气烟羽在垂直固定式（龙门架式）的光源发射检测时相对容易检出，也由于路上SUV 车型占比较高，所以相应检测出的车型占比也高。

2022 年3 月，黑烟车抓拍系统超标黑烟车检测量532 辆，其中小货车166 辆，占比31.2%；重型货车143 辆，占比26.9%；中型客车27 辆，占比5.1%；皮卡车26 辆，占比4.9%；其他类型车辆170 辆，占比31.9%。从抓拍的黑烟车林格曼等级判断，其中林格曼等级为1、2、3、4、5 级的分别有6、62、121、161、182 辆。黑烟车抓拍捕捉到的机动车车辆大部分为小货车及大货车，货车共占66.1%，货车国Ⅰ、国Ⅱ的车辆较多，早期的货车容易因年久失修而出现冒黑烟的现象。2022 年3 月广西各市机动车遥感及超标数据分布如表3 所示。

表3 2022 年3 月广西各市机动车遥感及超标数据分布

2 结果和分析

2.1 遥感监测数据结果分析

将1.3 节中经过筛选后的有效数据按照车辆发动机类型分为汽油车和柴油车2 个类型，并分别对汽油车的CO、HC、NO 排放情况及柴油车的NO 及不透光度进行统计。

汽油车和柴油车各污染因子体积分数遥测排放均值如表4 所示。

表4 汽油车和柴油车各污染因子体积分数遥测排放均值

由表4 及图3 可见，广西3 月份汽油车的CO 遥测排放均值为10 600×10-6，HC 的均值为110.76×10-6，NO 的均值为335.13×10-6；柴油车的NO 均值为591.29×10-6，其中不透光度均值为11.24%。从各设区市的排放均值分析，百色市汽油车CO 的均值排放量较广西平均水平高了72.6%；河池市HC 较广西均值高了87.5%；桂林市汽油车NO 均值较广西均值高了131%，而柴油车的NO 污染物排放南宁市和崇左市的均值较高，较广西均值分别高了43.9%、39.1%，柴油车不透光度桂林市较广西均值高39.1%。这一结果表明，广西污染因子排放均值差异较大，存在区域性排放特征。值得注意的是，表4 中反映的2 种类型车型污染物的实际道路遥测结果大部分高于GB 18285—2018《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》及GB 3847—2018《柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）》中规定的限值（如表5、表6 所示），而HJ 845—2017《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求（遥感检测法）》中对NO 及不透光进行了限定[13]。

表6 稳态工况法排气污染物体积分数排放限值

图3 汽油车NO 及HC 体积分数全区排放均值分布图

2.2 高峰期各污染物体积分数分析

2022 年3 月，遥感监测共检测机动车6 653 067 辆，收集有效数据6 321 791 组，其中中型客车、大型客车、小型客车、小型货车、重型货车、中型货车、其他类型车辆分别占比26.8%、1.9%、47.8%、8.7%、14.4%、0.1%、0.3%，可以发现主要车流量集中在2022-03-30，其占比为64.3%，其原因为月底系统平台进行了数据的合并统计，如图4 所示。每日车流量有3 个高峰，分别为07：00—09：00、14：00—15：00、17：00—18：00，如图5 所示。原因为2 个峰分别对应上下班高峰期的车流量，因此选取3 月30 日07：00—09：00、14：00—15：00、17：00—18：00 时间段进行遥感污染物体积分数分析。

图4 2022 年3 月遥感监测车流量分布

图5 2022-03-30 遥感监测车流量分布

20 2 2 年3 月，平均每日道路遥感检测车辆13 529 辆，无效数据不计入总数，遥感检测车辆在早中晚高峰期间内的排放量之和作为该污染物当天交通高峰期的排放量总量[14]，广西高峰期时段及CO、HC和NOx的排放量平均值分布情况如表7 所示。

表7 各点位各污染物排放量平均值

从表7 中可以得出一天当中17：00—18：00 时段的CO、CO2、NO 均值在3 个时间段中是最高的，分别较30 日均值高出22.58%、-0.47%、10.99%，HC排放最高的时段为早上07：00—09：00，此时排放量为0.246 t，较30 日均值高21.77%。CO2的排放较30 日均值低的原因在于，机动车尾气排放的碳含量中，CO 和HC 增加之后因碳总量固定会影响CO2的排放。

2.3 遥感高排放车及全区机动车污染物排放量分析

为详细分析遥感超标排放车辆的具体数据，随机选取了广西3 月30 日这一天的遥感数据进行详细分析，其中比功率与车辆合格数之间的关系如表8 所示。传统的机动车排放分析尽管考虑到了机动车参数、运行状况、道路条件、环境因素等对机动车排放的影响，但作为对机动车排放产生关系密切的机动车的输出功率并没有考虑[15]。比功率是衡量汽车动力性能的一个综合指标，具体是指汽车发动机最大功率与汽车总质量之比。一般来讲，对同类型汽车而言，比功率越大，汽车的动力性越好。

表8 30 日各点位比功率区间分布表单位：%

其中合格车、不合格车及高排放车中，比功率P在（0，10]kW/t 区间内的占比最大，接近或超过60%，其中值得注意的是高排放车中，比功率小于等于0 kW/t 的区间内，其占比达到了14.30%，说明高排放车中动力性弱的汽车所占比例高。

通过对2022 年3 月遥感监测各点位排放量最高的CO、CO2、NO 等污染物排放前10%的车辆开展数据收集及分析，其结果见表9。

表9 2022 年3 月各监控点位高排放车辆总污染排放量及占比

如表9 所示，点位前10%的高排放车贡献率CO、NO、HC、不透光度（%）均占比较高，最少的都超过30%的区间线，而CO2排放贡献前10%的高排放车数量占比仅为14.37%，其原因在于CO2的数据波动幅度较小且最大最小值的极值差异不大，而HC 的极值差异较大，高排放车的占比达到了70.33%，其中大部分机动车辆对排放贡献的比例较低。与此同时，占比前10%的车辆贡献了遥感检测车辆的大部分污染输出，值得注意的是，柴油车以25.3%的比例，占NO 高排车数量的62.5%，占HC 高排车的59.8%，其原因为柴油车中此次统计的数据中79%为大型货车，大型货车的排放量中国Ⅲ、国Ⅳ车型中的污染物排放水平较高，以3 月30 日的排放数量作为日均值，在标准温度和压力下，单位换算成mg/m3，得出每辆车NO、HC 污染物排放均值分别为462.72 mg/m3、122.46 mg/m3。以2020年广西区域内在用机动车保有量1 420万辆为总量，参考文献选取机动车平均燃油消耗量为9.0 L/100 km[16]，机动车平均年行驶里程《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南（试行）》中的推荐值，平均年行驶里程选择2.3×104km 作为参数值，计算得出NO、HC污染物分别为13.60 万t、3.60 万t。NO、HC 基于距离的平均排放因子分别为 0 . 4 2 g / k m 、0.11 g/km。移动源污染已成为广西城市空气污染的重要来源，是造成细颗粒物、光化学烟雾污染的重要原因，后续需建立完善移动源污染治理体系，提升机动车污染防治水平。

3 结论

广西污染因子排放均值差异较大，存在区域性排放特征。广西3 月份汽油车的CO 遥测排放均值为10 600×10-6，HC 的均值为110.76×10-6，NO 的均值为335.13×10-6，柴油车的NO 的均值为591.29×10-6，不透光度均值为11.24%。

对于3 个时段内交通高峰期的污染物排放体积分数，17：00—18：00 时段CO、CO2、NO 的均值在3 个时间段中最高，分别较30 日均值高出22.58%、-0.47%、10.99%，HC 排放最高的时段为07：00—09：00，此时为245.59×10-6，较30 日均值高21.77%。CO2的排放较30 日均值低的原因为机动车尾气排放的碳含量中，CO 和HC 增加之后因碳总量固定会影响CO2的排放。

高排放车中，比功率小于等于0 kW/t 的区间内，其占比达到了14.3%，排放车中汽车的动力性弱的反而占高排放车的比例高，且点位前10%的高排放车贡献率CO、NO、HC、不透光度（%）均占比较高，最少的都超过30%的区间线，而CO2排放贡献前10%的高排放车数量占比仅为14.37%，原因在于CO2的数据极值差异不大，高排放车的占比达到了70.33%，少量的高排放车对整个车队的排放有很大贡献。柴油车以25.3%的比例，占NO 高排车数量的62.5%，占HC 高排车的59.8%，其原因为柴油车中此次统计的数据中79%为大型货车，大型货车的排放量中国Ⅲ、国Ⅳ车型中的污染物排放水平较高。通过单日遥感检测车辆的平均污染物排放数据得出，广西2020 年NO、HC污染物分别为13.60 万t、3.60 万t，基于距离的平均排放因子分别为0.42 g/km、0.11 g/km，广西在车辆的NO 和HC 减排管理方面仍有提升空间。