2017, Vol. 38
2. 北京市劳动保护科学研究所, 北京 100054;
3. 北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100124
2. Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054, China;
3. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
近年来, 我国机动车保有量持续快速增长, 截止2014年全国机动车保有量已达2.46亿辆, 其中汽油车占84.7%、柴油车占14.1%、燃气车占1.2%[1].随着机动车保有量的增加, 机动车尾气排放已成为我国重要的大气污染物来源[2, 3], 《中国环境统计年报(2014)》显示, 我国机动车氮氧化物排放量约占全国氮氧化物排放总量的45%[1].对于大中型城市而言, 机动车排放也是颗粒物的重要来源.以北京为例, 机动车排放造成的一次、二次颗粒物约占全市颗粒物总量的30%.此外, 机动车还是CH4、N2O等温室气体排放的主要来源[4], 2012年世界癌症研究中心将柴油车排放定义为1类致癌物[5].因此, 机动车尾气排放控制将是我国开展大气污染防治的重要工作之一, 而完整、准确地掌握全国机动车大气污染物排放清单, 是制定污染控制政策和科学管理决策的重要依据.
在机动车大气污染物排放清单领域, 国内外学者开展了一系列相关研究[6, 7], 如Wu等[8]对我国1998~2013年的机动车排放进行了估算, Wang等[9]利用COPERT模型建立了1995~2005年北京、上海和广州的机动车排放清单, 姚志良等[3]选择我国12个典型城市建立了1990~2009年的机动车排放清单, 何立强等[10]对我国2010年机动车排放的CH4及N2O进行了估算, 黄成等[11]基于实时交通信息构建了动态化的上海市道路机动车排放清单.然而, 目前的研究多以城市内或省内的机动车为研究对象[12], 利用省市的机动车保有量进行排放量的计算[13], 缺少国道和省道等(主要分布在城市间)的机动车排放量.而我国城市间公路的机动车排放量不容忽视, 《2015年交通运输行业发展统计公报》的数据显示, 我国国道总长约18.53万km、省道长约32.97万km, 共占国道、省道、县道和乡道总长度的23.6%[14].
因此, 为填补我国机动车排放清单中国道和省道机动车排放的缺失, 本文以国道和省道的机动车为研究对象, 建立了基于国道和省道机动车流量的机动车大气污染物排放量计算方法, 并利用国道省道的交通流量监测站点年均数据, 以及分车型分燃油类型的机动车排放因子, 计算了2015年中国国道和省道机动车大气污染物排放量.
1 材料与方法 1.1 计算方法2014年12月, 环境保护部公布了《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[15], 为计算多尺度的道路机动车排放清单编制工作提供了指导.本研究基于逐条国道和省道的交通流量监测年均数据, 构建了车流量机动车排放模型, 对国道和省道机动车的大气污染物排放量进行计算.
本研究涵盖的机动车排放源包括载客汽车、载货汽车两大类, 并可分为三级分类：第一级分类将载客和载货车辆根据载客量和载货量分为微型、小型(轻型)、中型及大型(重型)载货汽车等; 第二级分类根据机动车使用的主要燃料类型分为汽油、柴油和其他燃料; 在第二级分类的基础上, 第三级根据机动车的污染控制水平分为国0、国Ⅰ、国Ⅱ、国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ.本研究涵盖的公路包括国道及省道两大类, 又可分为高速路及普通公路, 其中, 高速路包括国家高速、省级高速, 普通公路包括普通国道、普通省道.
道路机动车排放量(E)主要包括尾气排放(Ea)和蒸发排放(Eb)两部分, 尾气排放主要涉及CO、NOx、PM2.5、PM10和HC, 蒸发排放主要涉及HC.本研究对逐条国道和省道的大气污染物排放计算公式如下：
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(1) |
道路机动车尾气排放量的计算在第三级排放源层面完成.其排放量计算公式如下：
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(2) |
式中, Ea为第三级机动车排放源m对应的CO、NOx、PM2.5、PM10和HC的年排放量, 单位：t; Pm为所在道路m类型机动车的年均车流量, 单位：辆; EFm为m类型机动车行驶单位距离所排放尾气中污染物的量, 单位：g·km-1; Lm为m类型机动车在所在道路中的行驶里程, 单位：km·辆-1.
1.1.2 机动车行驶过程蒸发排放量计算方法由于本研究计算国道和省道机动车导致的污染物排放, 因此不考虑驻车期间的HC蒸发排放.机动车行驶期间的HC蒸发排放按照下式进行计算：
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(3) |
式中, Eb为每年行驶期间的HC蒸发排放量, 单位：t; EF为机动车行驶过程中的蒸发排放系数, 单位：g·h-1; L为单车在所在道路的行驶里程, 单位：km·辆-1; V为机动车运行的平均行驶速度, 单位：km·h-1; P为所在道路中以汽油为燃料的机动车年均车流量, 单位：辆.
1.2 活动水平本研究采用2015年交通流量监测站点的年均数据作为活动水平数据, 该数据具有较好的代表性, 对于国道和省道所覆盖观测里程分别占实际里程的68%和56%.此外, 该数据提供了道路名称、道路类型、所属行政区域、观测里程以及多车型的年均车流量、平均车流量等信息, 可以为计算国道和省道的机动车污染物排放提供基础的活动水平数据.
1.2.1 不同道路类型的车速分布车速是影响机动车污染物排放的主要因素之一[16, 17], 低速行驶时(低于30 km·h-1)由于发动机负荷较小, 燃烧不稳定, 机动车排放因子总体较高; 中高速行驶时, 发动机燃烧状况得到改善, 排放因子总体较低[18, 19].高继东等研究发现NOx的排放因子在平均车速为13.3 km·h-1的低速拥堵工况下是平均车速为41.4 km·h-1的中高速工况的近两倍[20].在文献[15]中, 对于不同车速区间行驶的车辆的污染物排放因子给出了不同的修正因子.因此, 分析各类机动车在不同道路类型中的行驶速度可以为合理地修正排放因子奠定基础.
通过对交通流量监测站点的年均数据进行分析, 得出全国范围内国道和省道不同车型的平均行驶速度, 如表 1所示.从中可以看出, 4种道路类型上客车平均速度最高, 其次为货车, 普通国道和省道行驶的摩托车速度最低.
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表 1 全国国道和省道主要类型车辆的平均行驶速度/km·h-1 Table 1 Average speed of main types of vehicles in national and provincial roads/km·h-1 |
1.2.2 不同道路类型的车型构成
不同车型的污染物排放水平不同, 图 1给出了不同道路类型上车辆类型的构成.从中可以看出, 全国范围内各道路类型车流均以中小客车为主, 国家高速、省际高速、普通国道和普通省道的中小客车比例分别为62%、67%、49%和47%;其次是大货车, 占国家高速、省际高速、普通国道和普通省道的大货车比例分别为20%、16%、14%和13%.总体来看, 不同道路上各类型车辆的比例存在一定的规律.国家高速和省级高速以中小客车、大货车和小货车为主; 普通国道和省道以中小客车、摩托车和大货车为主.
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图 1 全国国道和省道的车型构成 Fig. 1 Vehicle types in national and provincial roads |
机动车污染物排放标准的不断严格, 促使我国的机动车排放控制水平不断提高, 作为我国机动车减排的重要措施之一, 起到了显著的效果[18, 21]. Wu等[8]通过对1980年以来全国范围内的新车注册登记量和我国实施不同排放标准的时间, 计算出不同车型在不同排放标准下的保有量, 如表 2所示.
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表 2 全国主要类型车辆的排放标准分布[8]/% Table 2 Distribution of emission standards for major types of vehicles in China/% |
1.3 排放因子
文献[15]给出了典型城市行驶工况(30 km·h-1)的综合基准排放系数(BEF).由于国道及省道的行驶工况与典型城市行驶工况不同, 本研究基于上述我国机动车的燃料类型分布、车速分布、车型分布、排放标准[22]分布及文献[15]中针对综合基准排放系数(BEF)的道路状况修正因子, 修正得到国道及省道适用的分燃料类型和分车型的综合基准排放系数, 如表 3和表 4所示.
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表 3 国家高速及省级高速的机动车污染物排放系数/g·km-1 Table 3 Emission factors of pollutants emitted from motor vehicles on national and provincial highways/g·km-1 |
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表 4 普通国道及普通省道的机动车污染物排放系数/g·km-1 Table 4 Emission factors of pollutants emitted from motor vehicles on national and provincial road/g·km-1 |
2 结果与讨论 2.1 全国国道和省道机动车污染物排放总量及分担率
全国国道和省道机动车的CO、NOx、PM2.5、PM10和HC(包括尾气排放和蒸发排放)总排放量分别为154.61、175.41、7.45、8.27和33.13 t.通过与《全国环境统计年报(2014年)》中全国机动车污染物总排放量进行对比发现, 国道和省道机动车CO、NOx、颗粒物(PM)和HC排放分别占全国机动车污染物总排放的4.5%、27.9%、14.4%和7.7%.由此可见, 城市间交通产生的大气污染物排放不容忽视, 尤其是NOx排放占全国机动车NOx排放的比例较高.
由于车流量及车速存在差异, 不同类型公路对污染物排放的贡献也不同.全国范围4种公路类型的机动车污染物排放量如表 5所示.从中可以看出, 普通省道是五类污染物的首要排放源, 之后依次是普通国道、国家高速和省级高速.
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表 5 全国国道和省道公路的污染物排放量/t Table 5 Vehicle emissions from national and provincial roads/t |
2.2 不同道路分车型污染物排放分担率
由于公路上车型分布、燃料类型、污染控制标准各有不同, 导致公路上各车型对CO、NOx、PM10、PM2.5和HC的排放贡献水平差别较大. 表 6给出了全国国道和省道分车型污染物的排放分担率.从中可以看出, 不同车型对于不同污染物的排放分担率不同.摩托车(汽油)是CO及HC的主要贡献源, 分担率分别达33%和31%;大货车(柴油)是NOx、PM2.5及PM10的主要贡献源, 分担率分别高达44%、40%及40%.因此, 要改善空气质量应该综合考虑各种车型的排放特征, 通过污染控制技术的升级和多种交通管控措施的实施, 达到污染物的减排效果[23, 24].
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表 6 全国国道和省道分车型污染物排放量分担率/% Table 6 Poportion of vehicle emissions from national and provincial roads/% |
此外, 由于车型及车速分布不同, 不同道路上分车型的污染物排放分担率也不同, 如图 2和图 3所示.由图 2可知, 在高速路上, 中小客车和大货车是CO和HC的主要排放源, 二者排放量之和分别约占机动车CO和HC总排放量的60%和50%以上; 大货车是NOx、PM10和PM2.5的主要排放源, 排放量均达到机动车NOx、PM10和PM2.5总排放量的45%以上.
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图 2 国家高速和省级高速分车型污染物的排放量分担率 Fig. 2 Poportion of pollutant emissions for different vehicle types in national and provincial highways |
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图 3 普通国道和普通省道分车型污染物的排放分担率 Fig. 3 Poportion of pollutant emissions for different vehicle types in national and provincial roads |
由图 3可知, 在普通公路上, 摩托车是CO的首要排放源, 排放分担率达40%以上; 大客车和大货车是NOx、PM10和PM2.5的主要排放源, 二者排放量之和分别约占机动车NOx、PM10和PM2.5总排放量的60%、56%和56%以上; 大客车和摩托车是HC的主要排放源, 二者排放量之和约占机动车HC总排放量的68%.
2.3 各省国道和省道机动车污染物排放在全国分析的基础上, 进一步分省进行探讨.通过对各个省份的国道省道的里程进行统计分析, 得到各省国道和省道的机动车观测里程统计, 如图 4所示.由于各个省的国道和省道道路统计不完全, 导致分省份的国道和省道里程统计无法准确地反映各省的机动车实际行驶里程.
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图 4 各省国道和省道的观测里程统计 Fig. 4 Observed mileage of national and provincial roads in different provinces |
基于各省国道省道的观测里程统计, 计算可得到分省的机动车污染物排放量.但是由于各个省的国道和省道道路统计不完全, 且各省统计完整度差异较大, 导致各省的国道和省道机动车污染物排放量无法准确反映该省的排放情况, 故通过计算国道和省道单位公里机动车的污染物排放量, 得到排放强度, 来准确地反映不同地区的污染排放情况差异.计算结果如图 5所示.
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图 5 各省国道和省道机动车污染物排放的排放强度 Fig. 5 Itensity of vehicle emissions on national and provincial roads |
从中可以看出, 对于北京、上海及广州等中东部的一线城市, 经济发展快, 交通便利, 因此城市间机动车污染排放相对较高; 而青海、西藏等西部地区城市间机动车污染物排放强度相对较弱.此外, 海南、广西等地虽然NOx、PM2.5及HC的排放强度较低, 但CO的排放强度较高, 这主要是由于该地区国道和省道中摩托车车流量较大, 对CO排放产生了较大的贡献.
2.4 京津冀地区国道和省道机动车排放通过对京津冀地区国道和省道机动车污染物排放进行核算, 并与2012年清华大学MEIC排放清单进行对比发现[25], 京津冀国道和省道机动车的NOx、CO、PM2.5及HC排放量分别占该地区交通排放量的14%、4%、10%及13%;其中北京市国道和省道机动车NOx、CO、PM2.5及HC排放量约占北京市总交通排放量的22%、4%、21%和19%.大货车是京津冀地区国道和省道机动车NOx和PM2.5的主要排放源, 其分担率分别约为52%和48%;中小型客车是京津冀地区CO和HC的主要排放源, 其分担率分别约为25%和38%.
通过对京津冀地区年均排放量及排放强度较高的国道和省道进行梳理, 发现污染物排放量较大及排放强度较高的公路主要集中在北京市及北京周边, 如图 6和图 7所示.从中可以看出, S50(北京五环)、G112(环京国道)和G107(北京-深圳公路)三条公路污染物的排放量最大; S50(北京五环)、G4501(北京六环高速)、G5(京昆高速)三条公路污染物的排放强度最高.此外, S50是京津冀地区排放量及排放强度最高的公路, 该公路货车(包括小、中、大货车)分别分担了NOx、PM2.5的73%和73%;客车(包括小、中、大客车)分担了CO及HC的63%和95%.
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图 6 京津冀地区污染物排放量较大的公路 Fig. 6 Main roads with large pollutant discharge in the Beijing-Tianjin-Hebei region |
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图 7 京津冀地区污染物排放强度较大的公路 Fig. 7 Main roads with large emission intensities in the Beijing-Tianjin-Hebei region |
(1) 我国现有的机动车大气污染物排放清单中缺少国道、省道等城市间公路机动车的排放.本研究结果显示, 我国国道和省道的机动车NOx、PM2.5、CO和HC(包括尾气排放和蒸发排放)排放量分别为175.41、7.45、154.61和33.13 t, 分别占全国机动车污染物排放总量的27.9%、14.4%、4.5%和7.7%.
(2) 我国国道和省道的机动车排放存在显著的地区性差异, 排放差异性与经济发达程度密切相关.即我国中东部地区的城市间机动车污染物排放强度较高, 青海、西藏等西部地区的城市间机动车污染物排放强度较低.
(3) 我国国道和省道的机动车排放与公路类型和车辆类型紧密相关.对于高速路, CO和HC的重点排放源是中小客车和大货车, NOx、PM2.5和PM10的重点排放源是大货车; 对于普通公路, CO的重点排放源是摩托车, 其排放分担率超过40%, NOx、PM2.5和PM10的重点排放源是大客车和大货车, HC的重点排放源是大客车和摩托车.各大气污染物的重点排放源是进行污染控制的重点对象, 考虑PM和NOx是减缓大气重污染问题的关键污染物种, 建议重点针对大货车和大客车开展污染控制工作.
(4) 对于京津冀地区而言, 机动车排放强度高于全国总体水平, 道路类型和车辆类型的机动车排放分布规律与全国总体情况相似, NOx和PM2.5的主要排放源为大货车, CO和HC的主要排放来源是中小型客车, 建议重点针对京津冀地区的大货车开展污染控制工作.
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