交通顆粒物排放模型研究

張艷，蘇薇

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

交通顆粒物排放模型研究

張艷，蘇薇

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

近年空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，其中交通顆粒物首當(dāng)其沖。為了預(yù)測交通顆粒物的排放量，研究者開發(fā)了很多排放模型。通過對(duì)現(xiàn)有的一些交通顆粒物排放模型進(jìn)行介紹與對(duì)比，討論了目前國內(nèi)對(duì)顆粒物排放模型的應(yīng)用情況以及存在問題，為今后建立中國自己的排放模型提出意見。

交通排放；顆粒物；排放模型；模型應(yīng)用

CLC NO.:[U473.9]Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-92-04

前言

空氣顆粒物污染會(huì)造成空氣污染事件，二十世紀(jì)五十年代前后發(fā)生在比利時(shí)、美國等國家的5大空氣污染事故[1]，對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生嚴(yán)重的健康危害和經(jīng)濟(jì)損失，時(shí)刻警醒著人們空氣顆粒物的危害。而城市交通顆粒物作為空氣顆粒物的一大來源，更是受到交通、環(huán)境和醫(yī)務(wù)工作者的關(guān)注。

為了對(duì)顆粒物進(jìn)行量化評(píng)價(jià)以及進(jìn)行有效的治理，各國學(xué)者通過建立交通排放模型以及實(shí)測的方法來對(duì)交通顆粒物進(jìn)行測量與研究。而交通排放模型考慮了眾多影響因素，比實(shí)測法成本低，對(duì)外在環(huán)境與實(shí)驗(yàn)條件不敏感，預(yù)測的結(jié)果穩(wěn)定有效，是應(yīng)用非常廣泛的研究方法。國內(nèi)目前并沒有自主開發(fā)的排放模型，而在使用外國現(xiàn)有模型時(shí)又存在一些不適應(yīng)性。因此，了解發(fā)展成熟的顆粒物排放模型在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在問題對(duì)我國日后自主開發(fā)排放模型以及對(duì)顆粒物進(jìn)行治理都有重要的意義。

1、交通顆粒物

空氣顆粒物對(duì)人體和環(huán)境的影響不容忽視，尤其是城市機(jī)動(dòng)車和人群分布密集的區(qū)域內(nèi)，交通顆粒物對(duì)空氣顆粒物的貢獻(xiàn)不言而喻[2-5]。交通顆粒物來源主要包括了2個(gè)部分：1）以機(jī)動(dòng)車直接排放的顆粒物和氣態(tài)污染物通過反應(yīng)和轉(zhuǎn)化形成的顆粒物，這一部分顆粒物的粒徑通常比較??；2）機(jī)動(dòng)車行駛時(shí)帶起的揚(yáng)塵，此部分顆粒物的粒徑通常比較大[6]。

大氣顆粒物中直徑大于100μm的可以較快落到地面（通常叫降塵），直徑小于100μm的叫總懸浮顆粒物（TSP）。其中直徑小于10μm的空氣顆粒物被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織稱為可吸入顆粒物（PM10），在空氣中停留時(shí)間長，輸送距離大。在可吸入顆粒物中，直徑大于2.5μm的被美國環(huán)保局（EPA）稱為可吸入粗顆粒物，直徑小于2.5μm的為細(xì)顆粒物（PM2.5），也稱之為可入肺顆粒物[7]。國外進(jìn)行的大量有關(guān)PM10和PM2.5的流行病學(xué)研究[8-10]表明，可吸人顆粒物濃度的增加與疾病的發(fā)病率、死亡率密切相關(guān)，尤其是呼吸系統(tǒng)疾病及心肺疾病。長期暴露在空氣顆粒物污染中會(huì)使肺功

能衰退，引發(fā)各種呼吸道疾?。皇剐穆屎托奶l(fā)生不規(guī)則變化，引發(fā)心血管疾??；改變免疫結(jié)構(gòu)，增加重病及慢性病患者的死亡率，使患癌率增加。

2、交通顆粒物排放模型以及應(yīng)用研究

2.1 PART5模型

PART5模型是由美國環(huán)保局（EPA）早期開發(fā)的計(jì)算道路機(jī)動(dòng)車顆粒物排放因子的模型。它是對(duì)美國環(huán)保局組織的不同在用車排放水平測試結(jié)果，以及聯(lián)邦測試程序FTP（Federal Test Procedure）所測得的排放結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得出基本排放因子。然后根據(jù)需要改變其參數(shù)設(shè)置，通過經(jīng)驗(yàn)公式得到機(jī)動(dòng)車顆粒物的排放因子。其功能現(xiàn)已被MOBILE6.2最新版本整合。

吳燁等[11]分別于1995年與1998年利用PART5模型計(jì)算得到了北京市機(jī)動(dòng)車PM10和PM2.5的平均排放因子，其中汽油車、摩托車和重型柴油車的排放因子分別是美國同期水平的1.7～8.6倍、2.1～5.3倍和1.3～1.5倍。1998年比1995年的總排放量分別增加了37.4%和42.5%。這可能與快速增長的汽車保有量有關(guān)。而排氣管排放的顆粒物絕大部分是SOF和殘余碳，占到90%以上，硫酸鹽含量大概3%，鉛排放達(dá)到3%，隨著1998年無鉛汽油的使用，鉛的排放下降到不到1%。1999年[12]使用PART5模型對(duì)澳門地區(qū)進(jìn)行了顆粒物的排放計(jì)算。得到了澳門地區(qū)機(jī)動(dòng)車PM10和PM2.5的總排放量為141t及128t，而公共汽車和重型柴油車是主要的貢獻(xiàn)車型。而尾氣管排放的PM2.5中絕大部分是SOF和殘余碳，占到總量的84.5%，其次是硫酸鹽，占總排放的14.5%，鉛的比例不到1%。這與油品中硫含量和鉛含量的變化是一致的。可見，油品的質(zhì)量對(duì)顆粒物的排放影響很大，建立排放模型時(shí)，燃料質(zhì)量以及成分應(yīng)該作為一個(gè)重要的影響因素。

2.2 MOBILE模型

MOBILE模型（Source Emission Factor Model）是由美國環(huán)保局于1978年開發(fā)的計(jì)算車隊(duì)（fleet）平均排放因子的模型。與PART5的模型原理基本相同，屬于典型的宏觀排放模型。MOBILE模型經(jīng)歷了六代，隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和排放法規(guī)以及標(biāo)準(zhǔn)的變化不斷進(jìn)行更新[13]。

MOBILE作為成熟的排放模型，在我國機(jī)動(dòng)車排放計(jì)算中有著非常廣泛的應(yīng)用，在支持城市機(jī)動(dòng)車污染控制宏觀決策方面具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。車汶蔚[14]等使用MOBIEL模型建立了2006年珠三角地區(qū)的機(jī)動(dòng)車排放清單，得到柴油大貨車、柴油大客車和柴油小貨車是機(jī)動(dòng)車排放PM10的主要來源，約占總排放的70%。以及各車型對(duì)PM10的排放貢獻(xiàn)，其中柴油大貨車對(duì)PM10的分擔(dān)率達(dá)到了25%以上。MOBILE這類宏觀模型可以為地區(qū)環(huán)境管理和環(huán)境綜合決策提供機(jī)動(dòng)車污染源的排放數(shù)據(jù)，但只能在宏觀區(qū)域內(nèi)進(jìn)行排放的計(jì)算，不能滿足小區(qū)域內(nèi)高分辨率的要求。

2.3 IVE模型

IVE（International Vehicle Emissions）模型是由國際可持續(xù)發(fā)展研究中心（International Sustainable Systems Research Center，ISSRC）和加州大學(xué)河邊分校（University of California at Riverside，UCR）在美國環(huán)保局支持下共同開發(fā)，以滿足發(fā)展中國家使用的機(jī)動(dòng)車排放模型。

IVE模型[15]的計(jì)算方法在本質(zhì)上與MOBILE模型的方法類似，不僅引入了VSP，而且考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史狀態(tài)對(duì)排放也有影響，也引入了ES（engine stress）用于建立發(fā)動(dòng)機(jī)排放與歷史VSP的模擬關(guān)系，利用它們建立了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)工作狀態(tài)與排放的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的空氣污染物、溫室氣體，以及苯等近十種有毒氣體進(jìn)行估算，是典型的中觀模型。

姚志良[16]等在2006年使用IVE模型以北京市的機(jī)動(dòng)車為研究對(duì)象得出，顆粒物PM的平均日排放為7.1t，其中卡車的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到了83%，而公交車和卡車作為顆粒物排放控制的重點(diǎn)，其排放因子分別是普通輕型車的14倍和44倍。王海鯤等[17]計(jì)算了2004年上海市機(jī)動(dòng)車的PM排放清單，也得出摩托出與卡車是高排放車輛，且啟動(dòng)過程中PM占到總排放的19%。王孝文[18]等在2010年對(duì)杭州使用IVE模型與GIS系統(tǒng)建立了1km×1km的高時(shí)空分辨率的機(jī)動(dòng)車排放清單，結(jié)果顯示PM的排放量為6500t，柴油重型貨車和公交車是主要排放源。而IVE模型預(yù)測的顆粒物只是PM，沒有對(duì)人體和環(huán)境危害更大的PM10以及PM2.5進(jìn)行計(jì)算。

王岐東[19]等在2008年以IVE模型的方法為基礎(chǔ)，適合我國實(shí)際情況的車型分類，針對(duì)城市尺度，建立了基于工況的城市機(jī)動(dòng)車排放模型，即DCMEM模型（driving cycle-based mobile emission mode），為今后控制機(jī)動(dòng)車排放提供基礎(chǔ)和依據(jù)。首先使用車載設(shè)備對(duì)五個(gè)城市進(jìn)行實(shí)測機(jī)動(dòng)車排放，利用反映發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的VSP和ES兩個(gè)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行參數(shù)構(gòu)建機(jī)動(dòng)車排放因子模型并進(jìn)行模型驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)即使使用中國車輛的測試結(jié)果，如果行駛工況不具代表性，也會(huì)帶來很大誤差。因此一方面需要完善覆蓋各種車型的排放速率庫，另一方面還要對(duì)各類城市規(guī)模的行駛工況進(jìn)行測試研究。

2.4 COPERT模型

COPERT模型由歐洲環(huán)境署（EEA）資助開發(fā)，模型原理與MOBILE類似，采用平均速度表征車輛行駛特點(diǎn)，是典型的宏觀模型。而COPERT模型來自與我國發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相近的歐洲，且能兼容我國目前和未來一段時(shí)間內(nèi)的機(jī)動(dòng)車排放控制標(biāo)準(zhǔn)，需要的參數(shù)較少，便于推廣使用，在我國有廣泛的應(yīng)用。

謝紹東等[20]使用COPERTIII模型計(jì)算了2002年中國機(jī)動(dòng)車排放因子，得出大中型客車和重型貨車的顆粒物排放因子較大，而大中型客車及重型貨車大多數(shù)都采用的柴油發(fā)動(dòng)

機(jī)，說明柴油機(jī)的顆粒物排放因子較大。且將其與MOBILE模型相比較，顯示出他們在排放特征關(guān)系上是一致的，但是COPERT更接近臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果。而程穎等[21]于2011年利用PEMS對(duì)模型進(jìn)行修正后，將兩模型計(jì)算值與實(shí)測值相比較，也發(fā)現(xiàn)COPERT與實(shí)測值也更為接近。黃建彰等[22]使用COPERTIV模型對(duì)2012年佛山市重型車PM2.5的排放特征并分析了其污染來源。發(fā)現(xiàn)非排氣管PM2.5的排放隨車身總質(zhì)量的提高而增大，而隨速度的提高（40km/h之后）不斷下降。非排氣管PM2.5的排放占到總PM2.5的28.9%。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高和尾氣控制不斷提升，非排氣管排放的PM2.5所占比將會(huì)越來越大，成為顆粒物污染的主要來源。在建立排放模型時(shí)，應(yīng)考慮到非排氣管排放的這一部分顆粒物。

2.5 MOVES模型

美國環(huán)保局從2001年開始研發(fā)新一代的綜合移動(dòng)源排放模型——MOVES（motor vehicle emission simulator）模型。

MOVES模型是基于機(jī)動(dòng)車比功率、行駛工況分布等新概念開發(fā)的新型排放模型，能滿足從宏觀到微觀多觀層面的計(jì)算。它引入了VSP和速度共同交叉劃分區(qū)間，能全面真實(shí)的模擬實(shí)際道路運(yùn)行工況[23]。目前為EPA認(rèn)定的美國（除加州）地區(qū)對(duì)運(yùn)輸工程項(xiàng)目進(jìn)行PM2.5和PM10量化熱點(diǎn)分析的官方模型。

MOVES與MOBIEL相比，MOVES模型數(shù)據(jù)收集使用的便攜式PEMS設(shè)備，數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)表中，便于基礎(chǔ)排放率數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，在預(yù)測準(zhǔn)確性上更具有優(yōu)勢。而用戶界面也采用的可視化界面，增強(qiáng)了MOVES模型的可操作性[24]。而在岳園圓[25]對(duì)北京天竺收費(fèi)站的機(jī)場高速的研究中發(fā)現(xiàn)，通過利用GPS對(duì)車輛實(shí)測獲得其運(yùn)行工況分布，對(duì)MOVES進(jìn)行修正后，雖然基于本地排放率和默認(rèn)排放率所測得的排放因子不同，但是MOVES與實(shí)測的ETC相較MTC對(duì)污染物排放削減比例相差很小，且削減比例趨勢高度一致。所以運(yùn)行工況刻畫方面是模型開發(fā)的一個(gè)重要方面。

3、討論

隨著對(duì)排放的關(guān)注從宏觀到分辨率更高的微觀，MOBILE和COPERT這類宏觀模型已經(jīng)不是模型發(fā)展的方向，但是相對(duì)更成熟，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，對(duì)于已有機(jī)動(dòng)車排放以及交通數(shù)據(jù)的地區(qū)是可以使用的。IVE操作簡單，參數(shù)可獲性強(qiáng)，更適合數(shù)據(jù)不確定性較大的發(fā)展中國家，但是其對(duì)車型分類非常嚴(yán)格，對(duì)于中國這種車輛技術(shù)參差不齊的城市，需要的輸入數(shù)據(jù)也非常大量的。而代表了模型發(fā)展方向的新一代排放模型MOVES，提供了從微觀到宏觀多觀的排放測算和評(píng)價(jià)功能，在數(shù)據(jù)收集、算法和運(yùn)行層次上都對(duì)我國開發(fā)自己的排放模型有著重要的借鑒意義。

而就長遠(yuǎn)來看，我國應(yīng)引入國外排放數(shù)據(jù)收集的先進(jìn)設(shè)備如PEMS，收集有效排放數(shù)據(jù)進(jìn)行合理處理，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。并且綜合考慮對(duì)顆粒物影響較大的因素，如機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況、燃料性質(zhì)、車齡里程、排放標(biāo)準(zhǔn)等，參考國外優(yōu)秀的排放模型經(jīng)驗(yàn)，尤其是MOVES這種代表了模型發(fā)展方向的多觀模型，早日建立中國自己的尾氣排放數(shù)據(jù)庫和排放模型。

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4、發(fā)展展望

上述控制方案作為實(shí)例已應(yīng)用于威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的各類牽引汽車中，服務(wù)于國內(nèi)外大小機(jī)場，用戶反映良好。在公路商用車方面，4WS系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛，寶馬，日產(chǎn)，馬自達(dá)都擁有自己的4WS控制系統(tǒng)，控制策略也各有特色。最新的現(xiàn)代控制理論也為汽車4WS的控制研究提供了新思路，如自適應(yīng)控制，最優(yōu)控制，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的控制等越來越多地被汽車設(shè)計(jì)者采用。隨著研究的深入，涉及到不同速度情況下車體變形，輪胎的非線性變化，駕駛者不同的操作習(xí)慣對(duì)轉(zhuǎn)向的影響都會(huì)越來越多的被關(guān)注，那么更新的更人性化的自學(xué)習(xí)智能駕駛系統(tǒng)也會(huì)成為研究者們關(guān)注的方向。相信伴隨高靈敏度、高精度、低成本的傳感器的開發(fā)，以及先進(jìn)的控制理論與控制方法不斷應(yīng)用于4WS控制器，汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

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Traffic particulate emissions model research

Zhang Yan, Su Wei
(Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064)

Air quality seriously worsed in recent years, traffic particulate matter makes a great contribution.In order to predict traffic emissions of particulate matter, researchers have developed a lot of emission models.. By some traffic particulate emission model is introduced and compared, also discussed the present domestic application.Finally,put forward opinions for application and development of China’s own emission model .

transportation emissions; particulate matter; emission model; model application

[U473.9]

B

1671-7988(2014)11-92-04

張艷，就讀于長安大學(xué)。