單雙號限行對郊區(qū)道路機動車尾氣排放的控制效果研究

樊守彬，田靈娣，郭津津，孫改紅1.北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院,北京 10007 2.國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心,北京 10007 .首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048

單雙號限行對郊區(qū)道路機動車尾氣排放的控制效果研究

樊守彬1,2，田靈娣3，郭津津3，孫改紅3
1.北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院,北京 100037 2.國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心,北京 100037 3.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048

北京大型活動期間的道路車流量控制是緩解交通擁堵和削減尾氣排放的重要手段。郊區(qū)道路的車型構(gòu)成和行駛工況與城市道路有顯著差別，研究車輛限行對郊區(qū)道路機動車尾氣排放的影響是空氣質(zhì)量保障方案制定、控制效果評估和進行空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)。以中國人民抗日戰(zhàn)爭勝利紀念日閱兵期間郊區(qū)道路車流信息為基礎(chǔ)，采取排放強度計算、路邊污染物濃度監(jiān)測和逆模式法相結(jié)合，研究了車輛限行對郊區(qū)道路機動車尾氣排放的影響。結(jié)果顯示：郊區(qū)道路限行期間國道、省道和縣道車流量降比分別為21%、29%和24%，貨運車輛降比大于客運車輛，車輛行駛速度上升；CO、NOx、HC和PM的減排比國道分別為41%、46%、48%和76%，省道分別為43%、31%、45%和47%，縣道分別為33%、27%、34%和43%。路邊的NOx濃度監(jiān)測結(jié)果顯示，限行期間NOx濃度下降47%；根據(jù)現(xiàn)場的NOx濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)以及氣象參數(shù)，應(yīng)用逆模式法計算NOx排放強度，結(jié)果顯示限行期間NOx排放強度下降37%。

車輛限行；郊區(qū)道路；機動車尾氣；排放因子；路邊監(jiān)測

機動車尾氣排放是北京和全球很多城市大氣污染的重要來源[1-3]，交通擁堵導(dǎo)致機動車尾氣排放更加嚴重[4-5]。為了控制機動車尾氣排放，北京市持續(xù)采取了多項控制措施，包括新車排放標(biāo)準加嚴[6-7]、提高車用油品質(zhì)量[8]、淘汰更新老舊車[9]、大力發(fā)展公共交通和推廣新能源車輛等[10-11]，但隨著燃煤及工業(yè)污染源的控制，機動車排放已成為北京市PM2.5的第一大來源[12-15]。因此，在大型活動期間北京市采取控制實際道路車流，以緩解交通擁堵和削減機動車尾氣排放，并在2008年北京奧林匹克運動會[16-18]和2014年亞太經(jīng)濟合作組織領(lǐng)導(dǎo)人會議(APEC會議)[19-21]期間取得了改善空氣質(zhì)量的效果。

為了保障世界田徑錦標(biāo)賽和中國人民抗日戰(zhàn)爭勝利紀念日閱兵活動，北京市于2015年8月20日—9月4日對機動車、工業(yè)企業(yè)、燃煤鍋爐、建設(shè)施工等實施臨時性管控措施。在機動車污染控制方面，實施了包括“單雙號”限行在內(nèi)的細化控制措施。筆者以郊區(qū)道路為主要研究對象，根據(jù)典型道路車流量、車型構(gòu)成、行駛速度等主要參數(shù)，通過限行前后機動車尾氣污染物排放強度比較和路邊污染物濃度監(jiān)測對比的方法，研究車輛限行對機動車尾氣的減排效果，分析了臨時限行調(diào)控措施對污染物濃度下降的貢獻，以期為制定有針對性的交通污染源減排政策提供參考，為郊區(qū)道路發(fā)展規(guī)劃及交通結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 污染物排放強度計算

以北京市近郊區(qū)的道路為研究對象，分析大型活動期間車輛限行控制措施的減排效果，研究區(qū)域為通州區(qū)，包括2條國道、14條省道和26條縣道。根據(jù)限行前后車流量和車速變化以及對尾氣排放因子的影響[22-23]，計算限行前后不同類型道路機動車尾氣污染物排放強度[24-25]，通過對比分析大型活動機動車限行對尾氣排放的影響。機動車尾氣排放強度的計算公式：

(1)

1.2 路邊污染物濃度監(jiān)測

應(yīng)用RP-1400a微振蕩天平環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀進行PM2.5濃度測量，42i型氮氧化物分析儀進行NOx濃度測量。應(yīng)用微型氣象站測量溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場調(diào)查了道路的車流量、車型構(gòu)成等信息。監(jiān)測日期包括限行期間和非限行期間，為2015年8月20日—9月19日，其中，8月20日—9月4日為限行期間。

通過限行期間及限行后污染物濃度的對比分析限行的減排效果，用路邊污染物濃度與背景點濃度差值進行比較，記為Δc。氣象條件對污染物濃度也會產(chǎn)生影響，為了消除氣象參數(shù)的變化對減排效果評估的影響，應(yīng)用逆模式法計算限行前后排放強度的變化，以評估限行的減排效果?？蓱?yīng)用線源模式計算排放、氣象參數(shù)和污染物濃度間的關(guān)系估算排放強度和排放因子，如OSPM[26]和CALINE4模式[27-28]結(jié)合路邊的濃度測量；對于惰性的或活性弱的尾氣污染物的短距離擴散，其化學(xué)轉(zhuǎn)化可以忽略；根據(jù)受體點和背景點的污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，用下式可計算線源排放強度[29-30]：

ρcl=(cr-cb)fd

(2)

式中：cr和cb分別為路邊和背景點污染物濃度，μgm3；ρcl為應(yīng)用CALINE4模式計算的道路車輛排放強度，g(km·h)；fd為特定氣象條件下的擴散參數(shù)，hm2。

用CALINE4模式計算需要輸入的參數(shù)包括道路位置、氣象參數(shù)(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、大氣穩(wěn)定度等級及混合層高度)、背景濃度、監(jiān)測位置及路邊污染物濃度等。fd的計算方法:

仿真實踐任務(wù) 在課程進行后期，學(xué)生已經(jīng)對本課程中涉及的典型電路有了基本認識，通過上述與工程實踐融合的教學(xué)方式，也對電路的具體應(yīng)用場合有了一定的理解。為了培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，此時梳理本課中典型的應(yīng)用電路，并進行任務(wù)拆分，即將課程中涉及的典型電路與工程實踐再次結(jié)合，細化為仿真任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生以小組形式進行選題，明確成員的任務(wù)，闡明仿真成果形式與考核方式等。由學(xué)生根據(jù)電路特點與自身基礎(chǔ)，自由選擇仿真軟件。根據(jù)選題難度，規(guī)定仿真任務(wù)的完成時間，由學(xué)生自主完成整體的仿真實踐。

fd=cclρobs

(3)

式中：ccl為應(yīng)用CALINE4模式計算的受體點污染物濃度增量，μgm3；ρobs為基于車流計算的排放強度，g(km·h)。

考慮到模型模擬的系統(tǒng)誤差，研究中通過下降比例的方式分析車輛限行對機動車排放的影響，并與排放強度計算結(jié)果進行對比，通過排放強度和濃度監(jiān)測相結(jié)合的方法分析限行對排放量下降和污染物濃度降低的效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 車輛限行對車流量及車速的影響

對不同類型道路在限行和非限行期間的車流量變化進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖1。

圖1 不同類型道路限行與非限行期間車流量變化Fig.1 Traffic volume changes during traffic restriction and traffic restriction

從圖1可以看出，非限行和限行時期車流量均呈雙峰結(jié)構(gòu)，早晚高峰時段車流驟增，單雙號限行期間不同類型道路的車流量均有明顯下降，國道、省道和縣道比非限行期間分別下降21%、29%和24%。

對不同類型道路在限行和非限行期間不同車型車流量進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。由圖2可見，與非限行相比，國道的小型客車、中大型客車、輕型貨車和中重型貨車分別下降19%、4%、48%和51%；省道的小型客車、中大型客車、輕型貨車、中重型貨車分別下降20%、34%、35%和59%；縣道的小型客車、中大型客車、輕型貨車和中重型貨車分別下降19%、10%、37%和37%。國道、省道和縣道的貨運車輛下降比例均大于客運車輛。

圖2 不同類型道路限行前后的車型構(gòu)成變化Fig.2 Variation in vehicle type constitute of different types of roads before and during traffic restriction

調(diào)研了限行期間和非限行期間不同類型道路各車型的車速，由于不同道路及不同車型的車速分散度較高，按不同道路類型和車型對車速數(shù)據(jù)進行了平均處理，平均車速見表1。從表1可以看出，非限行期間小型客車和輕型貨車的車速較高，限行期間的車速無明顯變化；非限行期間的中大型客車和中重型貨車車速較低，限行期間有明顯升高，升幅為17%～33%。

表1 限行對不同道路類型車輛行駛速度變化

Table 1 Vehicle speed changes of different roads of traffic restriction kmh

表1 限行對不同道路類型車輛行駛速度變化

時期道路類型小型客車中大型客車輕型貨車中重型貨車非限行國道70306035省道50304030縣道50303025限行國道70406045省道50355035縣道50354030

2.2 車輛限行對典型道路的機動車尾氣排放影響

根據(jù)對典型道路的調(diào)查，分別分析車流量、車型構(gòu)成和車速變化，計算不同類型道路機動車尾氣排放強度，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，限行期間的污染物排放強度有顯著降低，主要是由于車流量下降和車速上升所致。

根據(jù)限行和非限行期間不同類型典型道路的污染物排放強度，計算不同類型道路不同污染物的減排比例，結(jié)果見表2。

圖3 限行前后不同類型道路尾氣中污染物排放強度變化Fig.3 Emissions intensity of exhaust gas changes of different roads during traffic restriction and non traffic restriction

表2 限行期間不同類型道路污染物減排比例

由表2可知，國道、省道和縣道的減排比例依次降低，主要是由于不同道路類型各車型車流量的下降不同導(dǎo)致的；不同類型道路污染物的減排比例均為PM最高，主要是貨運車輛的下降比例最高所致。

2.3 路邊污染物濃度變化

路邊監(jiān)測點和背景監(jiān)測點NOx的Δc時間序列如圖4所示。從圖4可以看出，限行期間NOx濃度有顯著降低，限行期間小時平均Δc為79 μgm3，非限行期間小時平均Δc為147 μgm3，限行期間降幅為47%。NOx濃度變化呈明顯的日變化特征，夜間濃度升高，下午濃度降低，其可能與夜間重型車流量增加及穩(wěn)定的氣象條件有關(guān)。

注：第1～16天為單雙號限行期間，之后為非限行期間。圖4 通馬路限行和非限行期間路邊NOx濃度變化Fig.4 NOx concentration changes of Tongma Road during traffic restriction and non traffic restriction

根據(jù)污染物濃度監(jiān)測值和氣象條件等參數(shù)，應(yīng)用CALINE4模式計算了監(jiān)測期間NOx的排放強度，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，限行期間排放強度小時平均值為1.04 kg(km·h)，非限行期間小時平均值為1.66 kg(km·h)，限行期間NOx的排放強度下降了37%。

注：同圖4。圖5 通馬路限行前后NOx排放強度變化Fig.5 NOx emission intensity changes of Tongma Road during traffic restriction and non traffic restriction

2.4 重大活動期間機動車污染控制措施分析

北京奧林匹克運動會[16-17]、北京APEC會議[19]、上海世界博覽會[31]、廣州亞洲運動會[32]、南京青年奧林匹克運動會[33]等重大活動期間的空氣質(zhì)量保障方案中都對機動車污染采取了控制措施。北京奧林匹克運動會期間采取了黃標(biāo)車限行，北京市機動車及外省、區(qū)、市進京機動車需按號牌尾號分單雙號上路行駛的措施；北京APEC會議期間全市機動車采取單雙號限行措施，全市各級黨政機關(guān)、事業(yè)單位車輛全天停駛80%，建筑垃圾、渣土車輛、砂石車和危險化學(xué)品車輛全天禁止在行政區(qū)域內(nèi)行駛；上海世界博覽會期間增加對國Ⅰ及以下標(biāo)準的老舊車輛淘汰更新補貼，積極推進新能源汽車的使用，世博園區(qū)內(nèi)及周邊區(qū)域推廣使用混合動力等新能源汽車；廣州亞洲運動會期間黃標(biāo)車限行，公車封存30%，每日08:00—20:00機動車單雙號限行；南京青年奧林匹克運動會時淘汰所有的黃標(biāo)車，禁止外地黃標(biāo)車、危險化學(xué)品車進入。

北京奧林匹克運動會期間車輛限行對CO、NOx、HC和PM排放量的削減比例分別為56.8%、45.7%、55.5%和51.6%[16]，北京APEC會議期間城區(qū)機動車尾氣CO、NOx、HC和PM排放量分別削減了37.5%、43.4%、39.9%和42.9%[19]。北京奧林匹克運動會期間減排比例更大的原因是完全對黃標(biāo)車采取了禁行措施，其后北京城區(qū)黃標(biāo)車禁行已經(jīng)成為日常措施，所以北京APEC會議期間黃標(biāo)車禁行對城區(qū)減排無影響；另外，北京奧林匹克運動會后，北京采取了工作日每天2個尾號限行的措施，所以北京APEC會議期間單雙號限行措施的效果也低于北京奧林匹克運動會期間。

老舊車限行以及尾號限行是目前重大活動期間機動車污染控制的主要措施。中國機動車環(huán)境管理年報[34]顯示，2015年全國國Ⅰ以下排放標(biāo)準的車輛保有量占1.6%，CO、HC、NOx和PM的排放分擔(dān)率分別為38.2%、40.6%、30.8%和42.3%；國Ⅰ排放標(biāo)準的車輛保有量占6.9%，CO、HC、NOx和PM的排放分擔(dān)率分別為20.2%、18.3%、17.9%和25.8%?？梢钥闯?，保有量占比較低的老舊車的排放占比卻非常高，因此，老舊車淘汰更新以及特殊時期的限行是削減機動車尾氣排放的重要措施。在此基礎(chǔ)上，重大活動期間的尾號限行降低了實際機動車活動水平，車輛速度上升，污染物排放的削減效果明顯[16-19]。需要指出的是對于北京等大城市國Ⅰ以下排放標(biāo)準的車輛已經(jīng)淘汰完畢，老舊車限行效果會低于中國機動車環(huán)境管理年報中的數(shù)據(jù)，但老舊車的排放控制仍是重要措施之一。

3 結(jié)論

(1)大型活動車流量控制可以顯著降低郊區(qū)道路的車流量，提升道路車流速度。限行期間郊區(qū)國道、省道和縣道車流量下降比例分別為21%、29%和24%。非限行期間小型客車和輕型貨車的車速較高，限行期間的車速無明顯變化，限行期間中大型客車和中重型貨車車速升幅為17%～33%。

(2)限行期間CO、NOx、HC和PM的減排比例國道分別為41%、46%、48%和76%；省道分別為43%、31%、45%和47%；縣道分別為33%、27%、34%和43%。

(3)限行期間路邊NOx小時平均濃度增量為79 μgm3，非限行期間為147 μgm3，限行期間降幅為47%。逆模式法計算結(jié)果顯示，限行期間NOx排放強度平均值為1.04 kg(km·h)，非限行期間為1.66 kg(km·h)，限行期間NOx的排放強度下降37%。

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Effect of odd-even traffic restriction on exhaust emission of suburban highway

FAN Shoubin1,2, TIAN Lingdi3, GUO Jinjin3, SUN Gaihong3
1.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China 2.National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing 100037, China 3.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China

Road traffic volume control is an important means to relieve traffic congestion and reduce vehicle exhaust emissions during major events in Beijing. There are significant differences in vehicle type proportion and driving cycle between suburban highway and city roads. The impact of traffic volume restriction on vehicle exhaust emissions for suburban highway is the basis of air quality protection program development, air pollution control measures evaluation and air quality projection and forecast. Based on the suburban highway traffic volume information during and after Chin's Victory Day Parade period in 2105, the emissions intensity computing, roadside pollutant concentration monitoring and inverse model methods were applied to study the effect of traffic volume restriction on vehicle exhaust emissions. The results showed that the traffic volume of national roads, provincial roads and county roads decreased by 21%, 29% and 24%, respectively, during the traffic restriction period. The freight vehicles had a larger decline than the passenger ones, while the vehicle speed increased correspondingly. The emissions intensity of CO, NOx, HC and PM for national roads decreased by 41%, 46%, 48% and 76%, for provincial roads decreased by 43%, 31%, 45% and 47%, and for county roads decreased by 33%, 27%, 34% and 43%, respectively. Roadside monitoring results showed that the concentration of NOxfell by 47 %, and the inverse model method results showed that NOxemissions intensity decreased by 37% during the traffic restriction period.

traffic restriction; suburban highway; vehicle exhaust; emission factor; roadside monitoring

2017-01-21

國家科技支撐計劃項目(2013BAC17B03)；國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409004)；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目(2015000021733G173)

樊守彬(1981—)，男，副研究員，主要從事大氣污染控制研究工作，fanshoubin@163.com

X511

1674-991X(2017)05-0539-07

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.074

樊守彬，田靈娣，郭津津,等.單雙號限行對郊區(qū)道路機動車尾氣排放的控制效果研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2017,7(5):539-545.

FAN S B, TIAN L D, GUO J J, et al.Effect of odd-even traffic restriction on exhaust emission of suburban highway[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(5):539-545.