特長(zhǎng)公路隧道CO單車(chē)排放模型研究

田 芳，付 帥，鄭 晅，李 雪

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210000：2.長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放因子是評(píng)估隧道車(chē)輛污染物排放量、運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)控制以及工程環(huán)境評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[1-2]。同時(shí)，CO排放因子作為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的參量，受到尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、氣候條件以及燃料品質(zhì)等因素的影響，隨著車(chē)輛排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的更新，車(chē)輛CO排放因子也在不斷減小[3-5]。因此，研究特長(zhǎng)公路隧道機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放因子，動(dòng)態(tài)把握機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放因子，有利于減少隧道通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，符合低碳環(huán)保的工程設(shè)計(jì)理念。

目前，國(guó)內(nèi)外主要采用臺(tái)架試驗(yàn)法、隧道實(shí)測(cè)法和模型預(yù)測(cè)法等確定機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子。臺(tái)架試驗(yàn)法[6]通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架，測(cè)定機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放建立機(jī)動(dòng)車(chē)單車(chē)污染物排放因子。陳長(zhǎng)虹等[7]及姚志良等[8]利用車(chē)載排放測(cè)試儀，開(kāi)展了重型柴油車(chē)實(shí)際道路排放測(cè)試，在我國(guó)重型車(chē)實(shí)際道路排放研究方面取得了突破；鄧順熙等[9]采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)，測(cè)試了我國(guó)輕型車(chē)CO，HC 和NOx的排放因子：高爽等[10]采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有不同品牌輕型汽車(chē)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，并對(duì)尾氣樣品中VOCs 物種進(jìn)行定量分析。

隧道實(shí)測(cè)法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)車(chē)流排放污染物，確定機(jī)動(dòng)車(chē)平均污染物排放因子。陳超等[11]對(duì)上海市延安東路越江隧道等隧道內(nèi)CO 和NOx濃度分布及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，推算得到中國(guó)城市地下道路車(chē)流綜合平均CO，NOx污染物排放因子現(xiàn)狀，推算結(jié)果與PIRAC2012年關(guān)于中國(guó)地區(qū)的研究結(jié)果有較好的一致性，且明顯小于現(xiàn)行相關(guān)公路隧道規(guī)范的設(shè)計(jì)值；ZHAO D T 等[12]對(duì)西安市文昌門(mén)-和平門(mén)隧道內(nèi)CO 和NOx濃度分布及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，推算可反映西安市綜合平均CO，NOx污染物排放因子現(xiàn)狀；王明年等[13]對(duì)廈門(mén)翔安海底隧道內(nèi)污染物濃度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，給出了隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)建議；朱春等[14]對(duì)澳洲Vulture street 公交專(zhuān)用隧道內(nèi)的細(xì)微顆粒物和氣體污染物進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析了自然通風(fēng)和縱向通風(fēng)下隧道內(nèi)NOx、細(xì)微顆粒物濃度及粒度的分布特征。

模型預(yù)測(cè)法基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展的車(chē)輛排放模型對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，確定車(chē)輛排放的代表模型有美國(guó)環(huán)保局MOBILE模型、歐洲委員會(huì)COPERT模型[15]。其中，COPERT模型現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于歐盟國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子估算和防治等研究工作[16]。此外，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)沿用歐洲體系，COPERT模型所需數(shù)據(jù)量較少，可操作性強(qiáng)，在我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子研究中得到了較好的推廣。馬因韜等[17]對(duì)比分析MOBILE，EMFAC，COPERT 等模型在中國(guó)的適用程度，得出COPERT模型更適合研究中國(guó)實(shí)際排放標(biāo)準(zhǔn)下車(chē)輛污染物的排放情況，可兼容我國(guó)目前和未來(lái)一段時(shí)間機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)；李荔等[18]以COPERT模型建立江蘇省2015年機(jī)動(dòng)車(chē)排放清單，分析了分車(chē)型、排放標(biāo)準(zhǔn)以及道路類(lèi)型的機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放分擔(dān)率：何曉云等[19]以COPERT 計(jì)算了杭州市分車(chē)型分排放標(biāo)準(zhǔn)下的機(jī)動(dòng)車(chē)排氣污染物的排放因子，并估算了分車(chē)型分排放標(biāo)準(zhǔn)下各污染物分擔(dān)率：謝軼嵩等[20]利用COPERT模型建立了南京市2014年機(jī)動(dòng)車(chē)CO，NOx，VOCs，PM10和PM2.5排放量模型；朱倩茹等[21]以COPERT模型，對(duì)比分析不同參數(shù)，研究了重型柴油貨車(chē)對(duì)CO，VOC，NOx，PM，SO2等污染物排放因子的影響。

綜上所述，臺(tái)架測(cè)試法和隧道實(shí)測(cè)法可確定一定工況下的機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子，但結(jié)果離散性較大且難以快速反映排放因子的變化情況。此外，特長(zhǎng)公路隧道在結(jié)構(gòu)特征、交通特征、工程建設(shè)場(chǎng)址氣候條件、城市發(fā)展水平等方面有較大差異性，簡(jiǎn)單照搬公路隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)、國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范將帶來(lái)很多問(wèn)題。

為動(dòng)態(tài)跟蹤并把握特長(zhǎng)公路隧道污染物排放現(xiàn)狀，科學(xué)評(píng)估機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子動(dòng)態(tài)變化特性。本文在考慮燃料特征、排放控制水平、不同路況下的典型行駛工況等因素影響的情況下，利用COPERT模型，結(jié)合隧道實(shí)測(cè)法，對(duì)分車(chē)型分標(biāo)準(zhǔn)的CO排放因子進(jìn)行了細(xì)化研究。

1 COPERT模型參數(shù)

COPERT模型計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)綜合排放因子時(shí)，需要明確車(chē)輛所滿(mǎn)足的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、平均行駛速度、車(chē)輛的平均行駛里程、燃料蒸汽壓和含硫量以及氣候參數(shù)等。中國(guó)對(duì)載客機(jī)動(dòng)車(chē)主要是按照準(zhǔn)載乘客數(shù)進(jìn)行劃分，與COPERT模型按照發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量劃分方式不同。我國(guó)車(chē)型與COPERT 車(chē)型轉(zhuǎn)化的具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。

COPERT V模型是平均速度型排放因子模型，本文選取30 km/h 作為平均行駛速度[23-24]。

本文設(shè)定汽油和柴油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%和0.05%，而汽油的蒸汽壓冬、春2季為88 kPa，夏秋2季為72 kPa。

氣候參數(shù)包括月最低氣溫和月最高氣溫。本文采用全國(guó)31 個(gè)省2016年各月的最高氣溫和最低氣溫的平均值，代表國(guó)家水平的平均情況。

本文在考慮以上國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，采用COPERT 的12.4 km 默認(rèn)值。

2 隧道CO單車(chē)污染物排放模型

根據(jù)我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)狀，將機(jī)動(dòng)車(chē)劃分為汽油車(chē)（小客車(chē)、大客車(chē)）和柴油車(chē)（輕型貨車(chē)、重型貨車(chē)）4 類(lèi)。將車(chē)輛平均車(chē)速、氣候條件等代入COPERT模型，可預(yù)測(cè)隧道內(nèi)4種車(chē)型的單車(chē)CO排放因子。

2.1 單車(chē)CO排放模型

汽油車(chē)在不同排放標(biāo)準(zhǔn)不同車(chē)速時(shí)的CO排放因子見(jiàn)表1。

表1 載客汽車(chē)的CO排放因子 g·km－1·輛－1

圖1 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下載客汽車(chē)CO排放因子

根據(jù)表1中小客車(chē)在不同運(yùn)行速度下的CO排放因子，利用數(shù)學(xué)擬合方法（擬合度R2＞0.9），得到不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車(chē)CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)公式（1）～（3）。

式中：EF為CO排放因子；v為速度。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車(chē)CO排放因子曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車(chē)CO排放因子曲線(xiàn)

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下大客車(chē)CO排放因子曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

同理可得不同排放標(biāo)準(zhǔn)下大客車(chē)CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)公式（4）～（6）。

圖3 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下大客車(chē)CO排放因子曲線(xiàn)

從表1可以看出，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)提高，小客車(chē)和大客車(chē)CO排放因子不斷減少，國(guó)III 和國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子基本保持一致，但當(dāng)排放標(biāo)準(zhǔn)提升到國(guó)V 時(shí)，CO排放因子顯著下降。當(dāng)小客車(chē)和大客車(chē)速度在不斷增大時(shí)，CO排放因子不斷減小。不同排放標(biāo)準(zhǔn)下載客汽車(chē)的CO排放因子見(jiàn)圖1。

由圖1～圖3可知，小客車(chē)在不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度均呈多項(xiàng)式關(guān)系。大客車(chē)在國(guó)III 和國(guó)IV 排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度也呈多項(xiàng)式關(guān)系，在國(guó)V 排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，提升車(chē)輛排放標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)提高車(chē)輛行駛速度，有利于減少CO排放。

輕型貨車(chē)和重型貨車(chē)在不同速度下的CO排放因子見(jiàn)表2。

表2 載貨汽車(chē)的CO排放因子 g·/km－1·輛－1

從表2可以看出，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，輕型貨車(chē)和重型貨車(chē)CO排放因子不斷減少，國(guó)III 和國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子差別不大，基本保持一致，但當(dāng)排放標(biāo)準(zhǔn)提升到國(guó)V 時(shí)，CO排放因子有顯著的下降。不同車(chē)速的載貨汽車(chē)的CO排放因子見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，當(dāng)輕型貨車(chē)和重型貨車(chē)速度在不斷增大時(shí)，CO排放因子不斷減小。

圖4 不同車(chē)速的載貨汽車(chē)CO排放因子變化

根據(jù)表2，輕型貨車(chē)在不同運(yùn)行速度下的CO排放因子，利用數(shù)學(xué)擬合方法，得到不同排放標(biāo)準(zhǔn)下小客車(chē)CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)公式（7）～（9）。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下輕型貨車(chē)的CO排放因子曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下輕型貨車(chē)的CO排放因子曲線(xiàn)

重型貨車(chē)CO排放因子隨速度變化的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)公式（10）～（12）。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下重型貨車(chē)CO排放因子變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下重型貨車(chē)CO排放因子曲線(xiàn)

由圖4～圖6可知，輕型貨車(chē)和重型貨車(chē)在不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO排放因子和速度均呈線(xiàn)性關(guān)系，且載貨汽車(chē)CO排放因子小于載客汽車(chē)的CO排放因子，表明柴油車(chē)CO排放量低于汽油車(chē)CO排放。

2.2 機(jī)動(dòng)車(chē)綜合CO排放因子

根據(jù)《2018年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)管理年報(bào)》數(shù)據(jù)，汽車(chē)已占機(jī)動(dòng)車(chē)主導(dǎo)地位，其構(gòu)成按車(chē)型分類(lèi)，客車(chē)占88.8%，貨車(chē)占11.2%；按燃料類(lèi)型分類(lèi)，汽油車(chē)占89.0%，柴油車(chē)占9.4%，燃?xì)廛?chē)占1.6%；按排放標(biāo)準(zhǔn)階段分類(lèi)，國(guó)I 前標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)占0.1%，國(guó)I標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)占3.7%，國(guó)II標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)占5.5%，國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)占21.2%，國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)占47.5%，國(guó)V 及以上標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)占21.2%[25－29]。因此，綜合考慮現(xiàn)行車(chē)輛存在不同排放標(biāo)準(zhǔn)的情況，假定國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型比例為30%，國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型比例為50%，國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型比例為20%，定義CO 平均排放因子EFave-i見(jiàn)公式（13）。

式中：i為不同的車(chē)型種類(lèi)，分別是小客車(chē)（PC）、大客車(chē)（BUS）、輕型貨車(chē)（LDV）、重型貨車(chē)（HDV）。

根據(jù)式（13），可得載客汽車(chē)和載貨汽車(chē)的CO平均排放因子，見(jiàn)表3、表4。

表3 載客汽車(chē)的CO 平均排放因子 g·km－1·輛－1

表4 載貨汽車(chē)的CO 平均排放因子 g·km－1·輛－1

2.3 隧道運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀實(shí)測(cè)

選取西安市南五臺(tái)公路隧道進(jìn)行機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放濃度及排放因子的測(cè)試。采樣地點(diǎn)為隧道東行線(xiàn)，隧道全長(zhǎng)912 m，隧道橫截面為39 m2，雙向4 車(chē)道，在測(cè)試期間，為避免通風(fēng)影響，關(guān)閉隧道風(fēng)機(jī)，可認(rèn)為隧道內(nèi)污染物濃度變化是由交通活塞效應(yīng)和自然風(fēng)造成的。采樣點(diǎn)布置在距隧道出、入口200 m處，采樣高度為1.5 m，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置示意

采樣時(shí)間從2019年5月13日至2019年5月19日，為期1 周，包括5 個(gè)工作日和2 個(gè)非工作日。每天采樣時(shí)段劃分為早晨(7:00～10:00)，下午(12:00～15:00)，晚間(17:00～20:00)，夜間(22:00～24:00)，共4 個(gè)時(shí)段。

利用TSI Q－Trak 儀器對(duì)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)速進(jìn)行了探測(cè)。此外，在測(cè)點(diǎn)1 和2 各安裝1臺(tái)攝像機(jī)來(lái)記錄交通數(shù)據(jù)，包括車(chē)輛類(lèi)型、數(shù)量和車(chē)速。采用Ecotech 公司的EC 9830型CO 分析儀對(duì)測(cè)點(diǎn)處的CO 進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，精確穩(wěn)定地測(cè)定CO 的實(shí)時(shí)濃度。所有儀器在使用前都進(jìn)行了標(biāo)定。

為減少數(shù)據(jù)誤差，對(duì)采樣期間溫度、濕度、氣壓和風(fēng)速數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 實(shí)測(cè)隧道不同時(shí)段環(huán)境參數(shù)

由表5可知，隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化范圍不大，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的測(cè)量。對(duì)車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)輛數(shù)目以及車(chē)速等交通特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表6。監(jiān)測(cè)期間隧道內(nèi)2 處測(cè)點(diǎn)的CO 濃度變化見(jiàn)表7。由表6、表7可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)2 相比測(cè)點(diǎn)1，CO 濃度有一定比例的增加。

表6 實(shí)測(cè)隧道采樣日期交通特征

表7 監(jiān)測(cè)期間隧道內(nèi)2 處測(cè)點(diǎn)的CO 濃度變化 g·km－1·輛－1

采用質(zhì)量平衡模型計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)污染物CO排放因子，見(jiàn)式（14）。

式中：EF為實(shí)測(cè)時(shí)間段內(nèi)混合機(jī)動(dòng)車(chē)流的CO 平均排放因子，g/（km·輛）；N為采樣時(shí)間段內(nèi)通過(guò)隧道的機(jī)動(dòng)車(chē)總量，輛；L為隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 之間的距離，km；Coutlet，Cinlet為隧道測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)1 處CO濃度，g/m3；V為隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，m/s；T為采樣時(shí)間間隔，s；A為隧道橫斷面面積，m2。

將表5～7 中的監(jiān)測(cè)結(jié)果代入公式（14），可得4個(gè)時(shí)段的CO 平均排放因子，見(jiàn)表8。將表8 中機(jī)動(dòng)車(chē)的CO 平均排放因子和COPERT模型預(yù)測(cè)CO排放因子對(duì)比，發(fā)現(xiàn)速度在40～70 km/h 時(shí)，和預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了COPERT模型在我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放因子計(jì)算的適用性。

表8 機(jī)動(dòng)車(chē)分時(shí)段CO排放因子 g·km－1·輛－1

2.4 與現(xiàn)行設(shè)計(jì)參數(shù)比較

目前，我國(guó)隧道通風(fēng)工程設(shè)計(jì)計(jì)算主要根據(jù)JTG T D70 2－02—2014 《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)細(xì)則）。細(xì)則中CO 污染物基準(zhǔn)排放量以2000年為起點(diǎn)，按每年2.0%的遞減率計(jì)算至設(shè)計(jì)目標(biāo)年份獲得的排放量，作為隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的基本排放量：此外，PIARC 于2019年更新了《Road Tunnels Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation》報(bào)告中也給出了最新污染物排放因子研究成果。以小客車(chē)CO排放因子為例，對(duì)COPERT 計(jì)算結(jié)果和細(xì)則基準(zhǔn)量和PIARC最新研究成果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖8。

圖8 小客車(chē)CO排放因子與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)特性比較

從圖8可知，COPERT模型計(jì)算得到的CO排放因子和PIARC最新研究成果吻合，遠(yuǎn)低于我國(guó)公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則基準(zhǔn)量，表明隨著汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展與進(jìn)步，環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，燃料品質(zhì)與道路路況的不斷改善，以及中國(guó)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)厲，機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放因子也在呈逐漸減小趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）利用COPERT模型，計(jì)算了機(jī)動(dòng)車(chē)在不同排放標(biāo)準(zhǔn)、不同行車(chē)速度下的CO排放因子，建立了特長(zhǎng)公路隧道的CO單車(chē)排放模型。

（2）根據(jù)不同排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型比例，推算得到混合車(chē)流CO 平均排放因子，并基于隧道實(shí)測(cè)法，將CO實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和COPERT模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比，表明COPERT模型的在中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子預(yù)測(cè)方面適用性較強(qiáng)。

（3）將COPERT模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和PIARC2019年最新研究成果及中國(guó)通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則污染物排放因子基準(zhǔn)量進(jìn)行對(duì)比，COPERT模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和PIARC研究結(jié)果較為吻合，均遠(yuǎn)低于通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定的基準(zhǔn)量。