北京市2017年典型日機(jī)動車動態(tài)排放特征研究

王燕軍， 何巍楠， 宋國華， 唐祎骕， 李 剛， 張?jiān)姾? 張鶴豐,4

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 國家環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012 2.北京交通發(fā)展研究院, 城市交通節(jié)能減排檢測與評估北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100073 3.北京交通大學(xué), 綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044 4.國家大氣污染防治攻關(guān)聯(lián)合中心, 北京 100012

我國對機(jī)動車排放量的摸底調(diào)查主要是采用宏觀測算法[7-9]，這種測算方法對國家級、省級、市級在宏觀上把握機(jī)動車污染排放狀況較為方便、便捷和直觀，但不利于對機(jī)動車在道路上行駛時實(shí)際排放狀況的掌握. 近些年，機(jī)動車排放研究已從宏觀-中觀尺度逐步向局部、微觀尺度發(fā)展[10-13]，我國專家學(xué)者利用國外相關(guān)模型和本地化的機(jī)動車動態(tài)交通流數(shù)據(jù)，對部分地區(qū)機(jī)動車實(shí)際排放狀況進(jìn)行了探索[14-17]. 在國內(nèi)外機(jī)動車排放宏觀測算模型[18-21]、微觀測算模型[22-27]調(diào)研的基礎(chǔ)上，該研究基于美國MOVES模型的開發(fā)思路，開發(fā)了我國重型車VSP (Vehicle Specific Power，汽車比功率)分布區(qū)間，建立了我國輕型車、重型車基于VSP分布的排放速率數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了基于交通流的動態(tài)移動源排放測算模型. 結(jié)合北京市2017年5種典型日(工作日、非工作日、節(jié)假日、重污染日和重大活動日)下主要路網(wǎng)機(jī)動車動態(tài)交通流觀測數(shù)據(jù)[28-29]，測算研究了北京市主要路網(wǎng)在1 h時間分辨率、1 km×1 km空間分辨率下機(jī)動車動態(tài)排放的時空分布特征，以期為支撐北京市機(jī)動車污染精細(xì)化管控決策提供數(shù)據(jù)支持.

1 測算方法

1.1 交通流數(shù)據(jù)獲取方法

小客車交通流是基于車輛浮動車速度通過速度反推理論[30]獲得，包括集成北京市31萬路段(link)下的浮動車速度、交調(diào)數(shù)據(jù)(小時級，北京市 1 300 個交調(diào)點(diǎn)數(shù)據(jù))以及遠(yuǎn)程交通微波監(jiān)測數(shù)據(jù)(小時級，1 600 多個點(diǎn)位). 出租車交通流是基于北京市出租車浮動車運(yùn)行數(shù)據(jù)獲得(分鐘級). 貨車流量通過多元數(shù)據(jù)融合獲得，其中包括交調(diào)數(shù)據(jù)(小時級，北京市 1 300 個交調(diào)點(diǎn)數(shù)據(jù))、高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)(小時級，20個典型收費(fèi)站歷史數(shù)據(jù))、核查線調(diào)查數(shù)據(jù)(小時級，北京市主要橫縱中軸的交叉路段歷史數(shù)據(jù))、遠(yuǎn)程交通微波監(jiān)測數(shù)據(jù)(小時級，1 600 多個點(diǎn)位數(shù)據(jù))、重型貨車全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù)(日均約8萬輛次，時間分辨率為30 s). 公交車交通流基于公交固定路線GPS歷史軌跡數(shù)據(jù)(分鐘級)獲得. 大客車流量基于旅游、省際等長途客運(yùn)車輛GPS定位數(shù)據(jù)(分鐘級)獲得.

1.2 模型建立思路

借鑒美國MOVES機(jī)動車動態(tài)排放模型[23-24]構(gòu)建思路開發(fā)了動態(tài)移動源排放清單模型，引入了VSP參數(shù)來表征機(jī)動車動態(tài)工作狀態(tài)與排放的關(guān)系. VSP定義為單位質(zhì)量機(jī)動車的瞬時功率，是機(jī)動車為克服滾動、摩擦、空氣等阻力，增加機(jī)動車動能和勢能所輸出的功率，單位為kWt，計(jì)算公式：

VSPt=(Avt+Bvt2+Cvt3+mvtat)m

(1)

式中：VSPt為t時刻下機(jī)動車的比功率，kWt；vt為t時刻下的車輛速度，ms；at為t時刻下車輛瞬時加速度，ms2；m為車輛質(zhì)量，t；A為車輛行駛滾動阻力，kW·sm；B為車輛行駛旋轉(zhuǎn)阻力，kW·s2m2；C為車輛行駛空氣阻力，kW·s3m3.

輕型車VSP計(jì)算主要是通過新車路試滾動阻力、旋轉(zhuǎn)阻力、空氣阻力等不同參數(shù)的測試，以及機(jī)動車在不同城市、不同道路上行駛工況調(diào)查得到的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測算，研究建立的輕型車VSP區(qū)間特征與MOVES模型[21]類似.

對于重型車，MOVES模型中采用比例牽引功率(STP)代替VSP進(jìn)行計(jì)算. STP物理意義與VSP類似，代表車輛牽引功率，通常按照常數(shù)縮放以適應(yīng)現(xiàn)有的MOVES運(yùn)行模式定義. STP主要通過發(fā)動機(jī)工作情況(負(fù)載率)而不是單純通過車輛距離確定，同時基于STP的排放因子也并非直接與車輛質(zhì)量呈正相關(guān)，其與車輛的負(fù)載功率也有關(guān). 為了表征重型車輸出功率與排放因子的關(guān)系，引入系數(shù)fscale. 如能直接得到重型車行駛時在驅(qū)動輪上輸出的功率(即輪邊功率，如通過實(shí)車運(yùn)行ECU讀取或重型車轉(zhuǎn)鼓測試)，重型車的VSP特征采用式(2)計(jì)算.

VSPt=Paxlefscale

(2)

式中：Paxle為重型車輪邊功率，kW·h；fscale為比例因子，常數(shù)，定義為車輛總質(zhì)量(包括載重質(zhì)量和車輛本身質(zhì)量)與車輛整備質(zhì)量之比，其物理意義為重型車為載貨額外所需增加的輸出功率與空載時功率的比值.

當(dāng)車輛在道路上行駛，如未能直接得到輪邊功率時，采用式(3)進(jìn)行模擬計(jì)算.

Where: ra is armature winding; rf is excitation winding;rD is direct-axis damping winding;rQ is cross-axis damping winding; w is electrical angular velocity of rotor.

VSPt=(Avt+Bvt2+Cvt3+mvtat)fscale

(3)

由于我國重型車整車試驗(yàn)尚未積累起足夠的數(shù)據(jù)，無法確定其中的關(guān)鍵參數(shù)，故該研究中重型貨車VSP計(jì)算采用北京交通大學(xué)基于實(shí)測研究自主開發(fā)的我國重型車VSP計(jì)算公式，根據(jù)車輛質(zhì)量能否準(zhǔn)確獲得分別采用不同計(jì)算公式，如表1所示.

表1 我國重型車VSP計(jì)算公式

在此基礎(chǔ)上，通過國內(nèi)重型車行駛工況調(diào)查，將重型貨車的VSP行駛區(qū)間劃分為29個，其中，速度區(qū)間3個，分別為0～50、50～80和大于80 kmh；每個速度區(qū)間下有9個VSP區(qū)間，分別為VSP<0、0≤VSP<1、1≤VSP<2、2≤VSP<3、3≤VSP<4、4≤VSP<5、5≤VSP<6、6≤VSP<9、VSP≥9；以及怠速和滑行各一個工況區(qū)間.

1.3 模型結(jié)構(gòu)及測算參數(shù)

研究建立基于交通流的城市道路動態(tài)機(jī)動車排放清單模型輸入?yún)?shù)包括以下3個：①基礎(chǔ)輸入，基于VSP的排放率數(shù)據(jù)、VSP工況分布數(shù)據(jù)、車輛行駛公里數(shù)(Vehicle Kilometers of Travel，VKT)速度分布數(shù)據(jù)、保有量數(shù)據(jù)、行駛里程數(shù)據(jù)等(保有量數(shù)據(jù)及行駛里程數(shù)據(jù)需要使用者根據(jù)研究對象進(jìn)行確定). 模型中針對重型車的總質(zhì)量劃分是基于車型結(jié)構(gòu)調(diào)查數(shù)據(jù)得到的關(guān)鍵區(qū)域下不同總質(zhì)量車輛的結(jié)構(gòu)比例，并按總質(zhì)量區(qū)間劃分進(jìn)行歸類后統(tǒng)計(jì)占比獲得. 基礎(chǔ)信息則通過聯(lián)網(wǎng)報送的年檢車輛信息數(shù)據(jù)庫區(qū)分車輛的排放階段、車輛總質(zhì)量等基本信息. ②修正參數(shù)，基于車齡分布的劣化系數(shù)數(shù)據(jù)(根據(jù)聯(lián)網(wǎng)報送的年檢車輛信息數(shù)據(jù)庫推算的車齡，以及基于車輛的排放劣化研究建立的數(shù)據(jù)庫)；基礎(chǔ)排放清單的修正參數(shù)數(shù)據(jù)，包括溫度修正數(shù)據(jù)、濕度修正數(shù)據(jù)以及海拔修正數(shù)據(jù)等(根據(jù)研究對象不同進(jìn)行自行輸入). ③其他模塊參數(shù)，在基礎(chǔ)排放清單基礎(chǔ)上，可輸入冷啟動參數(shù)、蒸發(fā)參數(shù)等進(jìn)行其他模塊排放測算. 輸出參數(shù)包括：①一級輸出參數(shù)，包括速度排放因子數(shù)據(jù)、車齡分布數(shù)據(jù). ②二級輸出參數(shù)，包括綜合排放因子數(shù)據(jù)或修正后的速度排放因子，以及VKT總量數(shù)據(jù). ③三級輸出參數(shù)，包括基礎(chǔ)排放清單、修正后機(jī)動車排放清單等. 模型測算流程如圖1所示.

圖1 模型測算流程Fig.1 Procedure of inventory development

2 結(jié)果與分析

在北京市2017年交通流量調(diào)查[28-29]的基礎(chǔ)上，選取了2017年北京市工作日、非工作日、重污染日(北京市發(fā)布重污染預(yù)警、機(jī)動車單雙號限行日)、節(jié)假日(國家法定節(jié)假日)和重大活動日(2017年3月3—15日全國人民代表大會第五次會議和政協(xié)第十二屆全國委員會第五次會議、2017年10月18—24日中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會等國家重大活動日)五類典型日，分析在不同環(huán)境背景下機(jī)動車排放的時空分布和演變情況. 交通特征刻畫的參數(shù)選取了VKT作為衡量交通出行量的指標(biāo). 典型日的分類主要是為了體現(xiàn)機(jī)動車不同出行方式、出行量對污染物排放的影響. 以工作日為例，該研究中工作日VKT結(jié)果是基于周一、周二、周三、周四、周五不同特征結(jié)果下的加權(quán)結(jié)果，其他4類典型日處理方式相同.

2.1 機(jī)動車排放空間分布特征

根據(jù)交通流調(diào)查獲得VKT、VSP分布比例等交通流信息后，構(gòu)造了北京市2017年典型日路網(wǎng)逐時機(jī)動車排放清單，并將排放量對應(yīng)分配在相應(yīng)的GIS網(wǎng)格上. 工作日全天、05:00和17:00機(jī)動車NOx排放量空間分布特征如圖2所示.

圖2 北京市機(jī)動車NOx排放量空間分布特征Fig.2 Vehicle NOx spatial distribution characteristics in Beijing

由圖2可見：北京市機(jī)動車NOx排放分布的規(guī)律性較強(qiáng)，主要分布在東南六環(huán)方向及其聯(lián)絡(luò)線，以及東北、西北六環(huán)路方向及與其聯(lián)絡(luò)線上，這些均為重型柴油貨車運(yùn)輸較集中的交通線路. 05:00柴油貨車NOx集中排放的特征最為明顯；17:00城市內(nèi)外多種機(jī)動車交通均較活躍，NOx排放量較高的地點(diǎn)呈多點(diǎn)分布的現(xiàn)象.

北京市工作日機(jī)動車全天、12:00和18:00的CO排放量空間分布特征如圖3所示. 由圖3可見：北京市機(jī)動車CO排放主要集中在城區(qū)，特別是五環(huán)路及以內(nèi)區(qū)域機(jī)動車CO排放量較大；與12:00相比，18:00機(jī)動車CO排放量較大，五環(huán)路及以內(nèi)區(qū)域、五環(huán)路聯(lián)絡(luò)線附近均為CO集中排放區(qū)域，這主要是因?yàn)檩p型汽油客車是機(jī)動車CO排放的主體，而輕型車的主要活動區(qū)域?yàn)槲瀛h(huán)路及以內(nèi)區(qū)域，且以私家車出行為主，故排放也明顯分布在該區(qū)域.

圖3 北京市機(jī)動車CO排放量空間分布特征Fig.3 Vehicle CO spatial distribution characteristics in Beijing

2.2 典型日機(jī)動車排放量分析

根據(jù)交通流特點(diǎn)，計(jì)算得到5種典型日的CO、HC、NOx排放量(見圖4). 由圖4可見，5種典型日中非工作日機(jī)動車總排放量稍高于工作日，分別是工作日、節(jié)假日、重污染日、重大活動日的1.02、1.19、1.03、1.13倍. 不同節(jié)假日之間，CO、HC、NOx排放量也有存在差異(見圖5). 由圖5可見，春節(jié)3種污染物排放量最低，其次為元旦，勞動節(jié)排放量最高，是春節(jié)排放量的1.3倍，主要原因?yàn)樵?、春?jié)和國慶節(jié)的假期較長，離京人數(shù)較多，導(dǎo)致交通流量下降，勞動節(jié)和中秋節(jié)因假期時間較短，離京人數(shù)較少、交通量較大，因此導(dǎo)致排放較高.

圖4 典型日機(jī)動車排放量Fig.4 Vehicle emission quantities of typical days

圖5 不同節(jié)假日機(jī)動車排放量Fig.5 Vehicle emission quantities of different holidays

不同類型機(jī)動車污染物排放量占比如圖6所示，對于CO排放而言，小客車CO排放量占比最大，為65.2%，其次為貨車，排放占比為12.8%；HC排放量占比最大的也為小客車，為65.3%，其次為公交車，排放占比為12.8%；貨車的NOx排放占比最大，為48.9%，其次為公交車，排放占比為19.0%；PM的排放則主要來自貨車和大客車，分別占機(jī)動車PM總排放量的61.3%和27.8%.

圖6 分類型機(jī)動車排放量占比Fig.6 Emission ratios by vehicle types

2.3 典型區(qū)域和道路排放量分析

該研究分析了北京市二環(huán)內(nèi)(包括二環(huán)路)、二三環(huán)之間(包括三環(huán)路)、三四環(huán)之間(包括四環(huán)路)、四五環(huán)之間(包括五環(huán)路)、五六環(huán)之間(包括六環(huán)路)以及六環(huán)外等不同區(qū)域機(jī)動車污染物排放強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示. 由圖7可見：從環(huán)路區(qū)域上看，二環(huán)內(nèi)污染物單位面積平均排放率最高，為0.05 t(km2·d)，分別是三四環(huán)之間、四五環(huán)之間的1.2、2.0倍，其主要原因是北京市二環(huán)內(nèi)路網(wǎng)密度(16.36 kmkm2)最高，交通流平均速度(21.1 kmh)最低，因此污染物單位面積平均排放率高、排放強(qiáng)度大；二三環(huán)之間機(jī)動車污染物單位面積平均排放率次之，為0.043 t(km2·d). 從城市二環(huán)區(qū)域往外機(jī)動車路網(wǎng)密度逐漸變低，交通流平均速度逐漸提高，路網(wǎng)排放強(qiáng)度逐漸降低. 在不同道路類型中，次干路、支路的污染物排放占比最大，其次為主干路. 由圖8可見：各道路類型中CO的排放量占比最大，占總污染物排放量的60%以上；其次為NOx，約占總污染物排放量的20%.

圖7 分區(qū)域機(jī)動車污染物單位面積平均排放率、交通流平均速度Fig.7 Vehicle average emission rate per unit area and traffic flow average speed by zones

圖8 分道路類型機(jī)動車不同污染物排放量占比Fig.8 Vehicle pollutants ratio by the road types

3 討論

機(jī)動車排放情況受行駛速度、車況、環(huán)境溫度等影響較大，有研究表明，機(jī)動車實(shí)際道路行駛狀況下排放因子與機(jī)動車排放宏觀測算模型之間的差異較大[31]，機(jī)動車對城市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響也存在差異性[32]. 樊守彬等[33]對北京市二環(huán)內(nèi)、二三環(huán)之間機(jī)動車行駛平均速度觀測表明，機(jī)動車最低車速在21～22 kmh之間，而筆者研究顯示二環(huán)內(nèi)、二三環(huán)之間的平均車速只有25 kmh左右，高峰時段在20 kmh以下，原因可能是樊守彬等[33]研究年份為2015年，筆者研究年份為2017年，平均車速的降低與北京市機(jī)動車保有量的進(jìn)一步升高以及道路車流飽和程度增長有關(guān). 該研究表明，次干路、支路的機(jī)動車污染物排放量高于主干路、快速路的排放量，與樊守彬等[33]研究結(jié)論相似. 二環(huán)內(nèi)、二三環(huán)之間、三四環(huán)之間的機(jī)動車污染物排放強(qiáng)度明顯高于四外環(huán)，表明中心城區(qū)機(jī)動車排放控制的重要性.

分車型來看，該研究中小型客車CO和HC排放量均占機(jī)動車CO、HC總排放量的60%以上，占比較高，與楊昆昊等[5]利用機(jī)動車燃油質(zhì)量估算機(jī)動車尾氣排放對北京市大氣污染的貢獻(xiàn)結(jié)論相似. 研究[34]表明，小型客車CO、HC排放在北京市五環(huán)區(qū)域內(nèi)均較高(高排放區(qū))，對居民健康影響較大，HC排放還是影響城市空氣中二次顆粒物和O3生成的重點(diǎn)因素. 因此，北京市對輕型客車污染物排放的控制應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng). 為了降低小型客車的使用強(qiáng)度以及污染物的排放，可采用源頭替換的方法，通過財政、稅收、政府采購、通行便利等措施，推動新能源配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣使用節(jié)能環(huán)保型機(jī)動車或新能源機(jī)動車；同時，通過綠色交通體系建設(shè)、優(yōu)化道路設(shè)置等手段，降低小型客車的使用強(qiáng)度，有效降低小型客車的污染排放. 對于在用的行駛里程較高的出租車、租賃汽車、老舊汽車或從事運(yùn)輸經(jīng)營的小型車輛，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)、要求更換尾氣凈化裝置、淘汰更新等措施降低在用小型客車的排放水平.

對于近期關(guān)注的重型柴油車排放問題，該研究重型車NOx排放量占機(jī)動車NOx總排放量的50%左右，低于相關(guān)文獻(xiàn)宏觀測算結(jié)果[35]. 這可能與近些年來北京市不斷加強(qiáng)柴油貨車管控，采取了老舊車輛加速淘汰、限行、加大環(huán)保檢查力度[36]等措施，不斷降低路面行駛的重型車流有關(guān)，但重型車由于承擔(dān)了城市物流的主要功能，其夜間排放和總體排放水平仍然較高，對北京市局部(東南六環(huán)方向以及東北、西北六環(huán)附近)空氣質(zhì)量影響較大，并可通過遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞接绊懗菂^(qū)的空氣質(zhì)量[37]. 為進(jìn)一步降低北京市重型柴油車污染排放問題，一方面需要降低重型車的使用強(qiáng)度，可以通過調(diào)整優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，統(tǒng)籌推進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，推動重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)、物流園區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等優(yōu)先采用鐵路運(yùn)輸大宗貨物，建立城市綠色貨運(yùn)體系等不同的方式推動；另一方面，對于現(xiàn)有的重型柴油車，可通過提高標(biāo)準(zhǔn)要求、加強(qiáng)檢測維修(IM)、加裝污染控制裝置、車載排放診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程排放管理車載終端等設(shè)備和裝置降低在用柴油車排放水平.

4 結(jié)論

a) 北京市二環(huán)路及以內(nèi)區(qū)域和二三環(huán)之間(包括三環(huán)路)機(jī)動車排放強(qiáng)度較高，分別達(dá)0.050和0.043 t(km2·d).

b) 北京市機(jī)動車NOx排放分布規(guī)律性較強(qiáng)，主要分布在東南六環(huán)路方向及其聯(lián)絡(luò)線，以及東北、西北六環(huán)路方向及其聯(lián)絡(luò)線上，NOx排放高峰值出現(xiàn)在05:00.

c) 北京市機(jī)動車CO排放主要集中在城區(qū)五環(huán)區(qū)域內(nèi)，CO排放高峰值出現(xiàn)在18:00，五環(huán)路及以內(nèi)區(qū)域、五環(huán)路聯(lián)絡(luò)線附近均為CO高排放區(qū).

d) 不同典型日中，非工作日機(jī)動車污染物排放量最高；分類型機(jī)動車污染物排放中，小客車CO、HC排放量均占機(jī)動車CO、HC總排放量的65%以上，貨車NOx、PM排放量分別占機(jī)動車NOx、PM總排放量的50%和60%左右.