機(jī)動(dòng)車道路揚(yáng)塵與PM 直接排放的測(cè)算與分析＊

靳秋思 宋國(guó)華▲ 何巍楠 劉 娟 于 雷，4

（1.北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044；2.北京市交通行業(yè)節(jié)能減排中心 北京 100053；3.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境認(rèn)證中心／中環(huán)聯(lián)合（北京）認(rèn)證中心有限公司 北京 100029；4.德克薩斯南方大學(xué)科技學(xué)院 美國(guó) 休斯頓77004）

0 引言

隨著城市化、機(jī)動(dòng)化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加。北京市機(jī)動(dòng)車保有量從1990年的50萬(wàn)輛增加到2014年7 月的558萬(wàn)輛，除交通擁堵問(wèn)題外，也導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的機(jī)動(dòng)車污染問(wèn)題。機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)大氣的污染主要包括氣態(tài)污染物和顆粒物污染，而顆粒物污染是影響中國(guó)城市空氣質(zhì)量的主要因素。其中，可吸入顆粒物（PM10）是大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10μm 的顆粒物，PM2.5是指小于2.5μm 的細(xì)顆粒物。PM2.5對(duì)人體健康危害極大，易導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)、心臟系統(tǒng)、心血管疾?。?］。目前我國(guó)在顆粒物方面的研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。雖然經(jīng)歷了從煙度、總懸浮微粒（total suspended particulate，TSP），PM10到PM2.5的遞進(jìn)研究過(guò)程，但對(duì)PM2.5的來(lái)源、組分等問(wèn)題有待深入研究。已發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，北京市PM2.5本地排放源解析結(jié)果為機(jī)動(dòng)車占31.1%、燃煤占22.4%、工業(yè)生產(chǎn)占18.1%、揚(yáng)塵占14.3%［2］。其中，道路揚(yáng)塵是揚(yáng)塵中的重要部分，是指由于車輛振動(dòng)而引起的揚(yáng)塵污染，影響因素包括大氣降塵、車輛遺撒、路面破損等［3］。但在PM2.5源解析結(jié)果中，機(jī)動(dòng)車源所占比例31.1%中不含道路揚(yáng)塵，14.3%揚(yáng)塵中道路揚(yáng)塵所占比例也尚無(wú)文獻(xiàn)記錄。

道路揚(yáng)塵由交通活動(dòng)引起，受交通政策措施影響，因此，為了控制交通源的PM 排放，有必要測(cè)算道路揚(yáng)塵PM 排放，并分析其與機(jī)動(dòng)車直接排放PM 之間的關(guān)系。Karanasiou等［4］研究發(fā)現(xiàn)汽車尾氣排放和道路揚(yáng)塵是造成PM10的主要來(lái)源；Cheng 等［5］應(yīng)用耦合的空氣質(zhì)量模擬系統(tǒng)MM5－ARPS－CMAQ，模擬得出北京市2002年1月、4 月、8 月和10月道路揚(yáng)塵對(duì)大氣環(huán)境PM10的月貢獻(xiàn)率分別為16.7%，12.9%，18.6%和18.2%；許艷玲等［6］針對(duì)北京排放清單研究了交通揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境PM10濃度的影響；樊守彬等［7］分析呼和浩特城區(qū)道路降塵排放、揚(yáng)塵PM10排放強(qiáng)度并研究二者之間的關(guān)系；劉澤常等［8］以濟(jì)南為研究實(shí)例估算了道路粉塵負(fù)荷及4種類型道路揚(yáng)塵的排放因子，并探討了排放因子的主要影響因素；許妍等［9］研究發(fā)現(xiàn)道路塵排放因子與道路塵負(fù)荷成正比，路面粉塵負(fù)荷隨車流量增大而逐漸降低。盡管前人對(duì)交通揚(yáng)塵和PM10分別展開了研究。然而，由于不同學(xué)科的研究角度和研究基礎(chǔ)的差異，導(dǎo)致在該交叉領(lǐng)域PM2.5排放清單里缺乏機(jī)動(dòng)車直接排放與交通揚(yáng)塵分擔(dān)率對(duì)比關(guān)系的研究，也缺乏對(duì)交通模型和交通調(diào)查數(shù)據(jù)的利用。由此，利用實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)交通揚(yáng)塵和機(jī)動(dòng)車直接排放的PM2.5總量進(jìn)行測(cè)算，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)交通主體對(duì)PM2.5排放的貢獻(xiàn)率，是本研究的意義所在。筆者以北京市六環(huán)內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)為研究實(shí)例，嘗試通過(guò)應(yīng)用中國(guó)機(jī)動(dòng)車排放模型（China vehicle emission model，CVEM）和交通揚(yáng)塵測(cè)算模型AP－42，以2012 年交通運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)動(dòng)車直接排放和交通揚(yáng)塵排放總量進(jìn)行測(cè)算，并進(jìn)行對(duì)比分析。

1 研究方法設(shè)計(jì)

為測(cè)算交通揚(yáng)塵排放量與機(jī)動(dòng)車直接排放量，利用CVEM 和2012年北京市各類型道路機(jī)動(dòng)車行駛里程等交通運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)北京市六環(huán)內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)機(jī)動(dòng)車PM10的直接排放量進(jìn)行測(cè)算。同時(shí)，對(duì)機(jī)動(dòng)車直接排放PM10排放量的來(lái)源進(jìn)行分析。然后，利用AP－42交通揚(yáng)塵標(biāo)準(zhǔn)方法，以各類型道路的機(jī)動(dòng)車行駛里程、道路塵負(fù)荷、平均車重等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵的PM2.5，PM10排放總量進(jìn)行測(cè)算。并且結(jié)合前人的研究成果，對(duì)機(jī)動(dòng)車直接排放PM2.5的總量進(jìn)行了估算。最后，分析了機(jī)動(dòng)車直接排放PM2.5，PM10與交通揚(yáng)塵PM2.5，PM10間的對(duì)比關(guān)系。

2 基于交通模型和排放模型的PM直接排放的測(cè)算方法

筆者利用交通模型和交通調(diào)查得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合CVEM 測(cè)算得到的排放因子，來(lái)測(cè)算機(jī)動(dòng)車PM 的直接排放量。

2.1 北京市交通需求預(yù)測(cè)模型

2010年，北京市開展了涉及16 個(gè)區(qū)縣的5萬(wàn)戶家庭成員的第4次交通綜合調(diào)查。因城市交通特征不斷變化，北京市每年都會(huì)對(duì)城市交通進(jìn)行居民出行和交通流抽樣調(diào)查。通過(guò)開展出行調(diào)查、OD 調(diào)查、核查線調(diào)查等方法、細(xì)化交通小區(qū)，北京交通發(fā)展研究中心結(jié)合北京市交通特征建立了交通需求預(yù)測(cè)模型。利用其中市區(qū)交通模型得到了北京市各類型道路機(jī)動(dòng)車行駛里程［10］。其中，四階段法是交通需求預(yù)測(cè)的經(jīng)典方法，其包括交通生成、交通分布、交通方式劃分、交通量分配4 個(gè)階段［11］。交通模型的輸出結(jié)果包括路段上的流量等，進(jìn)而可得各類型道路的機(jī)動(dòng)車行駛里程。截至2012年底，北京市城市道路總里程為6 271km。其中，城市快速路263km，主干道865km，次干道648km，支路及街坊路4 495km［12］，對(duì)應(yīng)的各類型道路的機(jī)動(dòng)車行駛里程見(jiàn)表1：

表1 北京市2012年各類型道路機(jī)動(dòng)車行駛里程Tab.1 Vehicle kilometer travelled by different classes of roads of Beijing in 2012

2.2 中國(guó)機(jī)動(dòng)車排放模型CVEM

目前，各個(gè)地區(qū)根據(jù)其實(shí)際情況及評(píng)價(jià)范疇的不同，開發(fā)了相應(yīng)的尾氣排放測(cè)算模型，如美國(guó)環(huán)保部開發(fā)的MOBILE，MOVES系列排放模型，美國(guó)加州的宏觀排放因子模型EMFAC，歐洲環(huán)保署開發(fā)的排放模型COPERT，以及加州大學(xué)河邊分校開發(fā)的微觀排放模型CMEM等［13－14］。為了充分反映我國(guó)機(jī)動(dòng)車技術(shù)狀況及排放特征，環(huán)境保護(hù)部機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心于2007年在國(guó)內(nèi)完成了一系列排放因子測(cè)試和車輛活動(dòng)基本調(diào)查。具體包括：①在17個(gè)城市開展車輛行駛周期調(diào)查；②在6 個(gè)城市通過(guò)對(duì)駕駛員問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)道路分擔(dān)率進(jìn)行調(diào)查；③在345個(gè)城市對(duì)34種車型的車輛信息進(jìn)行調(diào)查；④從公安局車輛年度登記數(shù)據(jù)和中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒獲得機(jī)動(dòng)車保有量數(shù)據(jù)；⑤通過(guò)利用車載尾氣檢測(cè)技術(shù)和臺(tái)架測(cè)試技術(shù)對(duì)34種車型的排放因子和修正因子進(jìn)行測(cè)試。結(jié)合國(guó)際其他排放模型的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，研究人員利用本土數(shù)據(jù)開發(fā)了我國(guó)的CVEM［15］。CVEM主要考慮環(huán)境、車輛活動(dòng)和車輛技術(shù)屬性這3類因素。

由于我國(guó)輕型車和摩托車，以及重型車的數(shù)據(jù)可用性的情況不同，CVEM 采用不同的方法計(jì)算其排放因子。機(jī)動(dòng)車排放因子（emission factor，EF）是指單輛機(jī)動(dòng)車行駛單位里程污染物的排放量，以g／km 為單位來(lái)表示，也是確定機(jī)動(dòng)車污染物排放總量的重要參數(shù)。對(duì)于輕型車和摩托車，其排放因子的計(jì)算方法同 MOBILE 和COPERT 模型基本一致［15］，見(jiàn)式（1）。

式中：EF為排放因子，g／km；BEF為基本排放因子，g／km；SCF、TCF、LCF、FCF和ACF分別為速度、溫度、載荷、燃料和海拔高度等修正系數(shù)。通過(guò)對(duì)北京市輕型車輛進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，獲得了各排放標(biāo)準(zhǔn)車輛排放因子與速度的修正關(guān)系，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

對(duì)于重型車和低速車，CVEM 使用機(jī)動(dòng)車比功率（vehicle specific power，VSP）技術(shù)來(lái)確定其排放因子。機(jī)動(dòng)車比功率指發(fā)動(dòng)機(jī)每牽引1t重量所輸出的功率，kW／t。計(jì)算方法見(jiàn)式（2）［15］。

式中：k為VSP區(qū) 間，共13 個(gè)；ERk為運(yùn)行在VSP區(qū)間k的車輛的排放率，g／s；Fk為在區(qū)間k運(yùn)行的時(shí)間百分比；v為平均速度，m／s；CF為各種修正系數(shù)。

2.3 北京市機(jī)動(dòng)車PM 的直接排放量

將交通需求預(yù)測(cè)模型和排放模型相結(jié)合，計(jì)算北京市六環(huán)內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)機(jī)動(dòng)車PM 直接排放量的方法見(jiàn)式（3）所示。通過(guò)此方法可計(jì)算不同車輛類型、燃料類型和排放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)動(dòng)車的每種污染物的排放量。

式中：Dw為某道路單位時(shí)間第w種污染物的排放量，g／h；Qb為某道路第b種車型的車流量，輛／h，由交通需求預(yù)測(cè)模型可得；EFwb為第w種污染物的第b種車型的排放因子，g／km，本文污染物類別w分為PM2.5，PM10；L為某種道路類型的道路長(zhǎng)度，km，由交通需求預(yù)測(cè)模型可得；M為車輛類型總數(shù)。

根據(jù)交通需求預(yù)測(cè)模型及車型比例交通調(diào)查數(shù)據(jù)，利用CVEM，測(cè)算得2012年北京市六環(huán)內(nèi)機(jī)動(dòng)車PM10的直接排放量約為296t。計(jì)算過(guò)程中使用的交通流車型比例、環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2和表3。北京市六環(huán)內(nèi)不同車重類型的客車和貨車的PM10排放量見(jiàn)表4，重型車是其主要排放源，占總量的98.3%。不同排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車的PM10排放量如表5所示，國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車PM10排放量最高，占總量的85.4%左右。不同道路類型的PM10排放量見(jiàn)表6，快速路上PM10總量較高，占比41.3%。

表2 2012年北京市各類型機(jī)動(dòng)車的行駛里程所占比例Tab.2 Motor vehicle kilometer traveled（vkt）shares by vehicle types of Beijing in 2012 %

表3 2012年北京區(qū)域資料Tab.3 The area information of Beijing in 2012

表4 2012年北京市六環(huán)內(nèi)不同車重類型的PM10排放量Tab.4 PM10Emissions of different types of vehicles weight within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

表5 2012年北京市六環(huán)內(nèi)不同排放標(biāo)準(zhǔn)車輛的PM10排放量Tab.5 PM10emissions of vehicles of different emission standards within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

表6 2012年北京市六環(huán)內(nèi)不同道路類型的PM10排放量Tab.6 PM10emissions of different types of road within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

在測(cè)算機(jī)動(dòng)車直接排放PM 時(shí)，由于目前CVEM 缺乏PM2.5排放因子，僅支持對(duì)機(jī)動(dòng)車直接排放PM10的測(cè)算，因此，筆者采用機(jī)動(dòng)車排放PM10與PM2.5的直接關(guān)系對(duì)PM2.5的總量進(jìn)行推算。由文獻(xiàn)［16］知機(jī)動(dòng)車直接排放的PM2.5占PM10的92%。前文測(cè)算得2012年北京市六環(huán)內(nèi)機(jī)動(dòng)車直接排放PM10總量約為296t，推算其中PM2.5排放量約為272.3t。

3 交通揚(yáng)塵PM 排放量的測(cè)算方法

交通揚(yáng)塵的測(cè)算采用排放模型和交通模型相結(jié)合的方法，其中排放模型采用AP－42交通揚(yáng)塵排放模型，而交通模型同前文所述。

3.1 AP－42排放因子模型

美國(guó)環(huán)保局根據(jù)鋪裝道路塵負(fù)荷和車輛的平均重量建立了AP－42交通揚(yáng)塵排放模型。一般通過(guò)采集分析路面粉塵負(fù)荷和調(diào)查道路車流量數(shù)據(jù)應(yīng)用AP－42 排放因子計(jì)算交通揚(yáng)塵排放量［3］?；诮⑴欧徘鍐蔚男枰瑸榱吮苊庵貜?fù)計(jì)算機(jī)動(dòng)車尾氣、剎車和輪胎摩擦的顆粒物排放，交通揚(yáng)塵排放因子模型只包括道路揚(yáng)塵排放的顆粒物，見(jiàn)式（4）［3］。

式中：BEF為基本排放因子，計(jì)算PM10，PM2.5時(shí)分別取5.3，1.3；W為通過(guò)道路的車輛的平均重量，t；C為車輛尾氣排放、剎車和輪胎摩擦的排放因子，g／km，計(jì)算PM10，PM2.5時(shí)分別取0.131 7，0.100 5；sL為路面塵負(fù)荷，g／m2。道路塵負(fù)荷sL是影響交通揚(yáng)塵排放因子的主要參數(shù)，是指單位面積道路上能夠通過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)篩的顆粒物的質(zhì)量［3］。樊守彬等［17］通過(guò)對(duì)北京82條城區(qū)道路路面塵負(fù)荷的檢測(cè)結(jié)果表明，北京市城區(qū)快速路、主干路、次干路和支路塵負(fù)荷平均值分別為0.17，0.34，1.48和2.60g／m2。

利用路面塵負(fù)荷、車輛的平均車重等參數(shù)，通過(guò)式（4）即可測(cè)算PM10，PM2.5排放因子。交通揚(yáng)塵的PM 排放量計(jì)算過(guò)程與機(jī)動(dòng)車直接排放PM的計(jì)算類似，均為排放因子和區(qū)域內(nèi)車輛行駛里程的乘積，其計(jì)算公式同式（3）。

3.2 北京市交通揚(yáng)塵PM 的排放量

根據(jù)文獻(xiàn)［17］對(duì)北京市典型道路車輛構(gòu)成比例的調(diào)查，得到不同類型道路上的平均車重，通過(guò)公式（4）和（3）計(jì)算得到2012年北京市六環(huán)內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)交通揚(yáng)塵總量，如表7、8所示：

通過(guò)應(yīng)用AP－42 標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)算得2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵PM2.5，PM10總量分別約為59、274t，其中各道路類型中次干路貢獻(xiàn)率最高，均超過(guò)50%。經(jīng)對(duì)比可知，交通揚(yáng)塵PM2.5約占PM10總量的21.5%。這是由于交通揚(yáng)塵來(lái)源于車輛遺散、路面破損、輪胎磨損等。其中粒徑較大的顆粒物所占比重較大，細(xì)粒子偏少。故交通揚(yáng)塵PM2.5在PM10中的分擔(dān)率較低。

表7 2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵PM2.5總量Tab.7 Total road dust pm2.5within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

表8 2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵PM10總量Tab.8 Total road dust PM10within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

4 北京市交通揚(yáng)塵與機(jī)動(dòng)車直接排放PM 的對(duì)比分析

如前所述，本文對(duì)2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵和機(jī)動(dòng)車直接排放PM2.5，PM10排放量進(jìn)行了測(cè)算。根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，對(duì)于PM2.5而言，交通揚(yáng)塵約為機(jī)動(dòng)車直接排放的1／5；對(duì)于PM10而言，交通揚(yáng)塵與機(jī)動(dòng)車直接排放總量相當(dāng)。綜合前文獻(xiàn)研究結(jié)果可知，道路揚(yáng)塵是交通源PM2.5排放的重要組成部分。交通揚(yáng)塵與交通活動(dòng)直接相關(guān)，受交通需求管理等政策措施影響，是交通源PM2.5排放的重要組成部分。若將道路揚(yáng)塵計(jì)入交通源排放PM2.5的統(tǒng)計(jì)口徑中，將顯著增大交通源排放對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率。

圖1 2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵和機(jī)動(dòng)車直接排放PM 的總量Fig.1 Total PM2.5and PM10from the vehicle road dust vs.direct vehicle exhaust within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

5 結(jié)束語(yǔ)

為定量評(píng)估交通揚(yáng)塵與機(jī)動(dòng)車直接排放PM的對(duì)比關(guān)系，本研究以北京市六環(huán)內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)為研究實(shí)例，通過(guò)綜合利用交通需求預(yù)測(cè)模型、交通調(diào)查數(shù)據(jù)和AP－42交通揚(yáng)塵測(cè)算模型對(duì)2012年機(jī)動(dòng)車直接排放PM2.5，PM10以及交通揚(yáng)塵的PM2.5，PM10進(jìn)行了初步測(cè)算和對(duì)比分析。結(jié)果表明：①2012 年北京市六環(huán)內(nèi)機(jī)動(dòng)車直接排放PM10總量中，按車重類型分類，重型車是其主要排放源，占總量的98.3%左右。按照排放標(biāo)準(zhǔn)劃分，國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車PM10排放量最高，約為85.4%。按道路類型，快速路占比為41.3%；②2012年北京市六環(huán)內(nèi)交通揚(yáng)塵PM10總量約為274t，機(jī)動(dòng)車直接排放PM10總量約為296t，二者基本相當(dāng)；③交通揚(yáng)塵PM2.5總量約為59t，機(jī)動(dòng)車直接排放PM2.5總量約為272.3t，交通揚(yáng)塵PM2.5總量約為機(jī)動(dòng)車直接排放PM2.5的1／5。

在未來(lái)研究中，可綜合利用各類交通調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)北京市域機(jī)動(dòng)車排放和交通揚(yáng)塵PM10、PM2.5的總量進(jìn)行測(cè)算，并對(duì)其對(duì)比關(guān)系進(jìn)行研究。

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