基于COPERT模型的城市道路交通能耗排放分析

孫志超,李夢月,姚 岢,樊清清

(廣東省交通運(yùn)輸規(guī)劃研究中心,廣東 廣州 510101)

機(jī)動車尾氣排放是城市大氣污染的重要來源。根據(jù)廣州市大氣污染物源排放清單研究結(jié)果,移動源是全市NOX最大的排放源,其中道路移動源的NOX排放量占一半以上,且呈現(xiàn)逐年快速遞增態(tài)勢[1]。機(jī)動車數(shù)量的不斷增長帶來了城市道路交通擁堵、尾氣污染等問題,城市交通產(chǎn)生的能耗排放也越來越受到關(guān)注,交通運(yùn)輸行業(yè)已成為實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰和空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域。因此,對城市道路機(jī)動車產(chǎn)生的能耗排放開展研究分析對交通運(yùn)輸領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保工作具有重要意義。

國內(nèi)開展城市道路機(jī)動車能耗排放的研究較多,如王宏圖[2]應(yīng)用交通流數(shù)據(jù),研究分析了交通流車型預(yù)估方法和中觀層次的機(jī)動車尾氣排放模型,提出了基于不同路段建立中觀路網(wǎng)排放清單的方法;吳希[3]應(yīng)用排放模型及交通仿真模型對清遠(yuǎn)市主城區(qū)城市道路網(wǎng)機(jī)動車排放進(jìn)行了預(yù)估研究;李笑語等[4]基于實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)研究分析了南京市主次干道機(jī)動車排放特征;李荔等[5]將動態(tài)交通流數(shù)據(jù)等實(shí)際行駛狀況數(shù)據(jù)應(yīng)用于排放清單的編制,研究分析了江蘇省機(jī)動車時(shí)空排放特征與分擔(dān)率。因此,應(yīng)用道路實(shí)際流量及特征信息等交通大數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗排放計(jì)算是目前相關(guān)領(lǐng)域的主要研究方向。在對比常用的排放計(jì)算模型相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,分析應(yīng)用COPERT模型進(jìn)行城市道路交通能耗排放的計(jì)算方法,并通過獲取廣州市城市主干道的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗、CO2及污染物排放實(shí)例計(jì)算,研究結(jié)果能夠?yàn)榈缆方煌ㄏ嚓P(guān)政策措施的制定及節(jié)能減排量化評估提供數(shù)據(jù)和方法參考。

1 估算模型及方法

1.1 能耗排放模型工具對比

交通能耗排放研究有宏觀、中觀、微觀層面的模型及方法。宏觀、中觀層面主要面向國家或城市,實(shí)現(xiàn)對交通能耗排放量測算和發(fā)展趨勢分析,微觀層面主要面向特定的交通路段、交叉口,更為全面考慮車輛運(yùn)行狀態(tài)對能耗排放的影響,側(cè)重于實(shí)現(xiàn)路段能耗排放時(shí)空變化、交通方案評價(jià)等[6]。能耗排放模型從宏觀、中觀發(fā)展到微觀層面,能耗排放影響參數(shù)從平均速度轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動車行駛工況。目前國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的,如MOBILE、COPERT模型適用于宏觀、中觀層面的研究,以平均速度為表征參數(shù);基于機(jī)動車比功率VSP分布的排放模型如IVE和MOVES,考慮了機(jī)動車在道路上的實(shí)際運(yùn)行工況,能用于微觀尺度的研究,但這類模型應(yīng)用時(shí)對交通數(shù)據(jù)的要求較高,需要結(jié)合實(shí)際工況調(diào)查實(shí)驗(yàn)[7]。

COPERT模型由歐洲環(huán)境署EEA開發(fā),經(jīng)過改進(jìn)目前最新版本為COPERT 5[8]。該模型對車型的分類比較詳細(xì),并且能夠計(jì)算的污染物種類較多,車型劃分上能兼容我國目前和未來一段時(shí)間內(nèi)的機(jī)動車排放控制標(biāo)準(zhǔn)。因此,研究選用COPERT 5分析城市道路交通污染物排放因子及能耗排放量。

1.2 能耗排放量計(jì)算方法

在城市交通的燃料及能源消耗數(shù)據(jù)難以獲取的情形下,采用“自下而上”的方法作為交通能耗排放核算的技術(shù)方法,計(jì)算的主要思路是利用交通運(yùn)行活動特征和機(jī)動車排放因子計(jì)算城市道路交通的總能耗排放量,如圖1所示。

圖1 “自下而上”城市道路交通能耗排放計(jì)算方法

計(jì)算過程主要分為以下3個(gè)步驟:

首先計(jì)算單個(gè)路段單類車型的交通能耗排放量,計(jì)算公式為

Eij=VKTi×αij×EF(λj,ρi),

(1)

其中:Eij代表i路段第j類車型的交通能耗排放量;VKTi代表i路段的自然車行駛里程;αij代表第j類車型占路段所有自然車的比例;EF(λj,ρi)代表第j類車在路段i當(dāng)前運(yùn)行狀況下的燃料消耗或排放因子。

其次,計(jì)算單個(gè)路段所有車型的交通能耗排放量,計(jì)算公式為

(2)

其中:Ei代表路段i所有自然車的交通能耗排放量;Eij代表路段i第j類車型的交通能耗排放量。

最后計(jì)算路網(wǎng)中所有車型的交通能耗排放量,計(jì)算公式為

(3)

其中:E代表道路網(wǎng)中所有自然車的交通能耗排放量;Ei代表路段i所有自然車的交通能耗排放量。

2 能耗排放量計(jì)算及特征分析

2.1 參數(shù)本地化

為計(jì)算能耗及排放因子,首先需要對模型輸入的參數(shù)進(jìn)行本地化處理。COPERT模型所需要輸入的參數(shù)包括車輛數(shù)、車隊(duì)組成、車型、車輛行駛里程、年平均行駛里程、累計(jì)行駛里程、平均運(yùn)行速度、平均出行距離、負(fù)載、坡度、氣象信息和燃油品質(zhì)等。

(1) COPERT模型將道路類型分為高速路、城市道路及鄉(xiāng)村道路3種,研究主要以城市道路為對象。

(2) 通過道路監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得交通流量、交通流車隊(duì)構(gòu)成和路段平均車速等數(shù)據(jù),并與車管部門的機(jī)動車注冊數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),獲得不同排放標(biāo)準(zhǔn)等級車輛的比例構(gòu)成。

(3) 根據(jù)廣州市城市交通發(fā)展年報(bào)等資料獲取城市出行特征信息,結(jié)合停車場、公交公司、出租車公司、貨運(yùn)公司車輛情況的實(shí)地調(diào)查,獲得不同類型車輛行駛里程分布、年平均行駛里程、累計(jì)行駛里程、負(fù)載等特征數(shù)據(jù)。

(4) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料獲得氣象、燃油數(shù)據(jù)信息;道路坡度的取值參考已有研究結(jié)論,選用道路坡度為0具有一定合理性[9]。

2.2 計(jì)算結(jié)果與討論

(1) 車型與排放標(biāo)準(zhǔn)特征 獲取2020年廣州市機(jī)動車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及典型城市主干道廣州大道的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),得到廣州市機(jī)動車車型和排放標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,如圖2所示。按車型劃分,小型客車數(shù)量占比最高,達(dá)82.42%,其次是輕型貨車,占比為10.29%;按排放標(biāo)準(zhǔn)劃分,國4車型占主要比例,達(dá)47%,國3和國5車型占比分別為28.43%、23.14%。

圖2 主干道車型及排放標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成

(2) 交通量特征 廣州大道是位于廣州市南北中軸線的一條重要的主干道,是廣州市南北向的一條交通大動脈,是中心區(qū)的一條常發(fā)擁堵路段。為緩解廣州大道的交通壓力,近年來廣州市持續(xù)推進(jìn)新建行人過街天橋、實(shí)施快捷化改造工程等措施為廣州大道提速。廣州大道北段工作日和非工作日的交通量及速度的逐時(shí)變化如圖3所示。工作日白天時(shí)段的流量變化較平穩(wěn),早晚高峰時(shí)段交通量略有增長;非工作日晚高峰特征明顯,且持續(xù)時(shí)間長;工作日全天路段交通量約3.7萬,非工作日全天交通量約4.5萬,工作日及非工作日全天平均車速約為37 km/h。

圖3 主干道交通量及平均速度時(shí)變圖

(3) 排放因子特征 應(yīng)用COPERT 5計(jì)算車輛燃料消耗及排放因子,平均行駛車速、排放標(biāo)準(zhǔn)、燃料含硫率、車輛負(fù)載等因素在較大程度上影響著燃料消耗及排放因子的本地化結(jié)果。因此,在對整個(gè)路網(wǎng)的能耗排放進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)依據(jù)城市道路交通運(yùn)行特征計(jì)算確定不同車型、不同道路交通運(yùn)行狀態(tài)下的燃料消耗及排放因子,主要包括以下幾種類型:

① 車輛燃油類型:汽油、柴油、天然氣;

② 車輛排放標(biāo)準(zhǔn):國1、國2、國3、國4、國5;

③ 車型:微型客車、小型客車、中型客車、大型客車、公交車、出租車、微型貨車、輕型貨車、中型貨車、重型貨車;

④ 道路交通運(yùn)行狀態(tài):按道路速度變化特征劃分為暢通、緩行、擁堵3個(gè)等級,劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。

表1 路段交通運(yùn)行等級劃分

⑤ 能源消耗及尾氣排放物:FC、CO2、NOX、CO、PM2.5、PM10、VOC。

以小汽車為例,3種交通運(yùn)行狀態(tài)下的燃料消耗、CO2排放及CO、NOX、VOC、PM2.5、PM10污染物排放因子的計(jì)算結(jié)果如表2～4所列。國4、國5車型的燃料消耗及CO2排放因子基本一致,略高于國3排放標(biāo)準(zhǔn)。不同道路交通運(yùn)行等級下,暢通狀態(tài)的燃料消耗及各類排放因子要明顯低于緩行及擁堵狀態(tài),擁堵狀態(tài)CO、NOX、VOC、PM2.5、PM105種污染物排放因子是暢通運(yùn)行狀態(tài)下的2～3倍。

表2 暢通運(yùn)行狀態(tài)的燃料消耗及排放因子

表3 緩行狀態(tài)的燃料消耗及排放因子

表4 擁堵運(yùn)行狀態(tài)的燃料消耗及排放因子

(4)能耗及排放特征 廣州大道北段工作日全天能耗量約32 t標(biāo)準(zhǔn)煤,CO2排放量約66 t,非工作日全天能耗量約28 t標(biāo)準(zhǔn)煤,CO2排放量達(dá)78 t,高出工作日18%。5類大氣污染物排放以CO為主,占比超過50%;工作日和非工作日CO、VOC排放量的差距較明顯,主要原因是工作日和非工作日道路小型客車數(shù)量的差異;工作日能耗及排放變化呈現(xiàn)明顯早晚“雙峰”特征,非工作日能耗及排放呈現(xiàn)明顯的晚高峰特征,如圖4、圖5所示。

圖4 能耗及CO2排放逐時(shí)變化

圖5 工作日和非工作日5種污染物排放逐時(shí)變化

工作日及非工作日分車型的能耗及排放量占比基本一致。按車型分析能耗及排放量特征,能耗、CO2及CO、PM、VOC排放以小型客車為主,工作日小型客車能耗及CO2排放占比達(dá)60%以上,PM排放小型客車的分擔(dān)率接近50%,CO及VOC排放小型客車分擔(dān)率為80%以上;NOX排放以大型客車、中輕型貨車分擔(dān)率最高,工作日占比分別為32%、38%,如圖6所示。按排放標(biāo)準(zhǔn)分析能耗及排放量特征,以國3、國4車型占主導(dǎo),占比為80%左右,如圖7所示。

圖6 工作日和非工作日分車型排放分擔(dān)率

圖7 工作日和非工作日分排放標(biāo)準(zhǔn)排放分擔(dān)率

3 結(jié)語

應(yīng)用COPERT 5及廣州大道北段的全天實(shí)測交通量數(shù)據(jù)對廣州市城市主干道的能耗及排放進(jìn)行分析,根據(jù)道路交通運(yùn)行速度特征劃分暢通、緩行及擁堵3種不同道路交通運(yùn)行狀態(tài),結(jié)果表明暢通狀態(tài)下燃料消耗及排放因子低于緩行和擁堵狀態(tài),擁堵狀態(tài)5種污染物排放因子是暢通運(yùn)行狀態(tài)的2～3倍。通過對該路段24小時(shí)逐時(shí)能耗排放計(jì)算,分析能耗、CO2及5種污染物排放量及分擔(dān)率特征,結(jié)果表明工作日能耗及排放變化呈現(xiàn)明顯早晚“雙峰”特征,非工作日能耗及排放呈現(xiàn)明顯的晚高峰特征;通過各車型貢獻(xiàn)率結(jié)果,有助于城市交通管理部門在節(jié)能降碳及不同污染物減排方面實(shí)施有針對性的政策措施,如對節(jié)約能耗、CO2及CO、PM、VOC減排側(cè)重于小型客車需求管理、高效優(yōu)質(zhì)公共交通系統(tǒng)發(fā)展等方面政策措施為主,NOX減排則考慮以大型客車、中輕型貨車的新能源應(yīng)用、集約共享貨運(yùn)物流配送體系構(gòu)建等方面的政策措施為主。