基于MOVES的高速公路客運(yùn)交通排放特性研究*

李 菊，何 超※，柏洋洋

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，昆明 650224；2.云南省高校高原山區(qū)機(jī)動(dòng)車環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224）

0 引言

高速公路是現(xiàn)代化交通體系的重要組成部分，具有行車速度快、通行能力大的特點(diǎn)。隨著高速公路網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，高速公路已成為人們出行的主要選擇，然而在高速公路通行的客車大多是以汽油和柴油等傳統(tǒng)燃料為主，在行駛過(guò)程排放大量的污染物，對(duì)高速公路及周邊大氣環(huán)境的影響日益突出，已成為高速公路及周邊大氣污染的主要來(lái)源[1-2]。因此，有必要建立高速公路客車污染物排放清單并對(duì)其進(jìn)行時(shí)空特性分析，為政府相關(guān)部門制定合理的交通管制措施提供理論支持，從而減輕客車排放對(duì)環(huán)境造成的危害。

目前，部分學(xué)者針對(duì)車輛排放清單特性開(kāi)展了相應(yīng)的研究。從研究道路類型層面，目前主要研究道路類型為城市道路，而針對(duì)高速公路車輛污染物排放特征的研究相對(duì)較少。王計(jì)廣等[3]建立了唐山市城區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放清單并對(duì)其進(jìn)行時(shí)空分配；呂改艷等[4]基于IVE模型建立重慶市主城區(qū)機(jī)動(dòng)車不同時(shí)空分辨率的排放清單；沈聰?shù)萚5]建立了天津市南開(kāi)區(qū)部分主要道路機(jī)動(dòng)車排放清單。從研究的區(qū)域?qū)用?，機(jī)動(dòng)車排放清單特性研究主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份[6-7]及城市群[8-10]，而針對(duì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)研究較少，但隨著社會(huì)的發(fā)展，欠發(fā)達(dá)地區(qū)的生活水平也不斷提高，客車需求量不斷增加，因此客車保有量不斷增加，導(dǎo)致客車排放污染物對(duì)環(huán)境造成了較大的影響。從車輛排放量估算方法來(lái)看，主要利用車輛排放模型估算排放量的排放因子法，徐倩等[11]基于COPERT模型建立了中國(guó)機(jī)動(dòng)車排放清單；朱慶功等[12]基于MOVES模型計(jì)算了北京市輕型汽油車蒸發(fā)排放總量；許慶江等[13]基于IVE 模型建立了長(zhǎng)春市載客汽車污染物排放因子庫(kù)。相關(guān)研究表明[14-15]，在常用的車輛排放模型中，MOVES 模型經(jīng)歷了多次的更新迭代，與COPERT、MOBILE 和IVE 等機(jī)動(dòng)車排放模型相比，MOVES 模型計(jì)算精度更高，更能反映車輛排放特征。

綜上所述，目前車輛排放清單及時(shí)空分布特性研究主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，且主要研究對(duì)象為城市道路，針對(duì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)及高速公路車輛排放時(shí)空分布特性研究相對(duì)較少。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，考慮到客車尾氣污染物對(duì)高速公路及周邊大氣環(huán)境的影響日益突出的現(xiàn)狀，本文以云南省高速公路通行客車為主要研究對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算精度較高的MOVES模型建立排放清單，并采用自下而上的方法和ArcGIS 技術(shù)對(duì)排放清單進(jìn)行時(shí)空分布分析，為相關(guān)部門制定機(jī)動(dòng)車污染物減排政策及區(qū)域污染物聯(lián)防聯(lián)控提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 估算排放因子

MOVES 模型是由美國(guó)EPA 根據(jù)美國(guó)本土情況開(kāi)發(fā)的，由于中美在車輛排放限值、燃油標(biāo)準(zhǔn)、車輛技術(shù)特征等方面存在一定的差異，在使用MOVES模型計(jì)算排放因子時(shí)，需要根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況對(duì)MOVES模型進(jìn)行本土化修正，其中主要修正參數(shù)為車輛類型、車用燃油標(biāo)準(zhǔn)、溫度及相對(duì)濕度、平均速度、車齡分布等。

車輛類型：本文使用的數(shù)據(jù)是來(lái)自于交通運(yùn)輸管理部門提供的高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)，故選用交通運(yùn)輸管理部門的車輛分類方法與MOVES 模型車輛分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，結(jié)果如表1所示。

表1 高速公路客車與MOVES模型客車的對(duì)應(yīng)關(guān)系

車齡分布：一般情況下每年新車都有不同的存活概率，但在一定時(shí)間內(nèi)如果車輛性能和報(bào)廢法規(guī)等外界條件不發(fā)生變化，存活概率可以假定保持不變。因此，假設(shè)每年的新車存活概率保持不變，以云南省每年客車保有量和新車注冊(cè)量估算車輛存活率，結(jié)合高速公路車流量計(jì)算2021 年云南省高速公路通行客車的車齡分布，具體公式如下：

式中：Pi,j為目標(biāo)年j中車齡為i的機(jī)動(dòng)車保有量；Ri為車齡為i的車輛存活率；Sj-i為第j-i年新車注冊(cè)量；Pj為j年機(jī)動(dòng)車保有量。

平均速度：根據(jù)2021 年云南省高速公路收費(fèi)流水?dāng)?shù)據(jù)，整理得到高速公路通行客車不同車型平均速度，客一、客二、客三、客四平均速度分別為86.44 km/h、77.42 km/h、76.44 km/h、78.86 km/h。

車用燃油：根據(jù)云南省2021 年車用燃油的使用情況，依據(jù)國(guó)家燃油標(biāo)準(zhǔn)《車用汽油（GB17930-2016）》、《車用柴油（GB 19147-2016）》的參數(shù)對(duì)燃油信息進(jìn)行本土化。

氣象信息：根據(jù)中國(guó)氣象局歷史天氣得到2021 年云南省各地區(qū)每月平均氣溫和相對(duì)濕度。

1.2 建立排放清單

通過(guò)整理云南省高速公路收費(fèi)流水?dāng)?shù)據(jù)獲取2021 年各車型年均行駛里程及車流量，從而建立2021 年云南省高速公路網(wǎng)客車排放清單，計(jì)算公式如下：

式中：EQ為污染物年排放總量，g；EFi為i型車的排放因子，g/km；Pi為i型車的車流量，輛；VKTi為i型車的單車年均行駛里程，km。

2 結(jié)果與討論

2.1 排放因子

基于對(duì)MOVES模型本土化修正，估算了云南省高速公路通行客車不同車型的THC、CO、NOx及PM2.5等大氣污染物排放因子，結(jié)果如表2 所示。從表中可以看出，客一在各項(xiàng)排放污染物中CO 排放因子最高，與其他污染物相差較大，其主要原因是客一為乘坐人數(shù)小于或等于9 位的小型客車，以汽油為主要燃料，尾氣排放物主要為CO；客二及客三屬于中型客車，以汽油為燃料和以柴油為燃料的車輛市場(chǎng)份額相差不大，因此CO 和NOx的排放因子都較高；客四NOx排放因子是4種車型中NOx排放因子的最大值，且在各項(xiàng)排放污染物中也是最大值，其主要原因是客四為乘坐人數(shù)大于或等40 人的大型客車，其主要燃料為柴油，尾氣排放物主要為NOx。

表2 客車排放因子g/km

2.2 估算排放清單

以客車污染物排放因子為基礎(chǔ)，結(jié)合高速公路通行客車車流量及年均行駛里程得到2021 年云南省高速公路客車排放清單，結(jié)果如表3 所示。從表中可以看出，各項(xiàng)污染物中客一貢獻(xiàn)率均為最大，其主要原因是2021 年云南省高速公路通行車輛中客一車流量占比最大，分別是客二、客三、客四的129倍、88倍、323倍。在各項(xiàng)污染物中，客一對(duì)CO的排放分擔(dān)率最大，在2021年排放總量高達(dá)51 933.87 t，其次為THC，排放量為11 654.05 t。由于車流量最大的客一NOx排放因子較低，而車流量最小的客四NOx排放因子較高，因此4種車型對(duì)NOx排放量的貢獻(xiàn)率較均衡。

表3 2021年云南省高速公路客車排放清單t

2.3 時(shí)空分布

2.3.1 時(shí)間分布

根據(jù)2021 云南省高速公路收費(fèi)流水?dāng)?shù)據(jù)得到不同時(shí)間段客車車流量、行駛里程及平均速度，采用自下而上的方法，對(duì)排放清單進(jìn)行時(shí)間分布，結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 客車排放量小時(shí)分布

小時(shí)分布：從圖1 中可以看出，在工作日期間客車污染物排放量在8 時(shí)左右及18 時(shí)左右出現(xiàn)雙高峰結(jié)構(gòu)，這與人們?cè)缤砩舷掳鄷r(shí)間分布一致，在上下班高峰期人們出行時(shí)間較集中，車流量較大，且容易出現(xiàn)交通擁堵的情況，導(dǎo)致車輛運(yùn)行車速較低，車速較低時(shí)車輛排放率較高。而非工作日期間，只有在14 時(shí)左右出現(xiàn)排放高峰期，在14時(shí)出現(xiàn)排放量高峰期之后到18時(shí)之間一直處于較高的排放水平，18時(shí)之后排放量才逐漸降低。

日均分布：從圖2 中可以看出，客一在節(jié)假日（法定節(jié)假日）期間污染物排放分擔(dān)率最高，其次是周末（排除節(jié)假日以外的周末）及工作日（包括節(jié)假日調(diào)休的周末），主要原因是：云南省屬于旅游大省，在節(jié)假日期間自駕游的旅客較多，導(dǎo)致客一排放分擔(dān)率高，在工作日期間人們主要集中在市區(qū)范圍內(nèi)，客一通行道路一般為城市道路，而周末可能會(huì)存在周邊旅游等現(xiàn)狀，因此高速公路客一通行量及行駛里程比工作日期間略高；客二、客三及客四在工作日、周末、節(jié)假日3 個(gè)時(shí)間段污染物排放分擔(dān)率相差不大，導(dǎo)致該現(xiàn)狀的原因可能是：客二、客三和客四屬于中大型客車，一般屬于運(yùn)營(yíng)型車輛，出行時(shí)間較為固定。

圖2 客車排放量日均分布

2.3.2 空間分布

云南是氣候特色豐富的省份，各地區(qū)差異比較大，因此，對(duì)客車污染物排放進(jìn)行空間分布時(shí)，需考慮在不同氣候條件下對(duì)車輛排放的影響，本文根據(jù)云南省各地區(qū)平均溫度及相對(duì)濕度對(duì)排放因子進(jìn)行修正，得到相應(yīng)地區(qū)客車排放因子，結(jié)合各地區(qū)高速公路客車車流量及行駛里程得到不同地區(qū)排放清單，采用ArcGIS 技術(shù)完成高速公路客車排放清單空間分布，結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，高速公路客車污染物排放分布以昆明市為中心向四周擴(kuò)散，離昆明市越遠(yuǎn)的地方，污染物排放分擔(dān)率越小。其主要原因是昆明是省會(huì)城市，位于云南省中心地段，同時(shí)也是云南省通往其他地區(qū)的中轉(zhuǎn)站，高速公路網(wǎng)較完善，客車車流量較大，導(dǎo)致昆明市客車污染物排放分擔(dān)率較高；其中曲靖市、昭通市、楚雄彝族自治州等地區(qū)是云南省的邊界城市，與其他省份相連接，是進(jìn)入云南省的必經(jīng)之路，因此該地區(qū)客車污染物排分擔(dān)率也較高。

圖3 云南省高速公路客車污染物排放空間分布

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)MOVES模型進(jìn)行本土化修正得到客車排放因子，結(jié)合高速公路客車車流量及行駛里程得到云南省2021 年高速公路客車排放清單，并對(duì)排放清單進(jìn)行時(shí)空分布，得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)于不同車型不同污染物排放因子，客一CO排放因子最高，客二及客三CO和NOx的排放因子都較高，客四NOx排放因子是4種車型中NOx排放因子的最大值。

（2）在高速公路通行客車中，客一車流量遠(yuǎn)大于其他車型車流量，因此客一是排放污染物的主要貢獻(xiàn)者。對(duì)于不同車型的主要排放物，客一、客二及客三CO 排放量均最高，客四NOx排放量最高。

（3）在時(shí)間分布上，在工作日期間客車污染物排放量在8 時(shí)左右及18 時(shí)左右出現(xiàn)雙高峰結(jié)構(gòu)，而非工作日期間，在14 時(shí)左右到18 時(shí)之間一直處于較高的排放水平，18 時(shí)之后排放量才逐漸降低。在空間分布上，污染物分布以昆明市為中心向四周擴(kuò)散，離昆明市越遠(yuǎn)的地方，污染物排放分擔(dān)率越小。