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近年来,随着交通运输业快速发展,全国各省市机动车数量急速上升,大大增加了机动车的燃料消耗,道路移动源排放已成为影响城市大气环境的重要因素[1],其排放的CO、NOx、VOCS、SO2、PM2.5和PM10等污染物不仅会造成严重的环境污染,也成为影响人体健康的巨大威胁[2]。因此,道路移动源排放清单对分析城市机动车污染排放特征以及制定和优化减排政策具有重要意义。
机动车排放因子是利用排放系数法建立道路移动源排放清单的基础,常用的机动车排放因子确定方法有2种,一是进行实测,二是利用模型计算排放因子。国外机动车排放因子的相关研究比较成熟[3-5],而国内道路移动源排放清单的开发研究尚处于起步阶段,相关学者尝试使用不同的模型和实测方法计算国内的机动车排放因子[6-12]。谢绍东等[8]应用COPERTⅢ模型计算中国机动车排放因子;王海鲲等[9]应用IVE模型计算了上海市机动车的污染物排放。2014年生态环境部(原环境保护部)发布《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》,统一了我国机动车排放因子的选取[13]。
本研究以兰州市为例,通过建立兰州市2017年道路移动源排放清单分析其机动车污染物的排放特征。同时,将道路移动源排放清单用于兰州市机动车污染减排措施的定量化分析,评估减排效果,帮助制定更合理有效的污染排放控制方案和空气质量改善规划,以期实现有效控制兰州市机动车尾气排放。
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研究区域为兰州市全域,总面积13 100 km2,包括全市下辖城关区、安宁区、西固区、七里河区、永登县、皋兰县和榆中县等7个县区。
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本研究基于排放系数法计算兰州市2017年道路移动源各污染物的排放量,其中机动车类型包括微型客车、小型客车、中型客车、大型客车、微型货车、轻型货车、中型货车、重型货车、公交车、出租车、普通摩托车、轻便摩托车、低速货车和三轮汽车等14类,排放量计算,见式(1)。
式(1)中:
$E$ 为机动车排放源i对应的各类污染物的年排放量,t;EFi为i类型机动车行驶单位距离尾气所排放的污染物的量即排放系数,该系数需通过温度、湿度和海拔等参数进行本地化修正,g/km;${P_i}$ 为所在地区i类型机动车的保有量,辆;VKTi为i类型机动车的年均行驶里程,km/辆。将计算得到的道路移动源CO、NOx、SO2、NH3、VOCS、PM2.5和PM10等7种污染物的排放总量,通过ArcGIS创建的1 km×1 km网格和路网实现空间分配,得到兰州市道路移动源网格化的排放清单。
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构建道路移动源排放清单的相关数据来源,见表1。
1.1. 研究区域
1.2. 清单构建方法
1.3. 数据来源
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兰州市2017年道路移动源CO、NOx、SO2、NH3、VOCS、PM2.5和PM10的排放总量分别为5.01×104、1.95×104、4.97×102、3.98×102、1.01×104、3.94×102和4.28×102 t。
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燃油类型是机动车污染排放的影响因素之一。兰州市2017年不同燃油类型机动车排放贡献率,见图1。
图1可见,柴油车、汽油车和其他燃油车的保有量占比分别为9.40%、89.00%和1.60%,其中柴油车对NOx、SO2、PM2.5和PM10的贡献较大,排放占比分别为70.48%、72.83%、84.70%和85.57%;汽油车是CO、NH3和VOCS的主要贡献源,排放占比分别为69.38%、89.77%和78.75%。不同燃油类型机动车各污染物排放贡献存在差异的主要原因在于:不同燃油类型的机动车排放系数、保有量和行驶里程都存在差异。因此,控制机动车尾气的排放可以从平衡不同燃油类型机动车的比例出发,控制柴油车可减少NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放,控制汽油车可减少CO、NH3和VOCS的排放。
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兰州市2017年不同排放标准机动车的排放贡献,见图2。
图2可见,国Ⅲ和国Ⅳ车是各污染物的主要贡献源,排放占比均在50%以上,主要原因在于国Ⅲ和国Ⅳ车的保有量较大,占比接近70%;国Ⅰ和国Ⅱ车虽保有量占比不到10%,但其排放贡献不容忽视,尤其是对于CO、VOCS、PM2.5和PM10贡献可以达到30%以上,这主要与其排放因子较大和污染控制水平较低有关;国Ⅴ车保有量占比为22.00%,但由于其污染控制水平最高,因此排放量较少;国Ⅰ前车虽污染控制水平最低,但保有量仅占0.1%,因此排放占比最小。分析兰州市道路移动源不同排放标准机动车的贡献构成可知,淘汰老旧车可有效减少机动车污染物排放。
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兰州市2017年14种不同车型机动车排放贡献见图3。
图3可见,小型客车是CO、NH3和VOCS的主要贡献车型,排放占比分别为33.85%、71.38%和42.83%;重型货车是NOx、SO2、PM2.5和PM10的主要贡献车型,排放占比分别为35.80%、41.28%、42.42%和43.10%;轻型货车排放量也较大,是CO、NOx、NH3、VOCS、PM2.5和PM10的第二大贡献源,排放占比分别为23.80%、24.15%、11.11%、21.91%、16.47%和16.07%。不同车型机动车排放贡献存在差异的主要原因在于:不同类型机动车的控制技术水平和保有量存在差异。因此,控制机动车污染物排放可分别从不同污染物的主要贡献车型入手,控制重型货车可减少NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放,控制小型客车可减少CO、NH3和VOCS的排放。
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利用ArcGIS将各污染物排放总量进行1 km×1 km的网格化分配,由于7种污染物采用同一分配方法,其空间分布特征均保持一致,本文仅以VOCS空间分布图为例进行分析,见图4。
兰州市道路移动源的排放高值集中分布于主城区黄河以南区域,即城关区中西部,安宁区南部,西固区东部和七里河区北部区域,其余区域的排放量均较小。兰州市仅道路移动源,每平方公里的VOCS年排放量最高可达68 t;CO、NOx、SO2、NH3、PM2.5和PM10等其他污染物的空间分布特征与VOCS一致,每平方公里的年排放量最高值分别为341.76、133.29、3.39、2.71、2.69和2.92 t。
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中国多尺度排放清单模型(Multi-resolution Emission Inventory for China),是清华大学在国家“863”重大项目支持下开发的排放清单模型,该清单最新即2016年数据结果显示,兰州市交通源对于CO、NOx和VOCS的贡献可达到总排放量的34.89%、32.31%和23.19%,交通源已成为影响兰州市大气环境的重要因素,因此,采取合理有效的机动车污染防控措施对改善兰州市大气环境至关重要。基于本次研究建立的兰州市2017年道路移动源排放清单,结合兰州本地机动车污染防控政策,可估算在不同防控政策情景下机动车各污染物的排放变化量,对其减排效果进行定量化的分析。
《甘肃省打赢蓝天保卫战三年行动作战方案(2018—2020年)》[16]中明确提出,加快机动车污染防治,要继续做好老旧机动车淘汰工作,2018年起,兰州市试点开展国Ⅰ、国Ⅱ标准汽油车和国Ⅲ标准柴油车淘汰工作,2020年底前,全省基本完成淘汰任务。同时,《兰州市机动车排气污染物防治条例》[17]中明确优先发展公共交通,加快推进公共交通使用清洁能源,提高新能源汽车使用率。因此,本研究根据上述本地机动车污染防控政策进行情景设置,见表2。
以本次研究建立的2017年道路移动源排放清单作为基准情景,在老旧车淘汰的情景下,CO、NOx、VOCS、PM2.5和PM10的排放量分别减少了26.78%、18.46%、27.05%、41.00%和42.58%,SO2和NH3由于同一车型各排放标准的排放系数一致,因此排放量无变化。在清洁能源车替代的情景下,CO、NOx、SO2、NH3、VOCS、PM2.5和PM10的排放量分别减少2.00%、3.26%、6.16%、6.30%、2.00%、6.07%和6.02%。通过定量化的减排效果分析可知,老旧车淘汰在当前仍可作为兰州市机动车排放治理的有效举措,同时清洁能源车替代也有一定减排效果,在提高公共交通能源使用率的同时,可以加大私家车清洁能源替代的鼓励力度,有效降低机动车污染物排放,实现兰州市环境空气质量持续改善。
2.1. 清单特征分析
2.1.1. 不同燃油类型贡献
2.1.2. 不同排放标准贡献
2.1.3. 不同车型贡献
2.1.4. 网格化分布特征
2.2. 防控政策减排核算
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(1)兰州市2017年道路移动源CO、NOx、SO2、NH3、VOCS、PM2.5和PM10的排放总量分别为5.01×104、1.95×104、4.97×102、3.98×102、1.01×104、3.94×102 和4.28×102 t。柴油车对NOx、SO2、PM2.5和PM10的贡献较大,排放占比分别为70.48%、72.83%、84.70%和85.57%;汽油车是CO、NH3和VOCS的主要贡献源,排放占比分别为69.38%、89.77%和78.75%。
(2)国Ⅲ和国Ⅳ车是各污染物的主要贡献源,排放占比均可达50%以上,国Ⅰ和国Ⅱ车对于CO、VOCS、PM2.5和PM10贡献在30%以上,国Ⅴ车排放量较少,国Ⅰ前车排放量最小。
(3)小型客车是CO、NH3和VOCS的主要贡献车型,排放占比分别为33.85%、71.38%和42.83%;重型货车是NOx、SO2、PM2.5和PM10的主要贡献车型,排放占比分别为35.80%、41.28%、42.42%和43.10%。
(4)网格化清单排放高值集中分布于主城区黄河以南区域,CO、NOx、SO2、NH3、VOCS、PM2.5和PM10每平方公里的年排放量最高可分别达341.76、133.29、3.39、2.71、68.60、2.69 和2.92 t。
(5)基于本次清单对已提出的淘汰老旧车和公共交通新能源车替代2个本地防控政策进行评估,前者CO、NOx、VOCS、PM2.5和PM10的排放量可分别减少26.78%、18.46%、27.05%、41.00%和42.58%,后者CO、NOx、SO2、NH3、VOCS、PM2.5和PM10的排放量可分别减少2.00%、3.26%、6.16%、6.30%、2.00%、6.07%和6.02%。此外,从清单贡献率考虑,控制汽油小型客车可减少CO、NH3和VOCS的排放,控制柴油重型货车可减少NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放,从而实现对机动车污染物的针对性控制。