机动车道路扬尘与PM 直接排放的测算与分析＊

靳秋思 宋国华▲ 何巍楠 刘 娟 于 雷，4

（1.北京交通大学城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室 北京 100044；2.北京市交通行业节能减排中心 北京 100053；3.环境保护部环境认证中心／中环联合（北京）认证中心有限公司 北京 100029；4.德克萨斯南方大学科技学院 美国 休斯顿77004）

0 引言

随着城市化、机动化进程的快速发展，我国机动车保有量迅速增加。北京市机动车保有量从1990年的50万辆增加到2014年7 月的558万辆，除交通拥堵问题外，也导致了日益严重的机动车污染问题。机动车尾气对大气的污染主要包括气态污染物和颗粒物污染，而颗粒物污染是影响中国城市空气质量的主要因素。其中，可吸入颗粒物（PM10）是大气中空气动力学直径小于或等于10μm 的颗粒物，PM2.5是指小于2.5μm 的细颗粒物。PM2.5对人体健康危害极大，易导致呼吸系统、心脏系统、心血管疾病［1］。目前我国在颗粒物方面的研究基础相对薄弱。虽然经历了从烟度、总悬浮微粒（total suspended particulate，TSP），PM10到PM2.5的递进研究过程，但对PM2.5的来源、组分等问题有待深入研究。已发布的数据显示，北京市PM2.5本地排放源解析结果为机动车占31.1%、燃煤占22.4%、工业生产占18.1%、扬尘占14.3%［2］。其中，道路扬尘是扬尘中的重要部分，是指由于车辆振动而引起的扬尘污染，影响因素包括大气降尘、车辆遗撒、路面破损等［3］。但在PM2.5源解析结果中，机动车源所占比例31.1%中不含道路扬尘，14.3%扬尘中道路扬尘所占比例也尚无文献记录。

道路扬尘由交通活动引起，受交通政策措施影响，因此，为了控制交通源的PM 排放，有必要测算道路扬尘PM 排放，并分析其与机动车直接排放PM 之间的关系。Karanasiou等［4］研究发现汽车尾气排放和道路扬尘是造成PM10的主要来源；Cheng 等［5］应用耦合的空气质量模拟系统MM5－ARPS－CMAQ，模拟得出北京市2002年1月、4 月、8 月和10月道路扬尘对大气环境PM10的月贡献率分别为16.7%，12.9%，18.6%和18.2%；许艳玲等［6］针对北京排放清单研究了交通扬尘对环境PM10浓度的影响；樊守彬等［7］分析呼和浩特城区道路降尘排放、扬尘PM10排放强度并研究二者之间的关系；刘泽常等［8］以济南为研究实例估算了道路粉尘负荷及4种类型道路扬尘的排放因子，并探讨了排放因子的主要影响因素；许妍等［9］研究发现道路尘排放因子与道路尘负荷成正比，路面粉尘负荷随车流量增大而逐渐降低。尽管前人对交通扬尘和PM10分别展开了研究。然而，由于不同学科的研究角度和研究基础的差异，导致在该交叉领域PM2.5排放清单里缺乏机动车直接排放与交通扬尘分担率对比关系的研究，也缺乏对交通模型和交通调查数据的利用。由此，利用实地调研数据对交通扬尘和机动车直接排放的PM2.5总量进行测算，进一步认识交通主体对PM2.5排放的贡献率，是本研究的意义所在。笔者以北京市六环内道路网络为研究实例，尝试通过应用中国机动车排放模型（China vehicle emission model，CVEM）和交通扬尘测算模型AP－42，以2012 年交通运行数据为基础，对机动车直接排放和交通扬尘排放总量进行测算，并进行对比分析。

1 研究方法设计

为测算交通扬尘排放量与机动车直接排放量，利用CVEM 和2012年北京市各类型道路机动车行驶里程等交通运行数据，对北京市六环内道路网络机动车PM10的直接排放量进行测算。同时，对机动车直接排放PM10排放量的来源进行分析。然后，利用AP－42交通扬尘标准方法，以各类型道路的机动车行驶里程、道路尘负荷、平均车重等统计数据为基础，对2012年北京市六环内交通扬尘的PM2.5，PM10排放总量进行测算。并且结合前人的研究成果，对机动车直接排放PM2.5的总量进行了估算。最后，分析了机动车直接排放PM2.5，PM10与交通扬尘PM2.5，PM10间的对比关系。

2 基于交通模型和排放模型的PM直接排放的测算方法

笔者利用交通模型和交通调查得到的运行数据，结合CVEM 测算得到的排放因子，来测算机动车PM 的直接排放量。

2.1 北京市交通需求预测模型

2010年，北京市开展了涉及16 个区县的5万户家庭成员的第4次交通综合调查。因城市交通特征不断变化，北京市每年都会对城市交通进行居民出行和交通流抽样调查。通过开展出行调查、OD 调查、核查线调查等方法、细化交通小区，北京交通发展研究中心结合北京市交通特征建立了交通需求预测模型。利用其中市区交通模型得到了北京市各类型道路机动车行驶里程［10］。其中，四阶段法是交通需求预测的经典方法，其包括交通生成、交通分布、交通方式划分、交通量分配4 个阶段［11］。交通模型的输出结果包括路段上的流量等，进而可得各类型道路的机动车行驶里程。截至2012年底，北京市城市道路总里程为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］，对应的各类型道路的机动车行驶里程见表1：

表1 北京市2012年各类型道路机动车行驶里程Tab.1 Vehicle kilometer travelled by different classes of roads of Beijing in 2012

2.2 中国机动车排放模型CVEM

目前，各个地区根据其实际情况及评价范畴的不同，开发了相应的尾气排放测算模型，如美国环保部开发的MOBILE，MOVES系列排放模型，美国加州的宏观排放因子模型EMFAC，欧洲环保署开发的排放模型COPERT，以及加州大学河边分校开发的微观排放模型CMEM等［13－14］。为了充分反映我国机动车技术状况及排放特征，环境保护部机动车排污监控中心于2007年在国内完成了一系列排放因子测试和车辆活动基本调查。具体包括：①在17个城市开展车辆行驶周期调查；②在6 个城市通过对驾驶员问卷调查的方式对道路分担率进行调查；③在345个城市对34种车型的车辆信息进行调查；④从公安局车辆年度登记数据和中国汽车工业协会统计年鉴获得机动车保有量数据；⑤通过利用车载尾气检测技术和台架测试技术对34种车型的排放因子和修正因子进行测试。结合国际其他排放模型的先进经验，研究人员利用本土数据开发了我国的CVEM［15］。CVEM主要考虑环境、车辆活动和车辆技术属性这3类因素。

由于我国轻型车和摩托车，以及重型车的数据可用性的情况不同，CVEM 采用不同的方法计算其排放因子。机动车排放因子（emission factor，EF）是指单辆机动车行驶单位里程污染物的排放量，以g／km 为单位来表示，也是确定机动车污染物排放总量的重要参数。对于轻型车和摩托车，其排放因子的计算方法同 MOBILE 和COPERT 模型基本一致［15］，见式（1）。

式中：EF为排放因子，g／km；BEF为基本排放因子，g／km；SCF、TCF、LCF、FCF和ACF分别为速度、温度、载荷、燃料和海拔高度等修正系数。通过对北京市轻型车辆进行实际调查，获得了各排放标准车辆排放因子与速度的修正关系，为后续研究提供基础数据。

对于重型车和低速车，CVEM 使用机动车比功率（vehicle specific power，VSP）技术来确定其排放因子。机动车比功率指发动机每牵引1t重量所输出的功率，kW／t。计算方法见式（2）［15］。

式中：k为VSP区 间，共13 个；ERk为运行在VSP区间k的车辆的排放率，g／s；Fk为在区间k运行的时间百分比；v为平均速度，m／s；CF为各种修正系数。

2.3 北京市机动车PM 的直接排放量

将交通需求预测模型和排放模型相结合，计算北京市六环内道路网络机动车PM 直接排放量的方法见式（3）所示。通过此方法可计算不同车辆类型、燃料类型和排放标准的机动车的每种污染物的排放量。

式中：Dw为某道路单位时间第w种污染物的排放量，g／h；Qb为某道路第b种车型的车流量，辆／h，由交通需求预测模型可得；EFwb为第w种污染物的第b种车型的排放因子，g／km，本文污染物类别w分为PM2.5，PM10；L为某种道路类型的道路长度，km，由交通需求预测模型可得；M为车辆类型总数。

根据交通需求预测模型及车型比例交通调查数据，利用CVEM，测算得2012年北京市六环内机动车PM10的直接排放量约为296t。计算过程中使用的交通流车型比例、环境参数见表2和表3。北京市六环内不同车重类型的客车和货车的PM10排放量见表4，重型车是其主要排放源，占总量的98.3%。不同排放标准机动车的PM10排放量如表5所示，国III排放标准机动车PM10排放量最高，占总量的85.4%左右。不同道路类型的PM10排放量见表6，快速路上PM10总量较高，占比41.3%。

表2 2012年北京市各类型机动车的行驶里程所占比例Tab.2 Motor vehicle kilometer traveled（vkt）shares by vehicle types of Beijing in 2012 %

表3 2012年北京区域资料Tab.3 The area information of Beijing in 2012

表4 2012年北京市六环内不同车重类型的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年北京市六环内不同排放标准车辆的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年北京市六环内不同道路类型的PM10排放量Tab.6 PM10emissions of different types of road within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

在测算机动车直接排放PM 时，由于目前CVEM 缺乏PM2.5排放因子，仅支持对机动车直接排放PM10的测算，因此，笔者采用机动车排放PM10与PM2.5的直接关系对PM2.5的总量进行推算。由文献［16］知机动车直接排放的PM2.5占PM10的92%。前文测算得2012年北京市六环内机动车直接排放PM10总量约为296t，推算其中PM2.5排放量约为272.3t。

3 交通扬尘PM 排放量的测算方法

交通扬尘的测算采用排放模型和交通模型相结合的方法，其中排放模型采用AP－42交通扬尘排放模型，而交通模型同前文所述。

3.1 AP－42排放因子模型

美国环保局根据铺装道路尘负荷和车辆的平均重量建立了AP－42交通扬尘排放模型。一般通过采集分析路面粉尘负荷和调查道路车流量数据应用AP－42 排放因子计算交通扬尘排放量［3］。基于建立排放清单的需要，为了避免重复计算机动车尾气、刹车和轮胎摩擦的颗粒物排放，交通扬尘排放因子模型只包括道路扬尘排放的颗粒物，见式（4）［3］。

式中：BEF为基本排放因子，计算PM10，PM2.5时分别取5.3，1.3；W为通过道路的车辆的平均重量，t；C为车辆尾气排放、刹车和轮胎摩擦的排放因子，g／km，计算PM10，PM2.5时分别取0.131 7，0.100 5；sL为路面尘负荷，g／m2。道路尘负荷sL是影响交通扬尘排放因子的主要参数，是指单位面积道路上能够通过200目标准筛的颗粒物的质量［3］。樊守彬等［17］通过对北京82条城区道路路面尘负荷的检测结果表明，北京市城区快速路、主干路、次干路和支路尘负荷平均值分别为0.17，0.34，1.48和2.60g／m2。

利用路面尘负荷、车辆的平均车重等参数，通过式（4）即可测算PM10，PM2.5排放因子。交通扬尘的PM 排放量计算过程与机动车直接排放PM的计算类似，均为排放因子和区域内车辆行驶里程的乘积，其计算公式同式（3）。

3.2 北京市交通扬尘PM 的排放量

根据文献［17］对北京市典型道路车辆构成比例的调查，得到不同类型道路上的平均车重，通过公式（4）和（3）计算得到2012年北京市六环内道路网络交通扬尘总量，如表7、8所示：

通过应用AP－42 标准方法测算得2012年北京市六环内交通扬尘PM2.5，PM10总量分别约为59、274t，其中各道路类型中次干路贡献率最高，均超过50%。经对比可知，交通扬尘PM2.5约占PM10总量的21.5%。这是由于交通扬尘来源于车辆遗散、路面破损、轮胎磨损等。其中粒径较大的颗粒物所占比重较大，细粒子偏少。故交通扬尘PM2.5在PM10中的分担率较低。

表7 2012年北京市六环内交通扬尘PM2.5总量Tab.7 Total road dust pm2.5within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

表8 2012年北京市六环内交通扬尘PM10总量Tab.8 Total road dust PM10within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

4 北京市交通扬尘与机动车直接排放PM 的对比分析

如前所述，本文对2012年北京市六环内交通扬尘和机动车直接排放PM2.5，PM10排放量进行了测算。根据前文计算结果，对比结果见图1。由图1可见，对于PM2.5而言，交通扬尘约为机动车直接排放的1／5；对于PM10而言，交通扬尘与机动车直接排放总量相当。综合前文献研究结果可知，道路扬尘是交通源PM2.5排放的重要组成部分。交通扬尘与交通活动直接相关，受交通需求管理等政策措施影响，是交通源PM2.5排放的重要组成部分。若将道路扬尘计入交通源排放PM2.5的统计口径中，将显著增大交通源排放对PM2.5的贡献率。

图1 2012年北京市六环内交通扬尘和机动车直接排放PM 的总量Fig.1 Total PM2.5and PM10from the vehicle road dust vs.direct vehicle exhaust within the 6th Ring Road of Beijing in 2012

5 结束语

为定量评估交通扬尘与机动车直接排放PM的对比关系，本研究以北京市六环内道路网络为研究实例，通过综合利用交通需求预测模型、交通调查数据和AP－42交通扬尘测算模型对2012年机动车直接排放PM2.5，PM10以及交通扬尘的PM2.5，PM10进行了初步测算和对比分析。结果表明：①2012 年北京市六环内机动车直接排放PM10总量中，按车重类型分类，重型车是其主要排放源，占总量的98.3%左右。按照排放标准划分，国III排放标准机动车PM10排放量最高，约为85.4%。按道路类型，快速路占比为41.3%；②2012年北京市六环内交通扬尘PM10总量约为274t，机动车直接排放PM10总量约为296t，二者基本相当；③交通扬尘PM2.5总量约为59t，机动车直接排放PM2.5总量约为272.3t，交通扬尘PM2.5总量约为机动车直接排放PM2.5的1／5。

在未来研究中，可综合利用各类交通调查数据，对整个北京市域机动车排放和交通扬尘PM10、PM2.5的总量进行测算，并对其对比关系进行研究。

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