鞍山市机动车排放NOx的环境承载力分析

钟跃峰，聂振皓，熊 焱，金文杰

（1.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.鞍山市生态环境局，辽宁 鞍山 1140051；3.辽宁科技大学 理学院，辽宁 鞍山 114051）

NOx是主要空气污染物，也是环境空气质量的重要考核指标。NOx是形成酸雨的关键反应性气体之一，也是大气中形成二次气溶胶粒子的重要前体物，对灰霾形成有重要影响，NOx还是生成O3和形成光化学污染的最主要前体物［1］。过去空气中70%的NOx来自煤的燃烧［2］，而随着机动车保有量的大幅增长，机动车尾气排放已经成为NOx污染的重要来源之一，上海、深圳的机动车NOx年排放量在1990年和2001年就已分别达到92 000 t 和45 788 t［3-4］，其对 NOx排放贡献不容忽视。NOx具有很强的与血色素结合能力，可造成血液缺氧，使人体呼吸机能下降；NOx还会刺激人体呼吸系统，引发呼吸道炎症，导致支气管炎和肺水肿等疾病。由此可见，解析机动车NOx排放量尤为必要和迫切。

机动车排放NOx受以下因素影响：机动车类型及保有量、机动车使用年限及行驶里程、机动车燃油类型、机动车运行状况、气象条件、驾驶员操作技术和习惯等［5］。多数研究者核算NOx排放量依据机动车类型及保有量、行驶里程、排放因子等三个参数，其中机动车保有量的计算方法有：Logistic曲线方程估算［6］、箱式模型估算［7］、美国IVE 模型（International vehicle emission model）估算［8-9］、神经网络法计算［10-11］、官方数据统计法［12］等。机动车NOx排放因子指单辆机动车运行单位里程所排放NOx污染物的量，单位g/km。排放因子的确定方法有美国MOVES2014a模型［13］、车载测试法［14］、机动车尾气检测线实测等。

鞍山市为三线城市及重工业城市，汽车保有量逐年增加，导致道路拥堵现象时有发生，造成机动车尾气污染；鞍钢地处鞍山市城区内，其工业废气排放量较大，对城市NOx环境空气质量影响较大。因此，解析鞍山市机动车尾气排放污染物量，对理清大气污染物NOx的贡献源具有较大的参考价值，同时，为鞍山市生态环境局进行决策和管理提供依据。本文采用神经网络模型预测鞍山市机动车未来保有量，采用美国环保署研发的MOVES2014b 模型（Motor Vehicle Emission Simulator 2014b Model）的中观层次CDM（County data manager），计算鞍山市机动车NOx排放因子，利用情境分析法分析机动车排放NOx的分担率发展趋势，评估分析鞍山市NOx的环境承载力，为鞍山市控制机动车保有量的发展规模提供参考依据。

1 研究方法

1.1 神经网络预测模型

BP 神经网络模型结构主要由输入端、隐藏端和输出端组成，如图1 所示。BP 神经网络模型有自我调节与训练的能力，并且不需要对输入—隐藏—输出这三端的映射关系进行数学层面的构建。本文选取了7个影响因素作为输入端参数（n1～n7）：地区生产总值（亿元）、人均地区生产总值（元）、地方财政预算内收入（万元）、年末总人口数（万人）、人口密度（人/km2）、人均交通道路面积（m2）、年末实有交通道路面积（万m2）。隐藏端采用了10 个神经元节点，输出端为机动车保有量。本文收集了2007～2017年的鞍山市上述各项社会指标［15］，用于对神经网络模型进行训练及预测。

1.2 MOVES2014b模型

MOVES2014b模型代表了机动车排放模型的最新研究进展，MOVES2014b模型分宏观、中观和微观三个运行层次，宏观层次适合于国家或者各个州等大范围地域的排放量估算，输入数据量少，准确度低；中观层面适合于城市、县郡范围的排放量计算，输入数据量多，计算结果较为准确；微观层面适合于道路、交叉口、停车场等局地范围的排放量计算，需要实地测量相关数据，输入数据量多，计算结果更为准确。因此，本文采用中观层次（County data manager）进行鞍山市城区机动车NOx排放因子计算。MOVES2014b模型的主要输入参数包括年份、温度、湿度、车龄比例、车速、平均行驶里程和机动车保有量等，参数输入界面见图2。使用时需要对上述参数进行鞍山市相关数据的本地化输入。在地域参数中，选择与鞍山市经纬度、气候条件都相近的美国Illinois的Cook City。本文计算了2018年各类型机动车NOx排放因子，2019～2022年的排放因子与2018年取值相同。

1.2.1 车辆类型和燃油类型的选择 根据公安部规定的机动车类型［16］，结合鞍山市车辆管理所提供的数据，轻型客车、中型客车、重型客车、轻型货车和重型货车等五种车型保有量在鞍山市机动车中占比高，因此本文选择这五种车型进行研究，各车型占比为：轻型客车88%、中型客车0.6%、轻型货车3%、重型客车1%、重型货车4%，合计96.6%。

鞍山市轻型客车和中型客车的燃油类型以汽油为主，轻型货车、重型客车和重型货车的燃油类型以柴油为主，因此本文选取的燃油类型为汽油和柴油。目前，鞍山市部分机动车使用液化天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）以及电力作为驱动燃料，由于CNG和LNG的消耗量较小、污染小，电动车还没有普及且无污染，所以本文未考虑以上三种燃料。

1.2.2年均行驶里程与平均速度分布 根据鞍山市机动车尾气办提供的数据，各类型机动车的年均行驶里程为：轻型客车20 000 km、中型客车36 000 km、轻型货车35 000 km、重型客车65 000 km、重型货车75 000 km。通过调研和现场实测，估得鞍山市机动车在不同平均速度段的分布比例，如表1所示。并假设每种车型的平均速度分布区间相同。

1.2.3 车龄分布 根据国家颁布的《机动车强制报废标准规定》中的相关规定，轻型机动车使用时限为8～10年，中型机动车使用时限为10～15年，大型机动车使用时限为 12～20年。 结合MOVES2014b模型中默认的车龄分布（1～30年）以及对鞍山市机动车尾气检测线的调研，本文对鞍山市车龄分布比例进行估值，结果见表2。

1.2.4 气象参数 鞍山市2018年全年12 个月的平均温度和湿度参数见表3。

1.3 机动车NOx排放量及分担率的计算方法

采用A值法计算鞍山市城区的大气环境承载力［17］，计算式为

式中：Qa为鞍山市大气污染物理想环境容量，万吨/年；A为该地区的环境容量系数，辽宁省的A值取为5.6～7.0，本文取下限值；Cs为该分区污染物日均浓度限值，取NOx限值0.1 mg/m3［18］；S为A值控制区总面积，鞍山市城区土地面积为624.29 km2［19］。

表2 各类型机动车的车龄比例，%Tab.2 Ages of various types of motor vehicles，%

表3 鞍山市2018年的平均温度和平均湿度Tab.3 Average temperatures and humidities in Anshan city in 2018

机动车尾气污染物年排放量的计算式［20］

式中：EQjw为第j类型车w种污染物的年排放量，t/a；EQw为所有车类型w种污染物年排放量，t/a；j为车辆类型；n为车辆类型数；w为污染物类型；Pj为统计年份j类型车保有量，辆；Mj为j类型车年平均行驶里程，km/a；Efjw为j类型车w种污染物的单车排放因子，g/km。

污染物分担率的计算式（生态环境部，2005）

式中：EQw(移动源)为机动车排放w种污染物年排放量，t/a；EQw(固定源)为鞍山市目前统计的w种大气污染物年排放总量（不含移动源的污染物量），t/a。

2 鞍山市NOX排放量研究结果

2.1 鞍山市机动车保有量的预测结果

2007～2017年机动车保有量实际值分别为：6.83、8.56、10.89、12.16、13.76、15.16、16.51、19.39、21.89、26.58、30.90万辆。经过BP神经网络模型的训练，本文得出2018～2022年鞍山市机动车保有量的预测值分别为：32.19、38.97、45.03、49.26、60.97万辆。本研究预测结果表明2018～2022年鞍山市机动车保有量平均年增长率为14.8%，而在2007～2017年期间实际增长率为16.2%。

现有资料表明，2010～2014年期间，北京市机动车保有量平均年增长率为7%［21］，重庆市机动车保有量平均年增长率为17%［22］，大连市机动车保有量平均年增长率为12.4%［6］，盘锦市机动车保有量平均年增长率为10.72%［23］，但2015年以后以及未来若干年的城市机动车保有量增长率未有报道。可见，不同城市由于受经济发展水平、居民收入、人口规模、交通道路路网面积、城市扩张速度、车辆限购等因素的影响，机动车保有量平均年增长率存在显著的差异。

2.2 NOx排放因子的模拟结果

在MOVES2014b模型的中观层次中输入鞍山市的本地化参数，得2018年鞍山市各类型机动车尾气所排放的NOx排放因子：轻型客车0.34 g/km、中型客车1.15 g/km、重型客车2.56 g/km、轻型货车1.46 g/km、重型货车5.3 g/km。

由于MOVES2014b（CDM）模型计算排放因子的结果随年份变化很不明显，因此本文在考虑2019～2022年鞍山市各类型机动车的NOx排放因子时选择与2018年相同，且取月平均值。本文对比了部分文献中对机动车NOx排放因子的取值，如表4所示［24-27］。由于研究方法及研究地区的差异，不同文献对机动车NOx排放因子的计算结果不同。

表4 不同文献的机动车NOx的排放因子比较，g/kmTab.4 Comparison between NOx emission factors of motor vehicles in literatures，g/km

2.3 鞍山市机动车NOx排放量及分担率计算结果

根据各车型占比、各类型机动车的NOx排放因子和机动车预测保有量，可得2018～2022年鞍山市各类型机动车的NOx排放量，结果见表5。

大气污染物来源主要分为固定源和移动源两种。根据鞍山市生态环境局数据，2016、2017、2018年鞍山市NOx的固定源年排放量分别为54 225、54 250和54 275吨/年，假设2019～2022年NOx固定源对鞍山市大气环境的贡献率相对稳定，取值为54 275吨/年。移动源主要指以机动车为主的排放源，本文的移动源即为各类研究车型的NOx年排放量；根据以上数据，可得2018～2022年鞍山市NOx移动源的分担率分别为13.12%、15.39%、17.13%、18.29%、21.54%。可见，2018～2022年鞍山市NOx的移动源分担率呈上升趋势，年增长率约为13.3%。根据式（1）可得鞍山市NOx的环境容量（即环境承载力）限值为13.99 万吨/年，2018～2022年鞍山市机动车NOx排放量分别占鞍山市NOx大气环境承载力的5.9%、7.0%、8.0%、8.7%和10.6%，即占鞍山市环境承载力的5.9%～10.6%，但是2018～2022年NOx总排放量已经达到鞍山市NOx环境承载力的44.65%～49.44%，机动车NOx排放量逐年增长导致NOx总排放量也随之逐年增长。

表5 2018～2022年鞍山市各类型机动车的NOx排放量，t/aTab.5 NOx emissions of various types of motor vehicles in Anshan city from 2018～2022，t/a

根据资料［28］，8个城市在2005年的移动源排放NOx的分担率分别为：长春35.5%、哈尔滨36.5%、沈阳35.8%、西安72.9%、成都57%、深圳84.5%、上海73.1%、天津46.5%。其中东三省省会城市移动源NOx分担率约36%，西安、深圳、上海三个城市NOx分担率超过了70%，成都、天津NOx分担率居中，说明各城市移动源NOx分担率差异较大，主要原因是机动车保有量、工业布局、固定源排放类型等存在较大的差异。

3 鞍山市机动车NOx的环境承载力

根据表5的计算结果，轻型客车、中型客车、轻型货车、重型客车和重型货车在2018～2022年的NOx排放量平均占比分别为：22.69%、0.99%、6.65%、6.15%和63.51%，由此根据式（2）和式（3）可估算各类型机动车保有量。

本文假设了3 种情境来分析NOx排放量达到一定程度时，鞍山市机动车保有量限值。这三种情境是：（1）假设NOx的总排放量（包括移动源和固定源）达到鞍山市NOx环境承载力的50%，若固定源的年排放量保持不变（取为54 275 t/a），此时NOx移动源的排放量将达到1.57万t/a，移动源分担率为22.41%；（2）若移动源NOx分担率达到东三省的省会城市的平均排放水平36%，且固定源的年排放量保持不变，此时移动源的排放量约为3.053 t/a，NOx的总排放量达到鞍山市NOx环境承载力的60.61%；（3）假设NOx的总排放量达到鞍山市NOx环境承载力的100%，若固定源的年排放量保持不变，此时NOx移动源的排放量将达到8.56万t/a，移动源分担率为61.2%。分析结果见表6。

表6 不同情境下的机动车保有量，辆Tab.6 Number of motor vehicles in three assumed situations

针对第一种情境，当移动源分担率为22.41%时，机动车保有量587 317 辆，2022年鞍山市城区机动车的保有量预测值为609 680 辆，因此，估计机动车保有量在2022年基本达到限值；针对第二种情境，当移动源分担率为36%时，按照2018～2022年机动车保有量年均增长率14.8%分析，鞍山市机动车保有量达到117 万辆的时间预计在2027年；针对第三种情境，当移动源分担率为61.2%时，鞍山市机动车的理论最大值325 5033 辆，预计在2034年达到。

预测分析结果表明，在固定源的年排放量保持不变条件下，鞍山市机动车保有量在短期内仍有较大的发展空间，机动车增长所导致的尾气污染物排放暂时仍处在一个允许范围内，但在2022年以后随着NOx总排放量达到环境承载力的50%，机动车尾气污染的状况将会越来越严峻，交通拥堵情况也会随之加重。因此，本文认为有关部门应尽早对机动车保有量的增加进行管理，以保证城市大气环境的清洁和居民的健康。

4 结 论

本文通过建立神经网络模型预测了鞍山市机动车保有量，通过利用MOVES2014b 中观模型计算了轻型客车、中型客车、轻型货车、重型客车和重型货车等五种车型的排放因子，进而计算2018～2022年鞍山市主要车型的NOx年排放量和NOx分担率，以及基于NOx环境承载力分析机动车保有量的发展规模限制，得出以下结论：

（1）2018～2022年鞍山市机动车保有量平均年增长率预测为14.8%，机动车尾气NOx排放量分别为：8 194.37、9 869.71、11 217.95、12 145.84、14 898.52 t/a，占鞍山市NOx大气环境承载力的5.9%、7.0%、8.0%、8.7%和10.6%，NOx分担率分别为13.12%、15.39%、17.13%、18.29%和21.54%，鞍山市NOx移动源分担率年平均增长约为13.3%，表明机动车尾气的NOx排放量占城市环境承载力的比例正在逐年增长。

（2）通过设置3 种情境，即鞍山市移动源NOx分担率分别达到22.41%（NOx总排放量达到鞍山市NOx环境承载力的50%）、36%（移动源NOx分担率达到东三省省会平均水平）、61.2%（NOx总排放量达到鞍山市NOx环境承载力的100%限值）时，鞍山市机动车保有量的限值分别为58.7、117.0、325.5万辆，说明鞍山市机动车在短时间内仍有较大的发展空间，但在2022年后机动车尾气污染会加剧。