深圳市非道路移动机械排放清单研究

刘 鹏，胡明伟, 2, 3，段华波，施小龙

1)深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060；2)深圳大学未来地下城市研究院，广东深圳 518060；3)深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东深圳 518060

近年来，随着环保力度不断加大，机动车及电厂等重点污染源治理取得显著成效[1]，开展非道路移动机械(non-road mobile machinery, NRMM)排放研究已成为环境治理的热点领域．非道路移动机械是不以道路运输为目的，装配有发动机的移动机械和工业运输设备，主要包括工程机械(挖掘机、装载机、搅拌机及压路机等)、农业机械(拖拉机和联合收割机等)、叉车、发电机、港区作业机械及机场地勤运输设备等[2-3]．非道路移动机械与机动车、飞机、铁路机车及船舶同属于移动排放源．研究表明，中国非道路移动机械氮氧化物(NOx)和颗粒物(particular matter, PM)的排放量已与机动车排放量相当，全球非道路移动机械NOx、CO及PM的排放量约占全球移动源的18%～29%，非道路移动机械排放对大气环境具有显著影响[4]．

欧美等发达国家针对非道路移动机械排放防治研究起步较早[5-6]．美国环境保护署(Environmental Protection Agency, EPA)根据非道路移动机械的不同类型制定了相应的排放标准，EPA开发的MOVES软件能够精确计算美国各县级及以上行政区域的排放清单，为制定科学有效的减排措施提供数据支撑．欧洲有较完善的非道路移动机械综合信息管理平台，通过平台可获得完整的排放清单，清单数据为排放标准的制定提供依据．

中国针对非道路移动机械排放的研究起步较晚，现阶段建立的非道路移动机械排放清单存在一定局限性，表现为准确的油耗和活动数据难以获取，对不同排放标准不同功率的机械没有细化分类计算，难以反映真实排放水平，对排放清单的不确定性缺乏定量评估，未对在用非道路移动机械建立完善的监督管理体系，本地化排放因子数据较少．

为建立更精确的排放清单以加强非道路移动机械污染防治，卞雅慧等[7]采用排放因子法估算2014年广东省非道路移动机械排放清单；韩昊等[8]采用油耗法估算广东省2013年的非道路移动机械排放清单；叶子铭等[9]估算了2016年广州市非道路移动机械排放清单；徐光义等[10]估算了2015年深圳市非道路移动机械排放清单．本研究通过改进传统计算方法、细化非道路移动机械的特征参数，建立中国深圳市非道路移动机械排放清单，并对排放清单及环境效益进行分析，研究结果可为非道路移动机械排放控制和减排措施制定提供参考和依据．

1 排放清单建立方法

1.1 研究框架

本研究调研并分析深圳市非道路移动机械特征数据，改进传统排放清单计算方法，建立深圳市非道路移动机械排放清单，研究技术路线见图1.

图1 研究技术路线图Fig.1 Research Framework

1.2 研究对象

本研究以深圳市为研究区域，排放清单的污染物包括NOx、细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、碳氧化合物(HC)、一氧化碳(CO)、黑碳(black carbon, BC)、有机碳(organic carbon, OC)和挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOC)，所研究非道路移动机械均为柴油动力，考虑深圳市实际情况，将研究的非道路移动机械分为工程机械、场内叉车及港作机械．工程机械主要包括挖掘机、装载机、搅拌机、压路机、发电机、摊铺机及打桩机等，由于摊铺机和打桩机的数量少，统一归并为其他机械．根据作业方式对场内车辆进行归并，将机场地勤设备(运输车和叉车等)、物流和工业园区内叉车等场内机械统一归为场内叉车．截止2019年1月，深圳市共有10个港区，为提高排放清单的准确性，将港区作业机械单独作为一个类别，包括门式起重机、堆高机、集装箱牵引车及港口叉车(港口叉车的机械功率较普通叉车高，考虑到排放清单的精度，将港口叉车单独分类)．非道路移动机械分类见图2．

图2 非道路移动机械分类Fig.2 Categories of NRMM

1.3 计算方法

目前，非道路移动机械排放清单的计算方法主要以环境保护部发布的《非道路移动机械排放清单技术指南》[11](以下简称《技术指南》)中提供的方法为基础，可基于已获取的非道路移动机械数据选择合适的计算方法．方法1为

E=(Y×EF)×10-6

(1)

其中，E为非道路移动机械排放量(单位：t)；Y为油耗量(单位：kg)； EF为排放系数(单位：g/kg燃料)．

方法2考虑机械种类和排放标准的不同对排放清单的影响，计算方法为

(2)

其中，j为非道路移动机械的种类；k为排放阶段.

方法3又称排放因子法，考虑非道路移动机械种类、排放标准、保有量、功率分布，以及机械活动水平对排放清单结果的影响．排放因子法计算原理与MOVES计算原理一致，计算方法为

tj,k,n×EFj,k,n)×10-6

(3)

其中，n为机械功率段数量；P为机械保有量(单位：辆)；G为平均额定净功率(单位：kW)； LF 机械负载因子；t为机械年平均工作时长(单位：h)； EF为污染物的排放系数(单位:g/(kW·h))．

方法1仅通过非道路移动机械的耗油量计算污染物排放清单，没有考虑机械种类、排放标准、保有量以及功率分布不同对排放清单的影响；方法2虽然考虑非道路移动机械种类、排放标准对排放清单的影响，但忽略了其保有量及功率分布的差异性；方法3同时考虑了非道路移动机械种类、排放标准、保有量、功率分布及活动水平差异性对排放清单的影响，故3种方法的计算精度从低到高依次为方法1<方法2<方法3．本研究参考《技术指南》[11]中的方法3，并对各类非道路移动机械保有量数据按照排放标准和功率分布进行细化分类，部分污染物排放因子采用本地化实测数据，有效提高了排放清单的精确度．

1.4 深圳市非道路移动机械调查

1.4.1 数据来源

本研究建立排放清单所需数据包括非道路移动机械种类、保有量、平均额定净功率、负载因子、年平均工作时长及污染物排放因子．

目前中国尚未建立完善的非道路移动机械综合信息管理平台．对于工程机械，本研究通过现场调查和对深圳市住房和建设局、深圳市交通运输委员会、深圳市政府信息网开展调研，获取2017年深圳市最新工地资料，根据工地机械保有率(单位工地上非道路移动机械数量)推算工程机械数量[12]；深圳市登记注册的非道路移动机械主要为叉车，通过对特种设备研究院进行数据调研，获得市内柴油叉车数据．港作机械数据主要通过对政府相关管理机构调研以及对深圳市盐田港、蛇口港、赤湾港及大铲湾港现场调查获得．

1.4.2 非道路移动机械保有量

深圳市2017年的工地数量为1 718个，按照现行工地划分准则分为4类[4,13]，如表1．其中，市政工程类工地547个；建筑工程类工地867个；土石方类工地171个；环境水利类工地133个．通过对典型工地开展问卷调查，参考《施工机械非道路移动源大气污染控制管理台账》相关数据[4,12,14]，得到工地工程机械保有率，按照保有率推算得到深圳市工程机械保有量．结果显示，深圳市工程机械主要为国Ⅱ排放标准，达到国Ⅱ及以上标准的占比不足60%，达到国Ⅲ标准的仅占10%左右．

表1 深圳市各类型工地非道路移动机械保有率Table 1 NRMM registration rate of various types of construction sites in Shenzhen

深圳市特种设备研究院登记的叉车14 825台，其中，柴油叉车6 579台，主要为国Ⅱ排放标准；港作机械约为1 990台，柴油动力的港作机械约650台，主要为国Ⅲ排放标准．

深圳市各类非道路移动机械保有量及排放标准占比如图3．按机械类别划分，工程机械保有量最高；按机械种类划分，场内叉车保有量最高；按机械排放标准划分，国Ⅱ标准的保有量最高．

图3 非道路移动机械保有量及排放标准占比Fig.3 NRMM population and emission standard proportion

1.4.3 非道路移动机械功率分布

根据《技术指南》[11]中功率区间划分方式，将非道路移动机械按功率大小划分为(0，37)、[37，75)、[75，130)及[130，560)kW 4个区间，得到每种机械的功率分布情况，如图4．工程机械功率主要分布在[130，560) kW，占比51%．场内叉车功率普遍偏低，主要分布在(0，37)kW；港作机械功率普遍较高(平均功率为192 kW)，主要分布在[130，560)kW．

图4 非道路移动机械功率分布Fig.4 Power distribution of NRMM

1.4.4 非道路移动机械运行参数分析

非道路移动机械运行参数包括年平均工作时长、负载因子和平均额定净功率．根据对各类非道路移动机械开展现场问卷调查和查看机械自带的工作时间记录情况，同时结合建筑协会提供的数据，可获得相关机械的平均额定净功率和平均工作时长．各机械平均额定净功率均为实际调查得到；挖掘机、搅拌机、发电机、其他类工程机械、叉车及起重机的平均工作时长，由实际调查得到，其余机械采用《技术指南》[11]中的推荐值(770 h)．结合现场调查和数据调研结果，参考《技术指南》[11]中非道路移动机械负载因子的推荐值，负载因子取0.65．综合分析得到2017年深圳市非道路移动机械运行参数，见表2．

表2 非道路移动机械运行参数Table 2 Operating parameters of NRMM

1.4.5 排放因子

污染物排放因子是建立排放清单的关键参数[15-16]，目前中国本地化排放因子数据较少，本研究中污染物BC、OC及VOC的排放因子由国内相关研究实测的数据计算得到[17]，污染物NOx、PM2.5、PM10、HC及CO的排放因子，参照《技术指南》[11]中的推荐值，见表3．

表3 非道路移动机械污染物排放因子Table 3 Emission factors of NRMM g·(kW·h)-1

2 结果与分析

2.1 非道路移动机械排放清单

将各类数据按照建立的方法进行计算，得到2017年深圳市非道路移动机械排放清单，如表4．结果显示，深圳市非道路移动机械中工程机械排放量为10 393.6 t，场内叉车排放量为2 339 t，港作机械排放量为640.3 t，总排放量为13 372.9 t．可见，工程机械是最主要的排放源，分担率达到70%以上．研究结果细化了污染物的主要来源，对于从源头制定科学的减排措施具有重要意义．

表4 深圳市非道路移动机械排放清单Table 4 Emission inventory of NRMM in Shenzhen t

(续表4)

2.2 排放清单特征分析

非道路移动机械NOx、PM2.5、PM10、HC、CO、BC、OC及VOC的排放量及占比如图5．可见，挖掘机排放量最高，其NOx、PM2.5、PM10、HC、CO、BC、OC及VOC的排放量分别为1 761.0、111.0、117.0、276.0、1 144.0、61.5、19.0及264.0 t，总计3 753.5 t，占所有机械排放总量的28%．在所有污染物中，NOx的排放量为6 162 t，占比最高，达到46%以上．结果表明，挖掘机是最主要的排放源，NOx是最主要的污染物．

图5 各类型机械污染物排放量及占比Fig.5 Pollutants proportion of NRMM

选取典型污染物NOx、PM2.5、PM10及CO (4种污染物的排放量占总排放量的83.6%)，对其排放源进行分担率分析，如图6．由于港作机械和发电机对4种污染物的分担率不足3%，不予考虑．结果表明，挖掘机的分担率最高，达到28%～30%；对于污染物PM2.5和PM10，场内叉车的分担率仅次于挖掘机；对污染物NOx和CO，搅拌机的分担率仅次于挖掘机．这说明不同污染物的排放源分担率存在差异，对污染物进行排放源分担率分析，明确污染物的主要排放源，据此制定有针对性减排措施．

图6 污染物排放分担率Fig.6 Emission contributions of various pollutants

对于首要污染物NOx，3大类别非道路移动机械各排放阶段排放量如图7(a)，国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ及国Ⅲ标准工程机械的NOx排放量分别为470.5、2 167.2、2 023.4及219.3 t，国Ⅰ标准排放分担率最高，占比达到44.4%；国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ及国Ⅲ标准的场内叉车NOx排放量分别为69.1、307.1、494.4及146.6 t，国Ⅱ标准的排放分担率最高，占比为48.6%；国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ及国Ⅲ标准的港作机械NOx排放量分别为17.7、74.8、65.9及109.4 t，国Ⅲ标准排放分担率最高，达到40.8%．因此，对于首要污染物NOx，工程机械中以国Ⅰ标准的排放分担率最高，场内叉车以国Ⅱ标准的排放分担率最高，港作机械中以国Ⅲ标准的排放分担率最高，这是由于大多数港作机械、场内叉车为新机械，工程机械中存在大量老旧机械．

图7 非道路移动机械排放特征分析Fig.7 Emission characteristics of NRMM

对研究的非道路移动机械，基于排放标准不同划分机械对典型污染物的分担率．对于NOx，国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ及国Ⅲ标准的非道路移动机械排放量分别为557.3、2 549.1、2 583.7及475.3 t；对于PM2.5，国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ及国Ⅲ标准的机械排放量分别为45.2、182.1、159.2及35.4 t；对于PM10，国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ、国Ⅲ标准的机械排放量分别为47.5、191.7、167.5及38.6 t；对于CO，国Ⅰ前、国Ⅰ、国Ⅱ及国Ⅲ标准的机械排放量分别为304.8、1 503.4、1 860.3及504.8 t，如图7(b)．结果表明，对典型污染物分担率最高的非道路移动机械排放标准主要为国Ⅰ和国Ⅱ，按照深圳市空气质量提升计划的要求，应加速淘汰国Ⅱ以下排放标准的非道路移动机械以降低污染物排放．

2.3 环境效益分析

自2018年11月起，深圳市禁止使用国Ⅰ及以下排放标准的非道路移动机械，基于已获得的排放清单，按照深圳市非道路移动机械排放要求，假设对所有非道路移动机械进行升级改造后的机械排放标准均为国Ⅱ及以上．计算得到实施减排措施后的排放清单，对比结果显示，实施减排措施以后，各污染物排放量得到较大幅度减少，其中，NOx排放量减少最多，达到1 618 t/a；PM2.5排放量减少128.5 t/a；PM10排放量减少133.1 t/a；CO排放量减少471.1 t/a. 详细结果见表5.

表5 非道路移动机械实施减排措施前后 污染物排放量及削减量Table 5 Pollutant reduction of NRMM before and after implementing emission control measures

3 不确定性分析

建立非道路移动机械排放清单的过程实质上是基于改进计算方法，对获得的非道路移动机械各个特征数据整合计算的过程．在数据调查和统计过程中不可避免的存在随机误差、统计误差、样本数量受限以及数据代表性不足等问题，这些误差在计算过程中会传递给建立的排放清单，最终导致排放清单的不确定性．因此，分析排放清单的不确定性有助于制定科学的排放控制策略，有利于改进数据收集工作，完善清单建立过程中的不足，降低清单建立过程中的不确定性[13,15]．

目前，针对非道路移动机械排放清单不确定性分析方法有定性分析、半定量分析和定量分析[18]．定性分析是建立者基于主观判断给出不确定性评价，半定量分析采用量化方式确定排放清单的置信度．定性和半定量分析均不能给出排放清单的不确定性范围．本研究采用Monte Carlo方法定量分析排放清单的不确定性，使用Oracle公司开发的Crystal Ball软件，该软件操作简单，结果分析直观易懂．

以污染物NOx排放清单为例，保有量数据服从误差为±5%的均匀分布，排放因子和年平均工作时长服从正态分布．模型经过10 000次模拟计算，获得NOx排放清单的概率分布，如图8．可见，NOx排放量平均值为6 250 t，中间值为6 227 t，略低于平均值．90%置信区间的平均值范围为(5 132.6，7 424.8) t，不确定性范围为[-17.9%，18.8%]；95%置信区间的平均值范围为(4 940.1，7 661.2) t， 不确定性范围为[-21.1%，22.6%]，不确定性范围较大．分析其原因一方面由于我国非道路移动机械种类较多，没有完善的非道路移动机械综合信息管理平台，机械数据缺乏，且排放标准差别较大；另一方面，本地化实测排放因子的缺失也会导致结果不确定性增大．

图8 NOx排放量不确定性模拟结果Fig.8 Uncertainty simulation results of NOx emissions

结 语

本研究通过现场调查和数据调研，获取深圳市非道路移动机械种类、保有量、功率分布和活动水平以及排放因子数据．通过改进的计算方法建立了2017年深圳市非道路移动机械排放清单．研究结果明确了主要污染源和主要污染物，为制定针对性的减排措施提供依据．

就排放阶段而言，对典型污染物分担率最高的非道路移动机械为国Ⅰ和国Ⅱ排放标准；就机械种类而言，分担率最高的机械依次为挖掘机，场内叉车及搅拌机．对首要污染物NOx，工程机械中以国Ⅰ标准的排放分担率最高，场内叉车中以国Ⅱ标准的排放分担率最高，港作机械中以国Ⅲ标准的排放分担率最高．由于污染物主要为NOx，应制定针对性的减排措施，同时根据分担率情况，精细化控制污染物排放源．环境效益分析结果显示，实施减排措施以后，污染物排放量会大幅度降低．

利用Monte Carlo方法定量分析NOx排放清单的不确定性，结果量化了排放清单结果的不确定性范围，有利于决策者制定切合实际的减排目标．由于定量分析排放清单过程中涉及大量原始数据的使用，应该建立非道路移动机械综合信息管理平台，方便各类数据获取，降低未来排放清单的不确定性．