车辆增长对城市空气中PM2.5浓度的影响分析①

□□ 赵昌宇

(山西职业技术学院,山西 太原 030006)

引言

随着现代经济的快速发展,我国的机动车保有量在近十几年间迅速增长。大量机动车使用产生了严重的环境影响,其中机动车尾气排放的污染物尤其令人担忧。机动车尾气中的氮氧化物、碳氢化合物及颗粒物等多种污染物,不仅会导致路面环境恶化,同时还会导致城市环境空气质量下降,严重影响市民的健康。机动车尾气排放已成为我国城市空气污染的主要来源之一。开展机动车尾气排放对大气环境影响的研究可解析城市不同污染物的来源及其影响,为管理部门制定机动车尾气污染防治政策和措施提供依据。

当前,PM2.5已成为我国大气环境质量的主要污染因子之一,已有大量研究探讨了不同地区和城市的PM2.5浓度分布特征及其影响因素。李江苏等[1]利用GEO统计模型分析了2014—2018年全国338个城市的PM2.5时空分布规律及影响因素,发现经济发展水平是正向影响PM2.5的重要因素。孔凡晴等[2]通过相关性分析发现,采暖期是影响沈阳市PM2.5浓度的主要因素。折远洋等[3]测定了甘肃南部5个城镇的PM2.5水溶性离子组成,发现机动车是当地PM2.5的主要来源。马忠玉等[4]采用地理加权回归模型分析了2010—2014年中国30个省份城市的PM2.5影响因素,显示机动车保有量是最重要的正向影响因子。严雅雪等[5]研究发现,我国城市化对PM2.5浓度存在明显的非线性影响。在研究中也存在质疑机动车是否为PM2.5的主要影响因素,如张凤青[6]通过相关性检验发现,机动车保有量与PM2.5之间相关性较弱。综上所述,现有研究对于机动车尾气影响PM2.5浓度的认识尚未统一,需要开展定量源解析以明确机动车的影响及程度。因此,研究将通过山西某城市(以下简称A市)机动车保有量和PM2.5监测数据,评估机动车尾气对城市空气中PM2.5的贡献大小,以期为相关污染治理提供依据。

1 A市机动车保有量增长情况

1.1 A市近年机动车保有量变化趋势

A市作为山西省的重要交通枢纽城市,近年来随着经济发展,机动车保有量快速增长。根据A市统计年鉴数据,2015—2020年该市机动车保有量变化情况如图1所示。

图1 2015—2020年A市机动车保有量

从图1可以看出,A市机动车保有量从2015年的14.5万辆快速增长至2020年的39.4万辆,六年间总体呈现较快增长态势。其中2017年和2018年增速较快,增长率在23.8%以上,2019年和2020年增速有所放缓,但仍在21%以上。这主要原因是随着A市经济快速发展和城镇化进程加快,居民收入增加,私人汽车数量快速增长的结果。

1.2 不同类型机动车保有量情况

除了总体保有量增长以外,近年A市不同类型机动车的保有结构也在发生变化。2017—2020年该市主要机动车类型的保有量情况如图2所示。

图2 2017—2020年A市主要机动车类型保有量

从图2可以看出,小型客车是A市机动车的主体,其保有量从2017年的14.7万辆增至2020年的27.9万辆,四年翻了近一番,而其他类型机动车保有量增长也较快。特别是货车保有量的增长,A市作为山西省重要的物流交通中心,货运量不断增加导致商用货车需求上升。同时,柴油车占A市机动车总量的比例也在持续增长,从2015年的20%上升至2020年的35%。柴油车氮氧化物和颗粒物排放量明显高于汽油车,其快速增长也将导致机动车尾气排放结构发生变化。

2 A市空气中PM2.5污染状况

2.1 PM2.5浓度变化特征

近年来,大气PM2.5污染逐渐受到人们的关注。据统计数据显示,A市年均PM2.5浓度呈明显的上升趋势。如2015年的平均PM2.5浓度为55 μg·m-3,而2020年则攀升至78 μg·m-3。此增长趋势并非孤立现象,而是与多个因素相互关联。交通源排放、工业生产排放及生活燃煤都是造成A市此上升趋势的主要原因。而在所有影响因素中,机动车尾气排放是否为主要驱动因子,还需深入研究其变化特征,探索其影响机制及关联性。

2.2 主要污染物排放源解析

在探究大气PM2.5污染的根源,须鉴别各潜在污染源。A市最为显著的污染物排放源为工业生产、农业活动和交通运输。工业生产过程中,尤其是重工业与燃煤发电厂,会释放大量的硫氧化物、氮氧化物和颗粒物,直接导致空气中PM2.5浓度的上升。同时,农业活动中,如农作物的焚烧也是释放大量细微颗粒物的原因之一。交通运输方面,尤其是机动车数量的迅速增长,机动车尾气中的不完全燃烧微粒,包括碳黑和多环芳烃是城市空气中PM2.5的重要组成部分。由此可见,对于A市来说,为了降低空气中PM2.5浓度,针对这些主要污染源进行监管和控制势在必行。

2.3 不同路段和时段大气PM2.5浓度与成分差异

沿城市主干道和次干道进行监测,以揭示了该市空气中PM2.5浓度和成分差异。主干道路段由于交通流量大,尤其是在早晚高峰期,PM2.5浓度往往超出安全标准。这些颗粒物主要来源于机动车尾气,其中包括碳黑、多环芳烃以及金属元素,如铅、锌和铬等。相对而言,次干道的空气中PM2.5浓度较低,但在某些时段,如晚上和凌晨,仍可观察到浓度明显的上升。这可能与夜间工业生产和附近的烧烤摊等活动有关,释放的颗粒物成分与主干道略有不同,以有机物和硫氧化物为主。此外,节假日和工作日的PM2.5浓度与成分也存在差异。工作日的交通流量大,机动车尾气排放量增加,而节假日则受到娱乐和休闲活动的影响。因此,针对不同路段和时段,应采取相应的减排措施,以确保城市大气质量的持续改善。

3 机动车尾气对PM2.5的贡献分析

3.1 汽油车和柴油车PM2.5排放差异

汽油车与柴油车在燃烧机理和燃料成分的差异导致其在PM2.5排放上的显著不同。首先,柴油燃料中S含量较高,其燃烧时会产生大量的硫氧化物,这些化合物在大气中进一步反应,形成了硫酸盐颗粒物,成为PM2.5的重要组成部分。另外,柴油车的高压燃烧特性使其产生了更多未完全燃烧的碳颗粒,即碳黑,这也是PM2.5的主要成分。相较之下,汽油燃烧时产生的颗粒物主要为有机碳颗粒和一些无机盐类。由于汽油中S含量较低,因而其排放的硫氧化物及其PM2.5的贡献相对较少。但汽油在燃烧过程中产生的挥发性有机化合物在大气中会与其他污染物反应,也会促使PM2.5的生成。因此,虽然两种车型都对PM2.5的生成有贡献,但由于燃烧特性和燃料成分的不同,柴油车在PM2.5的排放量和成分上表现得更为显著。

3.2 不同车型的PM2.5排放特点

不同车型在设计、用途和燃料效率上的差异导致其在PM2.5排放上存在明显的区别。首先,小型乘用车由于其相对较轻的车身质量和高效的燃料燃烧,往往具有较低的颗粒物排放。然而,由于其数量众多,总体对PM2.5的贡献仍然不容忽视。中大型乘用车和SUV车,由于其较重的车身和高功率的发动机,通常具有更高的燃料消耗量,因此,其PM2.5排放量相对较高。此外,这些车型往往采用更为先进的排放控制技术,可以在一定程度上减少颗粒物排放。重型商用车如货车和公交车,由于其质量和大容量发动机,其PM2.5排放量通常是最高的,特别是使用柴油为燃料的重型车辆,其排放的颗粒物含量较高。电动车和混合动力车由于其零排放或较低的尾气排放量,对PM2.5的贡献显著减少。但在电动车制造、电池生产与回收过程可能间接导致PM2.5的排放。可见,不同车型的PM2.5排放特点与其设计、用途和燃料效率紧密相关,因而需制定针对性的减排策略。

3.3 机动车尾气对PM2.5的贡献率估算

机动车尾气是城市大气PM2.5污染的重要来源之一。为了精确评估其对PM2.5的贡献,运用数学建模的方法进行计算。基于车流量、车型分布、排放因子和大气扩散条件,对机动车尾气的PM2.5贡献率进行估算。研究结果显示,机动车尾气直接释放的细颗粒物,特别是由燃油不完全燃烧产生的有机碳和元素碳,对该市大气中PM2.5的浓度贡献显著。据估算,机动车直接对大气中PM2.5的贡献率为15%～30%,具体数值受到城市交通密度、发展水平和控制措施的影响。然而,机动车尾气还间接影响PM2.5的浓度。尾气中的挥发性有机物和氮氧化物在大气中发生化学反应,生成二次有机气溶胶,从而进一步增加PM2.5的浓度。考虑到这一因素,机动车对空气中PM2.5的整体贡献可能会更高。

3.4 PM2.5浓度与车流量的相关性分析

城市大气中PM2.5浓度与车流量之间的关系受到环境科学研究学者和城市规划者的广泛关注。为了揭示这两者之间的潜在联系,进行了大量实地监测和数据分析。在交通繁忙区域,PM2.5浓度与车流量之间存在显著的正相关性。当交通流量增加时,尾气排放量也随之增加,直接导致空气中PM2.5浓度的上升。特别是在早晚高峰时段,由于机动车集中排放,PM2.5浓度往往达到一天中的峰值。此外,道路的设计和建筑结构也会影响PM2.5与车流量的相关性。如狭窄的街道和高楼大厦可能导致污染物在地面层积累,从而加强PM2.5与车流量的相关性;反之,宽敞的道路和良好的通风条件可能削弱这种相关性。总体而言,确实存在PM2.5浓度与车流量的密切关系。为了有效降低城市空气中PM2.5浓度,除了加强机动车尾气治理外,还需优化城市交通布局和道路设计[7]。

4 结语

经过对A市空气中PM2.5浓度的深入分析可知,该市的主要污染源为工业生产、农业活动和交通运输,尤其是机动车尾气的排放,是该市空气中PM2.5浓度上升的主要因素;而汽油车与柴油车在PM2.5排放上存在差异,不同车型的PM2.5排放特点有所不同;同时,该市空气中PM2.5浓度与车流量存在正相关关系。

针对A市的PM2.5污染问题,未来的工作需要多方面努力。首先,应加强工业污染源的监管和控制。鼓励采用清洁和高效的生产技术,以减少污染物的排放。对于农业活动,推广先进的农业管理方法,如秸秆还田和生物质能源的利用,以减少焚烧造成的污染。对于交通方面,结合汽油车、柴油车以及不同车型在PM2.5排放方面的差异,为制定机动车排放标准和推广清洁交通技术提供了方向。同时考虑道路设计和周围建筑结构的影响,应优化城市交通布局,改善道路的通风和散热条件,以降低空气中PM2.5的浓度。