隧道内机动车排放污染含量.docx

题目摘 要：本文首先在归纳总结现有机动车尾气评价模型的基础上，考虑机动车保有量、排放标准、车辆排量、排放因子和交通运行情况等因素，结合居民出行得到城市范围内机动车污染物排放模型。其次，通过介绍隧道测试试验，推导排放模型中的排放因子表达式。最后，分析介绍机动车排放污染与隧道通风的关系，并利用实测数据，对隧道内机动车排放污染含量进行建模计算。关键词：机动车污染 尾气 排放因子 隧道通风Title (College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)Abstract: It firstly developed a vehicle pollutant emission model considering various factors combined with resident trip including vehicle possession, emission standard, displacement, emission factors and traffic condition based on a summary of existing vehicle emission evaluation models. Then the expression of emission factors in the model was derived from tunnel tests. Finally, the relationship between vehicle pollutant emission and tunnel ventilation was analyzed and the vehicle pollutant emission level in the tunnel was calculated by the simple model deduced from filed measurement and the ventilation theory of vehicular tunnel.Key words: vehicle pollution, emission, emission factors, tunnel ventilation 0 引言机动车排放污染己成为城市大气污染的重要来源，而机动车保有量高速增长和出行比例的不断提高造成的城市交通拥堵又加剧了机动车排放的污染程度，合理的交通出行结构也可以促进交通环境改善。目前，即使在机动车排放控制严格、技术先进的发达国家也是如此（黄成，2005）。例如，美国主要大气污染物排放量中，84%的一氧化碳（CO）和42%的氮氧化物（NOx）来源于机动车排放；欧洲76%CO和36%NOx来源于机动车排放（Bruce，1997）。国内调查显示，1997年北京市67%CO、41%NOx来源于机动车排放；上海市61.8%CO、20.9%NOx来源于机动车排放（訾琨等，2005)；2000年北京市CO和NOx的比例分别上升到83%和43%（王京伟，2005），接近国外20世纪60、70年代的水平。2001年北京市三环路内、三环至四环路间及四环路外，二氧化氮日均值超标率分别为43.9%、41.0%和35.0%；一氧化碳日均值超标率分别为38.9%、17.0%和10.0%。同时，最重要的人为温室气体CO2最大的增幅来源之一也是交通运输业（IPCC，2007），国际能署（IEA）二氧化碳排放报告指出，交通部门排放的CO2占全球总排放量的23%，中国交通业排放的CO2在20002005年之间增长了52%，2005交通部门排放占CO2总排放的6.6%，而道路交通排放占总交通排放的67.1%。由此，本文在归纳总结现有机动车尾气评价模型的基础上，考虑机动车保有量、排放标准、车辆排量类型、排放因子和交通运行情况等因素，结合居民出行得到城市区域内机动车主要污染物排放模型。最后，通过描述利用隧道测试试验，推导模型中车辆排放因子的参数标定式并得出结论。 1 排放评价的分类及定义尾气评价是指对机动车尾气管排放的有害物质进行定量、定性的分析。评价主要是针对制定排放法规、检验排放法规实施效果、预测排放趋势、改善空气质量、治理交通环境进行的。排放评价的内容包括：计算广域（尾气排放宏观分析的空间范围，如省、全国）排放清单；计算狭域（尾气排放中观分析的空间范围，如某居民区）排放清单；改善交通措施评价；分析交叉口/交通走廊（高速公路及与高速公路平行的干道及支道）的排放量1。根据不同的使用需求与功能范畴，可将排放评价分为宏观、中观、微观三个层次。其中尾气评价模型可以通过输入、输出参数与交通模型结合起来，从而更好的评价交通和尾气之间的关系，如图1所示。图1尾气模型与交通模型结合结构图1.1 宏观尾气评价宏观尾气评价的基础是基于平均速度的排放因子，使用集计的分析方法得到广域内的排放状况。根据排放因子和车辆行驶参数可得排放总量。宏观评价有两个基本组成部分：宏观排放清单和宏观排放因子。宏观排放清单通过输入车辆行驶参数、车组特性(车辆自身属性和车组分布特征)、气象情况、燃料排放的特性等，建立广域内各污染物的排放清单。宏观排放因子的计算使用集计的方法评估按污染物、车型等分类的排放因子，并为排放总量的计算提供相应的数据。典型的宏观模型包括MOBILE、EMFAC、CORPERT等2。1.2 中观尾气评价中观尾气评价是指狭域内的尾气排放分析，空间单位来自标准交通需求模型中的车道、交通分析区（交通设施具有代表性的小区）参数。中观评价不排除使用宏观模型进行必要车道、交通分析区排放分析。此外，中观分析需要考虑车辆具体行驶工况的排放量，分析基于普查信息（某区域里的人口、邮政编码等信息）、城市土地使用布局、狭域车辆行驶特征和车组时空变化特征。典型的中观尾气排放模型包括MEASURE、INTEGRATION等3。1.3 微观尾气评价微观尾气评价是对特定交通走廊或交叉口的排放分析。微观模型的特点是能够评价以秒为单位的瞬间尾气排放量。微观尾气评价需要输人每一车辆的瞬间行驶工况参数，如瞬时的行驶速度及加速度等。典型的微观尾气模型有CMEM、ONROAD等4。微观尾气评价与中观尾气评价的主要区别在于，微观评价分析的对象是一个特定走廊或交叉口，中观则分析这些具体特征点组成的空间、时间上范围内的尾气排放量。2 机动车排放模型2.1 模型影响因素分析城市范围内某一时段的机动车的类型、组成、总量、出行距离、道路拥堵状态各不相同，其机动车尾气排放总量也因此不同。本文考虑机动车保有量、排放标准、车辆排量类型、排放因子和交通运行情况等，通过描述不同排放标准下的各类车辆的污染物的单位排放量，再通过出行距离、频次和时间等因素得到CO、CO2、NOx、PM10等主要污染物的总排放量。2.2 机动车排放污染计算机动车排放污染物主要为一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和可吸入颗粒物（PM10），因此，本研究选择以上几项作为排放污染物的评价指标。根据交通运行情况，通过道路交通的平均速度估算汽车污染物排放。，；（1）式中：是第j类机动车排放k类污染物的总排放量，单位是克；机动车按照车辆发动机功率和符合的欧洲排放标准分类；是第j类机动车的排放k类污染物的排放因子，单位是克/公里；是第j类机动车在车辆属地区域i的保有量；是区域i的平均出行率，单位是次/天；是区域i的平均出行距离，单位是公里。科学准确地标定排放模型中的参数是进行机动车排放控制及评价的重要依据，而获取准确的机动车排放因子是其关键5,利用机动车台架试验进行排放测试,可以获得单台车排放因子但是建立排放清单更需要各种车型的综合排放因子6。通过Mobile、MVEI、COPERT等排放因子模型可以估算机动车的综合排放因子，但利用隧道试验、遥感技术和OBD技术等方法能够测试综合排放因子7。许多研究表明，应选取尽可能长、平坦且直、单向通车、具可控式射流式风机、通风口少、交通流量大、有代表性机动车组成、各车型所占比例及车速变化幅度大的隧道进行试验8。城市隧道包括地面隧道、水下隧道和公路高架隧道3种，通常地面隧道和水下隧道适合测试机动车排放因子9。2.3 排放因子计算推导2.3.1 质量平衡为计算机动车的排放因子，首先对拟选取事例时段进出隧道的污染物进行质量衡算。质量平衡原理是将隧道看成一个理想的圆柱状活塞，在一定时间内活塞进出口的污染物浓度差与通风量的乘积等于通过隧道的机动车污染物的总排放质量10。其计算公式如下：（2）式中，M为隧道运行事例中所有机动车污染物的总排放质量（g）；为i隧道出口污染物的浓度（g/m3）；为j隧道进口污染物的浓度（g/m3）；为i隧道出口通风量（m3）；为j隧道进口通风量（m3）。2.3.2 平均排放因子计算方法由质量平衡计算得到某选取事例中隧道机动车排放的污染物总质量M后，可以通过下面公式简单计算得到事例中所有机动车组成的车组的平均排放因子。（3）式中，E为分析事例中机动车车组的平均排放因子g/(km辆)；N为分析事例中通过隧道的机动车总数量（辆）；L为隧道内进出口两采样检测点之间的实际长度（km）。平均排放因子反映不同采样时间内经过隧道的所有机动车的污染物排放水平，它可以基本代表某种平均机动车行驶速度、机动车类型组合、车龄分布和行驶里程分布情况下的综合排放因子。如果选取的隧道内行驶的机动车反映了本地区和城市的机动车和交通的实际状况，那么计算得到的平均排放因子也能够代表该地区的机动车排放因子。2.3.3 应用多元回归分析法计算各类车的综合排放因子将试验按每小时监测时段作为1个事例分析，由于各事例的隧道平均排放因子和各类机动车所占百分比并不相同，而各类机动车综合排放因子为相对稳定值，因此可以应用多元回归分析方法得到各类机动车的综合排放因子，如果知道各种机动车的车龄和行驶里程等数据，那么还可以计算出各类机动车不同车龄和行驶里程的排放因子。本文根据隧道实测结果和广州市机动车实际情况，将机动车分为小客车、出租车、小货车、大客车、大货车、公交车、重型车和摩托车8大类，进行下述多元回归分析，多元回归的方程如下：（4）式中，为事例j的隧道平均排放因子g/(km辆)；为事例中隧道内i类机动车所占百分比（%）；为第i类机动车的综合排放因子g/(km辆)；b为多元回归方程的常数项。解此方程即可求解出第i类机动车的综合排放因子即方程的回归系数，同时还可以得到回归方程常数项b。据分析可知，常数项b一般不为0，因为隧道试验测试会受到许多因素的干扰，影响隧道内污染物质量平衡的计算；尽管从整体来说，各类机动车具有稳定的综合排放因子，但是车群组成对它也会有影响，导致机动车综合排放因子并不为唯一的恒值。另外，判定系数r2是反映回归分析结果与变量间关系程度的标志，它跟残差平方和与总平方和的比值成反比例。每一点的y值的估计值和实际值的平方差之和称为残差平方和，而y的实际值和平均值的平方差之和称为总平方和。因此一般多元回归分析要求给出r2值。3 机动车排放与隧道通风公路隧道中，如果通风系统的设计和运行不符合要求，会导致汽车内燃机释放的CO和NOX不断积累，最终达到有害水平。香港一共有11个隧道，平均每个隧道每天通车量超过65000辆。为了对隧道污染水平有一个初步了解，并确定通风设施的提高空间，对香港11个隧道内的空气质量进行了一系列研究。本文给出了每个隧道所测得的CO浓度，测量结果表明CO和NOX对通风速度的需求指标是不同的，隧道管理过程中应该明确哪个指标更重要。由于隧道内部通风条件较差，车辆产生的热气无法释放出去，隧道内外的温差可以用于表示空气质量，因此本文采用隧道内外温差评价空气质量。本文依据压力平衡建立了一个计算CO含量的简易模型，并利用该模型来验证测量值；根据当地政府环境保护署的推荐方程计算NOx含量，计算结果会与国际推荐标准进行对比。3.1 选择待测排放污染物大部分轿车使用的都是以汽油为燃料的火花点火引擎，而卡车和公交车则一般使用以柴油为燃料的压缩点燃引擎（柴油机），不过有些私人小汽车仍然使用柴油机，但是再生产的小汽车必须使用汽油引擎。一般来说，汽油和柴油机最大的不同在于二者所产生的CO、固体微粒物和NO2的含量不同：柴油机产生的废气中CO和碳氢化合物浓度相对较低，主要是NO2、CO2、固体微粒物以及SO2；而汽油机则刚刚相反，CO为主要废气。CO是车辆的主要污染物，可代表汽油机污染下的空气质量：如果CO浓度维持在在可接受的程度，那么其它污染物例如SO2和CO2等也能维持在可接受程度。另一方面。NOx可作为柴油机排放物可接受性的指标。目前还不确定公路隧道中柴油排放和汽油排放物孰轻孰重，所以只能同时采用两项指标，将稀释要求较高的指标作为最终的通风速度。公路隧道中，由于环境封闭，车辆所产生的污染物会迅速积累。自然通风能够短隧道的通风要求，但是对于这个“短”字却没有统一的标准，因此，即使短隧道，依旧设置有机械通风。因此，从1999年便对公路隧道内车辆污染展开了研究。研究目标是对目前隧道的污染程度有个总体的了解。这样，才能确定存在的关键问题，从而改善通风措施。研究结果对于隧道管理非常有用，尽管隧道管理要求对内部环境进行密切监控。然而，除了报纸上总结性的信息以外，详细信息并没有打算向外界公布。因此，本文从交通出行者的角度对11个隧道展开实地调查，对每个隧道全线长度内CO的含量进行检测。在行驶的车辆上安装CO检测器，通过检测器检测CO含量，并记录CO含量的平均值，最终将测得结果与推荐标准对比，同时根据CO实测结果预测NO2的含量。3.2 设计参数公路隧道中污染物的混合浓度与交通流量、车速、气象条件、道路梯度尤其是通风布置相关，其中通风系统是稀释车辆废气中污染物的一个关键因素。污染物的排放与隧道内的车辆数成正比。随着车辆数的增加，车辆排放增加；高密度下的车辆排放要高于低密度下的车辆排放。同时，发动机高速运行时车辆的排放要远低于空载或走走停停时的车辆排放。一般假定隧道内车辆的自由流速度是60km/h，而实际速度则取决于交通状况以及限速，大部分隧道的最高限速是70km/h。风向及风速会造成污染物的移动。如果道路陡峭，污染物的排放速度会更高。同时高海拔道路上，车辆CO的排放量会迅速增加，人们对污染物的容忍度也会降低，划分界限为1500m。不过香港隧道无需考了海拔因素，因为所有隧道海拔都在1500m以下。另外，通风系统的作用会在下章进行分析介绍。3.3 隧道通风隧道通风的一个重要目标是保证隧道全线长度内空气质量能维持在一个可接受的水平。另外，隧道通风会影响无空调公交车内乘客的热舒适性。隧道内，人们暴露在车外的时间在任何情况下都应小于1h，如果按照这种评价标准，一些职业所需的暴露时间将不符合规定。因此，除了一些无法避免的维修工作外，隧道内是不允许有工人工作的；同时，开展维修工作时，隧道暂时不向外界开放。而日常维修工作则在夜晚隧道关闭之后进行。隧道通风的另一个目标是通过稀释车辆产生的烟雾，来保证隧道内部的可见度。采用消光系数表征隧道内的可见度，香港的经验值为任意一个5分钟间隔内消光系数小于或等于0.005m-1。消光系数是关于车辆速度的方程。交通拥堵状况下，能见度和车速都会降低，消光系数会增加至0.009 m-1。而工人在隧道内维修时，消光系数应该在0.002 m-1和0.003 m-1之间。另外，当隧道消光系数达到0.012m-1，应该关闭隧道。自然通风是最简单、成本最低的隧道通风方式。其工作机理是依靠自然风引起的空气流动，以及交通流活塞效应引起的加压气流。集中排出式和竖井送排式都可以利用自然通风。但是当隧道内是单向交通流时，由于车辆会行成方向一致、积极的气流，集中排出式能够最大程度的发挥自然通风的作用。在建设期之前，应对气象条件进行调查。隧道内空气的速率应该统一，且污染物的浓度应该在入口处最小，出口处最大。双向交通流会降低自然通风的效果，同时不利的气候条件会加剧恶化空气质量。隧道的内部阻力会减弱自然风以及交通风，因此，当隧道长度大于240m时，不建议仅仅使用自然通风。单向交通流下，纵向通风是最为有效的通风方式。铁路隧道和公路隧道常常采用射流纵向通风，通过轴流式风机向一端注入空气，然后与交通风混合。空气注入点可能设在隧道口或竖井口。不同的配置，会产生不同等级的浓度。然而，最终的通风效果还和一些因素影响。在一端送风或排风的标准纵向排风系统较为经济，因为所需的组件最少。半横向式通风是另外一种通风方式，隧道沿线统一进行排风或送风，通风系统不受周围环境的影响，适用于长度超过1000m的隧道。至于全横向式通风，一般用于大隧道。相对于送风半横向式通风，增加了排风管道，可以集中送风、排风，同是隧道沿线的压强是已知的，不存在交通车辆产生的纵向气流。这样能够保证所有天气条件、以及单双向交通流下的通风效果。然而，通风系统的能源消耗也是相当大的。3.4 健康标准不同机构制订了多种适用于CO的标准，例如世界卫生组织和国家职业安全与健康研究所。香港空气质量目标是1h TWH CO含量为27ppm。香港环境保护署对隧道空气质量控制的实施准则建议隧道内每5分钟CO的含量应低于100ppm。隧道公司也明确了自己的健康标准。WHO规定15min TWH 1 h TWH、8h TWH CO含量分别为87、25和9。由于隧道内CO的接触时间通常低于5分钟，因此CO的短时指标成为焦点。另外，即使短时接触NO2、SO2，也会影响健康。小汽车排放中SO2的含量可忽略不计，因为硫化物集中在原油中密度较大的一部分，因此只用考虑柴油中硫化物的影响。香港法律第311章规定，液体燃料中硫的重量不应超过0.5%；后来有新的立法规定要彻底消除硫。不同的健康指标如表1所示。表1 不同标准对比表StandardConcentration of CO in ppm (time of exposure)Concentration of NO2 in ppm (time of exposure)Concentration of SO2 in ppm (time of exposure)ACGIH25 ppm (8 h)3 ppm (8 h) 5 ppm (15 min)2 ppm (8 h) 5 ppm (15 min)EPD100 ppm (5 min)1 ppm (5 min)0.4 ppm (5 min)HKAQO27 ppm (1 h)0.15 ppm (1 h)0.25 ppm (1 h)HKLB25 ppm (8 h)3 ppm (8 h) 5 ppm (15 min)2 ppm (8 h)5 ppm (15 min)NAAQS9 ppm (8 h) 35 ppm (1 h)0.053 ppm (Annual)0:03 ppm (Annual) 0.14 ppm (24 h) 0.5 ppm (3 h)WHO84 ppm (15 min)0.1 ppm (1 h)0.2 ppm (10 min)柴油微粒也是一个主要污染物，它主要形成于内燃气缸中，排气过程中发生二次凝结。微粒物的主要来源是燃料的雾化、燃烧室燃料的供应不足以及润滑油的不完全然燃烧。美国环境保护机构微粒物的相关标准为150g/m-3（24小时平均值）；欧洲环境协会对柴油微粒物也做了限制，规定24小时平均值应在100- 150g/m-3之间，与WHO的建议值相同。3.5 隧道内CO的实地调查CO浓度检测是在一辆车窗打开正在行驶的小汽车中进行，使用PM7700 CO测量仪，其读数非常稳定。每次使用前，都对该设备进行校准；其分辨率为1：1003，90%的读数需要30s的反映时间。制造商宣称检测器的重复性为2%。在车窗窗台处进行抽样，该处距离司机和乘客的呼吸水平较近。1999年6月和1999年9月间对11个隧道进行了22次出行。车辆通过隧道的时间在2-6min之间，取决于交通条件和隧道长度。车速在40km/h和50km/h之间。测量时段包含拥堵时段和非拥堵时段。检测结果见表2。表2 测量结果列表隧道A长约1.4km，为双管隧道，分别向南和向北。它是19世纪60年代最为繁忙的隧道之一，每天超过92000车次。1967年投入运营时，隧道只是单管运行；1978年时，增建为双管隧道。南北向都为单向两车道，设计交通量都为3400veh/h，单车道通行能力为1700veh/h；隧道在午夜至黎明期间，关闭一个方向，且隧道内实行双向交通，从而能够使得双管隧道的日常维修交替进行。隧道A采用全横向式通风，设有8个送风机和8个排风机，送风和排风量相平衡，容量是320m3/s。为了控制烟雾浓度，隧道沿线设有22个喷射风机。该通风系统有两种操作模式，第一种即普通模式，最大速度限制在8m/s以内。通常来说，流速与隧道高度耦合。发生火灾时则会启动紧急模式，喷射风机开始运行，将烟雾沿车辆行驶方向排出隧道。隧道A内CO浓度随时间的变化如图1。隧道入口处CO浓度逐渐提高，经历一个高峰之后，逐渐下降，最终到达一个相对较低的水平。当车辆发动机速率较高时，CO释放量相对较少。图1 隧道A内CO含量隧道B、C是双管单向交通流隧道，其中隧道C采用纵向通风；隧道D分段通风，喷射风机给单向交通流注入空气；隧道E长度最短，通风方式和C相似；隧道G采用半横向式通风，通过纵向风道向隧道内注入新鲜空气，有两座通风建筑，各自配有10个风机，根据交通状况来运行风机，新鲜空气的容量是520 m3/s。隧道H、I、J、K由于太长，都采用全横向式通风。3.6 通风设计好的通风设计应该满足能够预测到的最差交通状况下最大排放速率。如果交通流存在潮汐现象，应该加大通风能力。根据污染物含量以及空气质量来评价隧道通风设计。香港环境保护署已经对CO和NO2标准做出了规定，还给出了不同车型车队的平均排放清单，具体见表3、4。表3 不同车型的排放组成表4 测量日交通流量的变化PIRAC发布了公路隧道通风系统设计指南，稀释汽车废气所需新鲜空气的流量Q的计算公式如式1：（1）表示每车每千米CO释放量；v是速度系数，无量纲；k是梯度系数，无量纲；是隧道内小时车辆数；是CO最大允许浓度；L是隧道长度。上述公式解释了稀释CO所需新鲜空气的流量。由于隧道内既有汽油车又有柴油车，因此应该利用相同的公式计算稀释氮氧化物对新鲜空气的需求。式（1）中的用代替，表示每车每千米氮氧化物的释放量；氮氧化物就是NO和NO2的混合，NO是在高温条件下大气中氧气与氮反应产生的，一般情况下，NO在大气中会转换成NO2，转换过程受NO浓度、氧气的存在以及隧道内相关条件控制，因此，转换比例是可变的。另外，二者的转换还取决于隧道的长度、过剩的空气以及实时温度。如果隧道几千米长，转换比例达到20%。 为了评价纵向通风隧道，假定转换比例介于30%-50%之间。在一些极端条件下，最大转换比例能达到60%。根据实践指南可知，通风速度必须能够抵消污染物CO、NO2 、SO2的速度。由于SO2的排放量与其它两种气体相比很少，因此CO和NO2的中对新鲜空气需求更高的将作为稀释废气的最低标准。许多国家更关注NO2而不是NOx的浓度。出行者健康对新鲜空气的需求量需要单独计算。每个乘客每s所需新鲜空气量为7.5l。然而，稀释废气对新鲜空气的需求要远大于乘客健康的需求。据记录，隧道内的温度高达36度，温度也是一项反映通风效果的指标。高温与汽车排放的高温尾气息息相关。如果新鲜空气的供给足够充足，隧道内的温度应和隧道外的温度十分接近。CO最大含量LCP与温差T的回归方程如式2（图2）。LCP=10.8T+4.6 （2）相关系数是0.46，二者之间不存在直接的物理关系，但是该方程为排放量的确定提供了一个选择。图2 CO最大含量与温差的线性回归3.7 结果表2给出了检测数据。本研究主要关注CO含量的最大值，因为不同标准除了给出累积时间平均浓度外，还都给出了CO最大值。含有氮化物的燃料会释放NO，但是NO会转换成NO2 ，NO2的速度取决于发动机速率。因此，NO2的排放是一个过渡现象，且随交通状况的改变而改变，继而其浓度的测定相当困难。另一方面，当CO浓度降低到一定程度时，电子检测装置仍然能迅速被检测到其值的大小。这就保证了CO浓度的检测值实时准确，因此，环境保护署开展了一系列的隧道空气质量检测。而NO2的检测并不容易，因此利用所有隧道内CO和NO2的实地检测值，推导出二者的相关方程。EPD利用CO浓度LC估算NO2浓度LN采用的经验方程如式3。LN=560+0.0141LC （3）由于白天交通量相对稳定，高峰小时排放量是平峰小时排放量的1.1倍，通风系统一直按照高峰小时流量进行通风。检测数据表明11个隧道内CO的含量并没有超过各种标准的规定。因此，CO的含量处于可接受的水平。NO