机动车排放控制应用模型初探

2014-08-14

环境与可持续发展 2014年3期

关键词：机动车空气质量尺度

(中国环境出版有限责任公司，北京 100062)

1 机动车排放控制研究综述

在几十年机动车污染控制进程中，无论是在经济政策、管理对策，还是技术措施上，国内外都已经积累了较丰富的经验。

1.1 排放控制技术措施

国内外出现的排放控制技术措施包括改善机动车供油系统、点火系统，改进燃烧室结构、安装三元催化转化器、颗粒物捕集器、使用无铅汽油、使用添加剂、使用LPG、CNG及醇类燃料、使用电动车及混合动力车等。

1.2 排放控制管理对策

管理对策包括在用车检测维修(I/M)制度、老旧车辆淘汰制度、制定和加严排放标准、对高排放车实行限行、鼓励公共交通、单双号、部分街道限行、汽车牌号标志实行限行措施、交通拥堵治理等。

1.3 排放控制经济政策

经济政策包括机动车排污收费、排污权交易、对生物柴油免征消费税、根据发动机功率征收车辆流通税、车辆注册税、卡车行驶里程税、道路使用税、燃油税等。

2 排放对策评价方法研究综述

成本效益分析(Cost-Benefit Analysis，简称CBA)属公共经济学研究领域，主要面向政府在交通、城建等方面制定政策和投资项目的评价上。上世纪80年代后期，美国学者首次将成本效益分析引入到了污染与健康的研究中，之后该分析方法在环境改善和可持续发展方面，例如温室气体、工业污染减排等，开始得到了广泛的应用，并于上世纪90年代中期应用在机动车污染控制对策的评估中。

成本效益分析中常用的三项经济指标为净现值(Net Present Value，NPV)、内部收益率(Internal Rate of Return，IRR)以及效益成本比率(Benefit-Cost Ratio，BCR)。其主要分析思想是：在所评估的项目的实施期间，将收益流与成本流对时间进行贴现，贴现使所有这些成本与效益都处于共同的时间框架内，从而可以对所提议项目在一段时期内(或生命周期内)的效益流与成本流(包括直接的项目投入与产出，以及能够量化确认的环境效果)进行准确的比较和评价。

3 排放模型综述

3.1 概述

用于城市区域空气质量模型一般包括两种尺度：一种是城市中小尺度(几公里至几十公里)，该尺度的空气质量模型可以反映城市范围内机动车污染物排放对环境的影响，为制定相应的控制措施和策略的基础。另一种为城市微尺度的空气质量模型，其主要模拟城市道路和十字路口处的机动车排放污染物的扩散。

3.2 模型历史

国内外对中小尺度的空气质量模型研究已经发展了三代。第一代空气质量模型是高斯模型和拉格朗日烟团轨迹模型，其代表是EIAA模型(典型高斯)、Aermod模型(稳态高斯)、CALPUFF(不稳态高斯)、和ADMS模型(3D 高斯)；第二代空气质量模型是欧拉数值模型，欧拉数值模型主要包括三种模型，即城市尺度光化学氧化模型(UAM，Urban Airshed Model)，区域酸沉降模型(RADM，the Regional Acid Deposition Model)，以及区域尺度光化学氧化模型(ROM，the Regional Oxidant Model)；第三代空气质量模型是区域多尺度空气质量模型，即Models-3/CMAQ，于1998年第一次正式发布，该模型的特点在于：一方面，它可以同时模拟多种大气污染物，包括臭氧、PM、氮氧化物、酸沉降以及能见度降低等在不同空间尺度范围内的行为过程；另一方面，Models-3的设计充分利用高科技的计算机硬件和软件技术如高性能的网络资源、可视技术，从而使模拟技术能更高效、更精确，并且趋于多元化，Models-3/CMAQ适用于中尺度模拟范围，可应用于如跨省跨区域污染的控制等。

3.3 主流模型

流动源排放模型从建模方法上可分为基于速度-加速度的统计模型、基于功率需求的物理模型、基于速度-加速度-排放矩阵的模型以及利用神经网络方法建立的模型四类，其中目前普遍认可的建模方法是统计法和物理法。国外在模型开发方面的研究开展较早，美国早在上世纪七十年代就已经开始进行机动车排放模型开发研究，目前国外主流的排放模型大多为统计回归模型，如美国环保局开发的MOBILE模型、MOVES模型，加州空气资源局开发的EMFAC模型以及欧洲环境署开发的COPERT模型等。基于物理法开发的模型有美国加州大学河边分校开发的CMEM模型等。国内目前还没有开发出自己的排放模型体系，环境管理人员和研究学者主要利用国外模型通过对模型输入参数本地化的方法进行相关研究，由于国外模型均基于本地车辆实际情况开发，普遍存在参数固化，可移植性差，机动车分类、技术水平及测算单位与中国国情不符的问题，模型预测精度较低。但是国外模型开发较早且技术成熟，其模型结构、计算原理、参数设置等也为开发北京市流动源排放模型提供了有益的借鉴。

3.3.1MOBILE模型

其中MOBILE模型是开发最早的流动源模型(如图1所示)，计算原理为首先通过测试得到各排放控制水平车辆标准工况下的基本排放因子，之后考虑机动车的车龄分布、行驶里程、新车排放因子、劣化率、行驶速度、检查/维护制度、环境状况、道路条件、车辆的使用工况以及车用油料特性等诸多因素对排放的影响，最终计算得到区域内各年、各车型的平均水平的排放因子；其优点是模型开发较早，技术成熟且模型体系非常完善，是其它现有模型开发的参考基础；缺点是模型基于固定工况、利用平均速度进行排放修正，无法反映车辆行驶状态对排放的影响，同时该模型参数输入格式复杂，操作性差。

图1 美国环保局(U.S. EPA)开发的MOBILE模型

3.3.2 EMFAC模型

EMFAC模型(如图2所示)总体结构和计算原理同MOBILE相同，其特点是模型细分了三种不同的尾气排放计算模式：Burden、Emfac和Calimfac模式，用户可根据应用需求自由选择。

图2 美国加州空气资源署开发的EMFAC模型

3.3.3 COPERT模型

COPERT模型(如图3所示)针对欧盟各国特点开发，基于燃油消耗数据计算区域机动车排放污染物总量，与MOBILE模型相比，该模型对车型分类更细，评价污染物更多，能够计算一些并不常见的污染物(如N2O、NH3、SO2等)的排放量清单。

图3 欧盟环保署开发的COPERT模型

3.3.4 IVE模型

IVE模型(International Vehicle Emission Model)是国际可持续发展系统中心(ISSRC)开发的适用于不同国家和地区的宏观模型(如图4所示)，该模型结构灵活，区域适用性好；其特点是模型摒弃了传统模型利用平均速度进行行驶状况修正的方法，而是引入车辆特定功率(Vehicle Specific Power，VSP)参数，采用基于VSP的工况修正方法；同时该模型针对排放的历史效应(若干秒前的排放对当前排放有影响的效应)引进发动机压力(Engine Stress，ES)变量来反映历史效应对当前排放的影响，但是该模型车型分类过于复杂，数据获取困难。

图4 国际可持续发展系统中心(ISSRC)开发的IVE模型

3.3.5 CMEM模型

CMEM模型(Comprehensive Modal Emissions Model，CMEM)是基于排放原理开发的最著名的微观排放模型(如图5所示)，能够预测某一类型车在某段时间内的平均排放；模型包括六个主要模块：发动机功率；发动机转速；空燃比；油耗；发动机排放。其最大优点就是该模型是目前最详细刻画车辆排放内部过程的模型，也是EMIT，PERE等很多基于功率负载模型建立的基础，但是该模型最大的缺点也在于模型过于细致的刻画了车辆的排放原理导致模型校正参数多(共有42个变量要校正)，拟合方程多和假设条件多)，运算效率较低。

图5 加州大学河边分校同密歇根大学合作开发的CMEM模型

3.3.6MOVES模型

MOVES模型(Multi-scale mOtor Vehicle & equipment Emission System)是美国环保局在MOBILE模型多年的研究基础上开发的新一代尾气排放模型(如图6所示)，该模型充分整合了美国环保局在模型开发方面的研究经验和数据基础，可进行宏观、中观、微观三种层次的尾气污染预测，同时该模型开发过程中不再仅仅局限于利用台架测试数据，而是已经开始考虑利用车载测试数据和遥感测试数据这些更具有代表性的道路实测数据来进行模型开发，但是该模型所有参数均针对美国本土开发，参数固化，且模型结构庞大，运行速度缓慢。