陳艷艷，秦偉玲，李曉祎，吳克寒，陳 寧，宋程程

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124； 2. 北京交通發(fā)展研究院，北京 100073)

0 引 言

機(jī)動車尾氣對人體健康有很大的危害，美國洛杉磯光化學(xué)煙霧就是由機(jī)動車尾氣污染引起[1]， 因而車輛移動源為代表的交通運(yùn)輸活動污染排放日漸引起關(guān)注。2011至2015連續(xù)5年，全國機(jī)動車污染防治年報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，汽車是機(jī)動車污染物排放總量的主要貢獻(xiàn)者，其排放的氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)超過90% 。按車型分類，全國貨車排放的NOx和PM明顯高于客車，其中重型貨車是主要貢獻(xiàn)者；按燃料分類，全國柴油車排放的NOx接近汽車排放總量的70%，PM超過90%[2]?？梢?，貨車污染物排放研究中NOx和PM是需重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。貨運(yùn)場站作為大量貨車的集散中心，其空氣污染情況不容小覷，對其污染物排放進(jìn)行監(jiān)測研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外專門針對貨運(yùn)場站污染物排放的研究工作較少，但關(guān)于機(jī)動車尾氣排放的研究工作開展的較多，相關(guān)研究工作可以作為本研究的基礎(chǔ)和參考。

S. S. POKHAREL、B. C. S. AND等[3-5]在美國南加州和丹佛地區(qū)，利用遙感對機(jī)動車進(jìn)行了實(shí)時(shí)排放因子研究，建立了基于燃料的機(jī)動車排放清單。周昱等[6]根據(jù)遙感監(jiān)測得到北京市輕型汽油車基于油耗的一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和 NOx平均尾氣管排放因子分別為200.1、11.05、6.68 g/L。張振華[7]對北京和杭州的PM2.5濃度、來源及其影響因素進(jìn)行了研究，指出北京PM2.5濃度一天內(nèi)呈現(xiàn)早晚和夜間3個峰值，分別對應(yīng)早晚上下班高峰和夜間柴油燃料貨車集中通行時(shí)段。同時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示杭州市柴油車PM2.5排放量占全市PM2.5排放總量的80%以上。嚴(yán)晗[8]通過對北京市典型道路的交通流實(shí)時(shí)觀測，應(yīng)用北京市機(jī)動車排放因子模型對不同路段的NOx、PM2.5和黑碳(BC)的排放強(qiáng)度進(jìn)行了研究，指出中重型貨車通行比例增加是3種污染物排放因子增大的重要因素，BC排放因子與中重型貨車流量比例呈現(xiàn)極強(qiáng)的相關(guān)性(R2=0.99)。同時(shí)，3種污染物小時(shí)平均排放強(qiáng)度均呈現(xiàn)早晚高峰的特征，與交通流的早晚高峰特征一致。例如北四環(huán)中路早晚高峰時(shí)BC小時(shí)平均排放強(qiáng)度高達(dá)106±13和103±6 g/(km·h)，是全天平均水平的1.5倍。沙學(xué)鋒[9]采用車載動態(tài)排放監(jiān)測設(shè)備對長春市典型道路和交叉口的機(jī)動車排放進(jìn)行了研究，指出加速工況車輛排放速率最大，是交叉口處的主要污染源，而怠速工況的排放速率最小。同時(shí)，早晚高峰時(shí)段污染物排放量明顯升高，高峰期NOx排放量是夜間低峰時(shí)的2倍多。孫晉偉[10]按營運(yùn)車輛行駛工況的不同將客運(yùn)站分為幾個不同區(qū)域，以客運(yùn)車輛行駛周期為基礎(chǔ)利用MOVES模型量化客運(yùn)站不同區(qū)域尾氣排放量及整體尾氣排放量，其研究發(fā)現(xiàn)公路客運(yùn)站站內(nèi)不同區(qū)域污染物排放量的大小不同，其中停車場及進(jìn)出入站口污染物排放量較大，發(fā)車位、下客區(qū)及行駛區(qū)3個區(qū)域污染物排放量較小。謝紹東等[11]將COPERTIII中所需參數(shù)本地化，利用該排放因子模型計(jì)算得到2002年中國機(jī)動車CO，NOx，HC和PM的排放因子。

目前的研究表明：1)貨運(yùn)車輛是交通污染物的主要排放源；2)車輛工作狀況對污染物排放有重要影響；3)交通基礎(chǔ)設(shè)施中機(jī)動車污染物排放研究還很少?？傮w而言，環(huán)保監(jiān)測統(tǒng)計(jì)能力薄弱，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，導(dǎo)致底數(shù)不清，相關(guān)決策和管理缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐。貨運(yùn)場站作為貨車周轉(zhuǎn)的樞紐對周邊環(huán)境影響舉足輕重，因此開展貨運(yùn)場站排放監(jiān)測及其污染特征研究十分必要。為準(zhǔn)確掌握貨運(yùn)場站的排放特征，筆者對北京漢龍貨運(yùn)場站進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，選取貨運(yùn)車輛的主要污染物PM和NOx作為研究對象，研究了污染物排放的空間特征和時(shí)間特征，為貨運(yùn)場站大氣環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測方法進(jìn)行了積極探索并為貨運(yùn)場站的污染治理提出了針對性的策略。

1 監(jiān)測對象與方法

1.1 監(jiān)測對象

筆者以北京新發(fā)地漢龍貨運(yùn)中心為場站監(jiān)測對象，漢龍貨運(yùn)中心是北京市批準(zhǔn)的9家貨運(yùn)樞紐中規(guī)模最大的一家，坐落于京開高速路106國道新發(fā)地立交橋東南側(cè)，南接京良路，西臨京石高速，東連京津塘高速，是北京連接華南、西南的“咽喉”要道。中心總占地面積36萬平方米，注冊企業(yè)280家，入住商戶500余家，自有車輛1 279輛，外簽合同貨車3 000余輛，日均進(jìn)出約14 000輛次。2013年漢龍場站貨物吞吐量達(dá)1 500萬噸，占北京市貨運(yùn)總量的一半以上。

貨運(yùn)車輛多以柴油為燃料，排放的污染物成分復(fù)雜，其中法規(guī)限制排放的有4類物質(zhì)，即CO， HC，NOx和PM[12]，它們在特定條件下會產(chǎn)生光化學(xué)煙霧并可能形成霧霾，嚴(yán)重危害著環(huán)境質(zhì)量和人體健康[13]。已有研究表明NOx和PM是貨運(yùn)車輛的主要排放污染物，此外，相關(guān)研究表明硫氧化物的最大排放源是燃煤發(fā)電和其他工業(yè)生產(chǎn)過程，為此筆者不將其列為研究對象。為提高研究的針對性筆者選取NOx和PM作為監(jiān)測指標(biāo)對象，研究其排放特征。

1.2 監(jiān)測方法

污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測采用ZTD-A1型可移動式痕量氣體分析儀。該儀器采用美國環(huán)境傳感器技術(shù)公司生產(chǎn)的電化學(xué)ppb級氣體傳感器，可以對環(huán)境空氣中主要有害氣體濃度和顆粒污染物濃度以及氣象五參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，所測定環(huán)境級氣體，其濃度可低至1 ppb。儀器由采樣部分、過濾器、氣體監(jiān)測模塊、樣氣濃度分析模塊、氣象模塊及通訊模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集/數(shù)字濾波、動態(tài)數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲/查詢/通訊、供電方式自動選擇等功能。由CPU控制的數(shù)據(jù)采集電路對傳感器輸出的多路信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過數(shù)字濾波對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，克服各種干擾的影響，確保采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。在監(jiān)測界面中，可以直接完成氣體單位轉(zhuǎn)換，直觀監(jiān)測到需要的濃度值不需要換算計(jì)算。研究表明，散射法標(biāo)準(zhǔn)濕度60%以下采集的數(shù)據(jù)顆粒物濃度與重量法測量的濃度一致性較高[14]。因此，筆者將監(jiān)測時(shí)間選在背景天氣濕度低于60%的時(shí)候以提高數(shù)據(jù)相對精度。

監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率為每分鐘12次，自動計(jì)算其平均值作為每分鐘污染物濃度自動記錄并顯示。因此，本研究環(huán)境數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min，由設(shè)備自動記錄并存儲。選取場站大門、內(nèi)部交叉口和裝卸區(qū)3種類型6個監(jiān)測點(diǎn)作為研究對象，具體分布及代號見圖1。圖中：N2代表北2門；W代表西門；Z1代表裝卸區(qū)1；Z2代表裝卸區(qū)2；CR1代表內(nèi)部交叉口1；CR2代表內(nèi)部交叉口2。

圖1 場站內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)位平面布置Fig. 1 Locations of monitoring points in the freight station

筆者的監(jiān)測指標(biāo)包括：環(huán)境、氣象及交通3個方面。環(huán)境大氣污染物監(jiān)測指標(biāo)為PM10、PM2.5、NO2和NO；氣象因子為溫濕度，風(fēng)速風(fēng)向；交通因子主要是交通流量。

結(jié)合貨運(yùn)場站貨車交通運(yùn)行特點(diǎn)、貨車視線盲區(qū)對監(jiān)測工作人員的安全威脅以及場站運(yùn)營時(shí)間等因素，監(jiān)測時(shí)段選取在13:00—19:00，通過連續(xù)6 h的監(jiān)測探討貨運(yùn)場站排放的特征。筆者分別于2016年11月1日，11月6日，11月13日進(jìn)行了環(huán)境監(jiān)測。

研究以距場站較近的北京市大興城市環(huán)境評價(jià)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)：溫度為5～7 ℃；濕度為33%～36%；紫外線指數(shù)為1；風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)；風(fēng)力為2～3級；PM10為61 μg/m3；PM2.5為45 μg/m3；NO2為20 μg/m3；SO2為16 μg/m3；O3為42 μg/m3；CO為0.6 mg/m3。

2 監(jiān)測結(jié)果及污染物排放特征分析

2.1 污染物濃度與交通特性的關(guān)系

以車流量較大的西門和北2門為例，研究發(fā)現(xiàn)同種污染物西大門濃度高于北2門，其中氮氧化物較顆粒物差異更為顯著，西門NO濃度約為北2門的5倍，NO2濃度為5.5倍(見圖2)。西門是場站車流量最大的出入口，大中型貨車通行量大于北2門，這是造成上述顯著差異的主要因素。

圖2 同時(shí)段內(nèi)西門和北2門主要污染物濃度對比Fig. 2 Comparison of concentration of main pollutions in West and the Second North Gate at the same time

為進(jìn)一步研究污染物排放與交通特性的關(guān)系，對西門和北2門的車流量進(jìn)行了視頻監(jiān)測。調(diào)查結(jié)果顯示，西門平峰時(shí)段車流量396 pcu/h，晚高峰540 pcu/h； 北2門平峰時(shí)段車流量250 pcu/h，晚高峰302 pcu/h。同時(shí)，西門作為主要出入口，大中型貨車的通行比例達(dá)到26.8%，而北2門的大中型貨車的通行比例僅為13.5% 。

圖3顯示了西門車流量、污染物濃度隨時(shí)間的變化特征。2016年11月1日14：00—15：10連續(xù)70 min對場站西門處的車流量和污染物濃度進(jìn)行了同步監(jiān)測。其中車流量數(shù)據(jù)，以5 min為間隔統(tǒng)計(jì)通過車輛數(shù)并折算為小時(shí)當(dāng)量交通量描繪在圖中，共14個數(shù)據(jù)點(diǎn)；污染物濃度數(shù)據(jù)，本研究環(huán)境數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min，由設(shè)備自動記錄并存儲，將連續(xù)5 min獲取的5個數(shù)據(jù)求取平均值記為5 min內(nèi)污染物平均濃度描繪在圖中，與車流量數(shù)據(jù)相對應(yīng)。

圖3 NOx、PM10、車流量隨時(shí)間變化趨勢對比Fig. 3 Trend comparison of NOx , PM10 and vehicle flow changing with time

由圖3可見污染物濃度隨時(shí)間的變化趨勢與車流量隨時(shí)間的變化趨勢一致性較好，即車流量增大污染物濃度升高，車流量減小污染物濃度降低。

相關(guān)性分析顯示車流量和NOx及PM10具有較顯著的相關(guān)性(見表1)。從表1可以看出，車流量與顆粒物PM10之間的相關(guān)系數(shù)為0.695，檢驗(yàn)的顯著性概率為0.006，表明車流量和PM10兩個變量之間顯著相關(guān)；車流量與NO2、NO之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.537和0.561，其檢驗(yàn)顯著性概率分別為0.048和0.037，表明車流量與氮氧化物之間顯著相關(guān)。同時(shí)，污染物的濃度變化與車流相比具有顯著的“削峰”現(xiàn)象，該結(jié)果的產(chǎn)生是由于污染物擴(kuò)散需要一定的時(shí)間，并受到大氣環(huán)境的稀釋，因此污染物濃度曲線未呈現(xiàn)與交通量一致的峰值。

表1 污染物排放與車流量相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of pollutants emission and vehicle flow

注：**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.2 場站內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)污染物濃度分布

監(jiān)測時(shí)段內(nèi)顆粒物PM10和PM2.5以及NOx的濃度變化情況見圖4。由圖4可見，就PM而言，Z1、Z2和CR1、CR2污染重于N2、W處；就NOx而言，Z1、CR1和W處污染要重于Z2、CR2及N2。需要指出的是，裝卸區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集于有叉車作業(yè)時(shí)段，考慮到叉車作業(yè)時(shí)排放量較大，裝卸區(qū)監(jiān)測點(diǎn)距叉車15 m，監(jiān)測數(shù)據(jù)不直接受叉車排放的影響。

圖4 不同區(qū)域污染物平均濃度對比Fig. 4 Comparison of average concentration of pollutants in different areas

由此可見，貨運(yùn)場站內(nèi)貨物裝卸區(qū)、內(nèi)部道路交叉口是PM污染較重區(qū)域，相關(guān)的污染防治應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。裝卸區(qū)域操作人員集中，應(yīng)做好針對顆粒污染物的防護(hù)措施以有效保護(hù)人員健康。而氮氧化物的監(jiān)測及防治應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注裝卸區(qū)域、道路主要交叉口和西門等區(qū)域。

2.3 叉車作業(yè)對顆粒污染物排放的影響

裝卸區(qū)域貨物的裝卸工作主要由柴油叉車完成，叉車作業(yè)時(shí)頻繁改變工作狀況，不斷重復(fù)啟動、轉(zhuǎn)運(yùn)、怠速、行駛、停駛動作。叉車裝貨作業(yè)流程為：車輛啟動用貨叉將貨物托起，轉(zhuǎn)向，行駛至貨車車廂制動停駛，加油高起貨叉，抬高貨物至貨物合適高度送至車廂，降落貨叉至低位，轉(zhuǎn)向行駛至貨物區(qū)繼續(xù)搬運(yùn)循環(huán)作業(yè)。卸貨流程為：車輛自所需卸載貨物貨車車廂處，啟動車輛，原地高起貨叉，叉起貨物，倒車轉(zhuǎn)向并降低貨叉至低位行駛至貨物擺放區(qū)域，將貨物卸下，轉(zhuǎn)向行駛返回至貨車車廂處循環(huán)作業(yè)。對Z1區(qū)域叉車作業(yè)時(shí)的排放情況進(jìn)行了單獨(dú)監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)儀器距排放源距離為3 m。單臺叉車作業(yè)與不作業(yè)情形下的顆粒污染物濃度的對比情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖5。顯然叉車作業(yè)提高了顆粒污染物的排放。在叉車工作時(shí)段PM2.5、PM10濃度均高出非工作時(shí)段近1倍。柴油叉車作業(yè)時(shí)頻繁啟動、熄火、瞬時(shí)加速、減速、怠速不斷切換工作狀況造成污染物排放明顯增加。

3 結(jié) 論

1)貨運(yùn)場站內(nèi)不同區(qū)域污染物貢獻(xiàn)度不同。貨物裝卸區(qū)、內(nèi)部道路交叉口、場站出入口是機(jī)動車污染較重區(qū)域。PM的監(jiān)測及防治應(yīng)將裝卸區(qū)和內(nèi)部道路交叉口作為重點(diǎn)區(qū)域；氮氧化物的監(jiān)測及防治應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注裝卸區(qū)域、道路主要交叉口和場站出入口等區(qū)域。

2)交通特性中車流量是影響排放的顯著因素，PM10和NOx濃度變化與車流量變化呈正相關(guān)趨勢。車流量越大PM10和NOx濃度越高。同時(shí)，大中型貨車的通行比例對污染物排放影響顯著。

3)用于裝卸貨物的柴油叉車污染嚴(yán)重，叉車裝卸過程污染貢獻(xiàn)度高，其怠速及搬運(yùn)過程、啟動、停駛、驟然加速減速頻繁導(dǎo)致排放增加，非開闊地帶裝卸區(qū)污染更嚴(yán)重?？梢钥紤]將柴油叉車換成新能源或者電動叉車，從源頭減少污染物排放。

貨運(yùn)場站作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，是柴油動力機(jī)動車的集散場地，因而也是交通行業(yè)中污染排放嚴(yán)重區(qū)域。隨著交通行業(yè)節(jié)能減排工作的不斷推進(jìn)，貨運(yùn)場站的排放監(jiān)測和污染特征研究工作將不斷深化，未來可引入車輛類型、車齡、車滿載率等因素完善排放監(jiān)測方案，可探索場站不同區(qū)域的污染擴(kuò)散模型研究。