□□ 趙昌宇

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)的機(jī)動(dòng)車保有量在近十幾年間迅速增長(zhǎng)。大量機(jī)動(dòng)車使用產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境影響,其中機(jī)動(dòng)車尾氣排放的污染物尤其令人擔(dān)憂。機(jī)動(dòng)車尾氣中的氮氧化物、碳?xì)浠衔锛邦w粒物等多種污染物,不僅會(huì)導(dǎo)致路面環(huán)境惡化,同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致城市環(huán)境空氣質(zhì)量下降,嚴(yán)重影響市民的健康。機(jī)動(dòng)車尾氣排放已成為我國(guó)城市空氣污染的主要來(lái)源之一。開(kāi)展機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)大氣環(huán)境影響的研究可解析城市不同污染物的來(lái)源及其影響,為管理部門制定機(jī)動(dòng)車尾氣污染防治政策和措施提供依據(jù)。

當(dāng)前,PM2.5已成為我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子之一,已有大量研究探討了不同地區(qū)和城市的PM2.5濃度分布特征及其影響因素。李江蘇等[1]利用GEO統(tǒng)計(jì)模型分析了2014—2018年全國(guó)338個(gè)城市的PM2.5時(shí)空分布規(guī)律及影響因素,發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是正向影響PM2.5的重要因素?？追睬绲萚2]通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),采暖期是影響沈陽(yáng)市PM2.5濃度的主要因素。折遠(yuǎn)洋等[3]測(cè)定了甘肅南部5個(gè)城鎮(zhèn)的PM2.5水溶性離子組成,發(fā)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車是當(dāng)?shù)豍M2.5的主要來(lái)源。馬忠玉等[4]采用地理加權(quán)回歸模型分析了2010—2014年中國(guó)30個(gè)省份城市的PM2.5影響因素,顯示機(jī)動(dòng)車保有量是最重要的正向影響因子。嚴(yán)雅雪等[5]研究發(fā)現(xiàn),我國(guó)城市化對(duì)PM2.5濃度存在明顯的非線性影響。在研究中也存在質(zhì)疑機(jī)動(dòng)車是否為PM2.5的主要影響因素,如張鳳青[6]通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),機(jī)動(dòng)車保有量與PM2.5之間相關(guān)性較弱。綜上所述,現(xiàn)有研究對(duì)于機(jī)動(dòng)車尾氣影響PM2.5濃度的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一,需要開(kāi)展定量源解析以明確機(jī)動(dòng)車的影響及程度。因此,研究將通過(guò)山西某城市(以下簡(jiǎn)稱A市)機(jī)動(dòng)車保有量和PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),評(píng)估機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)城市空氣中PM2.5的貢獻(xiàn)大小,以期為相關(guān)污染治理提供依據(jù)。

1 A市機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)情況

1.1 A市近年機(jī)動(dòng)車保有量變化趨勢(shì)

A市作為山西省的重要交通樞紐城市,近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,機(jī)動(dòng)車保有量快速增長(zhǎng)。根據(jù)A市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù),2015—2020年該市機(jī)動(dòng)車保有量變化情況如圖1所示。

圖1 2015—2020年A市機(jī)動(dòng)車保有量

從圖1可以看出,A市機(jī)動(dòng)車保有量從2015年的14.5萬(wàn)輛快速增長(zhǎng)至2020年的39.4萬(wàn)輛,六年間總體呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中2017年和2018年增速較快,增長(zhǎng)率在23.8%以上,2019年和2020年增速有所放緩,但仍在21%以上。這主要原因是隨著A市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,居民收入增加,私人汽車數(shù)量快速增長(zhǎng)的結(jié)果。

1.2 不同類型機(jī)動(dòng)車保有量情況

除了總體保有量增長(zhǎng)以外,近年A市不同類型機(jī)動(dòng)車的保有結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。2017—2020年該市主要機(jī)動(dòng)車類型的保有量情況如圖2所示。

圖2 2017—2020年A市主要機(jī)動(dòng)車類型保有量

從圖2可以看出,小型客車是A市機(jī)動(dòng)車的主體,其保有量從2017年的14.7萬(wàn)輛增至2020年的27.9萬(wàn)輛,四年翻了近一番,而其他類型機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)也較快。特別是貨車保有量的增長(zhǎng),A市作為山西省重要的物流交通中心,貨運(yùn)量不斷增加導(dǎo)致商用貨車需求上升。同時(shí),柴油車占A市機(jī)動(dòng)車總量的比例也在持續(xù)增長(zhǎng),從2015年的20%上升至2020年的35%。柴油車氮氧化物和顆粒物排放量明顯高于汽油車,其快速增長(zhǎng)也將導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車尾氣排放結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2 A市空氣中PM2.5污染狀況

2.1 PM2.5濃度變化特征

近年來(lái),大氣PM2.5污染逐漸受到人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,A市年均PM2.5濃度呈明顯的上升趨勢(shì)。如2015年的平均PM2.5濃度為55 μg·m-3,而2020年則攀升至78 μg·m-3。此增長(zhǎng)趨勢(shì)并非孤立現(xiàn)象,而是與多個(gè)因素相互關(guān)聯(lián)。交通源排放、工業(yè)生產(chǎn)排放及生活燃煤都是造成A市此上升趨勢(shì)的主要原因。而在所有影響因素中,機(jī)動(dòng)車尾氣排放是否為主要驅(qū)動(dòng)因子,還需深入研究其變化特征,探索其影響機(jī)制及關(guān)聯(lián)性。

2.2 主要污染物排放源解析

在探究大氣PM2.5污染的根源,須鑒別各潛在污染源。A市最為顯著的污染物排放源為工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和交通運(yùn)輸。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,尤其是重工業(yè)與燃煤發(fā)電廠,會(huì)釋放大量的硫氧化物、氮氧化物和顆粒物,直接導(dǎo)致空氣中PM2.5濃度的上升。同時(shí),農(nóng)業(yè)活動(dòng)中,如農(nóng)作物的焚燒也是釋放大量細(xì)微顆粒物的原因之一。交通運(yùn)輸方面,尤其是機(jī)動(dòng)車數(shù)量的迅速增長(zhǎng),機(jī)動(dòng)車尾氣中的不完全燃燒微粒,包括碳黑和多環(huán)芳烴是城市空氣中PM2.5的重要組成部分。由此可見(jiàn),對(duì)于A市來(lái)說(shuō),為了降低空氣中PM2.5濃度,針對(duì)這些主要污染源進(jìn)行監(jiān)管和控制勢(shì)在必行。

2.3 不同路段和時(shí)段大氣PM2.5濃度與成分差異

沿城市主干道和次干道進(jìn)行監(jiān)測(cè),以揭示了該市空氣中PM2.5濃度和成分差異。主干道路段由于交通流量大,尤其是在早晚高峰期,PM2.5濃度往往超出安全標(biāo)準(zhǔn)。這些顆粒物主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車尾氣,其中包括碳黑、多環(huán)芳烴以及金屬元素,如鉛、鋅和鉻等。相對(duì)而言,次干道的空氣中PM2.5濃度較低,但在某些時(shí)段,如晚上和凌晨,仍可觀察到濃度明顯的上升。這可能與夜間工業(yè)生產(chǎn)和附近的燒烤攤等活動(dòng)有關(guān),釋放的顆粒物成分與主干道略有不同,以有機(jī)物和硫氧化物為主。此外,節(jié)假日和工作日的PM2.5濃度與成分也存在差異。工作日的交通流量大,機(jī)動(dòng)車尾氣排放量增加,而節(jié)假日則受到娛樂(lè)和休閑活動(dòng)的影響。因此,針對(duì)不同路段和時(shí)段,應(yīng)采取相應(yīng)的減排措施,以確保城市大氣質(zhì)量的持續(xù)改善。

3 機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)分析

3.1 汽油車和柴油車PM2.5排放差異

汽油車與柴油車在燃燒機(jī)理和燃料成分的差異導(dǎo)致其在PM2.5排放上的顯著不同。首先,柴油燃料中S含量較高,其燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的硫氧化物,這些化合物在大氣中進(jìn)一步反應(yīng),形成了硫酸鹽顆粒物,成為PM2.5的重要組成部分。另外,柴油車的高壓燃燒特性使其產(chǎn)生了更多未完全燃燒的碳顆粒,即碳黑,這也是PM2.5的主要成分。相較之下,汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的顆粒物主要為有機(jī)碳顆粒和一些無(wú)機(jī)鹽類。由于汽油中S含量較低,因而其排放的硫氧化物及其PM2.5的貢獻(xiàn)相對(duì)較少。但汽油在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物在大氣中會(huì)與其他污染物反應(yīng),也會(huì)促使PM2.5的生成。因此,雖然兩種車型都對(duì)PM2.5的生成有貢獻(xiàn),但由于燃燒特性和燃料成分的不同,柴油車在PM2.5的排放量和成分上表現(xiàn)得更為顯著。

3.2 不同車型的PM2.5排放特點(diǎn)

不同車型在設(shè)計(jì)、用途和燃料效率上的差異導(dǎo)致其在PM2.5排放上存在明顯的區(qū)別。首先,小型乘用車由于其相對(duì)較輕的車身質(zhì)量和高效的燃料燃燒,往往具有較低的顆粒物排放。然而,由于其數(shù)量眾多,總體對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)仍然不容忽視。中大型乘用車和SUV車,由于其較重的車身和高功率的發(fā)動(dòng)機(jī),通常具有更高的燃料消耗量,因此,其PM2.5排放量相對(duì)較高。此外,這些車型往往采用更為先進(jìn)的排放控制技術(shù),可以在一定程度上減少顆粒物排放。重型商用車如貨車和公交車,由于其質(zhì)量和大容量發(fā)動(dòng)機(jī),其PM2.5排放量通常是最高的,特別是使用柴油為燃料的重型車輛,其排放的顆粒物含量較高。電動(dòng)車和混合動(dòng)力車由于其零排放或較低的尾氣排放量,對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)顯著減少。但在電動(dòng)車制造、電池生產(chǎn)與回收過(guò)程可能間接導(dǎo)致PM2.5的排放?？梢?jiàn),不同車型的PM2.5排放特點(diǎn)與其設(shè)計(jì)、用途和燃料效率緊密相關(guān),因而需制定針對(duì)性的減排策略。

3.3 機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率估算

機(jī)動(dòng)車尾氣是城市大氣PM2.5污染的重要來(lái)源之一。為了精確評(píng)估其對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn),運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法進(jìn)行計(jì)算?；谲嚵髁俊④囆头植?、排放因子和大氣擴(kuò)散條件,對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣的PM2.5貢獻(xiàn)率進(jìn)行估算。研究結(jié)果顯示,機(jī)動(dòng)車尾氣直接釋放的細(xì)顆粒物,特別是由燃油不完全燃燒產(chǎn)生的有機(jī)碳和元素碳,對(duì)該市大氣中PM2.5的濃度貢獻(xiàn)顯著。據(jù)估算,機(jī)動(dòng)車直接對(duì)大氣中PM2.5的貢獻(xiàn)率為15%～30%,具體數(shù)值受到城市交通密度、發(fā)展水平和控制措施的影響。然而,機(jī)動(dòng)車尾氣還間接影響PM2.5的濃度。尾氣中的揮發(fā)性有機(jī)物和氮氧化物在大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成二次有機(jī)氣溶膠,從而進(jìn)一步增加PM2.5的濃度?？紤]到這一因素,機(jī)動(dòng)車對(duì)空氣中PM2.5的整體貢獻(xiàn)可能會(huì)更高。

3.4 PM2.5濃度與車流量的相關(guān)性分析

城市大氣中PM2.5濃度與車流量之間的關(guān)系受到環(huán)境科學(xué)研究學(xué)者和城市規(guī)劃者的廣泛關(guān)注。為了揭示這兩者之間的潛在聯(lián)系,進(jìn)行了大量實(shí)地監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。在交通繁忙區(qū)域,PM2.5濃度與車流量之間存在顯著的正相關(guān)性。當(dāng)交通流量增加時(shí),尾氣排放量也隨之增加,直接導(dǎo)致空氣中PM2.5濃度的上升。特別是在早晚高峰時(shí)段,由于機(jī)動(dòng)車集中排放,PM2.5濃度往往達(dá)到一天中的峰值。此外,道路的設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)也會(huì)影響PM2.5與車流量的相關(guān)性。如狹窄的街道和高樓大廈可能導(dǎo)致污染物在地面層積累,從而加強(qiáng)PM2.5與車流量的相關(guān)性;反之,寬敞的道路和良好的通風(fēng)條件可能削弱這種相關(guān)性。總體而言,確實(shí)存在PM2.5濃度與車流量的密切關(guān)系。為了有效降低城市空氣中PM2.5濃度,除了加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車尾氣治理外,還需優(yōu)化城市交通布局和道路設(shè)計(jì)[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)A市空氣中PM2.5濃度的深入分析可知,該市的主要污染源為工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和交通運(yùn)輸,尤其是機(jī)動(dòng)車尾氣的排放,是該市空氣中PM2.5濃度上升的主要因素;而汽油車與柴油車在PM2.5排放上存在差異,不同車型的PM2.5排放特點(diǎn)有所不同;同時(shí),該市空氣中PM2.5濃度與車流量存在正相關(guān)關(guān)系。

針對(duì)A市的PM2.5污染問(wèn)題,未來(lái)的工作需要多方面努力。首先,應(yīng)加強(qiáng)工業(yè)污染源的監(jiān)管和控制。鼓勵(lì)采用清潔和高效的生產(chǎn)技術(shù),以減少污染物的排放。對(duì)于農(nóng)業(yè)活動(dòng),推廣先進(jìn)的農(nóng)業(yè)管理方法,如秸稈還田和生物質(zhì)能源的利用,以減少焚燒造成的污染。對(duì)于交通方面,結(jié)合汽油車、柴油車以及不同車型在PM2.5排放方面的差異,為制定機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)和推廣清潔交通技術(shù)提供了方向。同時(shí)考慮道路設(shè)計(jì)和周圍建筑結(jié)構(gòu)的影響,應(yīng)優(yōu)化城市交通布局,改善道路的通風(fēng)和散熱條件,以降低空氣中PM2.5的濃度。