（动力机械及工程专业论文）街道峡谷内气流运动与污染物扩散研究.pdf

街道峡谷内气流运动与污染物扩散研究 摘要 研究旨在揭示机动车排放在城市街道峡谷内的基本扩散过程及其影响因素， 以便更加准确地预测机动车排放污染物的危害，给城市设计规划工作者提供有益 的参考，在城市布局规划中更多地考虑机动车排放污染物扩散规律，以减小其对 人类的危害。研究主要从街道峡谷几何布局、日光照射产生的热效应以及运动车 辆产生的机械湍流等影响因素着手，利用计算机模拟技术和现场测试研究了机动 车排放物在市区街道峡谷内的传输和扩散规律，得到一下有利的结论： 1 根据参数背风面建筑物高度与街道宽度比率h 1 w 和背风面建筑物高度与 迎风面建筑物高度比率h “h 2 判断峡谷中流场结构以及污染物扩散特征，提 出将h 1 ，w 为横坐标轴h 1 h 2 为纵坐标轴的区域划分为三个不同的区域。 区域i ，峡谷中流场结构为两个方向相同的漩涡，峡谷内背风面的污染物浓 度高于迎风面。区域i i ，峡谷内产生一个顺时针方向的主漩涡，同时峡谷与 街道的角落处产生一个或两个与主漩涡方向相反的较小弱漩涡，污染物在主 漩涡的作用下在背风面产生积累。区域l i i ，多漩涡结构，峡谷内为两个或三 个漩涡，峡谷内的污染物浓度较高，特别是三个漩涡结构的流场，在峡谷下 部人行道水平产生了很强的掩体效应形成污染物的高浓度区。 2 建筑物顶部结构以及周围建筑物的结构是影响街道峡谷中流场及污染物扩 散的重要因素之一，选择合理的屋顶形状以及周围建筑物的结构对于街道峡 谷内污染物的扩散可以起到促进作用。街道两侧建筑物出现间断缺口利于街 道峡谷内的污染物扩散，背风面建筑物不连续出现缺口时街道峡谷内污染物 浓度较低，且对两侧街道影响较小；迎风面建筑物不连续而出现缺口时，对 相邻街道影响小，但峡谷内污染物浓度相对较高：两侧建筑都出现缺口时街 道峡谷内的污染物浓度最低，但对上下游街道影响较大。 3 同光照射建筑物壁面或街道地面时，受热面附近的空气与街道峡谷内空气产 生温差，同时峡谷内外也会产生温差。温差在受到f ；l 光照射的壁面附近产生 很强的浮升力，浮升力产生的空气运动与不考虑热效应时的机械湍流产生的 空气运动共同决定峡谷内的流场结构和污染物扩散。高宽比等于1 的对称结 构街道峡谷，当日光照射到迎风面建筑物时，浮升力产生的空气运动与机械 湍流产生的空气运动方向相反，峡谷内形成两个方向相反的漩涡，峡谷内的 污染物在迎风面积累；地面受热在风速较小时峡谷下部靠近迎风面处形成一 个逆时针漩涡，峡谷的上部和靠近背风面处形成两个未分离的同向顺时针漩 涡，迎风面污染物浓度高于背风面；背风面受热产生的上升气流与机械湍流 产生的运动方向一致，峡谷内运动增强，污染物浓度降低。对于典型非对称 街道峡谷而言，递升型峡谷。日光照射背风面和地面时，浮升力增强了峡谷 内原有的单漩涡运动，峡谷内污染物浓度降低；但当迎风面受热时，在迎风 面靠近街道的地方会产生一个与主漩涡运动方向相反的较小漩涡，由于这个 小漩涡的干扰，峡谷内污染物浓度有所升高。递降型峡谷，日光照射到迎风 面和地面时，向上的浮升力增强了峡谷下部逆时针漩涡，峡谷内的污染物扩 散得到增强：f 1 光照射到背风面时，峡谷上部的漩涡增大，而下部的漩涡收 缩，污染物向迎风面和背风面两侧同时扩散。 4 温差和风速是影响街道峡谷内热效应的重要因素，低的风速和高的温差产生 一，一 显著热效应。热效应产生的流场变化可以根据参数( j r r e 来评估，以高宽 一，一， 比等于1 的对称结构街道峡谷为例，迎风面受热时，如果参数g r k r 2 ， 峡谷内的流场结构被分裂为两个方向相反的漩涡，污染物在迎风面积累；地 一，一1 面受热时，如果参数u 7 r e 4 ，浮升力将峡谷内的空气运动被分裂为多 漩涡结构，背风面附近的漩涡与峡谷上部的漩涡耦合为一个未分离的漩涡， 污染物同样在迎风面产生积累。 5 汽车在行驶中，气流在车头部位l 匈上部和侧面分流，分流的气流最后汇入尾 流，污染物在车辆前方区域产生积累，同时在车辆上部以及侧面漩涡的带动 下向车辆上方以及两侧区域扩散。当上层大气具有一定风速，风速较大时， 峡谷中的气流运动及污染物扩散主要受屋顶风在峡谷内形成的漩涡的影响， 在主漩涡的作用下污染物向背风面扩散，但峡谷下部气流和污染物扩散受到 运动车辆的影响；随着风速减小，车辆运动的街道峡谷内气流运影响越加明 显。街道内各点的气流运动都随车辆的接近、经过和远离呈周期性变化，周 期长短与车流密度成反l l ；车流密度增大会使车辆运动产生的机械湍流对于 街道峡谷下部空间气流运动影响越大，对应污染物扩散运动越强。 6 通过实地测量发现，峡谷内c o 污染物浓度受风速、风向、车流量影响。街 道两侧人行道呼吸带高度c o 污染物浓度都与车流量呈显著的相关性；静风 时峡谷内c o 浓度明显升高，而且街道两侧c o 污染物浓度大小几乎没有差 别；风向垂直于街道时，背风面c o 污染物浓度大概是迎风面的2 3 倍。街 道峡谷内的污染物无论是在迎风面还是在背风面，都存在不同程度的垂直浓 l l 度梯度，但迎风面的垂直浓度梯度相对较小。实地测量结果与计算模拟结果 趋势相同，进一步验证了本文的数值模拟研究结果。 总之，气象因素、街道峡谷的几何结构以及机动车运动等因素决定了街道峡 谷内气流运动特征以及机动车排放污染物的扩散分布，在控制机动车排放污染物 时应将以上因素综合考虑，从改造建筑物结构、街道几何布局以及控制车流量等 因素着手，降低机动车排放对于行人以及街道两侧建筑物内居住人员的危害。 关键词：街道峡谷、气流运动、污染物扩散、数值模拟、实地测量 i l l s t u d yo ff l o wf i e l da n dp o l l u t a n td i s p e r s i o ni ns t r e e tc a n y o n a b s t r a c t t h em a i np u r p o s eo ft h i ss t u d yi st om a k ek n o w nt h ee f f e c tf a c t o r st h a ti n f l u e n c e t h ed i s p e r s i o no fv e h i c l ee m i s s i o ni ns t r e e tc a n y o n ，a n dp e r f e c tt h ec f ds i m u l a t i o n m o d e l i n gf o ra d v a n c e ds i m u l a t i o n s t h er e s u l t s a r ev e r yu s e f u lf o rc i t y p l a n n i n g d e v i s e rt om a k em o r ef a v o r a b l ep o l i c i e sr e d u c i n gt h eh a r mo ft h ev e h i c l ee m i s s i o n s e v e r a lc o n c l u s i o n sa r ec o n c l u d e db yt h ec f ds i m u l a t i o ns t u d i e sa n df i e l d m e a s u r e m e n t 1 t h r e er e g i m e sa r ed e f i n e dt od e n o t et h ev o r t i c e sa n dp o l l u t a n td i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i ci ns t r e e tc a n y o n sa c c o r d i n gt ot h er a t i oo ft h el e e w a r db u i l d i n g h e i g h tt ot h es t r e e tw i d eh 1 wa n dt h er a t i oo ft h el e e w a r db u i l d i n gh e i g h tt ot h e w i n d w a r db u i l d i n gh e i g h th 1 h 2 i nt h er e g i m el ，t h e r ea r et w oc o - r o t a t i n g v o r t i c e si nt h es t r e e tc a n y o n ，a n dt h ep o l l u t a n ti sr e m o v e de a s i l yf r o mt h el i n e s o u r c eb yt h eb l o w i n gw i n da p p r o a c h e st h es t r e e tf l o o r i nt h er e g i m ei i ，am a i n v o r t e xi sg e n e r a t e di nt h ec a n y o n ，a n dt h e r ea r eo n eo rt w ot i n n yv o r t e xw i t h o p p o s i t ef l o wd i r e c t i o nt ot h em a i nv o r t e xa tt h el o w e rc o r n e ro ft h es t r e e tc a n y o n t h ep o l l u t a n ti sc a r r i e dt ot h el e e w a r ds i d eb yt h em a i nv o r t e x t h e r ea r et w oo r t h r e ev o r t i c e sa tt h em u l t i v o a e xr e g i m ei i i ，t h i sm u l t i - v o r t e xs t r u c t u r er e s u l t si n ah i g hr e d u c t i o nf a c t o ro ft h em e a nh o r i z o n t a lw i n ds p e e da n dp r o d u c e sa n e x c e l l e n ts h e l t e r i n ge f f e c ta tt h ep e d e s t r i a nl e v e l 2 r o o fs h a p ea n da m b i e n t b u i l d i n gc o n f i g u r a t i o n s a r e i m p o r t a n t f a c t o r s d e t e r m i n i n gt h ef l o wp a t t e r n sa n dp o l l u t a n td i s p e r s i o ni ns t r e e tc a n y o n t h e i n - c a n y o nv o r t e xd y n a m i c s ( e g v o r t e xo r i e n t a t i o n ) a n dp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n f r o ms t r e e tl e v e le m i s s i o n sa r es t r o n g l yd e p e n d e n to nt h ec o n f i g u r a t i o no fr o o f s h a p e sa n da m b i e n tb u i l d i n g s t h eg a p sb e t w e e nb u i l d i n g sa r eb e n e f i c i a lf o rt h e d i s p e r s i o no ft h ep o l l u t a n t si nt h es t r e e tc a n y o n b u tt h ef u n c t i o n sa r ed i f f e r e n t w h e nd i f f e r e n tk i n d so fs t r e e tc o n f i g u r a t i o n sa r es e l e c t e d 3 t h eh e a t i n gf r o mb u i l d i n gw a l ls u r f a c e sa n dh o r i z o n t a ls u r f a c e sl e a dt os t r o n g b u o y a n c yf o r c ec l o s e t ot h es u r f a c e sr e c e i v i n gd i r e c ts o l a rr a d i a t i o n t h i s t h e r m a l l yi n d u c e df l o wi sc o m b i n e dw i t hm e c h a n i c a l l yj n d u c e df l o wf o r m e dj n i v t h ec a n y o nw h e r et h e r ei sn os o l a rh e a t i n g , a n da f f e c t st h et r a n s p o r to fp o l l u t a n t s f r o mt h ec a n y o nt ot h el a y e ra l o f t f o rs y m m e t r i c a ls t r e e tc a n y o n ，w h e nt h e w i n d w a r dw a l li sw a n n e rt h a nt h ea i r , a l lu p w a r db u o y a n c yf l u xo p p o s e st h e d o w n w a r da d v e c t i o nf l u xa l o n gt h i sw a l l ，t h ef l o ws t r u c t u r ei sd i v i d e di n t ot w o c o u n t e r - r o t a t i n gc e l l s ，a n dt h ep o l l u t a n t sa c c u m u l a t e da tw i n d w a r do fb u i l d i n g w h e nt h eg r o u n di sh e a t e d ，t h ef l o ws t r u c t u r ei sd i v i d e di n t ot w oc o u n t e r - r o t a t i n g c e l l sb ya nu p w a r db u o y a n c yf l u x ，a n dt h ev o r t e xn e a rt h el e e w a r ds i d ei sc o u p l e d w i t ht h ev o r t e xa tt h et o po ft h ec a n y o n ，t h ep o l l u t a n ta l s oa c c u m u l a t ea tt h e w i n d w a r ds i d eo ft h ec a n y o n w h e nt h el e e w a r ds i d ei sh e a t e d ，t h eb u o y a n c yf l u x a d d st ot h eu p w a r da d v e c t i o nf l u xa l o n gt h i sw a l l ，a n dt h ea i rw i l lg ou pv e r t i c a l l y a n ds t r e n g t h e n st h eo r i g i n a lv o i t e xa n dt h ep o l l u t a n tt r a n s p o r tc o m p a r e dt ot h e i s o t h e r m a lc a s e f o ra s y m m e t r i c a ls t r e e tc a n y o n ，w h e nt h ew i n d w a r ds i d eo f s t e p u pn o t c hi sh e a t e das m a l lv o r t e xa tt h el o w e rw i n d w a r db u i l d i n gc o m e r i s g e n e r a t e d t h i se f f e c tc a u s e st h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h es t r e e tc a n y o nt o i n c r e a s e i nt h es t e p - d o w nn o t c h ，w h e nt h es u ns h i n e so i lt h ew i n d w a r ds i d eo f t h eb u i l d i n ga n dt h eg r o u n dl e v e l ，t h ei n t e n s i t yo ft h el o w e rv o r t e xi si n c r e a s e d p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n si nt h es t r e e tc a n y o nd e c r e a s e i ft h es u ns h i n e so nt h e l e e w a r db u i l d i n g , t h eu p p e rv o r t e xe n l a r g e dd o w n w a r d ，p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n s i ns t r e e tc a n y o ni n c r e a s e 4 t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h ew i n ds p e e da r et h ei m p o r t a n tf a c t o r , l o w w i n dc o n d i t i o n sa n dl a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e sc a u s el a r g et h e r m a le f f e c t s t h er e l a t i v ei n f l u e n c eo fe a c ho ft h e s ee f f e c t sc a nb ee s t i m a t e sb vg r r e 2 t a k e t h es y m m e t r i c a ls t r e e tc a n y o na sa ne x a m p l e w h e nt h ew i n d w a r dw a l li sw a r m e r t h a nt h ea i li fg r r e 2 2 ，t h ef l o ws t r u c t u r ei sd i v i d e di n t o 柳oc o u n t e r - r o t a t i n g c e l l s ，a n dp o l l u t a n t sa r ea c c u m u l a t e do nt h ew i n d w a r ds i d eo ft h ec a n y o n w h e n t h eh o r i z o n t a ls u r f a c ei sh e a t e d ，a n dg r r e 2 4 t h ef l o ws t r u c t u r ei sd i v i d e d i n t ot w oc o u n t e r - r o t a t i n gc e l l s b yu p w a r db u o y a n c y f l u x p o l l u t a n t sa r e a c c u m u l a t e da tt h ew i n d w a r ds i d eo ft h ec a n y o n 5 d u r i n gt h em o v e m e n to ft h ev e h i c l e ，t h ef l o wi sb r a n c h e dt ot o pa n dt w os i d e so f t h ev e h i c l e ，t h e nt h ef l o wc o n v e r g ea tt h er e a ro ft h ev e h i c l e m o v i n gv e h i c l e l e a d st oap r o n o u n c e dt r a n s p o r to fp o l l u t a n t sa l o n gt h ec a n y o na x i s f o rac a n y o n w i t ha p e r p e n d i c u l a ra p p r o a c ht h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca r ed e t e r m i n e db yt h e v i n t e r a c t i o no fac a n y o nv o r t e xw h e nt h ew i n ds p e e di sl a r g e r , a n dp o l l u t a n t sa r e t r a n s p o r t e dt ot h el e e w a r ds i d e ，b u tt h ed i s p e r s i o no ft h ep o l l u t a n ti s i n f l u e n c e d b yt h em o v i n gv e h i c l e w i t ht h ew i n ds p e e dd e c r e a s e ，i n f l u e n c e o fm o v i n g v e h i c l eo nt h ep o l l u t a n td i s p e r s i o ni nt h ec a n y o ni sm o r ep r o m i n e n t m o v e m e n t o ft h ea i ri nt h ec a n y o ns h o w sap e r i o d i cp a t t e r nw i t ht h ev e h i c l ea p p r o a c ha n d p a s s ，a n dt h ep e r i o d i ct i m es h o r t e nw i t ht h ev e h i c l ed e n s i t yi n c r e a s e t h et h i c k e r v e h i c l ed e n s i t y ，t h e g r e a t e r v e h i c l e i n d u c e dt u r b u l e n c e t h e r ei sa g r e a t e r s m e a r i n ge f f e c t i nt h el o w e rr e a c h e so ft h e c a n y o nw h e nm o r ev e h i c l e sa r e p r e s e n t t h ep o l l u t a n td i s p e r s i o n b e c o m e m o r e e a s y b e c a u s et h e g r e a t e r v e h i c l e i n d u c e dt u r b u l e n c e 6 t h er e s u l t so ff i e l dm e a s u r e m e n ts h o w e dt h a tt h ew i n ds p e e d ，w i n dd i r e c t i o na n d v e h i c l ev o l u m ea r et h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ed i s p e r s i o no fc o t h e r ea r er e m a r k a b l ec o r r e l a t i o nb e t w e e nv e h i t i ev o l u m ea n dc oc o n c e n t r a t i o n s a tb o t hs i d e so ft h er o a d w h e nt h ew i n d s p e e di sv e r y s l o wt h ec o c o n c e n t r a t i o n sa tb o t hs i d e so ft h er o a da r eh i g ha n da l m o s tt h es a m e t h e m a x i m u mc oc o n c e n t r a t i o n sw e r ef o u n df o rw i n dd i r e c t i o np e r p e n d i c u l a rw i t h t h es t r e e t ，a n dt h ec oc o n c e n t r a t i o n sa tt h el e e w a r ds i d ea r e2t o3t i m e sa st h e c oc o n c e n t r a t i o n sa tt h ew i n d w a r ds i d e c oc o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s ew i t ht h e h e i g h t t h es i m u l a t e dr e s u l t sa g r e ew e l l w i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s ，a n dt h es i m u l a t e dr e s u l t s a r ev a l i d a t e df u r t h e l t om a k eas u m m a r y , t h ef l o wf i e l da n dt h ep o l l u t a n td i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i ca r e i n f l u e n c e do b v i o u s l yb yt h es t r e e tc a n y o nc o n f i g u r a t i o n s ，m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r s ，a n d t r a f f i cc o n d i t i o n s t h ee f f e c tf a c t o r sm e n t i o n e da b o v es h o u l db ec o n s i d e r e da l t o g e t h e r i nv e h i c l ee m i s s i o nc o n t r o l l i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s t r e e tc a n y o n ，f l o wf i e l d ，p o l l u t a n td i s p e r s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f i e l dm e a s u r e m e n t 上海交通大学博士学位论文 评阅人和答辩委员名单 研究生姓名谢晓敏类别博士 指导教师姓名 黄震 指导教师职称教授 学科( 专业)动力机械及工程入学年月 2 0 0 2 4 街道峡谷内气沉】巨明放行梁叨扩 论文题目论文起止日期 2 0 0 2 4 吨0 0 5 4 散研究 上海交通大学燃烧与环 预定答辩日期 2 0 0 5 - 0 9 - 2 6答辩地点 境技术中心 拟请评阔人 姓名职称 职务所在工作单位备注 楼狄明教授教授同济大学评阅人 阎存仙教授教授上海交通大学机械与动力工程学院评阗人 乔信起教授教授上海交通大学评阅人 答辩委员会成员 担任职务 姓名 职称职务所在工作单位备注 主席王之麒高级工程师所长( 教授级高工)上海内燃机研究所主席 委员曹芦林高级工程师院长( 教授级高工)上海环境科学研究院委员 委员楼狄明教授教授同济大学委员 上海交通大学机械与 委员 刘震炎 教授教授委员 动力工程学院 上海交通大学机械与 委员 乔信起 教授教授委员 动力工程学院 秘书王嘉松副教授副教授 上海交通大学机械与 。 动力工程学院 秘书 学科负责人 ( 签名) 勤乙山町年叩日 样馏，。，曩。j 焱 主二一 r 刘2 学；每 。 v 一j ? 。j i | “ 主础丞蠲簿新】珀c 焖 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在学科 申请者 谢晓敏动力机械及工程 ( 专业) 论文题目街道峡谷内气流运动及污染物扩散研究 答辩日期 2 0 0 5 - 0 9 2 6 地点 上海交通大学内燃机研究所 答辩委员会成员 担任职务姓名单位职称签名 主席王之麒上海内燃机研究所教授级高工 z 绲 委员 曹芦林 上海环境科学研究院教授级高工 幢第休 i委员 楼狄明 同济大学 教授 锻叙肋 i委员刘震炎上海交通大学教授 么隈久 委员乔信起上海交通大学教授 纛- 缸菇吐 5 评语和决议：l 、。 该文利用数值模拟和现场测试研究了街道峡谷内气流运动及机动车排放物的传输和扩散规律， 着重研究了街道峡谷几何布局、日光照射产生的热效应以及行驶车辆产生的机械湍流等因素的影响 规律。论文选题新颖，其成果对城市街道的合理设- ；- i - 和减少环境污染具有重要的理论意义和实用价 值。主要工作和学术贡献如下： 1 首次提出以背风面建筑物高度与街道宽度比率和背风面建筑物高度与迎风面建筑物高度比率 为坐标轴，并将整个区域划分为三个不同的区域，为判断峡谷中流场结构以及污染物扩散特征 提供理论依据。 2 研究了由日光照射引起的浮升力，与机械湍流产生的空气运动共同决定了峡谷内的流场结构和 污染物扩散；几何结构、温差和风速是影响街道峡谷内热效应的重要因素；热效应产生的流场 变化可以根据参数g ，r e z 来评估。 3 首次在数值模拟中考虑车辆运动产生的机械湍流对街道峡谷污染物扩散的影响。街道内各点的 气流运动随车辆的接近、经过和离开呈周期性变化，周期长短与车流密度成反比：随着风速减 小和车流密度增大，车辆运动的街道峡谷内气流运动影响越明显。 4 实地测量发现，峡谷内c o 浓度受风速、风向、车流量影响。风向垂直于街道时，背风面c o 污染物浓度是迎风面的2 - 3 倍。街道峡谷两侧的污染物都存在不同程度的垂直浓度梯度，但迎 风面浓度的垂直梯度相对于背风面较小。测量结果与模拟结果趋势相同。 论文工作量大，数据可倍，条理清晰，分析严密，具有创新性。表明作者掌握了坚实的理论基 础和深入的专业知识，具有很强的独立从事科学研究的能力，达到了工学博士的培养要求。在博士 论文答辩过程中思路清晰，逻辑性强，回答问题正确。答辩委员会一致同意通过答辩，建议授予工 学博士学位，并建议申报优秀博士论文。 表决结果： 在霎豇立 答辩委员会主霹孑石微c 签名， 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：蚶斌欲 日期：列妒年7 月4 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：却我斌 日期：知哆年p 月“日 伊夕 胪 萄， 名 誓 幽 町 教 小 鼬 蝴 戥 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类社会发展到今天，创造了前所未有的文明，但同时又带来了一系列的环 境问题。在人类社会长期的发展过程中，随着社会生产力的发展，生产方式的演 变和工艺技术的提高，人类的环境问题变得越来越严重，人类和环境之间的矛盾 也越来越显著。人口的激增，工业与经济的发展，使生态破坏与环境污染更为严 重和突出。环境问题不仅动摇了发展经济的自然物质基础，制约了经济发展，而 且使人类与自然，生态与经济出现了紧张局面。 我国近二十年来，经济高速发展，但自然资源的消耗量和污染物的排放量也 大幅度上升，使我国的生态环境面临十分严重的挑战，严重的环境污染事件亦常 有发生，引起人们的忧虑和不安。为此，我国政府已把保护和改善环境作为一项 基本国策，使环境保持在人类生存发展必需的水平上，并趋于逐渐完善，以保持 国家的经济建设和环境建设可持续发展。 1 2 城市大气污染状况 城市是人类在改造自然的基础上而创造出来的高度人口化的生存环境，是人 类社会经济和文化发展的产物。城市化适于1 8 世纪工业革命，到2 0 世纪末2 1 世纪初信息革命完成时达到高潮，之后逐渐趋于稳定。2 0 0 0 年世界城市人口首 次超过乡村人口。如今，世界人口的一半以上和中国人口的三分之一以上已经居 住在城市。2 l 世纪将是一个城市化的世纪，城市将成为人类的主要聚落形式“1 。 中国城市人口所占比率从解放初的1 2 6 到2 0 0 2 年的3 9 1 ，上升了三倍多，随 着城市化进度的不断加快，这一数字还会进一步增长，城市个数与此同时也在快 速增长。，表卜l 所列为我国城市人口发展状况。 表卜1 中国城市人口发展状况 t a b l e1 1d e v e o p m e n to fc h i n e s eu r b a np o p u l a t i o n 空气是人类和生物一刻也不能缺少的物质条件，对维持生命是非常重要的， 清新的空气，则是健康的保障。大气是由多种气体组成的混合物，其成分包括恒 第一章绪论 定的、可变的和不定的组分。按体积百分数计：恒定的组分是氮( 7 8 0 0 ) 、氧 ( 2 0 9 5 ) 、氩( o 9 3 ) ，三者共占整个大气的9 9 8 8 。可变组分是指大气中 的二：氧化碳和水蒸气，它们的含量受季节、气象以及人们的生活和生产活动等因 素的影响而发生变动。由恒定组分和正常情况下的可变组分所组成的大气，叫清 洁大气。不定组分是指大气中的煤烟、尘埃、硫化物( s o ，) 、氮氧化合物( n o 。) 碳氧化合物( c o x ) 等，如果不定成分达到一定的浓度，将会对生物界造成严重 的危害。我们所蜕的大气污染，是指由人类的生产和生活活动所造成的，人类向 大气排放的污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象。在 此情况下，空气质量降低或恶化，人们的正常生活、工作、身体健康将受到严重 影响。造成大气污染的污染源可分为固定和流动两大类，固定污染源包括发电、 钢铁冶炼、建材、化工、纺织印染、食品等生产过程和煤、木柴、石油、天然气、 垃圾等燃烧过程，流动污染源包括排放废气的汽车、火车、轮船、飞机等。i 。 随着我国经济建设的快速发展，产生了诸多城市大气污染现象。国家环保局 2 0 0 3 年环境状况公报中公布。3 1 ：全国城市空气质量监测的3 4 0 个城市中，1 4 2 个城市达到国家环境空气质量二级标准( 居住区标准) ，占4 1 7 ：空气质量为 三级的城市有1 0 7 个，占3 1 5 ：劣于三级标准的城市有9 1 个，占2 6 8 。空气 质量达到二级标准城市的居住人口占统计城市人口总数的3 6 4 。大城市空气污 染比中小城市严重，1 0 0 万以上人口的城市中，空气质量达标城市比例低。影响 城市空气质量的主要污染物仍是颗粒物，5 4 4 的城市颗粒物浓度超过二级标准： 空气质量劣三级的城市中8 0 的城市颗粒物超过三级标准。颗粒物污染较重的城 市主要分布在西北、华北、中原和四j l i 东部。我国总悬浮颗粒物和二氧化硫的浓 度均远远超过国际标准，城市大气污染情况不容乐观。 图1 1 城市空气质量级别比倒 f 唱i - lp r o p o r t i o n so fr a n ko f u r b a na i rq u a l i t y 图1 2 不同空气质量状况下人口比例 f i gi - 2p r o p o r t i o n so f p e o p l eu n d e rd i f f e r e n ! a i r q u a l i 廿 第一章绪论 1 3 城市机动车排放污染状况 世界各国国际大都市发展的历程，都表现为物流、能流和人流的集中和分散 过程，实际是经济与资源和环境的协调发展过程，可以说现代化城市的标志之一 就是交通高度发达。以美国、日本、欧洲为代表的发达国家，由于能源结构的变 化，煤烟型污染己基本得到控制；另一方面，随着交通运输的发展，特别是在大 中城市，由于机动车保有量的迅速增加，机动车排污已成为城市大气污染的主要 来源。这段时间历史上曾有过美国洛杉矾的光化学烟雾事件，日本东京的硫酸烟 雾和光化学烟雾混合污染事件。这两个大城市最终是以分散人口和交通，控制污 染工业的发展来改善环境。在经济高速发展的今天，城市作为贸易、金融、交通、 信息的中心，使世界经济系统逐步演变为城市系统。以高经济速度和高人口密度 为特征的城市，是今天环境问题的焦点，解决城市环境问题是世界各国面临的长 期任务。 1 3 1 城市机动车发展状况 自从1 8 8 6 年德国人b e n z 制造出世界上第一辆汽车，到2 0 0 0 年末，全世界 的汽车保有量已超过6 亿辆，到2 0 1 0 年将增到l o 亿辆。近年来，随着我国经济 的迅速发展，中国机动车保有量呈现出较快的增长趋势，截至2 0 0 3 年底，中国 在用机动车保有量已超过9 6 0 0 万辆，与2 0 0 2 年相比，增长了2 1 ，其中，汽 车保有量为2 4 0 0 万辆，摩托车为5 9 0 0 万辆，分别比2 0 0 2 年增长1 3 和1 7 7 。 这一年，我国成为世界上第四汽车大生产国和第三大汽车消费国，汽车产量4 4 5 万辆。据专家预计，到2 0 2 0 年，汽车保有量增至9 0 0 0 万辆，而摩托车保有量高 达1 9 2 亿辆。 我国机动车污染具有明显的局地特征，机动车相对集中于少数大城市，机动 车污染也主要反映在这部分大城市和特大城市。以上海市为例，截至2 0 0 3 年1 月份，上海市汽车保有量为6 4 7 4 2 5 辆，( 不含电车、农用车、挂车、专用机械、 拖拉机) ，其中私人用车约占总量的2 3 ，同比去年1 5 5 的份额有了大幅度的提 高。2 0 0 2 年上牌的汽车中私人用车的车型构成中客车占去了9 8 ，这从另一方面 证明了轿车进入上海居民家庭的趋势正在蔓延。可见，私人小客车正成为机动车 发展中最为迅猛的力量，并将在未来很长的时间内主宰机动车的发展：”。 第一章绪论 1 3 2 机动车主要排放污染物及其危害 城市汽车排气污染已成为影响城市发展和人民生命健康的一个大问题。人们 在享用汽车的诸多好处时，汽车尾气正在日益危害人类的健康。全球因矿物燃料 而产生的一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 和氮氧化物( n o x ) 的排放量，几乎 5 0 来自于汽油机和柴油机。在城市的中心，特别是在拥挤的街道上，车辆交通 是造成空气中c o 含量的9 0 一9 5 、n o x 和h c 含量的8 0 一9 0 以及大部分的颗粒 物的原因，成为人类健康和自然资源的最大威胁】。 在我国，随着工业布局的调整、产业产品结构的优化、以及固定大气污染源 治理力度的加强，由工厂等重型加工业排放的煤烟型污染已得到了初步改善。然 而，随着城市建设的迅速发展，机动车的数量以惊人的速度递增，机动车尾气污 染逐渐成为城市大气污染的主要来源。一些大城市的空气污染已经开始由以前的 煤烟型向汽车型污染转变，出现复合型污染。日益严峻的交通问题和不断增加的 机动车加重了城市的大气环境污染，使城市局部地区的大气环境质量严重恶化。 汽车尾气中含有大量的氮氧化物( n o ，) 、碳氢化合物( h c ) 、一氧