（工程热物理专业论文）城市道路汽车尾气污染扩散的数值模式研究及gis实现.pdf

摘要 城市道路上汽车尾气的污染排放是造成城市空气污染的一个重要因素。对汽 车尾气污染物在城市地形、建筑物、气象等诸多条件影响下的扩散分布状况的研 究因而也是对城市大气环境质量进行分析和预测的一个重要课题。国内外在此方 面的研究目前比较集中于城市街道的局部模型研究或城市区域的大网格( 一般为 k i n 级) 数值模拟。 本文在前人相关研究的基础上有所发展。首先从描述大气污染物扩散现象的 基本方程：对流扩散方程的理论分析入手，考虑了该方程的数值解和在定条 件下的解析解， 在数值解方面，对方程引入有限体积法和并行计算的思想进行了高分辨率网 格( 5 0 m ) 划分，建立了一个三维城市交通污染扩散高分辨率数值模拟系统，并 将该系统应用于广州市海珠区以及广州市区的汽车尾气污染扩散模拟，还与实际 监测数据进行了对比分析。 在解析解方面，给出了有风连续点源条件下方程的求解，并建立了该解析解 与连续点源高斯扩散模式之间的联系；在此基础上应用线性系统原理对点源模式 进行迭加，得到了汽车尾气污染线源扩散模式的一般表达，与大多数文献资料中 所给出的不同情况下的实用模式相比，该表达式更具有通用性。 注意到交叉口在城市道路交通中的特殊性，而且国内外对城市交叉口汽车尾 气污染扩散模式的研究报道也较少，因此本论文借鉴交通工程的相关理论对城市 道路交叉口处污染扩散的分布情况按平面和立体两大类进行了较为全面的研究， 得出了相应的结论。 在论文的最后，将汽车尾气扩散模型( 包括有风、静风和我们独立提出的交 叉口模型) 与地理信息系统( g i s ) 技术相结合，建立起了一个根据城市交通、 风速等实际状况实时预测汽车尾气污染排放在城市中各点浓度分布的污染地理信 息系统。 通过对数值模拟和线源扩散模型的研究，本文认为，城市道路汽车尾气污染 的扩散受道路网络结构影响明显，并且在交叉口等处的污染程度相对突出；在此 基础上我们建立起污染地理信息系统可用于城市交通大气污染的分析、评估及预 测，并有在广州市的实例应用。 论文全文共有九章，第一章是前言，讲述自己对环境的一些粗浅感悟；第九 章是后记，感谢在攻读博士期间所受到的众多帮助。 第二章是对前人相关研究的文献综述。在总结一些经典的汽车尾气污染扩散 模式之外，我们重点关注了扩散模式的数值模拟和模式与g i s 技术相结合两个方 面。第三章是对对流扩散方程在流体力学和数学意义上的一些理论阐述，这也 可以说是我的兴趣所在，尽管这种理论探讨还很肤浅。 在第四、五章中先利用有限体积法求解对流扩散方程。建立了一个三维城 市交通污染扩散高分辨率数值模拟系统，并应用在广州市海珠区进行了模拟分析； 在此基础上我们又引入并行计算的思想方法，建立了一个并行计算系统，提高了 运算效率。 第六章是在前人相关研究的基础上，总结出汽车尾气污染线源扩散模式的一 般表达形式，然后在此基础上考虑城市道路交叉口的有关特征，给出了我们的汽 车尾气污染扩散城市道路交叉口模式。第七章是将污染扩散模式与g i s 技术相结 合，建立起了一个污染地理信息系统。 第八章中总结了本论文的结论，并指出下一步应用工作的重点在于对一些城 市特征的细化，如建筑物对污染扩散的影响、绿地对污染的吸收转化等；而理论 工作的重点则与流体力学、数学等方面的进展密切相关。 关键词：尾气污染：扩散；模型；数值模拟；交叉口；地理信息系统 a b s t r a c t v e h i c l ee m i s s i o n p o l l u t i o ni nt h eu r b a nr o a di so n eo f t h ek e y f a c t o r sf o ru r b a na i r p o l l u t i o n s ot h er e s e a r c ha b o u tt h ed i s p e r s i o no f v e h i c l ee m i s s i o np o l l u t i o nu n d e rt h e i n f l u e n c eo ft e r r a i n ，c o n s t r u c t i o na n dw e a t h e ri sa n i m p o r t a n tf a c e t o fu r b a na i r p o l l u t i o na n a l y z i n ga n df o r e c a s t i n g n l ep r e v i o u sd o m e s t i ca n d o v e r s e ar e s e a r c h e sa r e u s u a l l yc o n c e n t r a t e do n t h el o c a lm o d e lo f u r b a ns t r e e t so rt h ec o a r s e - 酣d ( a tt h el e v e l o f k i n ) n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f u r b a n a r e a s t h i s p a p e rd e v e l o p s t h e p r e v i o u s r e s e a r c h e s l et h e o r e t i c a l a n a l y s e s o f c o n v e c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o na r eo v e n , w h i c hi n c l u d ei t sn u m e r i c a ls o l u t i o na n dt h e a n a l y t i c a ls o l u t i o nu n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s f i n i t ev o l u m em e t h o da n dp a r a l l e lc a l c u l a t i o na r ei n t r o d u c e dt ot h en u m e r i c a l s o l u t i o no ft h ee q u a t i o n ，a n dat h r e e - d i r n c n s i o nh i 曲p r e c i s i o n ( 5 0 mg r i d ) n u m e r i c a l s i m u l a t e s y s t e m o fu r b a nv e h i c l ee m i s s i o n d i s p e r s i o n i sb u i l t t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ns y s t e mi sa p p l i e di nt h eh a i z h ud i s t r i c ta n dt h ew h o l ec i t yo f g u a n g z h o ut o s i m u l a t et h ev e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o n ，a n dt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na r e c o m p a r e d w i t ht h eo b s e r v e dd a t a t h e a n a l y t i c a l s o l u t i o no ft h e e q u a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fw i n da n d c o n t i n u o u ss p o t s o u r c ei sg i v e n a n dt h ec o n n e c t i o no ft h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n 、i mt h e s p o t - s o u r e eg a u s sm o d e l i sb u i l t b a s e do nt h ee o r m e c t i n n , t h es p o t - s o u r c em o d e li s a d d e db yu s eo fl i n e a rt h e o r y , a n dac o i d 3 1 1 0 nl i n e - s o u r c em o d e lo fv e h i c l ee m i s s i o n d i s p e r s i o n i se x p r e s s e d c o m p a r e dw i mo t h e r s t h ec o m m o nm o d e li sm o r e a p p l i c a b l e w i t hav i e wt ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ei n t e r s e c t i o ni nt h eu r b a nt r a f f i ca n dt h ef e w s p e c i a lr e s e a r c h e sa b o u t t h ev e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o ni nt h eu r b a ni n t e r s e c t i o n a i l a 1 1 s i d e dr e s e a r c ha b o u tt h ev e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o ni nt h eu r b a ni n t e r s e c t i o n i n c l u d i n gt h ep l a n a l a n ds p a t i a ld i m e n s i o n si sg i v e ni nt h i sp a p e rb yr e f e r r i n gt ot h e t h e o r yo f t r a f f i ce n g i n e e f i n g t h r o u g hc o m b i n i n gt h ev e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o nm o d e l s ( i n c l u d i n gt h em o d e l w i t hw i n d , w i t h o u tw i n da n di nt h ei n t e r s e c t i o n ) a n dg i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) t e c h n i q u e ，a v e h i c l ee m i s s i o no l ss o f t w a r ei sd e v e l o p e d ，w h i c hc o u l d d i s p l a y i i i t h ed i s t r i b u t i o no f p o l l u t a n tc o n c e n t r a f i o n sa r i s i n gf r o m t h ev e h i c l ee m i s s i o nb a s e do n t h er e a l - t i m ed a t ao f t r a f f i cc o n d i t i o na n dt h ev e l o c i t yo f w i n d ，e t c o u rp r e s e n tr e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h eu r b a nv e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o ni s i n f l u e n c e db yt h em a d n e to b v i o u s l ya n dt h ea i rp o l l u t i o ni nt h eu r b a ni n t e r s e c t i o ni s m o r es e r i o u s i na d d i t i o n ，t h ev e h i c l ee m i s s i o ng i ss o f t w a r ew eb u i l tc o u l db eu s e dt o a n a l y z e ，e v a l u a t ea n d f o r e c a s tt h eu r b a na i rp o l l u t i o n a r i s i n gf r o m t h ev e h i c l ee m i s s i o n t h e r ea r en i n ec h a p t e r si nt h ep a p e r s o m e i m p r e s s i o n sa b o u t t h ee n v i r o n m e n ta r e g i v e ni nc h a p t e ri ，a n di nc h a p t e r9 ，a c k n o w l e d g e m e n tf o rt h eg r e a th e l pf r o mm y f r i e n d si nt h i sp r o c e s si sg i v e n a s u m m a r y o f t h ep r e v i o u sr e s e a r c hi sg i v e ni nc h a p t e r2 b e s i d e st h o s ec l a s s i c a l v e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o nm o d e l s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h em o d e l sa n dt h e i r c o m b i n a t i o nw i t hg i sa r ea l s or e f e r r e d i nc h a p t e r3 ，s o m et h e o r e t i c a ld i s c u s s i o n so f t h ec o n v e c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o no nt h es i d eo fm a t h c m a t i c sa n dh y d r o d y n a m i c sa r e g i v e n ，w h i c h h a sb e e n p e r m a n e n t l yi n t e r e s t i n g t ot h ea u t h o r i nc h a p t e r4 ，f i n i t ev o l u m em e t h o di su s e dt os o l v et h ec o n v e c t i o n - d i f f u s i o n e q u a t i o n ，a n dt h eh i g hp r e c i s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t es y s t e m i sb u i l ta n d a p p l i e di nt h e h a i z h ud i s t r i c t m e a n w h i l ei nc h a p t e r5 ，t h ei d e ao fp a r a l l e lc a l c u l a t i o ni si n t r o d u c e d a n dap a r a l l e lc a l c u l a t i o nh i 曲p r e c i s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t es y s t e mi sb u i l t ，w h i c hi s c o n s i d e r e dm o r ee 师c i e n t i nc h a p t e r6 ，b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h , t h ec o m l n o nm o d e lo fv e h i c l e e m i s s i o nd i s p e r s i o ni se x p r e s s e d ，a n dt h ev e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o nm o d e li nt h e u r b a ni n t e r s e c t i o ni sg i v e nt o o i nc h a p t e r7 ，t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no f m o d e l sw i t h g i s ，t h ev e h i c l e e m i s s i o ng i ss o t t w a r ei sd e v e l o p e d i nc h a p t e r8 ，t h ed e t a i l i n gt h ec h a r a c t e ro fc i t y ( s u c ha st h ei n f l u e n c eo ft h e b u i l d i n gt ot h ev e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o n ，a n d t h ea b s o r p t i o no f t h eg r e e n l a n dt ot h e v e h i c l ee m i s s i o n ，e t c ) a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm a t h e m a t i c sa n d h y d r o d y n a m i c sa 弛c o n s i d e r e d a st h e e m p h a s e so f t h e n e x t s t a g e k e y w o r d s ：v e h i c l ee m i s s i o n ；d i s p e r s i o n ； i n t e r s e c t i o n ； g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m i 符号 c q 9 幺 口 t “，v ，w k 口x ，ov ，oz j e r 主要符号表 代表意义 污染物浓度 点源污染排放强度 线源污染排放强度 面源污染排放强度 体源污染排放强度 动力学粘性系数 运动学粘性系数 混合长长度 风速 湍流扩散系数 大气扩散参数 车流量 排放因子 交通信号周期 单位 g i m 3 g j g t ( m s ) g f ( m 2 s ) g i ( m 3 j ) k g ( m j ) 1 1 1 2 s 埘 m s m 2 s ，竹 辆腩 m g ( 辆m ) j 第一章引言：惑悟 吾自幼喜爱读书，瞬忽已二十余载。初时懵懂，惟知以书中故事为乐； 及至稍长，受父母师长耳提面命，知为前程而读。而今迈入象牙塔已逾十 年，涉猎颇广：或执着于理科之公式推导、原理讲解，其严谨论证、娓娓 道来让人茅塞顿开、恍然心悟；或沉醉于文科之诗词曲赋、政治民生，其 悠扬绵长、纵横捭阖又叫人驰骋迥意、慷慨激昂。书里乾坤大，其乐也陶 陶；然掩卷之余，对生活之琐碎，叹曰：读书之于生活何为? 或有日：“书中自有黄金屋，书中自有颜如玉”，虽为古语，足谓目下 世风之实也。人间烟火之食，高朋满座之娱，不能见怜于商家，则吾辈亦 不能不言利矣。有“学而优则仕”，“学而优则商”者，视读书之为门砖， 其实无可厚非，社会分工、人各有志耳。 然歌舞升平、疏狂一醉之余，若大不能分忧天下，小无以荣耀心智f 】 ， 醉生梦死于一己感官之乐，则无异于行尸走肉矣。苏东坡醉后狂吟1 2 l ，曹 孟德横槊赋诗；千古流传者，无他耳，有天地之气，丈夫之概也。 是故君子不讳言利，不避疏狂，君子有其道也。或有日：君子之道， 修身、齐家、治国、平天下；是耶亦非耶。今日之天下，己非救黎民于水 火、挽狂澜于既倒之古天下：今日之天下，实乃国人丰衣锦食、谈笑风生 之新天下也。求生存，谋利益。古今天下之同也；重发展，轻争斗，今古 天下之异也。或可日，古天下之重权谋乃与人争斗也，今天下之图发展乃 求诸自然也。是以“天人合一”，古今一阻贯之，然其义不同矣。 环境之于人人，未有厚薄也；而每人之感受环境，则有不同矣。吾少 时喜爱游泳，皆因附近有一莲花湖，每岁春夏至夏秋，是为吾伙伴们之游 水、嬉戏乐园；其景自丙寅年( 公元1 9 8 6 年) 持续至庚午年( 公元1 9 9 0 年) 。而后约在乙亥年( 公元1 9 9 5 年) 以后，湖水渐有发黑发臭，并常有 死鱼翻出；欢乐游水之景不复有矣。 丁丑年( 公元1 9 9 7 年) 仲春，吾自家乡枞阳乘长途客车至武汉以赴 广州面试，一路虽有连绵青山苍翠鲜绿，却又颇多田地被毁用之修路建房， 以及简陋工厂之滚滚黑烟直上云霄；沿途所见，多有为一文一毫而喜者， 却少有怜惜一草一木者。 呜呼，绿水之渐失，青山之变黑，虽苍天不语，吾未知倡导“天人台 一”之古先哲者见之何感? “天人合一”之“天”者，可虚可实也。儒家有云：“唯天下至诚， 为能尽其性。尽其性，则能尽人之性。能尽人之性，则能尽物之性。能尽 物之性，则可以赞天地之化育。可以赞天地之化育，则可以与天地参矣。” 阴】故“儒者则因明致诚，因诚致明，故天人合一，致学而可以成圣，得天 而未始遗人。”【4 】道家则日：“天地与我并生，而万物与我为一”。 s i 是故孔 盂之“天”，实乃道德教化之“虚天”；而老庄之“天”，多为自然环境之 “实天”。 今人多为唯物主义者，是以道德教化之约束，因人而异也：然则对生 生不息之自然环境，无人可逃矣。 与水环境、土环境、声环境等其他环境特质相比较，大气环境有着流 动性强和影响普遍等特点，因而与人们的生活和身心健康息息相关；但伴 随着城市化的进程。城市的大气环境污染问题也就越来越引起了人们的关 注。 城市的大气污染源主要可分为两类：一类是以工厂排污为主的固定污 染源，另一类就是以汽车尾气排放为主的移动污染源。前者可以通过迁移 工厂或限制排放等措施来减少污染；而后者则随着汽车保有量的迅速增加 越来越成为城市大气环境污染的重要因素。 汽车所排放出的尾气中包含有一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、 氮氧化物( n o 。) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、颗粒物质( 铅化合物、碳烟、油雾) 等大气污染物，其中尤以前三者为主【6 】。 c o 是无色、无刺激昧的有毒气体，它经呼吸道进入肺部被血液吸收 2 后，能与血液中的血红蛋白结合，从而使血液失去传送氧的功能，发生低 氧血症，会导致人体内各组织缺氧。 汽车尾气排放中所含的碳氢化合物有百余种，其中大部分对人体健康 的直接影响并不明显，但它们是发生光化学烟雾的重要物质。能对人体健 康产生直接危害的主要有醛类和多环芳烃等。醛类中的甲醛和丙烯醛对 鼻、眼和呼吸道黏膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎等症状： 而多环芳烃中的苯并芘是一种强致癌物质。 汽车尾气中的氮氧化物主要是n o 和n 0 2 。n o 是一种无色、无味气 体，它和血红蛋白的结合力是氧的3 0 万倍，在这方面的危害与c o 相似。 此外，n o 还对呼吸道有影响。n 0 2 是棕色气体，有特殊的刺激性臭昧； 它被吸入肺部后，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，有可能导致肺气 肿。 表1 1城市汽车排放的空气污染分担率( 1 ) ( ) 【7 】 城市c 0h c n o 。 、 北京4 8 6 46 0 7 41 0 2 2 上海6 93 7 沈阳 2 7 3 8 4 5 5 3 济南2 84 6 广州 7 0 4 3 表1 2 城市汽车排放的空气污染分担率( 2 ) ( ) 【8 】 城市年份c 0h c n o 。 1 9 9 44 47 5 4 7 北京1 9 9 58 2 5 4 1 1 9 9 57 69 34 4 上海1 9 9 68 6 9 6 5 6 1 9 9 58 4 84 2 3 广州1 9 9 6 4 2 9 空气中n o 。和h c 同时存在时，在太阳紫外线照射下，还有可能发生 光化学烟雾污染。 综上所述，汽车尾气排放中所包含的大气污染物对人体健康的危害不 容忽视，而且越来越引起人们注意的是，汽车尾气排放中的污染物在大气 污染物总量中所占的分担率一般都很高。 在美国、日本两个汽车拥有量大国，根据相关研究与推测，汽车尾气 排放中的污染物在大气污染物总量中所占的分担率为：c o 达到8 0 9 0 ， h c 达到5 0 以上。而我国几个大城市的汽车尾气污染物分担率状况如表 1 1 和1 - 2 所示( 两表的数据来源不同) 。 虽然由于统计时间及统计方法等方面的不同，两张表上的数据有些出 入；但基本上我们可以有如下的大致判断：越是大型的城市，其机动车尾 气排放污染占总体比例越高：象北京、上海、广州等大型城市，其对应的 比例一般都在5 0 或以上。因此可以认为，在我国的一些大中型城市里， 城市机动车尾气污染已成为影响城市空气质量的重要因素。 表i - 3 污染物浓度标准( m g m 3 ) 污染物取值时间一级二级三级 年平均 o 0 5o 0 5o 1 0 n o ，日平均0 1 00 1 00 1 5 1 小时平均 o 1 50 1 50 3 0 c o日平均4 o o4 0 06 o o l 小时平均 1 0 o o1 0 0 02 0 0 0 表1 3 为国家在1 9 9 6 年颁发的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 的一部分，它有助于我们在以后的监测和计算中了解汽车尾气排放中的污 染物对人体的危害程度。表中的三级标准分别对应三类地区：一级对应自 然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区：二级对应城镇居住区、 商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区；三级对应特定工 业区( 在本表中涉及到的污染物浓度，其一级和二级标准是相同的) 。 对汽车尾气污染的治理与控制工作越来越受到人们的重视。一方面是 对汽车清洁能源以及尾气净化等技术的研究，另一方面对汽车尾气污染物 在城市地形、建筑物、气象等诸多条件影响下的扩散分布状况的研究也有 4 助于人们了解污染物的扩散规律，从而在城市布局设计和交通规划等方面 采取相应措施控制和改善尾气污染f 9 1 。 四 本论文即为对城市中汽车尾气污染扩散分布状况的研究。 首先是对描述这种扩散现象的基本方程：对流一扩散方程在流体力学 和数学意义上进行了理论阐述，其中尝试着用能量函数法和行波法对对流 扩散方程的渐近解进行了分析。 这之后展开本论文的重点，它在于三个方面：一是对对流一扩散方程 利用有限体积法和并行计算的方法进行了高分辨率网格数值求解，将之应 用于广州市海珠区以及广州市区的汽车尾气污染扩散模拟，并有与实际监 测数据的比较分析；二是注意到道路交叉口在城市交通网络中的特殊性， 我们在借鉴交通工程相关理论的基础上，开发出了汽车尾气污染扩散的城 市道路交叉口子模型( 主要包括十字交叉口、环形交叉口和三层立体交叉 口等) ；三是将汽车尾气扩散模型( 包括有风模型、静风模型和本文独立 提出的交叉口模型) 与g i s 技术相结合，建立起了一个根据城市交通、风 速等实际状况实时预测汽车尾气污染排放在城市中各点浓度分布的污染 地理信息系统，在该系统的编制过程中较多地运用到了一些程序设计的思 想方法。 以上三个方面既各有侧重，又互相补充，形成了一个从污染场的数值 网格模拟到线源排放扩散模型再到g i s 系统应用的研究过程。前两者是基 础，其中数值模式侧重于总体的趋势预报，而线源模型侧重于动态的实时 反映；g i s 系统的应用则是全文的研究目的及结论所在，它能够对城市中 由于汽车尾气排放( 有时也称做交通污染) 而造成的空气污染进行预测、 分析和评价。 注释或参考文献 1 近代数学家c g j 雅可比曾言：“科学的唯一目的是为了人类心智的荣耀”， 见让迪厄多内著沈永欢译，当代数学：为了人类心智的荣耀，上海教育出版社， 1 9 9 9 年第一版 2 指宋神宗熙宁九年( 1 0 7 6 ) 中秋，苏轼欢饮达旦大醉后作水调歌头之“明月 几时有”一事。 3 3 中庸第二十二章。见h t t p ：l w w w y i f a n n e t ，y i h e ，n o v e l s ，c l a s s i c ，z h o n g y o n g ，h t m l 4 李慎之，对“天人合一”的一些思考，见h t t p ：p e r s o n a t n b n e t n b c a s t a o l i s z 0 0 5 h t m 5 庄子齐物论，见h t t p ：w w w i d n b c o m n e t z h u a n g z i o l o h t m 6 覃有均、陈鲁言，汽车尾气污染，中山大学出版社，1 9 9 5 年第一版，卜5 页 7 过秀成，道路交通环境影响评价，东南大学交通学院( 内部资料) ，2 0 0 2 年， 4 0 4 3 页 8 联合国开发计划署，中国国际经济技术交流中心，中国城市空气污染控制，中国 科学技术出版社，2 0 0 1 年第一版，i 0 - i l 页 9 金陶胜、余志穗港澳机动车尾气污染状况分析，广州环境科学，1 8 卷( 2 0 0 3 年) 1 期，4 - 6 页 6 第二章汽车尾气污染扩散模式研究文献综述 汽车所排放的尾气污染对城市环境的影响实质上是污染物在大气中 输送与扩散的结果，其理论基础仍然是以对流一扩散方程为主的扩散理 论；但在实际的应用中，会由于一些不同程度的假设而造成模式的不同。 国内外对交通排放污染的研究大致从二十世纪六、七十年代开始，给 出了很多模式【l 】，这些模式根据来源的不同主要分为经验模式、高斯模式、 k 模式和箱模式等几种，而按照求解方法的差异又可分为解析方法和数值 求解两种；此外，实用中还常根据道路地形又分为开阔路、街道峡谷和高 架路等三种。 就应用频率来讲，这些模式中最多的是基于统计理论的高斯模式，其 次是在一定假设条件下对对流扩散方程的解析求解或采用数值模拟，当然 也还会有一些经验模式。模式的校验通常要以现场监测、野外示踪剂实验 和风洞模拟实验的结果为基础。 本章主要按照解析方法和数值计算的两种分类来介绍相关研究，最后 还对将g i s 技术( 地理信息系统，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 的简称) 与扩散模式相结合的研究作了些评述。 第一节常用解析模式 2 ，高斯模式及其应用 高斯模式是从统计理论出发，在平稳、均匀湍流的假定下，认为介质在 流场中的浓度分布符合正态高斯分布，在此基础上导出连续点源的高斯扩 散模式2 1 。 假设无界空间的一个点源处在三维坐标系的原点，如图2 1 所示，x 轴 与平均风速一致，污染呈锥形向下风向扩散，浓度在y 向和z 向对称并符 合正态分布；于是有： c ( x ，y ，z ) = a ( x ) e x p ( - a y 2 一如2 )( 2 - 1 ) u + qlj 二一 7 x 图2 - 1高斯分布下的扩散 而在一维情况下污染物浓度为高斯分布时有下式： 扛铲x p ( 一 据此可得 a = ，口= 2 0 ：2 疗； 式中的仃，盯：分别为大气的水平扩散参数和垂直扩散参数( 单位：埘) 。 对于a ( x ) 的确定，可根据质量连续性原理，认为在源的下风方任意 垂直面上污染物的总通量应等于排放源强，即有： f 缸( x ，) ，z ) d y d z 屯 将( 2 一i ) 式代入此式并积分，即可得 刖加币面凑5 蒜 故最后的无界情形连续点源高斯扩散模式为 啾删= 南唧卜三唔 刀 2 ， 式中，c 为预测点污染物浓度( g m 3 ) ，q 为点源排放强度( g s ) ，扛为 风速。在此基础上再进行沿线或沿面的积分，就可得到一些实用的模式； 因此理论模式中的高斯模式也就成为了大多数实用模式的基础。而在这些 实用模式中，以h i w a y 模式【3 1 和c a l i n e 模式州应用较广。 8 前者是美国国家环保局( e p a ) 于1 9 7 5 年开发的，该模式视公路排放 为一系列有限线源，而每一个交通车道可视为直的、连续的和具有均匀排 放速率的有限线源。对该线源的求解是通过积分高斯点源方程得到的： n 小 c = 塑i 。f a t ( 2 - 3 ) “由 式中，9 为污染线源排放强度( 单位：g i ( m - s ) ) ，“为风速，为点 源扩散方程式，可根据源高及有无混合层反射等情况选择适当表达式，一 般都与距离的平方成反比。 c a l i n e 即c a l i f o r n i al i n es o u r c ed i s p e r s i o nm o d e l 的简称，顾名思义， 它是由美国加州有关部门首先开发的。该模式最早由b e a t o n 等人于1 9 7 2 年给出，它包括一系列可根据交通和气象数据预测出道路两旁c o 浓度的 图表；w a r d 等人在1 9 7 5 年改进了模型在道路连接部分及平行风时的计算， 被称为c a l i n e 2 模式，但该模式由于没能够很好地修正p a s q u i l l g i f f o r d 垂直扩散曲线，导致预测结果偏大：b e n s o n 在1 9 7 9 年和1 9 8 4 年相继给出 了c a l i n e 3 和c a l i n e 4 ，都较好地改进了上述缺陷，而c a l i n e 4 更加 精确并且在应用范围上更加广泛，如可用于道路交叉口、停车场等【5 】。 c a l i n e 4 模式的基本思想是将道路划分成一系列的线块，分别计算各 线块污染物排放在该点产生的浓度，然后再求和计算整条道路汽车尾气排 放在该点产生的浓度：而划分后的每一个线块可看作一个中点在线块中 心，方向与风向垂直的有限线源【6 1 ，对此线源应用高斯模式即可。 l 腼 ( 1 路 图2 2c a u n e 4 道路线块划分示意 可以看出，c a l i n e 4 的思想方法比较接近于数学中的“微分”：在整 体不易求解或求解误差较大时，划分为部分求解；此外，它还巧妙地将风 9 向与道路成任意夹角情况转化为风向垂直道路情况，以方便求解。 汽车行驶时，拖弋着空气向前运动，并在汽车后面产生尾迹；这种现 象也会对尾气污染的扩散产生影响。c a l i n e 和h i w a y 都采用“初始混 合区”的概念来描述这种影响。表征初始混合区的两个重要参数是初始混 合宽度盯。和初始混合高度d r ：( 在不同的模式中取值不同) ，而初始混合区 的范围为：宽为道路宽度两旁再加上盯v 高则即为盯在初始混合区内， 大气扩散以汽车运动尾迹产生的机械湍流及尾气余热产生的热力湍流为 主，汽车尾气排放的污染物在初始混合区内均匀混合。 2 ，2箱模式 与高斯模式常用于开阔路的情况不同，箱模式主要是用于城市污染扩 散的整体研究【7 儿8 1 。 假设一个城市在缸距离( 大致是城市的一端到另一端，亦即“箱体” 的宽度) 的范围内，其排放量为一常数，污染物在地面到混合层高度的整 层( 2 1 ) 里是均匀混合的，且风速u 为常数：令城市上风方浓度为气，混 合层高度上的浓度为c 。，则有连续方程： 缸z 1 瓦o c = l a x q 。+ 啦l ( c 6 一c ) + a x 詈。q - - ( 2 - 4 ) 式中，q d 为面源排放强度( 单位：g ( m 2 j ) ) ，c 为均匀浓度，方程的 意义是：浓度c 随时间的变化等于面源加上由水平平流引起的变化，再加 上由混合层增长与铅直平流引起的变化。 在定常状态即善= 孕= o 以及上风方本底浓度c b = o 时，方程可化为： o to t c ：垒鱼( 2 - 5 ) z “ 此即箱模式的简单解。在实际的应用过程中，模式会有些变化，其中 主要的是一些参数的确定。由于峡谷型街道也可看作箱型。因此该模式在 早期曾用于一些街道峡谷模式的研究；但箱模式的假设条件要求较高，分 辨率也较大，目前很少单独用于汽车尾气污染扩散的模拟，但可以对其他 模式进行修正和完善。 2 ，? 街道峡谷模式 前已述及，由于采用分类方法的不同，汽车尾气污染扩散模式可以分 为很多种，这其中自然就会有些交叉的部分；就地形分类而言，由于街道 峡谷内的微气象条件及汽车尾气扩散过程都十分复杂，而且它们受屋顶气 流、峡谷轮廓、峡谷尺度以及车流运动等因素的影响很大，因而街道峡谷 模式己成为当前研究中的一个热点和重点。在峡谷模式中，半经验型模式 应用最广泛，其次是一些简单箱模式和高斯模式。 欲了解街道峡谷模式的集大成研究，可参看文献 9 】。由于篇幅及研究 方向所限，本文只是简介了街道峡谷模式的发展史，并重点介绍其中的 c p b m 和o s p m 模式。 较早对峡谷街道内汽车尾气扩散进行研究的是j o h n s o n 等人，他们于 1 9 7 0 年在美国加州s a nj o s e 市观测了街道峡谷内流场，并给出如下模式 【l o 】： c ，：篓坠一一一 ( 2 - 6 ) ( ”+ o ) ( 4 x 2 + z2 + l o ) c ，：g q t ( h - z ) ( 2 7 ) ”2 ( u + u o ) h b 。2 7 式中的c 。和c ，分别为峡谷背风面和迎风面的污染物浓度，k 为与峡 谷尺度有关的经验参数( 在这里取为7 ) ，q t 为线源源强，“为风速，h 和 b 分别为街道峡谷的深度和宽度，= 0 5 m s ，l 。= 2 m 均为经验常数。 在二十世纪八十年代，d e p a u l 等人( 1 9 8 5 年) 和y a m a r t i n o 等人( 1 9 8 6 年) 分别研究了美国芝加哥市和德国科隆市的峡谷型街道，前者给出了一 个街道峡谷汽车尾气扩散箱模式l ： c ：墨( 2 - 8 ) b ( u + 0 5 1 该式与( 2 - 7 ) 式相似，但其经验常数k 值要略小( 约为6 2 5 。 科隆市的情况要复杂些。它考虑到了街道峡谷内由于垂直涡旋的存在， 因而汽车尾气除了沿街道方向输送以外，还有一个垂直的循环运动，因此 采用高斯烟羽模式与箱模式相结合的方法，给出了一个峡谷烟羽箱模式 1 2 】，即c p b m ( c a n y o np l u m e b o xm o d e l ) 。在该模式中，对污染物浓度 的估算分为烟羽扩散与垂直再循环两个部分。 烟羽扩散部分适用风向与线源垂直的无限长线源高斯扩散公式，该公 式是在( 2 - 2 ) 式基础上积分得到的1 ： c 一面2 q , 4 2 x u ae x p ( _ 南 ： 2 盯； ( 2 9 ) 关于垂直再循环部分，认为汽车尾气污染在靠峡谷背风面区域上升的 过程中被气流稀释，在峡谷顶部有部分污染物被清除，另一部分沿峡谷迎 风面下降( 因子为f ) 造成再循环，即有 c ：旦旷+ f 2 + f 3 + ) ：丝j l ( 2 - 1 0 ) u ( b 2 ) 、 u b ( 1 一f ) 式中因子f 的值在0 l 之间，它与污染物在峡谷内的滞留时间有关。 o s p m ( o p e r a t i o n a ls t r e e tp o l l u t i o nm o d e l ) 模式的处理方式与c p b m 模 式比较接近。但在细节处理上有些差异【1 4 】【”1 。该模式最初由h e r t e l 等人 ( 1 9 8 9 年) 提出，并应用于北欧的丹麦、挪威等地t 1 6 1 。模式认为街道峡谷 内的污染物浓度由三部分组成： c = 白+ c ，+ 0 6 ( 2 - 1 1 ) 式中。为汽车尾气污染物直接扩散所产生的浓度，c ，为由于气流涡旋 造成污染物循环所引起的浓度，“为背景浓度；模式主要也是对前两部分 的情况进行计算。 对于直接扩散浓度，基本上也是沿用简单高斯烟羽模式思路，积分后 的最终表达式为： 白= 居岳- n 印 协 式中的q 卜b 、d ：所表达的意义与以前相同，h o = 2 m 为初始扩散常数， 而盯。按照如下取值： o w = 晒丽 式中为峡谷内风速，口为经验常数，取为0 1 ，也是一个经验参 数，取为o i m l s 。可以看出，盯，的单位是m l s t 这与盯，( m ) 是不同的； 这也是应用该模式要注意的地方。 对于污染物循环浓度，采用区域形状为梯形的箱模式思路，有 ：鱼堕( 2 - 13c) r b ( v a d 2 + u a d 3 ) 。 式中v 。= 水磊了；丁，为峡谷顶风速；= 小丽。而d 。、d ：、 d ，由下式确定： d i m i n ( l ，志) ：min(0d2n ( 0 s l “ (, = m s i