（工程力学专业论文）城市街道峡谷内机动车尾气排放与扩散的模拟研究.pdf

中山大学博士学位论文 城市街道峡谷内机动车尾气排放与扩散的模拟研究 专业：工程力学 博士生：徐伟嘉 指导教师：余志教授 摘要 城市化与出行机动化导致了街道峡谷机动车尾气污染问题，使居民日常出行 暴露在高浓度机动车尾气中，对广州市一个典型街道峡谷内路边空气质量的实地 监测发现p m l o 、n o x 、c o 平均浓度分别高达0 1 5 8 、0 3 9 4 和2 4 8 8 m g l - 3 。本 文从车道位置、道路绿化带、动态交通流排放等交通因素着手，利用交通仿真技 术、机动车排放模型、c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) 模拟技术和多孔介质理 论对街道峡谷内机动车尾气的排放、传输和扩散规律展开深入的研究，旨在揭示 街道峡谷内污染形成机理，为城市规划、交通管理和环境相关部门控制机动车尾 气污染提供基础数据与技术保障，达到改善环境，提高居民生活品质的目标。 本文首先根据实际建筑物与车道几何特征，建立双车道街道峡谷物理模型。 然后采用稳态k 一占湍流模型结合组分输运方程模拟了双车道街道峡谷内流场与 污染物浓度场，模拟结果与风洞实验数据吻合较好。进一步模拟街道峡谷内不同 位置车道排放污染物的扩散，发现车道位置变化对峡谷底部( 0 3 h ) 人群活动 集中区的污染物浓度分布影响明显，随着车道向街道峡谷中部靠拢，背风面建筑 物底部及人行道的污染物浓度将迅速减小，但降低速率不断下降：迎风面污染物 浓度对车道位置不敏感，但当车道处于迎风面次级旋涡范围时，将导致迎风面建 筑物底部及人行道污染浓度迅速增长。 为更深入掌握街道峡谷内流场与污染物浓度场的特征，本文在德国k a r l s r u h e 大学的风洞实验基础上，假设树冠为均匀多孔介质，利用空气流过树冠的压力损 失来描述多孔介质对空气流动的阻碍作用，建立起可用于数值模拟的绿化带物理 模型。然后采用稳态k s 湍流模型结合组分输运方程模拟道路中央有绿化带街 道峡谷内的尾气扩散，模拟结果与风洞实验数据吻合较好。分析发现相比无绿化 带的情况，绿化带导致峡谷内整体风速下降，背风面平均浓度增大4 6 0 ，迎风 面变化不明显；进一步模拟不同树冠位置的街道峡谷内尾气扩散发现，树冠位置 上升使主旋涡中心逐步上移并偏向迎风建筑物，而挤压外部清洁空气下洗通道， 降低峡谷内风速，导致峡谷内污染物浓度随树冠位置上升而增大；尤其是当树冠 顶部超过屋顶高度而直接阻碍峡谷上方空气流动时，峡谷内污染物浓度上升更为 迅速。 街道峡谷内动态交通流尾气排放与扩散的模拟研究 为掌握动态交通流实时尾气排放与扩散的特征，本文在分析单车尾气排放时 空变化特征的基础上，提出了街道峡谷内动态交通流尾气排放与扩散模拟的研究 框架。然后，通过构建微观交通仿真系统与机动车综合排放模型数据交换机制和 车型映射关系，将机动车综合排放模型以插件形式耦合到微观交通仿真系统中， 建立了交通流实时排放仿真平台。采用该平台建立有信号控制人行横道道路的仿 真路网，分析了晚高峰时段的交通流特征及其燃油消耗、c o 、n o x 排放，发现 人行横道段与排队段的车流密度变化剧烈，车辆加速、减速、怠速工况比例较高。 恶劣的行驶工况使得人行横道段与排队段单位道路长度的燃油消耗量、c o 和 n o x 排放量可达巡航段的2 4 倍。 接下来，在上述交通流实时排放仿真平台的基础上，将动态交通流瞬时排放 引入到街道峡谷内尾气扩散的数值研究中，建立时变的交通源物理模型。采用非 稳态七一占湍流模型结合组分输运方程模拟了有绿化带与无绿化带两种情况的人 行横道路段街道峡谷内尾气( c o ) 的实时扩散过程。分析发现有绿化带和无绿 化带两种情况背风面c o 浓度均在信号周期内随时间变化明显，而迎风面受下洗 清洁气流控制，变化不明显；有绿化带街道峡谷内尾气输运速度较慢，相邻周期 排放的高浓度c o 在背风面叠加，导致有绿化带街道峡谷背风面污染物浓度明显 上升，其背风面行人呼吸位置平均c o 浓度可超过国家二级标准限值，处于轻度 - j 污染。 关键词：污染物扩散；c f d ：动态交通流；多孔介质；交通仿真 中山大学博士学位论文 t i t l e ：s i m u l a t i o ns t u d yo fv e h i c l ee x h a u s te m i s s i o na n d d is p e r si o ni nu r b a ns t r e e tc a n y o n s m a jo r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：x uw e i j i a s u p e r v i s o r ：y uz h i a b s tr a c t t h eu r b a n i z a t i o na n dm o t o r i z a t i o nr e s u l ti na i rp o l l u t i o ni ns t r e e tc a n y o n s a m o n i t o r i n gw a si m p l e m e n t e df o ra i rp o l l u t i o ni nat y p i c a ls t r e e tc a n y o ni i lg u a n g z h o u i ts h o w e dt h a tt h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so fp m l o ，n o a n dc ow e r e0 15 8 ，0 3 9 4 a n d2 4 8 8 m g m 。，r e s p e c t i v e l y t h i st h e s i sf o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l e e x h a u s te m i s s i o n , t r a n s m i s s i o n , a n dd i s p e r s b ni n f l u e n c e db yt r a f f i cf a c t o r si n c l u d i n g l a n ep o s i t i o n , r o a dg r e e n b e l t sa n dd y n a m i ct r a f f i cf l o we x h a u s te m i s s i o n m i c r o s c o p i c t r a f f i cs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , c o m p r e h e n s i v e m o d a le m i s s i o nm o d e lc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) t e c h n o l o g y , a n dp o r o u sm e d i at h e o r yw e r eu s e di i l t h ea b o v ew o r kw h i c hc o u l dp r o v i d ef u n d a m e n t a ld a t aa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r g o v e r n m e n tt oc o n t r o lt h eu r b a na i rp o l l u t i o na n di m p r o v et h eq u a l i t yo fc i t i z e nl i f e f i r s to fa l l , at w o d i m e i l s i o nd o u b l e - l a n ep h y s i c a lm o d e lo fs t r e e tc a n y o nw a s b u i l tu p ，a n dt h ea i rf l o wa n dp o l l u t i o nd i s p e r s i o ni nd o u b l e - l a n es t r e e tc a n y o nw e r e i n v e s t i g a t e dw i t ht h es t e a d y - s t a t es t a n d a r dk s t u r b u l e n c em o d e la n ds p e c i e s t r a n s p o r te q u a t i o n t b es i m u l a t e dr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f w i n d - t u n n e l w i t hf u r t h e rs i m u l a t i o no nt h ed i s p e r s i o no fd i f f e r e n t 仃a 伍cl a n e s e m i s s i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h ep o l l u t a n td i s t r i b u t i o no nt h eb o t t o mo f t h es t r e e tc a n y o n ( o 3 8 ) w h e r ec i t i z e ni sc r o w d e di ss e n s i t i v et ot h ep o s i t i o no fl a n e s n ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o ni nt h eb o t t o mo fl e e w a r db u i l d i n ga n da tt h es i d e w a l kw i l lr a p i d l y d e c r e a s ew i t hl a n eb e i n gc l o s e rt ot h em i d d l eo fs t r e e tc a n y o n , o fw h i c hf a l l i n gr a t ei s a l s or e d u c e b u tn o ti i lt h ew i n d w a r d t h el a n el o c a t e da tt h ef i e l do f w i n d w a r dm i n o r v o r t e xc a r lc a u s et h a tt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni l lt h eb o t t o mo fw i n d w a r db u i l d i n g a n da tt h es i d e w a l kr a p i d l yi n c r e a s e m 街道峡谷内动态交通流尾气排放与扩散的模拟研究 i no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i rf l o wf i e l da n dp o l l u t a n t s d i s t r i b u t i o ni ns t r e e tc a n y o n s , t h ep h y s i c a lm o d e lo fg r e e n b e l tf o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sb u i l tu pb a s e do nt h ek a r l s r u h eu n i v e r s i t y sw i n dt u n n e le x p e r i m e n t t h eg r e e n b e l tw a sa s s u m e da su n i f o r mp o r o u sm e d i aa n di t sa e r o d y n a m i c sp r o p e r t y d e f i n e db yt h ep r e s s u r el o s sc o e f f i c i e n t s u b s e q u e n t l y , t h ep o l l u t a n td i s p e r s i o ni nt h e s t r e e tc a n y o no fw h i c ht h e r ew a sg r e e n b e l ti nt h em i d d l ew a ss i m u l a t e dw i t ht h e s t e a d y - s t a t es t a n d a r d c - - gt u r b u l e n c em o d e la n ds p e c i e st r a n s p o r te q u a t i o n 啊1 c s i m u l a t e dr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h ew i n d - t u n n e ld a t a c o m p a r e dw i t ht h et r e e l e s s c a ，i tf i n d st h a tt h eg r e e n b e l tc 锄r e d u c ew i n ds p e e di nw h o l es t r e e tc a n y o n , w h i c h i n d u c e st h a tt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s eb y4 6 0 i nt h el e e w a r da n di s ， u n - s i g n i f i c a n tv a r i a t i o ni nt h ew i n d w a r d 1 1 1 ef u r t h e rs i m u l a t i o nf o rt h ei m p a c to f t r e e c r o w np o s i t i o no nt h ea i r f l o wa n dp o l l u t a n td i s p e r s i o nf i n d st h a tt h eh e i g h to fm a j o r v o r t e xc e n t e ri nt h es t r e e tc a n y o ni n c r e a s e sw i t ht h eh e i g h to ft r e ec r o w na n d g r a d u a l l yc l o s e st h et o po fw i n d w a r db u i l d i n g t h i sc a u s e st h a tt h ed o w n w a s h c h a n n e lb e c o m e sn a r r o ww h i c hc a u s e st h ea v e r a g ew i n ds p e e di nt h es t r e e tc a n y o n d e c r e a s e s e s p e c i a l l yw h e nt h et o po f t r e eg r o w no v e rt h er o o fa n dh i n d e rt h ea i rf l o w a b o v et h es t r e e tc a n y o n , t h ew i n ds p e e di nt h es t r e e tc a n y o nd e c r e a s e sr a p i d l ya n d i n d u c e st h a tt h ea v e r a g ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h eh e i g h to ft r e e c r o w n f o ru n d e r s t a n d i n gt h ed y n a m i c st r a f f i ce x h a u s te m i s s i o na n dd i s p e r s i o n , t h e r e s e a r c hf i a m e w o r ko fd y n a m i ct r a f f i ce x h a u s te m i s s i o na n dd i s p e r s i o nw a sp u t f o r w a r db a s e do na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ev e h i c l ee x h a u s te m i s s i o ，n s u b s e q u e n t l y , t h er e a l - t i m et r a f f i ce m i s s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mw a sb u i l tu pb y c o u p l i n gm i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e ma n dc o m p r e h e n s i v em o d a le m i s s i o n m o d e l m e a n w h i l et h ed a t ae x c h a n g em e c h a n i s ma n dv e h i c l et y p em a p p i n gw e r es e t u pb e t w e e nt h et w om o d e l s t h es i m u l a t i o nr o a dn e t w o r ki n c l u d i n gs i g n a lc o n t r o l c r o s s w a l kw a ss e tu p ，t h e nt r a f f i cf 1 0 w ，f u e lc o n s u m p t i o n , a n dv e h i c l ee m i s s i o n ( c o a n dn o 囝i nt h ee v e n i n gp e a l 【w e r ea n a l y z e dw i t ht h er e a l - t i m es i m u l a t i o np l a t f o q n i ts h o w st h et r a f f i cd e n s i t ys i g n i f i c a n t l yc h a n g e si nt h ec r o s s w a l ka n dq u e u es e c t i o n w h e r ev e h i c l e s 厅e q u e n t l ya c c e l e r a t e ，d e c e l e r a t e ，a n di d l e c o m p l i c a t e dd r i v i n gc y c l e i nt h ec r o s s w a l ks e c t i o na n dq u e u es e c t i o ni n d u c e st h a tt h e i rf u e lc o n s u m p t i o n s ，c 0 a n dn o xa tu n i tl e n g t ha l ea s2 4t i m e sa sc r u i s es e c t i o n t h e nb a s e do nt h er e a l - t i m et r a f f i ce m i s s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m , t h ep h y s i c a l m o d e lo fd y n a m i ct r a f f i cf l o w e m i s s i o nw a sb u i l tu pb yi n t r o d u c i n gt h ed y n a m i c t r a f f i cf l o we x h a u s tt ot h ed o u b l e - l a n ep h y s i c a lm o d e l f u r t h e r , t h er e a l - t i m ec o i v 中山大学博士学位论文 d i 鼬s i o ni nt h ec r o s s w a l ks e c t i o no fs t r e e tc a n y o nw i t ht r e ea n dt r e e l e s sw a s s i m u l a t e dw i t hu n s t e a d y - s t a t es t a n d a r d 鬈一st u r b u l e n c em o d e la n ds p e c i e st r a n s p o r t e q u a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tc o c o n c e n t r a t i o ni nt h el e e w a r do b v i o u s l yc h a n g e s w i t ht h et i m ed u r i n gt h es i g n a lp e r i o d ，b u ti nt h ew i n d w a r di n d u c e db yt h ed o w n w a s h o fc l e a na i ra p p e a r sa tt h et o pc z ) r l l e ro fw i n d w a r db u i l d i n g t h el o w e rt r a n s p o r t v e l o c 时o fp o l l u t a n ti nt h es t r e e tc a n y o nw i t ht h eg r e e n b e l tc a u s e st h eo v e r l a p p i n go f t h eh i g hc o n s i s t e n c yp o l l u t a n t 舶ma d j a c e n tp e r i o de m i s s i o n , w h i c hi n d u c e st h a tt h e c 0c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e si nt h el e e w a r d 们ka v e r a g ec 0c o n c e n t r a t i o no f p e d e s t r i a ne x p o s u r ei nt h el e e w a r do fs t r e e tc a n y o ne x c e e d st h ec 0c o n c e n t r a t i o no f s e c o n d a r yl i m i to f n a t i o n a la i rq u a l i t ys t a n d a r da n di si ns l i g h tp o l l u t i o ns t a t e k e yw o r d s ：p o l l u t a n td i s p e r s i o n ；c f d ；d y n a m i ct r a f f i cf l o w ；p o r o u sm e d i a ； n 恤m cs i m u l a t i o n v 论文原创性声明内容 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。对本文的研究作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：侮伟募 日期：少扣年易月岁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。厂 学位论文作者签名：僦 导师签名：抄 日期：弘p 年易月岁日日期：肿参月一7日 中山大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 近三十年来中国经济持续快速发展，城市机动车保有量迅猛增长，交通拥堵 日趋严重，随之而来的城市大气环境问题日益突出，已经成为城市可持续发展和 居民生活质量提高的重要制约因素。与之前工业排放为主的城市空气污染不同的 是机动车尾气污染具有排放高度低，扩散条件差，受局部地形与周边建筑影响大， 与人们日常生活密切相关等特点。正是由于机动车尾气污染的上述特征，当前城 市空气质量的空间分布极不均匀，人行道、交叉口、公交车站等人群活动集中区 域的空气质量明显劣于普通城市监测点的空气质量日报值，其中交通相关大气污 染物浓度相差可达一倍甚至数倍。针对当前机动车尾气为主导的城市空气污染新 特征，开展城市局部空气污染热点的研究，掌握机动车尾气排放与扩散特征，揭 示城市局部空气污染现象的形成机理，为相关部门控制城市空气质量，最终改善 城市环境，提高居民生活品质提供数据基础与技术保障。 1 2 城市机动车尾气排放现状 1 2 1 机动车保有量快速增长 自1 8 8 6 年德国人b e n z 制造出世界上第一辆汽车以来，伴随世界工业化进程， 汽车成为了人类交通运输的重要组成部分和经济支柱行业，也成为了体现国家和 地区经济发达程度的一个指标。中国近三十年来经济发展迅速，尤其是近年全国 总体进入小康社会，全国机动车保有量年均增长率近1 0 ，私人汽车保有量增长 更为迅猛，逐年增长率均超过2 0 。截至到2 0 0 8 年底，全国机动车保有量达 1 4 8 5 6 5 万辆，私人汽车保有量3 5 0 1 4 万辆，我国机动车保有量及私家汽车保有 量数据详见表卜1 。 同时机动车保有量的分布与经济发达程度紧密相关，呈现出明显的地域特 征。在北京、上海、广州等发达城市，机动车保有量和人均拥有量均较高，城区 车辆集中，交通相对拥挤。如表1 2 所示，上述大城市在机动车保有量基数大的 同时，仍持续快速增长。随着各大城市限制摩托车发展政策的陆续出台和出行工 具的升级，机动车组成结构发生了根本性的改变，汽车已经成为大城市机动车的 生体。 街道峡谷内动态交通流尾气排放与扩散的模拟研究 注1 ) 资料来源于2 0 0 8 年和2 0 0 9 年中国统计年鉴1 1 - 2 ，表中“n a ”表示记录“空”。 表1 - 2 近年北京、上海和广州机动车和汽车保有量统计( 万辆) 统计 年份 北京上海广州 机动车汽车机动车汽车机动车汽车保 保有量保有量保有量保有量保有量有量 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 1 9 9 1 2 1 6 7 2 4 6 1 2 7 5 4 3 0 7 2 n a 1 8 7 1 2 1 4 6 2 4 4 1 2 7 7 8 1 7 3 8 2 0 2 9 2 2 1 7 2 3 8 i 2 5 3 6 7 1 9 8 3 5 9 5 2 1 0 7 0 1 2 6 0 1 7 0 5 1 7 2 2 1 7 7 4 1 8 3 0 1 8 2 3 5 7 7 6 8 2 7 6 2 8 8 9 1 0 4 2 2 0 0 8 3 1 8 i3 1 8 1 2 6 1 5 1 3 2 in a n a 。 注1 ) 资料来源于2 0 0 5 年- 2 0 0 9 年 北京统计年鉴 3 - 7 1 ，2 0 0 6 年- 2 0 0 9 年上海统计年鉴 i s - i t ，2 0 0 4 年- 2 0 0 9 年广州统计年鉴1 1 2 - 1 7 1 ，表中“n a ”表示记录“空”。 1 2 2 城市机动车行驶状况 机动车保有量持续快速增长，城市交通基础设施建设速度远远满足不了日益 增长的机动出行需求。城市道路堵塞现象日益严重，拥堵怠速、低速缓行已成为 城市道路交通的常见现象。王岐东等【1 8 】对北京市快速路、主干道、次干道及辅路 的调查发现北京车辆平均行驶速度仅2 0 5 k m h 1 。另有相关交通统计资料表明 【1 蛇，武汉市中心区平均车速为2 5 7 k m h - l ，其中主干道平均车速2 6 8 k m h ， 次干道平均车速2 1 7 k m h - 1 ；南京市主干道平均车速为2 6 5 k m h 1 ，老城区高峰 时段平均车速仅1 6 4 k m h 1 ；广州市主干道平均车速为2 6 9 k m - h 1 ，高峰小时部 2 中山大学博士学位论文 分主干道低于2 0 k m h 1 。 1 2 3 机动车尾气排放状况及危害 随着机动车保有量和行驶里程的迅速增加，机动车尾气排放量也逐年增长， 而机动车尾气排放多发生在路网密集、交通繁忙的城区。与此同时工业排放源正 逐步向城郊转移，导致机动车尾气对城市中心区的大气污染物排放贡献率逐年上 升，并已经在一些大城市中心区占主导地位。据统计 2 2 。2 3 】，2 0 0 2 年上海市中心城 区，n o ) ( 放分担率达8 1 ，浓度贡献率为8 6 ；北京市大气中7 3 5 的h c 、6 3 4 的c o 、4 6 的n o x 来自机动车尾气的排放；广州市n o x 贡献率超过4 0 ，且该比 例仍在不断上升。 机动车尾气成分非常复杂达上百种，主要污染物包括：一氧化碳( c o ) 、氮氧 化物( n o x ) 、碳氢化合物( h c ) 、颗粒物等，这些污染物不仅污染环境，对人体也 有巨大危害。上述机动车尾气中主要污染物的产生原理及危害具体如下： ( 1 ) 二氧化碳( c o ) c o 是一种化学反应能力低，无色无味的窒息性有毒气体，与空气的相对密 度为0 9 6 7 ，溶解度f 1 1 4 , 。其生成主要受发动机内混合气浓度的影响，在局部缺 氧或低温条件下，燃烧过程不充分，部分碳元素不能被氧化成c 0 2 ，而生成中间 产物c o 。c o 对人体的危害主要是通过呼吸进入肺部，与人体内负责氧气输送的 血红蛋白h b 结合生成h b c o ( i l l 红素) ，破坏血红蛋白结合氧的能力，降低人体 血液的供氧效率。因此吸入超过一定浓度的c o ，轻则头痛、晕眩，重则恶心、 呕吐、呼吸困难，甚至死亡。长期吸入c o ，加重人体心血管负担，对城市居民 身体健康是一个潜在威胁。 ( 2 ) 氮氧化物( n o x ) 机动车尾气中的n o x 主要由n o 和n 0 2 组成，是由空气中的n 2 与燃料中的含氮 成份在内燃机汽缸中生成。n o x 的排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。 n o 吸入后与血红蛋白的结合能力强，为c o 的数倍，容易造成血液缺氧，引起中 枢神经麻痹。同时氮氧化合物进人肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺部组织产 生强烈的刺激作用，增加肺毛细管的通透性，可造成肺气肿，且亦对心、肝、肾、 造血系统等都有相当的危害。另外，进入大气中的氮氧化物在太阳光照射下可与 其它一次性污染物发生光化学反应，生成醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯( 即n ) 等毒性更为强烈的二次污染物，是城市光化学烟雾产生的重要因素。 ( 3 ) 碳氢化合物( h c ) 碳氢化合物在机动车尾气中的含量不高，但其成份十分复杂，含有苯( 甲苯、 乙苯) 、醛类( 甲醛、丙稀醛) 、多环芳香烃( 苯并芘) 等上百种烃类。苯可增加 人体白血病发生的机率；甲醛与丙稀醛对鼻、眼和呼吸道粘膜有刺激作用，可引 起结膜炎、鼻炎、支气管炎等；苯并芘已经是一种被世界公认的强致癌物质。另 街道峡谷内动态交通流尾气排放与扩散的模拟研究 外，机动车排放的碳氢化合物还是光化学烟雾形成的重要前体物。 ( 4 ) 颗粒物 由于汽油、柴油在发动机内燃烧不充分，排放出的尾气中含有大量的细微颗 粒物。这些颗粒主要由元素碳和有机碳组成，有机碳中大部分为挥发性有机化合 物( v o c ) ，具有相当的致癌、致畸、至突变作用。这些细微颗粒其空气动力学 直径往往小于2 5 微米，可随呼吸进入人体的呼吸系统，粒径在i o 3 3 微米的 颗粒可在支气管沉积，粒径小于l 微米的可在肺部深处长期存留，不易排出体外， 并可随血液循环进入全身各个器官，可明显增加城市居民患肺癌、血癌的风险。 另外，颗粒物也是近年来我国众多大城市频频遭遇灰霾的重要原因。 1 3 城市空气污染现状 1 3 1 城市整体空气质量状况 空气是人类生存和发展的保障，也是自然界动植物赖以生存的源泉，良好的 空气质量是人类与其它生物健康发展的基础。空气是指地球大气层中的混合气 体，按体积分数计：它主要由7 8 的氮气、2 1 的氧气组成，还有极少量的氡、 氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体以及水蒸气、二氧化碳、尘埃等。空气的成分并 不固定，随着高度和气压的改变，空气的组成比例会略有改变。但当超过一定限 值的颗粒物、硫化物、氮氧化物、碳氢化合物、碳氧化物等进入空气，则会对生 物造成严重的危害，发生空气污染现象。 城市是人类文明的结晶，其承载了人类生活和生产活动的绝大部分。中国是 一个发展中国家，经济增长迅速，城市人口比例不断上升，大气环境问题日益凸 显。相关资料2 0 0 2 年统计表明【2 3 1 ，全国5 0 0 多座城市中，空气质量符合世界卫 生组织标准的不到l 。随着近几年国家大力治理环境，中国城市总体空气质量 有所改善。根据国家环保总局公布的( 2 0 0 8 年中国环境公报，全国有5 1 9 个城 市报告了空气质量数据，达到一级标准的城市2 1 个( 占4 o ) ，二级标准的城 市3 7 8 个( 占7 2 8 ) ，三级标准的城市1 1 3 个( 占2 1 8 ) ，劣于三级标准的城 市7 个( 占1 4 ) 。1 1 3 个环境保护重点城市空气质量有所提高，空气质量达到 二级标准的占5 7 5 ，三级的占4 1 6 ，劣于三级的占0 9 ，与上年相比达标城 市比例上升了1 3 3 个百分点，劣三级城市比例无变化。虽然通过大力控制工业 污染源排放，全国主要城市整体空气质量正在逐步好转，但在机动车保有量迅速 增长的背景下，城市空气质量控制形势仍不容乐观。 l 32 城市街道峡谷内空气质量状况 建筑是构成城市与承载人类生产、生活的主体，交通是城市的脉络，正是两 者有机的结合才使得城市能够持续稳定的发展。道路伴随着两侧连续的高大建筑 4 中山大学博士学位论文 物，形成城市常见的几何形态一一街道峡谷。由于建筑物的遮蔽，街道峡谷内形 成了相对独立于城市大气边界层的微气候四j ，在这里风速明显下降，空气交换与 污染物的清除只能通过屋顶完成。人类对建筑容量和出行需求的持续增长，使得 城市建筑密度和高度不断上升、交通日益拥挤，由此导致了城市特有的街道峡谷 内机动车尾气污染现象。 该现象已经引起了国内外学者的广泛关注瞄】，开展了许多针对街道峡谷内空 气质量的调查工作，研究发现街道峡谷可造成城市空气污染空间分布上的极度不 均匀。k a u r t 2 6 】对伦敦市中心区街道峡谷内机动车尾气污染的调查发现，路边行人 的机动车相关大气污染物的暴露浓度可达城市背景站点的数倍。在对比利时口7 j 和英国曼彻斯特【2 8 】自行车通勤者的颗粒物暴露评估发现在交通繁忙道路，自行车 通勤者的颗粒物暴露浓度可达城市背景浓度的一倍甚至数倍。 街道峡谷构成的城市微环境，使得行驶其中的各类交通工具内部及其枢纽的 空气质量亦令人堪忧。c h a n 等【2 9 】在2 0 0 1 年对广州市各类公共交通模式的空气质 量调查发现，运行在城市街道峡谷中的公交车c o 与p m i o 平均浓度为8 6 p p m 和 1 6 6 u g m ? ；的士为2 3 7 p p m 和1 1 6 u g m - 3 ；经常开窗的非空调公交车和的士平均 p m l o 浓度更可高达2 0 3 u g i 一和1 5 0 u g m ? ；受机动车排放影响较小的地铁内c o 和p m l o 平均浓度相对较低，分别为3 1 p p m 和6 7 u g 1 3 。c h a n 等【3 1 】对香港的 各种交通方式调查亦发现行驶在街道峡谷微环境中的公交车、的士和私家车等交 通工具内的空气污染暴露浓度远高于地铁、火车和轮渡等方式。杜嘏等【3 2 】对北京 交通微环境的监测发现公交车站n o 、c o 和p m 2 5 的平均浓度分别高达2 0 0 p p b 、 4 3 2 p p m 和1 0 4 u g i n - 3 。l i 等【3 3 】在杭州调查发现公交车在市中心运营时，车内多 环芳香烃浓度远高于在郊区和景点。 人们出行过程直接暴露在机动车排放的相关污染物中，而构成街道峡谷的建 筑物也未能成为城市居民的避护所。c h a l o u l a k o u 等 a 4 l 对希腊中心繁忙街道附近 的办公楼和学校的室内空气质量调查发现，室内空气质量受交通流影响明显，并 具有良好的相关性；芬兰首都赫尔辛基的调查亦发现类似现象i 5 j 。 综上所述，在街道峡谷微气候环境与机动车排放特征的综合作用下，城市空 气污染空间分布差异极大，其中街道峡谷内空气质量远劣于城市总体水平。构成 街道峡谷的道路和建筑本身是城市居民出行、工作、居住、娱乐等日常生活的载 体，也是机动车尾气向城市上空大气扩散与稀释的“烟囱 ，而城市居民却生活 其中，城市街道峡谷内的机动车尾气污染已是危害居民健康，降低人们生活质量 一大关键因素。开展针对我国大城市街道峡谷内机动车尾气污染现状的调查，研 究街道峡谷内污染物扩散规律，为政府与相关机构控制街道峡谷内机动车尾气污 染提供基础数据和技术保障，显得尤为迫切。 街道峡谷内动态交通流尾气排放与扩散的模拟研究 1 4 城市街道峡谷内机动车尾气污染的研究综述 1 4 1 街道峡谷内机动车尾气扩散的物理过程 如图卜1 所示，机动车在街道峡谷内行驶，尾气直接排放在峡谷底部：道路 两侧建筑物阻碍了大气对机动车尾气的直接稀释，而是通过建筑物顶部对大气流 动的剪切作用，在迎风建筑处发生下洗现象推动街道峡谷内的空气流动，将峡谷 底部的大气污染物输送到屋顶，在屋顶剪切层处与外界大气进行交换，达到污染 物的稀释与清除。道路绿化带阻碍街道峡谷内的空气流动，降低峡谷内污染物的 扩散能力；太阳辐射使得街道峡谷内局部气流不均匀升温而改变峡谷内的流场特 征，从而对污染物扩散产生一定的影响。因此街道峡谷内的污染扩散及分布主要 受气象、建筑物、交通、绿化树等因素的综合影响。 上岽加删 口【l c = a 1 ) 廿：# 甬爿l 风公氏 -y 图1 - 1 街道峡谷内机动车尾气扩散过程 上述影响街道峡谷内污染物输送与清除的因素，其实质均是通过自身特征影 响风与湍流、排放源强度及位置( 图1 2 ) 。因此对街道峡谷内机动车尾气污染扩 散的研究主要集中在上述因素如何改变风速、风向、湍流、排放源强度和排放位 置来影响街道峡谷内大气污染物的扩散过程。 6 中山大学博士学位论文 图1 - 2 街道峡谷内机动车尾气扩散的影响因素分析 ( 1 ) 风对街道峡谷内机动车尾气扩散的影响 风包含风速与风向两个因素，是空气的整体流动现象，其对大气污染物具有 整体输送效果。风速越大单位时间内将污染物输送得越远，同时混入的清洁空气 也越多，污染物稀释越快。风向决定了污染物的输运方向，其导致污染源下风向 区域的污染浓度比上风区域高。 ( 2 ) 湍流对街道峡谷机动车尾气扩散的影响 风速决定污染物的整体输运，但输运过程中污染物与清洁空气之间的质量、 动量与能量的交换，即渗混、稀释过程，主要通过湍流与分子扩散实现。大气湍 流能够引起空气微团之间的强烈交换和混合，其速率是分子扩散速率的1 0 5 - 1 0 6 倍。因此大气湍流是污染物稀释的主要影响因素，而街道峡谷内的湍流又受大气 边界层风场、局地建筑、树木、太阳辐射、机动车运动等诸多因素的综合影响， 其强度分布十分复杂。 ( 3 ) 交通源对街道峡谷内机动车尾气扩散的影响 交通源的影响特征主要由交通流的排放强度与排放位置决定。排放强度受交 通流量、车速、车型分布、单车排放水平等因素决定，在扩散条件一定的情况下， 排放强度直接决定着街道峡谷内的整体空气质量。机动车尾气的排放位置，直接 与道路相关，车辆位置和车道位置决定了尾气的排放位置。由于街道峡谷内的风 速与湍流分布不均匀，因此不同位置的污染物扩