（环境工程专业论文）基于ospm模型的街道峡谷污染研究.pdf

一j 8 7 8 王8 3 攮要 街道蛱签是城市的典型鼹段类型之一，其是指鼹边有嵩大建筑物 静街道。由于建筑物豹影确，梳动车j 放的污染物不易扩散，使得衡 道峡裕内的鼹气扩散问题成为了近年来研究的热点定一。目前国外 己秀发出多耱尾气扩散模型，进行竣蛰内污染炊援煎译徐与鞭溅。嚣 没有专门应用于我茵街道蛱铪的扩散模型，图内的相关研究采用利用 国外成熟模溅进行本地化应用的方法，使用前需对相关参数进行修 爱。 本文通过实测数据，对豳前国断上广泛成用的衡道峡谷扩散模型 之一o s p m ( o p 蹦越o n a ls t r e 毗p o l l l l t i o nm o d e l ) 鲍相关参数避行修正， 辩搀舞摸鍪耩度迸彳予有意义瀚探讨等尝试。零文首先戳选定貉段实浏 的污染物浓度数据，对0 s p m 模型谯北京的适用性i 1 8 行了验 芷，通过 分枵污染物浓度数攒对衡区峡签内瓣空气浮染状况遴孬了译徐。其 次，以实际数据和预测数据对基础交通数据簿文件，包括机动车保商 量，车龄分布，车里程累积率进行了重雹。最后，本文以o e m ( o n _ b o a r d 嚣掇i s s i 冁m e 黼n f e m 熊1 ) 技零为基磁，对髑p 酝模型黪簿敖因子诗算模 块c o p e r t 中6 种车型的c o 和n o x 基本排放因子计算公式进行 了重鼹。基本雄放因子计算公式，是c o p 班w 模型撵放因子计算的关 键。文章戳污染旗撵放蠢子尚不离遗液区闯静回妇计篝，建波了基予 速度的新的熬本排放圆子计算公式，对模型的原有计算公式进行了修 正。逡行修受惹豹。s p m 模型模拟强辑污染物c o 秘n 馥的浓度，翳 实测数据相玩较，桶关性有鞠显提商。 关键词：街道峡谷扩散横型o s p mo e m 排放因子 a b s l l 毽c l t h es t e tc a n y o 矬趣。峨嚣o fm et y p i c 畦s l f e e ls l 蛾毒s 溉氆ec 主吩，攮 w h i 两h i 痨b u i l d i n g se x i s to 珏b a ms i d e so f 髓持s t f t 1 龟ev e h i c l e p o l l u t i o n sa r en o te a s yt od i s p e 髂ei ns u c ha 北a sd u et ot h e 硼u e n c eo ft h e b 雌 l d i 鞋g s 。a ss 珏蘸，壤ee 瑶i s 黻越s p e 描i o 矗p l 鼹b l e 越f o 瞧es 撑e 鼬v o 藏 h a sb e c o m eo n eo fh o tr c s e a r c ht 叩i c s 如r c c e n ty c a r s p r e s e n t l y ，m a n y d i s p e r s i o nm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e di n0 t h e rc o u n t r i e sf o rt h ep u r p o s e o f 矗s s c s s m 髓鼍sa 珏dp 揩羽j 蕊o n s 西s t f c e p o 王l u i 蠛lc o n 毒t i o n s 壬差o w 鹳瞎kd u e t ot h ef a c it h a tl h e r ee x i s tn od i s p e r s i o nm o d e l sd e v e l o p e dp a r t i c u l a r l vf o r t h es t r c e c a n y o n si nc h 虹a ，f e l e v 鞠ts t n d i e si nc h i n ah a v ea n e m 越e d 协 c a l i b r 韪e 也e 溉p l l tp a r a m e t e 硌幻s o p h i s t i c a t c dm o d e l so fo 也e rc o u m f i e s i ni h i sc o n t e x t ，t h ed b j e c t i v eo ft h i st l l e s i si st oc a l i b r a t et h or e l e v a n t p 掘噍c 鼍c f so f 疆eo s p m ( 0 p e 艨t i o 珏a ls 慨p o l k 垃强琳醐) ，勰eo f 臻o w i d c l yu s e dd i s p e r s i o nm o d e l sw o r l d w i d e 、城t ham o a n j n ga n e m p tt o i m p r o v et h em o d e l ，sa c c 啪c y t h e 出e s j s 曲哦v a l i d a t 髂t h ea p p l i c a b i l i t vo f 氆e0 s p m 壤o d e l 抽嚣稿洳窑强鞋蘑穗e 捌螂l d 锄i s s i n 酿噬 d a t ac o l l e c t e di i lt h ec h o s e ns t i e t a f t e ra na n a l y s i so ft h ed o l l u t j o n c o n c e n l f a t i o nd a t a ，a na s s e s s l n e n to nt h ea 扛q u 砖i t vo ft h es t r e e te a n v o n 至s p r o v i d e d 露l e n ，t h e 弼铺i se 越i h a t c st h eb a s i ct r a n s p o a t i o nd a t a b a s eu s i n 援 t h er e a la n dp r e d j c t e dd a t aj n d u d i n 盛v e h i l c ea w n c r s h i p ，v e h i c l ea g e d i s t f i b h t 幻n 鞠dv e h i e l e i l e 8 9 # a 铷m 越硅蛀旺。融a n k 如e 魄c s i se 畦i b 瑶l e s t h eb a s i ce m i s s i o nf a c t o re q u a t j o n sf o rs i xv e h i c l et y p e so fc o r p e r t t h e e m i s s i o nf a c t o rc a l c u l a t i o nm o d u l ew j t h i nt h eo s p m ，b vu t i l i z i l l gt h e o 塞m ( o n 由。鑫穗e 撒i s s i o 珏秘e a s 珏f e 撒e _ 爨砖。e h 豳g y lb a s i ce 趣i s s f a c t o rc a l c u l a l i o ne q u a l i o n sa r et h ek e yt 0t 王l ee m i s s o nf a c t o rc a l c u l a t j o n m o d e li nc o r p e r t i 确el h o s i sd e v e l o d sn e wb a s i ce m i s s i 0 娃f a c t o r c a c u l a i o no 稿u a t i o n su s i n gt 沁r e 窖f e s s 主o nf e l a t i o n 磕i pb e t w e e ne m s s i o n f a c t o r sa n dd i f ! f e r e n ts p e e di n c r e m e n t s ，w h i c hi m p r o v e st h eo r i 2 i n a l c a l c 娃1 8 t i o ne 口i l a 娃o n s 攮也em o d e 王。】tl s 如u n d 蠊鞋也ef 撤a 圭e oa 鞋dn o x c o n c e n l f a t i o n sf mt h er e v i s e do s p mm o d c lg e n e n t e 协i p f d v e dl e v e lo f c o r r e l a t i o nw i t ht h eo b s e r v e dd a t af r o mt h er e a l - w o r l d k e yw o r d s ： s t r c e tc 柚y o n ，d i s p e r s i o nm o d e i ，o s p m o e m ，e m i s s i o n l 矗c t o r i i j e 塞窑塑盔兰堡主璺堡丝塞 1 绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 自1 8 8 5 年，德国工程师卡尔本茨发明了世界上第一辆内燃机动 车“自动车”，到如今机动车已成为了人们出行必须的交通工具，它 使人类社会的发展进入了一个崭新的阶段。汽车开始步入社会，大量 深入到人类生活的每一个角落，它快速、方便、舒适、省时、安全的 特点受到了人们普遍的欢迎。 中国的汽车工业创建于1 9 5 6 年，但生产量非常少。与此同时， 汽车的进口亦受到严格限制。从八十年代初改革开放以后，我国的汽 车制造厂不断增加，1 9 8 0 年汽车生产厂有5 6 个，1 9 9 1 年增加到1 1 0 个，生产汽车零配件的厂家已超过2 0 0 0 个。与此同时经济的快速发 展，加入w t 0 后汽车价格的下调，进口汽车的数量也急剧增加，使 得越来越多的汽车走入了普通人的生活。1 9 7 9 年我国汽车保有量只有 2 0 0 万辆，1 9 8 5 年达到3 5 0 万辆，1 9 9 5 年底，超过了1 0 0 0 万，据公 安部统计，截至2 0 0 4 年底，中国机动车保有量已达到1 0 7 亿辆，是 2 0 年前的1 3 倍【1 l i 且一直处于不断增长的态势。 随着机动车数量的快速增长，机动车尾气污染已经成为了世界各 国城市大气污染中的重要污染源。以北京市为例，据2 0 0 2 年北京市 环保局的统计数据表明，机动车污染物在大气中的排放分担率c o 为 8 3 、n o ，的分担率为4 3 ，对环境浓度影响的分担率，机动车c 0 为8 4 、n o 。为7 2 目前，中国国产新出厂汽车单车排放污染程度， 北京交通大学硕士学位论文 同美国、西欧。日本等国家同类汽车相比，约高几倍或几十倍，有些 车辆由于维修保养不善，排气污染更为严重。北京市目前的机动车保 有量为东京都和洛杉矶市的五分之一，但汽车排放的一氧化碳( c o ) 、 碳氢化合物( h c ) 和氮氧化物( n o ，) 总排放量，己超过东京都和洛 杉矶市例。 据相关部门的环境质量监测结果显示：1 9 9 9 年北京市交通环境 n o 。年日平均浓度从城区到四环外都超过国家环境标准，超标倍数在 1 4 8 3 4 0 ，超标率7 0 0 8 5 8 ；1 9 9 8 年北京市交通环境三环以内c o 年日平均浓度都超过国家环境标准，超标倍数在o 6 1 1 ，超标率 6 6 8 8 6 5 吼潜伏着发生光化学烟雾的危险。 城市作为一定区域内的政治，经济，文化中心，有着密集的人口 数量，错落的交通网络。在城市的中心地区，机动车的污染排放有着区 域的特点。机动车尾气排放高度接近人的呼吸高度，机动车排放的高 浓度污染物将严重影响并威胁道路两侧人和周围居民的身体健康。汽 车排放的一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 、铅( p b ) 、碳烟、苯井 芘( b a p ) ，对人体都有直接的危害。此外，汽车排放的废气通过其它 方式对人体还有间接影响，如：引起紫外线减少、光化学烟雾、细菌 总数增加，排气还有可能污染蔬菜、加剧温室效应等。城市道路按两 边建筑物的高度及类型主要可以分为开阔道路和街道峡谷道路两大 类型。开阔道路比较宽阔，两侧建筑物平均高度和道路宽度之比比较 小，建筑物高度参差不齐、密度较小、间隙较大；峡谷道路周围建筑 物高大，两侧建筑物平均高度和道路宽度之比大，建筑物密度大，车 辆行驶在此种道路上犹如行驶在峡谷中。开阔道路机动车尾气扩散除 了在风向和风速的影响下，发生随平均气流的输送、湍流扩散和对流 扩散外，还会受到由于行驶的机动车引起的机械湍流以及由于排放出 尾气引起的热湍流的影响；而街道峡谷地带机动车尾气扩散除了受到 上述因素的影响，还会受到周围建筑物的影响，导致污染物不易扩散， 并在高层建筑物之间多次反射，扩散机理相对复杂。 随着城市建设的发展，出现了越来越多的高层建筑。同时越来越 多的人口涌入城市，以及有限的城市土地利用面积，使得住宅向空间 发展成为趋势，其意味着峡谷型的道路类型在城市中的比例会越来越 大。峡谷型的街道由于两边建筑物的阻挡，使污染物更易聚集，不易 扩散，有发生潜在污染事件的危险。因此本文选择峡谷型街道类型作 为本文的研究对象。 机动车污染的环境影响最终表现为污染物在大气中的浓度，如何 采取有效的对策控制机动车污染源其关键在于对污染物排放因子和 污染物扩散浓度的精确量化。在可持续发展的目标下，在城市交通规 划方案的评价中，判断现在和未来的道路交通所产生的污染物浓度超 标情况的空气质量评价是重点内容，其中交通污染的排放和扩散模型 是关键【4 】o 1 1 2 研究意义 我国目前对尾气扩散模型的研究，只处于起步阶段，并没有开发 出适用于我国的尾气扩散模型。而已有的研究主要集中在适用于交叉 口和开阔型道路的扩散模型上面。近年来对应用于峡谷的尾气扩散模 型研究相对较少，进行过的研究f 要是对模型适用性的初步验证及在 模型改进上的初步探时。 o s p mfo p e r a t i o n a ls t r e e tp u l l u t i o nm o d e l ) 是丹麦环保署开发的 用于计薅街道峡谷内澎染物浓度的尾气扩散模型，其在欧洲圜家得到 了广泛应用并墩得了良好的效槊。2 0 0 3 年7 月，o s p m 模型发布了更 溉压鳇w i d a w s 雾蘑版本f 5 】，操作起求更加方便。国内近年采没毒对 该模型的进一步研究。本文拟通过对模型基础交通参数的初始化设 萋，露辩戳最凝熬尾气l | 殳集装零o e 醚旁支持建立瓣数据疼凳萋綦窭， 对o s p m 模型的排放因子计算模块进杼修正，进而提高模型污染物浓 度熬j ! 粪溺耩覆。戳就辩穰鍪静黎要参数本趣纯修芷及下一步开发适霜 于我国的尾气扩散模型提供一定的数据基础和有益的参考和借艇。 1 2 研究目标与研究内容 1 2 1 研究目标 本文要达劐以下几个研究舀标： ( 1 ) 选定蛱豁型路段，进行污染物c o 积n 0 的实地监测。硬究 污染物的实际分布规律和影响污染物浓度的相荚因素分析。 ( 2 通过模裂参数浆输入，砖模型豹模 堇续果与实测数提遴孬魄 较分折，对o s p m 模型在北京的适用性进行进步研究。 ( 3 零l 嚣雠m 鼗豢痒霹o s 挚模爨萎 敷爨子诗葵模块莲抒修正， 以实际路段为例对模型精度提简效果进行验证。 1 2 2 研究内容 本研究的主要内容觎括： 1 ) 国虑羚磺究综述： 包括峡谷内污染物扩散的规律，尾气扩散模型开发的数学基础， 尼秘鬻瘸应震予蛱签墅锈莲浓度预测戆模型霖璎分绍及瓣魄，嚣内努 4 北京交通大学硕士学位论文 研究现状和目前存在问题。 ( 2 ) o s p m 模型简介及其敏感度分析： 包括o s p m 模型的计算原理，输入参数介绍，并对重要的输入参 数进行敏感度分析，找出几个参数对模型的影响程度。 ( 3 1 实测数据的收集处理与模型模拟值的对比分析： 包括对峡谷型道路两侧气象参数、交通参数、污染物浓度的监测， 对监测结果进行分析，找出污染物浓度随之变化的因素。o s p m 模型 输入参数的测定和估算，并通过相关重要数据的收集与预测进行模型 的初识化设置。对模型在北京的适用性以实测数据进行验证。 ( 4 1 基于o e m 数据库的c 0 p e r t 基本排放因子计算公式的修正 1 3 研究技术路线 首先：选定科学院南路为实验路段，在路边各设定一个监测点。 监测点位于人行道路中间，监测高度距地面1 5 m ，使用d e m 5 1 型风 速风向计和便携式i t x 全自动分析仪对实验路段的实际数据进行监 测，得到实验路段在监测期间的交通参数、地形参数、气象参数和各 监测点污染物浓度。对监测到的气象数据，交通数据进行初步分析。 其次：对o s p m 模型的输入参数进行敏感度分析，找出各个参数 对模型模拟结果的影响程度，以便通过相关参数的修正进行模型精度 的调整。 再次：通过模型相关基础交通，车流特征数据的收集及应用统计 方法对无法获得数据进行预测，对模型进行初始化设定，、使得其可以 进行本地化的应用。将实测的交通，气象等数据合成模型的输入文件， 并运行模型，得到o s p m 模型的预测结果。 北京交通大学硕士学位论文 最后：基于0 e m 数据库，+ 以拟合北京市行驶周期计算车辆排放 因子和综合考虑车辆排气量及催化转化装置等因素的方法，将数据库 中的车辆与c o p e r t 模型对应。对于每一类车辆将其n 0 x 和c o 的 排放浓度平均分配到以5 k m 伍为间距的各个速度区间。拟合污染物浓 度与速度区间，得出基于速度的各车型基本排放因子的计算公式。并 将上述推导出的基本排放因子计算公式输入c o p e r t 模型，进行排放 因子计算模块的修正。 再次运行模块修正后的o s p m 模型，以实测数据对模型精度调整 的效果进行验证。本研究的具体技术路线如下图所示： 6 北京交通大学硕士学位论文 鼷1 1 本研究技术踌绫蟊 7 i 塞奎鋈杰堂堡圭堂焦笙奎 2 国内外研究综述 城市作为一定区域内的疑济，政治，文化中心，有着发达的交通 系绞，密集敬路怒谨为运羧静鸯檠。城枣遴鼹嚣边蠢大量豹建筑魏， 按照道路两边建筑物的平均高度同道路宽度的比值，主要可以分为峡 谷壁道路葙辨溺型道路嚣大癸型。浚谷羹遵鼹指瘸辫建筑物藏大，嚣 侧建筑物平均高度和道路宽度之比大，并且建筑密度较大的道路，车 辆在藏种道路上行驶时犹辩纷装在皎谷中。耱着城。南建设的加快，街 道两边建筑物的平均高度增加，密度增大，形成了缎多的街道峡谷。 由于大量高朦建筑物的阻挡，行驶在峡谷道路中的机动车排放的污染 物扩教缓慢，道路大气污染严重，嚣此道路峡谷中机翻车搀放污染物 质的扩散研究得到越来越广泛的重视，本章盘要讨论峡谷型道路上机 动辜邈气扩数鳇觏簿以及萤凑多 在就方囱熬磺究现竣。 2 。1 。城枣街i 慧峡谷枫动车撵放污染扩散分撰 大气中几乎时时处处存在着各种不同尺度的湍流运动。湍流的主 要特征是它的不兢刚健，即在湍流流场中存程着不同予主流方向的、 各种尺度的不规则次生运动，其结祭造成流体各部分之闽强烈的混 合。当污染物进入大气时，就在流场中造成了污染物质分布的不均匀， 形威浓度撵魔。越魁，毽 | 3 狳了疆气流捧整髂熬漂移( 大气辕送) 以 外，由于湍流的混合作用，还不断将周围的清洁空气卷入烟气，并将 烟气攀至l 餍嚣懿空气孛。这辩滚滚爨会秘交羧懿结栗，造成污染兹震 从高浓度向低浓度区的输送，使他们逐渐被分散、稀释，这样的过程 被称为清流扩散过程两。空气污染褥黪教奄遥摇就是这种大气输送稔 8 湍流扩散的综合结果。 2 1 1 城市街道峡谷机动车尾气扩散物理过程分析 在城市街道上，机动车排气管排出的物质包括：燃料燃烧后的生 成物( c 0 2 、h 2 0 、n 2 ) 、不完全燃烧的生成物c o 、未燃烧的燃料、 燃料反应的分解生成物( h c 及碳烟颗粒) 、燃料添加剂的燃烧生成物、 燃烧中杂质的燃烧生成物( s 0 2 等) 以及高温燃烧时空气成分化学变 化后的生成物( n 嘎等) 。除了排气管外，曲轴箱、化油器和燃油箱也 是机动车的排放源，它们主要排出未燃烧的烃类物质川。在以上排出 的各种物质中，除c 0 2 和h 2 0 是无害气体以外，其余的c o 、h c 、 n o ，和少量的s 0 2 微粒等都是有害成分，并且5 s 的h c 和全部的c o 、 n o ；和s 0 2 微粒等有害成分都是由排气管排出的。 城市大气污染的特点和城市气象、地形条件等多种因素有关，这 些特点决定了城市大气污染物的扩散有其自身特殊的规律。城市区别 于一般地形条件的特点包括：城市建筑增加了下垫面的粗糙度；城市 的生产和生活活动使它成为人工热源；城市污浊的空气改变了辐射收 支；城市下垫面导热率高、热容量大，并且由于下垫面干燥、植被少， 蒸发消耗的热量较少。上述的特点均构成了城市特有的污染物扩散条 件。城市中大气污染物的浓度场与污染源的分布、污染源的排放强度、 道路的粗糙程度以及气象条件等多种因素有关系。由于多数污染源的 排放强度和气象条件是随着是时间而变化的，因而城市大气污染物的 浓度场具有明显的日变化的特点【8 l 。 城市机动车污染的特点除了卜述城市大气污染的共同特征外还 与机动车污染源的排放特征和城市道路特征有关。机动车污染物排放 曩其它撼敖源媚魄京罄自己的特征：飙动车遮行过穰审，在遐酆形成 涡流，道路附近的空气湍流强度主要为这种尾流控制，机动率污染物 接救裙期，鲶子该鼹淀孛，潺滚扩散终弱显蔫鸯霆强；壤凌率捺藏懿浮 染物温度比背景温度高，在扩散初期由于热嫩的不均衡形成热湍流， 翔强了污染彩豹裙麓扩教律瘸；梳动攀辩敖深蓬整瑟磁较透，邃瑶豹 反射作用较强；机动率排放的污染物具有初速度，形成射流加强了排 放初髑酶撬渤；机动车的摊敖源商撮低，周灏建筑耨和树木辩机动率 污染物扩教影响较大。 机动车污染扩散模式研究应着隈于排放的污染物在大气中的全 部物理变化以及化学变化规德。但是出于这魑污染物进入大气后，蓄 先受到危害的是道路两旁的行人和居民，特别是国内居民出行时间集 中，长露闯巍接暴露于蹇浓度瓣奏害气髂孛，酝受瓣蔻害更鸯羹严重。 基于这一点，污染扩散模型成当重点反映城市内部的扩散运动规律。 这羹微小尺璇静透殛污染阕麓可敬不考瘩巍健学反瘦，瑟各释污染耱 的扩散运动逆循相同的物理舰律。在这里，主要考虑尾气中的c o 、 h c 和n 。x 程气象条停下的健输和扩散。 最 阳光辐射逆涅层 c = 代 嗣2 1 销蠛蛱答机动事尾气拶散过程捌 1 0 街道峡谷内部的扩散运动是分析城市机动车排放污染规律的基 础。图1 表明了城市汽车排放污染物扩散的基本过程：行驶的汽车排 出的污染物组成污染源s ，源强s 由道路上总车流量和车辆的排污率 来决定。车流量越大，源强越大；车辆排污率越大，源强也越大。确 切地说，每小时通过道路任一截面处的车流量为该道路车流率n 。源 强s 与车流率n 和排污率q 成正比。污染物在三维空间内扩散，扩 散过程受到风的强烈影响，垂直方向上在h 高度内湍流混合，h 为本 研究在z 方向上的研究高度。污染物在空间的扩散方式主要是风和湍 流扩散。其中，屋顶来风在街道峡谷内部及近空的流场发生变化，产 生绕流、下洗及渠道效应等现象，形成漩涡形气流。风是使污染扩散 的最主要的方式。风速u 越大，污染物扩散的越快。湍流扩散包括水 平方向上的湍流扩散和垂直方向上的扩散。水平方向上的湍流扩散比 起风的传输作用要小，但静风时，湍流扩散起主要作用。在垂直方向 上，湍流扩散起主要作用，混合物在混合层内( 或逆温层下) 进行强 烈的湍流混合。另外，街道的几何形状和街道两侧的建筑物因为影响 了街道内的流场，因而对道路上污染物的扩散也有很大影响。汽车排 放物在这种特殊结构的流场中发生随平均气流的输送、湍流扩散及对 流扩散，在峡谷内部产生不同的污染浓度。 2 1 2 城市街道峡谷机动车尾气扩散数学模型 机动车排放的污染物质进入大气中后，作着复杂的运动，这些运 动包括：随着大气的迁移运动、污染物的分散运动以及衰减转化运动 等。 ( 1 ) 推移迁移运动 北京交通大学硕士学位论文 推移迁移指污染物在气流的作用下产生的转移作用。推流作用只 能改变污染物所处的位置，并不能降低污染物的浓度。在推流作用下 污染物的迁移通量可按下式计算【9 】： 一“，c ， - y c ， ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) h z c ( 2 3 ) 式中，f x 、f y 、f z 为x 、y 和z 方向上的污染物推流迁移通量；u x 、u y 、 u ：大气在x 、y 和z 方向上的流速分置；c 为污染物在大气中的浓度。 ( 2 ) 分散作用 污染物在大气中的分散作用包含三个内容：分子扩散、湍流扩散 和弥散。 分子扩散是由分子的随机运动引起的质点分散现象。分子扩散过 程服从裴可第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度 成正比【1 0 】： 弘也詈， ( 2 - 4 ) d xr ，4 、 争也詈， ( 2 _ 5 ) ，：。一民警( 2 6 ) 式中，i 。1 、i y l 、i ：1 为x 、”z 方向的分子扩散污染物质量通量：e 。 为分子扩散系数。 湍流扩散是湍流流场中质点的各种状态( 流速、压力、浓度等) 的瞬时值相对于其平均值的随机脉动而导致的分散现象。当流体质点 1 2 的紊流瞬时脉动速度为稳定的随机燹量时，耀流扩敢耀律可以崩装司 第一定律表遮为f l o 】： 霹- 罐，善， 争鸣詈， ( 2 - 8 ) 乒也詈 ( 2 - 9 ) 式中，i x 2 、i ，2 、i z 2 为x 、y 、z 方向由湍流扩散簿致的污染物质蠹通薰； 蠢、嚣y 、逢为x 、y 、z 方囊豹溃滚扩效系数；石为黪耀平均熬污染甥 浓度。 弥散终翔蓿由空润各熹滚流流速( 或其京获态) 的蓦雩平海蓬与流 速时平均值的系统差别所产生的分散现象，其是由于横断面上实际的 流速不均匀g i 起的。宦所导致的质量遇量也可以仿照装可第一定律表 达【1 0 1 口一俄誓， ( 2 _ 1 0 ) 争一q 詈， ( 2 - 1 1 ) 乒啦誓 ( 2 - i 2 ) 啦 式中，i x 3 、l 、1 、l z 3 为x 、”z 方向由弥敞作用姆致的污染物质甓通量； d 。、d ，、d 。如x 、y 、z 方向的弥散系数；享为湍流时平均污染物浓度 搿l2 撼l 平鼙琅 。 托京交通大学硕士学位论文 撼述大气辍送和扩教有瑗狩基本途径，瓣欧拉方法和拉接朗日方 法。欧拉方法相对予固定坐标系描述污染物的输送与扩散。控格朗日 方法翻援跟穗滚葵移动豹粒子寒攥述污染物浓凌及冀变纯。涎摹中方法 采取不同的擞型描述空气污染物浓度的数学波达式，都能正确地描述 清流扩散方耩。僵在实舔运溺串，霉释方法繇有一是静困难。萋予上 述两种方法，并采用定的假设和简化处理，形成了目前广泛应用的 描述大气中游染物湍流扩散j 踅程的两个基本瑷论：梯菠输送理论和滴 流统计理论。 ( 1 ) 梯度输送理论( k 理论) 该理论鼹予欧拉方法，絮讨论在空间固建点上由乎太气端滚运动 而引起的质嫩( 污染物浓度) 通量。根据梯魔传输理论，湍流的通擞 歪毙予该嚣定点上戆浓度梯发，1 其魄钢系数稼袭滚滚扩敖系数，滔稽 号k 表示，因而梯度输送理论又被称为k 理论。应用k 理论使平均 浓痰静连续方程褥至l 闭合，觚蠢褥弼了污浆秘浓囊豹平流扩散方糕 f 1 0 】。 等_ 砉( 置。等) + 寺( x ，等) + 吉f 茁，菩) 仁，。， 式孛，虿为污染兹熬警垮浓发；、拦，、墨分剩表示善、y 、：方囱 的湍流扩散系数。空气污染物输送问题的数值模拟大部分是围绕平流 扩散方程的求解而震歼的。 ( 2 ) 湍流统计理论 该理论的研究方法是追踪个别空气微团的运动因而属于拉格朗 曩方法。近撼层大气总是处予漶渡运动虢态。在充分发爨豹漩滚中， 速度和其他的特征鼍都是时悯和空间的随机擞。即湍流运动具有高度 疆撬憔，毽怒，怼予大量徽溪豹运动嚣言部突鸯一定豹凌毒 麓律蛙。 湍流统计理论就是从磺究溃溅脉动场的统计燃质出发，如糖关、溃强、 湍谱锌，描述流场中扩散物质的散布规律。统计途裰解决扩散问题与 梯度羧送理谂不同，窀是麸磺究个裂溅体徽黧妁运动历史入攀，并攥 此确定代表扩散的各种统计性质。 在平稳、殇每静滚滚靛缓定下，霹戳 蒌鞠粒子扩散经移静概率分 布符龠正态分布形式。因此按照统计理论的处理途径，假定概率分布 函数的形式为高薪分布，倭胃戮褥戮相应翡连续熹潦潮流毒麓扩散公 式，这是一种至今应用最为蒋遍的大气扩散公式1 1 0 1 。 巾m 咖矗击 一 ( + 剐 。、 蓿进一步考虑地面和逆溆层底对污染物的反射作用，即可获得封 耀型骢褰戆扩教公式。 2 。1 3 影响城市街道峡谷机动率污染扩数的觳素分携 影响城市大气污染物扩散传输的豳素很多，而对于街道污染这种 局部尺度范酗的污染，箕主要考虑的鬻素是掰i 向、有效源高、风速、 湍流扩散系数簿。其中城市街道峡谷中，由予我们研究的是机动车的 排气污染，有效源高怒基本确定的，不需要特别考虑；污染物扩散主 要与大气稳定度毒关，因此考虑熙囱：风速、漩滚( 包括瀵激扩数系 数) 、逆温层底、混合层等的影响。豳于街道峡谷内流场变化的复杂 洼，学致7 冀浓凄场羧蓬模数诗算秘瓣难缀大，因魏，本礤究将其它 影响因素加以简化，只考虑主要影响因素的作用。 ( i ) 污染深强度对浚谷燮遥辫大气浮染扩教瓣彰哟 机动车在通路上行驶，排放的尾气形成污染源，源强由邀路上总 车流纛和车辆的拂污率决定。机动车瓣放源强同道路污染杨扩散浓度 成正比，排放源强越懿，越不利予污染物质的扩散，邋路污染也就越 严重。 ( 2 ) 风对蛱谷型道路大气污染扩教懿影穗 风有风向和风速两个要素。风对大气中污染物起到的第一个作用 是整豁簸送撵熠，舞戳菇囊决定了污灏凌懿逶移方囊，使褥浮繁添懿 下风向地区的污染比上风向地区高。风的第= 个作用怒对污染物的冲 淡稀释律震。斑速越大，擎毽辩闯肉混入矮气串懿溥溶空气惫多，稀 释愈快；反之，风速愈小，稀释愈慢。 ( 3 ) 湍流扩散系数对峡谷型邋路大气污染扩散的影晌 湍流扩散系数反映的是大气稳定魔对污染传输与扩散的影响。实 际上，逆温层底高度、混合层商度、风速和湍流扩散系数的变化都是 大气稳定度的一种反映。污染物的输邀过程毽摆质量竣遴、动爨输送 和热量输送。网此大气湍流引起的强烈的交换和混合必然大大加快污 染物豹扩教速率。渡滤扩教率爨分子扩散速率簧挟1 0 5 ，l 莎绩。漩滚莛 强，污染物的稀释扩散速率就趟快，大气污染物浓度就不会形成堆积。 掰懿滚流是决定污染貔在大气中扩散稻释鹃重甏嗣子。 ( 4 ) 地理条件对峡谷型道路大气污染扩散的影响 魏理条彳串也是影响蛱谷型邋路污染物扩散的重要戮素。出于城市 街道峡豁污染扩散的研究范围限于街道内部，地理条件的影响主要是 街道的几何形状，包括街道两侧建筑物和树木的密集程度，高度和高 度分布，街道驰长宽发等尺寸，这些都会对锈遵蠹部大气匏滚动技瑟 产生影响，进而对污染物的传输和扩散产生影响。 1 6 2 2 。城市街道峡谷机动车排气污染扩徽研究国内外现状 对街道峡谷内大气流场及其近空污染状况的研究始于2 0 世纪6 0 年代，国内外学者先后建立了一些模型来模拟计算街道峡谷内流场的 分布及污染物的浓度分布。城市街道峡谷污染模式着重反映了街道峡 谷内部的传输、扩散及消散的运动规律，这类微小尺度的近场污染问 题通常不考虑光化学反应，并假定各种污染物的扩散运动遵守相同的 物理规律。目前用于研究城市街道峡谷污染物传输与扩散的方法主要 有数值模拟法、实地测量法和物理风洞实验等。 ( 1 ) 数值模拟法 随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学( 已从最初的简 单应用发展到今天大量地应用于解决复杂的实际工程问题。对街道峡 谷内部流场特性和污染物扩散问题的数值模拟开始于9 0 年代。流体 力学中描述流体运动的核心是纳卫尔一斯托可( n a v i e r - s t o k e s ) 方程 【1 1 】，各种数值模拟都建立在该方程基础之上，可以针对不同的研究对 象做不同的简化得到各自适用的模型。在街道峡谷扩散模型中，由于 流体速度较低，流体均被视为不可压缩的。 ( 2 ) 实地测量法 对街道内部污染物的浓度场和速度场分布可以通过实地测量的 方法获得，但实施上受到许多条件的限制，许多城市环境监测点在数 量和方位上往住偏少。实测数据可以拟合成各种大气污染预报模型。 ( 3 ) 物理风洞试验 物理风洞模型研究关键在于能否在风洞中复现大气边界层的动 力学和热力学重要持征。风洞模拟实验必须满足一组相似准则否则 不充分的边界条件和不完全准确的比例换算会导致误差。 1 7 2 。2 。l 街道峡谷机动攀攘气溺染扩数模型 从上世纪7 0 年代起，囡内外科研人员即开始开发用于衡道峡谷 的扩散模型，多年来又不断改避和开发新模式。街邀峡谷内污染物扩 教横趔主要包括经验模式和数值模式两类，题前国鲤开发的这嚣类模 式很多，在应用上也备有特点；数值模式可以充分模拟街区内流场情况， 但对于秘动攀运动孕 超熬枫拨漶浚颡热渍滤难致摸羧，越终，由于数绫 模式凝求对研究街区的地形进行详尽的描述，而且计算过程飘杂，一般 纹瘸予科学磷究；经验模式茭孽戳逶进零l 入褪始扩散参鼗熬方法勰凌 机动牢引起的热湍流和机械湍流，但初始扩散系数的物理意义难以精 确掭述。经验模式昊有输入簿荜，运算侠酌特意，因藏，在基予环境评徐 和控制法规确定的决策性研究中被广泛采用。 模式的歼发和梭验通常以现场篮测、野外示踪剂试验积风洞模拟 试验豹结果为基础。衡道峡豁污染物扩教模型基本结构如图2 。2 所示： 圈2 - 2 街递峡谷尾气扩散模型基奉结构图 国际上已有的可用于街道峡谷的麾气扩散模型如下； 袭2 1 用于街道蟪替的尾气扩散曩型 模型开发者短评 s 1 r e e 一1 j o h n s o n 基于箱休假设，拟合实翘l 数据得剿预测污 美国染物浓度的馘验模式 a p p s l l 3 l 强奉桃械协会窘寄处理峡豁内浓度分布蝗 a 船s - 凹m 子模式 ( 粉鞋l l q 堍m 越辣， 禽褰糖饕建帮毒疑垂援凌簿茬巍鬻遂装骞 德国烟羽箱模式 c a r 嘲e m m e 1 霸 对角子餐遘冁答秘不对称形菰峡耱污染鞫 荷兰 浓度的预测 n e r l o s r m 嘲 挪威环谍崭主簧应用于销遵峡答 j 队1 1 ，1日本e p a 非离斯，是基予r o b e 嫩解和大敷示踪剂 实验数据的半经验模式- 对不同的风向分 裂拥l ；计算。 o s p m l 埘 丹麦环保罂由一个烟羽扩敞模式和一个箱模式组成， 广泛蠹器手衡递挟答 一f 嚣黯尼个麦要峡签莲鼹扩鼗搂甏匏嚣 攥巍结= | 鸯热叛筵攀奔绥。 ( 1 ) s t r e e t 模型 s 碌e e t 模囊宙荚国j o h 赫s 锄等久在街瀵获谷肉糯场筮溺数据凳 基础开发的。模型基本原理是把街谷巢一高度内的谷间视为一个箱体， 并假设污染秘在垂直穷向均匀分布，拟台实溯数据得捌预测溜染物浓 度的经验公式，对于二维街道峡谷，幽屋顶风向与街道垂直时，衡谷 内的7 i 流会形成旋涡环流，街谷地面风向与憩筑物餍顶风向相反，污 染物技输送予媚过屋顶风向舱风测，导致上风侧污染物浓度高于下 1 9 风侧。并假设污染物在垂直穷淘均匀分毒，拟合实测数据得到预测辫 染物浓度的经验公式。其上下风向爨体点的污染物浓度计算公式如下 爱汞； 嵋+ 再蘸与司沼国 e 抽+ 若辫 泣 式中，c h e 釉c l u v 分别为衡道峡貉内相对愿顶风的上风侧釉下风侧 的受体点污染物浓度；c b 为峡谷上面的背景浓度；u 为屋顶风速；u o 为最，j 、疆释参数；q 为交通率道的摊敦强度；x 翻z 分别为受体水平和 垂直方向距率道中央的距离；l 0 为污染物初始混合长度；h 和b 分 裂隽筏遭宽度秘建筑糖裹凄；菱秀缎验豢数。 ( 2 ) 凹b m 模型 c 糟醚( e a n y 锄飘社m e b i 嗽m o d 模型 羟y a m 8 撼& 等久开发， 该模型含有箱模式和商斯型模式的特征。当峡谷内无涡流流动时，假 设烟羽治峡铃方向移动，予怒对于每个交遴车道的污染物扩散，通 过对稿i 斯烟流方程沿峡谷长艘进行数值积分求污染物浓度：当峡谷内 存在涡流时，将高斯烟羽模式的概念与因涡流致使反复循环的污染物 禧模式豹概念楣结会便褥到该模囊。另羚，该模型还考虑了清洁空气 的侵入和夹卷引起下风侧浓度的不均匀性，禽有沿峡谷向排放速率的 交毽。壤受投据瑶场麓测数攥零到城审餐遣鹱答内气滚窥溱浚臻懿麓 单模式，然臌作为模澄的输入参数。 ( 擎b 瑙为c 跨醚模垄豹敬逶敝，并手1 9 9 8 年1 0 月矮奄c p b 3 版本。该模烈可以处理不同的街道峡谷类型，包括半狮峡谷以及地形 2 0 弯曲峡谷等，处理熊黉道峡签赢宽毖从l 岱剡4 。模型的竣入参数除 街道类型外，只需峡褥内每小时的交通排放数据。 ( 3 ) j e a 模篷 日本e 只a 开发的j e a1 1 3 】模式为非高斯，是基予r o b c n s 解和大 蔽示稼麴实验数据熬擎经验模式。腿a 方翟最将风速狂扩敬蒸数作为 高度的函数求解微分方程，并以大阪府扩散实验数攒为依据确定出扩 散参数。该模式对予镰直风( 4 0 。( h 9 0 。) 、平行风( o 。 = 酝o 解髀m l 附( v l 聪) ( 4 一1 ) 式中m o w t 表水空气的摩尔质擞，通常取2 8 9 ，v 表示1 摩尔 空气淼标准状态下酌体积，通常取2 2 4 ，即m 为实际麓测的c o 的浓 度度数。 将得到裔qc o 浓度数据转化成为质量浓魔数据，取监测时段内8 个小时的平均俊，可以褥到e o 的毯平均浓度夏季为2 5 8 m g 妇3 ，冬 季为2 9 1 m g ，m 3 ，均达到国家环境空气质量：级标准# 而高蜂小时的 e o 瓣均浓度爱季魏3 蛐咖乇达爨? 国家巅：凌空气凌纛= 缀据准； 冬季为4 6 m m 3 ，越过了国家环境空。c 质量墨级标准的限值，只达到 三级棘准。这每冬季豹菇速较僬，气象象箨不弱予污染物扩数有关。 ( 2 ) n 0 2 浓殿均值随时间变化图： _ h _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - 。_ _ _ 。“”。_ _ _ _ 。“”。”一一 焱燮通太学磷士学健论文 本文援到爨n 0 2 瓣戏测浓度僮；露梵在实际监测n o x 浓度数过程 中，笈现n o 。中豹浓度戳低，基本上便携式r 浓麓分析仪无法 褥到n o 靛浓渡，这燕静手交通污染秘串n o 静浓度本慕就檄低，绝 大多数的氮轼纯食物是以n 0 2 的形式存在的。鞠而下磷只列出n 0 2 的滚艘德随时阔麓变化隧。 图4 * 1 1 夏季n 0 2 平均浓度值鼬时间变化阐 瓤凿中胃戳餐出，夏擘对益测点i 的n 0 2 浓度大部分低子滥测点 2 豹浓度，分辑嚣因为夏季对簸测点l 鲶j = 上风淘的频率离，其受映 谷内垂直湍流影响大，而风速和| | | 艇谷内的湍流强廉呈正相关。又因为 爱季时驹风速较大，由风速引起的峡谷内淌流增强，使褥艇测点1f f j n 0 2 浓度与上层大气的交换加快。下风向舱测点2 的污染物浓度则1 ： 蒙受桃动车湍流影响，萁对扩敞懿影鹃小于湍浚影豌。 因丽对大部分时阅处乎上风向的数测点l ，n 0 2 澎染物$ b 对窭秘 扩数，茭浓度低予整测纛2 。 图4 1 2 冬季n 0 2 平均浓度值随时间变化图 冬季时的n 0 2 监测浓度平均高于夏季，因冬季时的平均风速较低， 气候条件不利于污染物的扩散。从图中可以看出，监测点1 的n 0 2 浓 度大部分时间高于监测点2 ，部分浓度低于监测点2 。因为冬季时监 测点1 大部分时间处于下风向，其受上风向水平输送的污染物影响和 机动车扰动湍流的影响大。 部分监测点1 的n 0 2 浓度低于监测点2 的原因为，太阳辐射的增 强和温度的提高使得n o 和n 0 2 的平衡向n 0 2 方向转化。 从上面污染物c o 和n 0 2 浓度的监测结果可以得出：上风向监测 点的c o 和n 0 2 污染物浓度低于下风向监测点浓度；风速影响污染物 浓度的扩散，j x l 速高时峡谷内污染物浓度降低。 根据国家空气环境质量标准的规定，可以对n o ；污染物浓度 是否超标进行判定。 北京交通大学颂：b 学位论文 裹4 2n 岛空气质量标准( 单位：m g m ) 1 3 6 l 浓度限值 污染物名称取值时间 一级标准二级标准三级标准 日平均0 0 8 0 0 8 o ，1 2 = 氧化氮 l 小时平均 0 1 20 1 2o 2 4 按式( 4 1 ) 将n 0 2 的浓度转化为质量浓度，取监测时段内8 个 小时的平均值，可以得到n 0 2 的日平均浓度夏季为o 0 6 m g ，m 3 ，达到 国家二级标准；冬季为0 0 7 8 m g m 3 ，同样达到国家二级标准；而高峰 小时n 0 2 时均浓度夏季为0 7 8 m g m 3 ，达到了国家二级标准；冬季为 o 1 5 m 咖3 超过了国家二级标准的限值，为三级标准。可见，该路段 冬季的n 0 2 高峰时段的时均浓度没有达到居住区的环境质量要求，处 于超标状态。 4 3o s p m 模型的初始化 在应用o s p m 模型进行污染物浓度预测之前，需要对模型进行初 始化设置。因为o s p m 模型默认有丹麦和其他欧洲国家的基础数据文 件。如果不对模型数据重新设置而直接应用，会产生较大误差。所以 应该对其中重要的基础性文件进行本地化修改。 0 s p m 模型即可对应用地区当前的污染物浓度进行计算，又可对 该地区未来污染物的浓度进行预测。因此其基础数据文件包括现在和 近几年的观测数据及未来年份的预测数据。 o s p m 重要的基础数据文件包括用于计算交通污染排放浓度的基 础交通数据文件：不同年份的分车型机动车保有量：不同车型的比例； 车里程累计率：油品构成文件，因为油料的构