（环境工程专业论文）天津市机动车尾气颗粒物污染特征研究.pdf

摘要 摘要 近年来，我国机动车保有量迅速增长，正从煤烟型污染向煤烟、机动车尾 气、开放源复合型污染转变。机动车尾气污染已成为严重的污染，加之国内汽 车排放水平较高，汽车维修保养不善，城市道路交通拥堵，势必引起城市空气 质量的不断恶化。因此本文在天津市环境空气质量现状调查和实测的基础上， 建立了天津市机动车尾气颗粒物污染特征研究方法，定量评价城市机动车尾气 颗粒物污染排放状况，采用扩散模型模拟机动车尾气颗粒物污染状况，为政府 有关部门制定环境管理制度，合理制定城市规划和建设管理提供决策依据，具 有重要的实用价值。 本文建立了天津市机动车尾气颗粒物污染特征研究的方法，包括机动车尾 气颗粒物排放特征研究和机动车尾气颗粒物浓度空间分布研究方法。根据天津 市车型划分和保有量状况，计算了2 0 0 4 年天津市中心城区机动车尾气颗粒物年 排放量为0 3 1 2 万吨，在分车型排放量分析中得出重型柴油车和中型柴油车的 贡献率最大。运用i s c l t 3 扩散模型，模拟了机动车尾气颗粒物浓度时空分布， 模拟结果显示颗粒物浓度从市中心向郊区呈现比较明显的递减趋势，得到天津 市中心城区机动车尾气颗粒物平均浓度为0 0 1 5 2 m g m 3 ，浓度分担率为1 3 5 。 在此基础上，预测了天津市中心城区2 0 2 0 年四种不同情景下机动车尾气颗粒物 的年排放量和浓度趋势。预测结果显示机动车排放颗粒物浓度随执行的机动车 排放标准不同呈现明显的变化趋势。针对以上问题，提出控制天津市机动车污 染应该采取的措施和建议：贯彻机动车尾气控制标准，加强在用车的管理，重 点控制公交、出租和专业物流的机动车污染，严格控制车用油品质量，加快道 路建设，积极发展公共交通和轨道交通，开展道路交通环境空气污染监测，建 立车辆污染数据库。 关键词机动车尾气颗粒物污染特征排放量浓度 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e my e a r s ，山e 锄o s p h e r i cp o l l u t i o nh a sb e e ng r a d u a l l ym o r es e r i o u s ， w h i c hi s 仃a n s f o 订r i i n g 舶mc o a l - b a s e dp o l l u t i o ni n t oc o m p o s i t ep o l l u t i o n t h e n u m b e ro fm o t o rv e h i c l e si no u rw h o l ec o u n n yi si n c r e a s m gr a p i d l y t h ee i l l i s s i o n l e v e lo fv e h i c l e sm a d ei nc 1 1 i n ai sh j 曲e r 山a no t h e r s t h ei m p r o v e m e n ta i l d m a i n t e n a n c eo fv e l l i c l e sa r en o tq u i t eg o o d ，u r b a l l 订a 伍ci sv e r yc r o w d e da n d 山e p o p u l a t i o n c o n c e n 仃a t i o ni s q u i t el l i g h ，w l l i c hd e t e r i o r a t et 1 1 eu r b a na i rq l l a l i 够 t h e r e f o r e ，i ti sq u i t en e c e s s a r yt oc a l c u l a t et 1 1 ee m i s s i o na m o u n to fv e h i c l ee x h a u s t p o l l u t a n t s m o r e o v e r ，w ea p p l i e dad i s p e r s i o nm o d e li n t ot h ea n a l y s i so f 订a 任i c p 0 1 l u t a n t sd i s t r i b u t i o n ，b yu s i n gt h ee n v i r o n m e n t ，n 。a f f i cv o l u m ea n dm e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n s a uo ft l l ew o r ki so fg r e a tv a l u ea sab a s i sf o rg o v e m m e n tt oe s t a b l i s h e n v i m n i n e mm a n a g e m e n ts y s t e m ，u r b a l lp l a n n i n ga i l dc o n s t r u c t i o nm a l l a g e m e n t 1 1 1 i st 1 1 e s i si so nt 1 1 eb a s i st l l a tt h ee n v i m 姗e n t a lc u r r e n ts i t 岫t i o no fa i rq u a l i t y o ft i a i 巧i ni si n v e s t i g a t e da n ds u n ，e y e d ，a c c o r d i n gt os t y l ed i v i s i o na n dr e c o v e r 曲1 e a n l o u n ts t a t eo fv e l l i c l e ，t l l e 籼u a le m i s s i o no fp a r t i c u l a t em a t t e ro fu r b a nm o t o r v e h i c l ee x h a u s to ft i a n j i ni s 3 ，1 2 0 t o n si n2 0 0 4 ，t h ed i v i d e d s t y l ee m i s s i o n c o n t 抽u t i o nr a t eo ft h eh e a v y d u t yd i e s e lv e l l i c l ea 1 1 dm e d i u m s i z e dd i e s e lv e h i c l e a r em o s t1 a r g e s t b yu s i n gi s c u 3m o d e l s ，t l l es p a t i a la i l dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no f c o n c e n t r a t i o no fe x h a u s tp a n i c u l a t em a t t e ro fm o t o rv e l l i c l ei ss i m u l a t e d ，血e s i m u la t i o nr e s u l tr e v e a l st h et r e n d 印p e a r so b v i o u s l yd e c r e a s i n gf b mc i t yc e m e rt o t h es u b u r bo ft h ec o n c e n t r a t i o no ft l l ep a n i c u l a t em a n e lt h ea v e m g ec o n c e n 仃 l t i o n o fu r b a l lm o t o rv e l l i c l ee x h a u s tp a n i c u l a t em a t t e ri so 0 15 2 m m 3 ，t h es h a r i n gr a t e o fc o n c e n t r a t i o ni s15 5 o nt h i sb a s i s ，w eh a v ep r e d i c t e dt h ea i u l u a le m i s s i o no f e x h a u s tp a n i c u l a t em a t t e ro fm o t o rv e h i c l eo ff o u rh n d so fd i 髓r e ms c e n e si n2 0 2 0 t h ep r e d i c t e dr e s u l ti n d i c a t e ss u r r o u n d i n ga i rv e h i c l ed i s c h a r g ep a r t i c u l a t em a t t e r c o n c e n t r a t i o nd i 丘色r e n tt oa p p e a rt h eo b v i o u sv a r i a t i o nt e n d e n c yw i t hv e h i c l e e m i s s i o ns 协d a r dc a r r i e do u t t ot h ea b o v e m e n t i o n e dp m b l e m s ，w ep u tf o n v a r d t h ec o n t r o lm e a s u r ea 1 1 ds u g g e s t i o nw h i c hs h o u l db et a k e ni na u t o m o b i l ep o l l u t i o n a b s t c o n 廿0 1 l i n g i n t i a n j i n ：c a r r y i n go mt h ee m i s s i o ns t a n d a r do fm o t o rv e l l i c l e ， c o n t r 0 1 1 i n gt ou s em ec a rt oi i l s p e c t m a i n t a i ns y s t e m ，e s p e c i a l l yc o n n d l l i n gm e p o 儿u t i o no fb u s ，切x ia n dt h ep m f e s s i o n a ll o g i s t i c s ，c o d 由吣l l i n gu s e do i lq u a l i t y s t r i c t l y ，s e n i n gu pt h ed a t a b a s eo fv e h j c l ea b o u tm ep o i l u t i o n ，a c c e l e r a t i n gm e c o n s 仃u c t i o no f m a d ，油p l e m e n t i n gt l l es i g i l _ m a i l a g e so ft h ev e l l i c l e k e yw o r d s ：e x h a u s tp a n i c u l a t em a n e ro fm o t o rv e l l i c l e ，c h a r a c t e ro fp o l l u t i o n ，t h e t o t a le x h a u s t ，c o n c e n n 砒i o n i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全解南开大学关丁收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本秘电子敝，并采愆影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部f 域者机构送交论文的复印件和电子舨；存不以蕊剩为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名如班哼。 俨z 年厂月叼日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解管后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时闻：年月 日 各密级的最1 支保密年限及书写格式规定如下 j ”一一。 i ! 一一。j “。“? 。? ”i ”17 。一”_ 。j “一i i | 内部5 年( 品长5 孥，可! 于5 年) 。 i 一 i 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) _ l 机寮2 0 年( 最长2 。攀，可少予2 0 年) 一_ 南开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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：辛侈1 破 彭年f 月叼日 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 1 1 1 机动车污染对环境的影响 在一些发达国家，城市交通己经成为城市空气污染的首要影响因素。中国 大中城市的交通空气污染已经成为城市环境的主要问题之一。随着改革开放以 来中国经济的发展，机动车产量和保有量也随之迅速增长。近年来，我国机动 车保有量年平均增长率超过l o 。机动车保有量快速增长的趋势在大、中城市 表现得更为明显。9 0 年代以来，北京市机动车保有量年平均增长率达到1 7 4 ， 2 0 0 0 年总量达1 5 0 万辆，2 0 0 4 年己突破2 0 0 万辆，比专家预测的时间提前了7 年。天津市机动车保有量从2 0 世纪9 0 年代初的2 0 万辆发展到2 0 0 3 年已突破 1 0 0 万辆。广州市区1 9 8 4 1 9 9 7 年间机动车年平均增长率为1 6 5 ，1 9 9 8 年总 量达1 1 0 万辆。随着我国大、中城市机动车保有量的迅速增长，机动车排放造 成的城市大气污染己成为热点问题。在北京、上海、广州等大中城市，大气污 染类型正从传统的煤烟型污染向煤烟型、机动车尾气型、开放源复合型污染转 变”。 机动车排放的主要污染物为c o 、h c 、n o x 和颗粒物。机动车排放到大气 中的微粒大多数是直径小于1 微米以下的固态物质和液态物质，以气溶胶、烟 雾、尘埃等状态存在于大气中。汽油机和柴油机所排放的微粒是不同的，汽油 机排放的主要是铅化物、硫酸盐以及一些低分子物质；柴油机排放的颗粒物是 类似石墨形式的含碳物质，其中凝聚和吸附了相当数量的高分子可溶性有机物， 这些有机物包括未燃的燃油、润滑油及其不同程度的氧化和裂解产物。总体来 讲机动车颗粒物以小粒径为主，其峰值粒径一般小于1 o 岫。由于小颗粒物可 长期悬浮于大气中，造成诸多不良影响。粒径界于o 1 1 o 岫的颗粒物对太阳 光的散射和吸收作用是导致能见度下降的主要因素之一。颗粒物和s 0 2 等气态 污染物的共同作用对呼吸系统的危害严重，随颗粒物粒径减小其上吸附多环芳 烃等有机物的趋势增加，它们一旦被吸入，可深入到肺部深处长期滞留，诱发 第2 章绪论 呼吸道疾病且具有致癌性。研究表明，交通发达地区肺炎、哮喘等呼吸系统疾 病的发病率高于其它地区f 2 】。 1 1 2 机动车尾气颗粒物污染发展趋势 我国城市颗粒物污染普遍严重，北方城市污染程度相对重于南方城市。1 9 9 7 年，4 7 个北方城市平均浓度为3 8 1 p m 3 ，4 6 个南方城市平均浓度为2 0 0 u g m 3 。 近几年来，机动车排放对大气颗粒物的贡献值和分担率的增长幅度很大，城市 机动车排放的颗粒物已经成为大气颗粒物的一个不可忽视的重要来源，造成的 污染也日益严重。南开大学环境科学与工程学院的研究人员测得几个城市机动 车排放的颗粒物对大气中t s p 和p m l o 的贡献值和分担率m ，5 ，6 】如表1 1 所示。 表1 1 四个城市中机动车排放的颗粒物对t s p 及p m l o 的贡献值及分担率 表1 2 天津市不同年份机动车排放的颗粒物对t s p 两季及全年贡献值及分担率的比较 从表1 _ 2 中可以看出，机动车尾气污染呈加速上升趋势，机动车尾气的污 染己从十年前的较小贡献，发展到今天决不可轻视的程度，如不加以很好的防 治，将会带来严重的问题。 1 1 3 我国机动车尾气颗粒物排放水平 虽然中国大、中型城市的机动车保有量小于发达国家类似规模的城市，但 由于单车污染物排放因子较高，使得中国大型城市机动车排放污染物总量已经 超过国外同类城市。与国外先进国家相比，我国机动车尾气控制起步较晚，发 2 第一章绪论 展较低，相应的机动车排放因子相对较高。表1 3 列出北京和美国2 0 0 0 年机动 车尾气p m l o 和p m 25 排放因子。北京和美国2 0 0 0 年p m l o 排放因子的比较7 1 如 图1 1 所示。 表1 - 3 北京和美国2 0 0 0 年机动车尾气p m l o 和p m 25 排放因子( g ，l ( m ) 3 车速取北三环西路的平均车速3 5 l ( 1 t 1 ，l l ； 6 北京由于柴油轿车和轻型柴油车非常少，因此未做计算。 图1 1 北京和美国机动车尾气p m - o 排放因子比较 从上述结果的对比中，可以看出：北京市机动车p m l o 和p m 25 的平均排放 因子很高。汽油车( 包括轿车、轻型汽油车、中型汽油车和重型汽油车) 的排 放因子分别是美国同期水平的2 3 1 3 倍，摩托车排放因子是美国的2 6 倍，其 中，公共汽车的排放因子水平差距较大，是美国的3 3 倍，说明我国城市机动 第一章绪论 车在实际运行状况下的平均排放水平很高。 1 1 4 国内外研究现状 目前，国外对于机动车污染特征的研究，在机动车排放因子和线源扩散模 式方面比较充分。 1 1 4 1 机动车排放因子的研究 机动车排放因子是指单辆机动车行驶单位里程排放的污染物量，一般以 鲫为单位来表示。它是反映机动车排放状况的最基本参数，也是确定机动车 污染物排放总量及其环境影响的重要依据。因此确定机动车排放因子的意义在 于量化机动车的污染状况，为进行机动车污染控制的科学决策提供重要依据。 目前，为了满足不同层次研究的需求，已经形成了几种比较成熟的方法。 ( 1 ) 台架测试法 台架测试是在转鼓试验台( 底盘测功机) 上模拟汽车实际行驶条件并对其 排气进行取样与检测的一种方法。测试程序( 工况) 是模拟汽车在典型道路上 的运行状况而编制出来的。测定时，汽车在转鼓试验台上按照既定程序运转， 用规定的方法和仪器进行取样，测定各有害成分的排放浓度或排放量。用台架 测试法测试得到的排放因子能反映出实际使用中的机动车的平均排放水平，而 且其测试结果是机动车综合排放因子模式计算重要的基本输入参数哺j 。 这种模拟工况的试验方法可以近似地再现实际行车工况，但在实际使用时 尚存在一些问题：要求配备复杂而昂贵的大型综合气体分析仪、转鼓试验台以 及按试验工况运转所需的自动控制系统；由于试验在标准程序下进行，试验程 序与机动车实际运行工况存在差异，直接采用这种方法确定城市道路上的排放 因子，往往会引入误差；得到的结果是一段时间平均的静态结果，难以对各种 条件变化后排放因子的变化进行快速预测，因此在决策支持系统中的应用存在 一定难度。 邓顺熙等【9 】采用底盘测功机按e c e 1 5 规程测试了我国1 1 种轻型车在不同 车速匀速行驶时的c o 、h c 和n o x 排放因子，结果表明轻型汽车污染物排放 因子随车速的变化具有良好的规律性。 ( 2 ) 实际行驶工况测试法 实际行驶工况曲线法确定排放因子的步骤是行车调查一行驶工况解析一 d 第一章绪论 确定典型行驶工况一台架模拟实际工况曲线一得出排放因子。 此方法和台架测试法都是在底盘测功机上完成测试，不同之处在于工况曲 线不一样，前者采用实际行驶工况曲线，后者采用测试规程工况曲线；而且前 者的工况数远多于后者：在工况特征上，两者除等速比例外，怠速、加速、减 速比例相差较大。 随着机动车保有量的增加，城市道路网络等基础设施的建设和机动车实际 排放因子的关系就更加密切了，实际行驶工况法充分考虑了实际行驶工况对排 放因子的影响作用，因此可以应用于城市交通和机动车污染控制方面的研究中 【9 】。 ( 3 ) 公路隧道法 公路隧道法是在交通隧道内，通过监测过往隧道的机动车排入隧道内的污 染物浓度分布和隧道内风速等环境和气象要素，再通过计算，得出在一定机动 车组成和流量下污染物的排放因子。 利用此方法得出的机动车污染物排放因子代表车流在真实道路和真实行驶 状态下污染物的整体排放水平，具有很强的实际应用价值，因此2 0 世纪8 0 年 代以来这种方法被发达国家广泛采用。 王伯光等【l0 】于2 0 0 0 年选取广州城市隧道进行连续4 8 h 小时的监测，获得 了隧道内n o x ，c o ，s 0 2 ，p m l o 和h c 等污染物的浓度，计算出隧道内污染物 的单车平均排放因子，得到机动车各种污染物的综合排放因子；邓顺熙等【1 l 】于 1 9 9 6 年在成渝高速公路龙泉山隧道内设监测点，对进入隧道内汽车排出的污染 物浓度、交通量、车种以及气象条件进行采样分析、计数、分类和观测，根据 实测数据，用隧道空气质量方程计算出高速公路汽车单车的c 0 ，t h c 和n o x 排放因子。 ( 4 ) 遥感监测法 近年来，美国、日本等发达国家采用红外线遥感监测技术进行排放因子的 监测。这种方法一般在路边架设仪器，通过分光光度分析等技术，在线动态监 测尾气管排放污染物的浓度，进而求出该道路上的机动车排放因子。 遥测技术可以直接确定监测道路上机动车的排放，但是仪器设备价格昂贵， 而且技术发展不很成熟。另外，遥测不能对多车道道路上机动车排放情况作出 准确测定，往往仅能应用于单车道路或隧道内。目前，遥测技术还很难用于直 接测量车辆的实际排放因子，往往仅作为筛选高排放车辆的有效手段。但是， 0 第一章绪论 采用先进技术确定排放因子是今后机动车排放规律研究的发展趋势。 h 锄p d e n 等【1 2 于2 0 0 0 年到2 0 0 2 年用激光检测遥感系统得到了l a sv e g a s 的机动车污染物排放因子，并将得到的结果同m o b i l e 和p a r t 5 模式计算得 到的排放因子结果进行了比较。 ( 5 ) 燃料消耗估算法 对于区域或全球层次的污染物排放计算，可以通过调查研究和数据分析， 确定污染物排放量与燃料消耗的比例关系，由于该方法考虑问题的范围较大， 对排放因子的估算比较粗略，往往仅能给出一定范围内不同车型的平均排放因 于，难以适应在城市层次上进行污染物排放和扩散研究的需要。目前，也有学 者认为通过油料计算的排放因子具有一定优势，主要表现为以油料消耗为单位 的排放因子对路况和一些运行条件的变化相对不敏感【l3 1 。 杨延相等【1 4 】于2 0 0 0 年选定在天津市有一定代表性的车辆，对其在天津市 不同道路上的排放特性和油耗做了详细的研究，获得实际的道路排放和燃油消 耗数据，计算得到试验车辆在天津市市区实际的排放因子，揭示了车速、加速 度等行驶特征参数对实际道路的排放因子和燃油消耗的影响关系。 ( 6 ) 模式计算法 模式计算法，是通过模式模拟和运算来确定机动车排放因子的方法。模式 计算的基本依据仍来自台架测试，通过对试验结果的回归分析，可以用数学的 方法表达各种因素对排放的影响。目前形成的排放因子计算模式主要有两种系 列，一种主要考虑机动车运行三种状态( 冷启动状态、热启动状态和稳定运行 状态) 的排放；另一种则根据机动车的四种运行方式( 怠速、加速、减速、匀 速) 确定排放因子。 模式计算法考虑了机动车运行状况和背景气候条件，能够给出反映实际情 况的排放因子。另外模式计算法可以根据用户要求确定不同时段的平均结果。 因此比较适用于城市层次机动车污染物排放特征的分析和研究。 目前用来计算机动车排放因子的模式主要有美国加州空气资源局的 e m f a c 模式，欧洲共同体的c o p e r t 模式，美国e p a 的m o b i l e 系列模式。 其中，m o b i l e 汽车源排放因子系列模型是美国环保局开发的计算车队排放水 平的程序u ”。在该模型中，综合考虑了汽车的使用年限、行驶里程、新车排放 因子、劣化系数、行驶速度、气温、i n ( 检查维护) 制度以及车用油料特性等因 素对排放的影响。 6 第一章绪论 国内外对于m o b i l e 系列模式己有广泛的应用。墨西哥采用美国e p a 的 m o b i l e 5 a 基本结构模式，用来计算5 个特定区域中8 种车型的排放因子。根据 气温、平均车速、汽车操作模式，燃料挥发和里程自然增长率条件估计1 9 6 0 年到2 0 2 0 年的排放因子，此模型在加拿大的多伦多地区，泰国曼谷等也有所应 用【l “。m o b i l e 模式在国内的小范围内也得到了一定的应用。北京清华大学郝 吉明、傅立新等于1 9 9 7 年曾结合北京市实际情况对m o b i l e 进行修正，并将 之应用于北京市机动车尾气排放的研究中l l5 】：祝昌健等应用m o b i l e 模式对广 州市机动车尾气排放系数及污染趋势进行了探讨【1 7 】：李修刚等将m o b i l e 模式 用于南京市，将给出的南京市现状排放因子直接应用于南京市及附近城市的环 境影响评价【1 8 】；刘恩栋等也将该模式应用于武汉市机动车排放因子的确定【1 9 】； 队r t 5 模式是美国环保局开发的计算道路机动车颗粒物排放因子的数学模型， 其中的数据和运算法做了一些更新，已经被整合到m o b i l e 6 模型中，清华大 学于1 9 9 8 年采用修正的p a r t 5 模式获得了北京市机动车尾气管的颗粒物排放 因子【2 0 1 。 1 1 4 _ 2 线源扩散模型研究进展 城市汽车污染的扩散，可以分为三个层次：某一街道峡谷局地的交通污染 模拟，这是精度最高、范围最小的层次，即通常所说的街道峡谷模式：第二个 层次是针对一条主要道路两侧进行的空气污染模拟，即常用线源模式；第三个 层次则是模拟城市道路网的汽车排放对城市区域的空气质量影响，此时道路线 源被拆分为一般的面源处理，模式也多采用城市空气污染多源综合扩散模式。 1 、城市街道峡谷扩散模式 由于机动车污染物排放，城市中污染最严重的地方往往发生在两侧有紧密 高大建筑物的街道峡谷内。城市街道峡谷污染模式着重反映了污染物在街道峡 谷内部的传输、扩散及消散的运动规律。对街道峡谷污染扩散这种微尺度扩散 问题而言，环境因素，街渠的几何条件对其影响最大。街道两侧建筑物的密集 程度，高度及高度分布均匀度、街道的高宽比等对街渠内的大气流场有很大影 响，从而决定了街渠内污染物浓度分布。 ( 1 ) o p s m 模式简介 0 p s m 模式是由丹麦国际环境研究所开发的，该模式认为，交通污染所产 生的污染浓度包括：直接由峡谷底部风输送到受体的直接贡献，由于峡谷涡流 第一章绪论 输送扩散产生循环部分，以及城市背景浓度。该模式在北欧一些城市验证后得 到比较满意的结果，在我国的一些城市的污染评价中开始应用，结果表明，该 模式可以较好地模拟风速、风向对街道峡谷内机动车污染扩散的影响，比较准 确反映了街道峡谷中流场和湍流场的主要特征以及街道峡谷中机动车污染物的 扩散规律【2 ”。 ( 2 ) s t r e e t 模式 s t r e e t 模式是j o h n s o n 等人1 9 7 3 年根据现场试验得到的经验模式，该模 式认为扩散浓度正比于排放强度，反比于风速及街道宽度。其主要缺点是对风 向的影响考虑不够，在静风条件下的风速影响不能正确描述。 ( 3 ) c p b m 模式 c p b m ( c a n v o np 1 u m eb o xm o d e l ) 模式是1 9 8 6 年开发的综合城市峡谷模 式。该模式由一系列子模式组成：汽车行驶的初始扩散模块，峡谷背风侧烟羽 输送和扩散模块。另外，模式还考虑了非涡流扩散和上风向十字又口影响的单 独算法。 2 、公路线源扩散模式 ( 1 ) 高斯模式 早期的公路机动车污染物扩散模型以高斯模型为主，发展了很多公路模型 来描述公路污染物的分布，这些模式都能够一定程度上估计在特定条件下污染 物的时空分布。模拟值通常都是气象，街区几何形状和下风向接受点的函数。 c a l i n e 模式简介 c a l i n e 模式是美国加州运输部1 9 8 4 年开发的以线源扩散的高斯模式为基 础的道路交通污染物扩散模式，被美国国家环保局推荐且在世界各地应用非常 广泛。它以高斯扩散公式为基础，并用一个混合带的概念来描述公路上污染物 的初始扩散。模式将单独的公路段分解成一系列单元，每个这样的单元在某点 的浓度的叠加量可以由横向风作用下的有限线源公式得出近似值，然后将所有 这些微元累加起来便可得到某个特定的接受点的总浓度估计值。所有单元都考 虑成完全相等的线源，与风向正交，公路上方区域作为排放和湍流的均匀区。 该模式用于确定高速公路下风向的空气污染浓度，要求地形相对不太复杂。 福州大学以厦门市机动车污染排放实际数据为基础，结合具体的气象特点，采 用c a l i n e 4 模式模拟了厦门市c o 、n o x 的一次浓度空间分布一级年均浓度空 间分布【2 2 】；何晓风等对南京市交通源的排放扩散进行研究，用c a l i n e 3 模型 8 第一章绪论 模拟了交通源的排污扩散状况【捌；上海市李莉等洲根据c a l i n e 4 模型模拟了 典型道路污染物的扩散状况；刘志强等【2 5 】以镇江市机动车污染排放实测数据唯 基础，结合具体的气象特点，采用c a l i n e 4 模型模拟了镇江市主要路段c o 、 n 0 x 的目均和高峰小时浓度分布。 h 1 w a y 模式简介 h 1 w 埘模式是美国环保局于1 9 7 5 年开发的第一个公路扩散模式，是一个 比较流行的公路机动车尾气扩散高斯模式，发展该模式主要是针对道路层面及 横断面上的污染物分布。对于平坦路面，公路被看作是一系列的有限线源，对 每个车道视为直的、连续的污染物排放速率均匀的有限线源分别进行计算，然 后，将线源模拟成为一系列连续的点源并通过积分高斯点源方程得到线源浓度。 ( 2 ) 数值模式 除高斯模式外，也有很多数值模式应用于公路扩散问题。d a i l a r d 发展了 一个二维欧拉模式d a n a r d ，这个模式用数值方法来求解物质守恒方程。 r 矗2 l a n d 等用与d a i l a r d 同样的边界条件，用一种高效的矩阵转置方法来求解连 续方程，同时对扩散律进行了修正。这个模式在预测污染物浓度时，当风向与 道路成一定夹角或垂直时忽略了边界效应，但对平行风向则考虑了边界效应并 在三维方向上数值求解。另外一个较有影响是r o a d w a y 模式，这是一个用 来预报靠近公路处污染物浓度的微分模式，这个模式通过表层相似理论和汽车 轨迹影响假定了一个表面层，从而也可以用来预测沿公路的风速和湍流。 r o a d c h e m 是另外一个版本的r o a d m w 模式，这个版本考虑了n 0 、n 0 2 和0 3 间的相互转换以及平流输送和扩散作用，用表层相似理论来产生垂直方向 的湍流廓线。其他与此类似的模型还包括队l 和p a l d s 。 ( 3 ) 统计模式 在公路机动车模型中还有一类是统计模型，特别适用于实时的或者短期的 预报。m c c o l l i s t e r 等用历史的c 0 浓度作为预报因子发展了一个线性随机模型 用来预报洛杉矶逐时和逐日的最高浓度。t i a o 等通过交通密度，风速，逆温层 高度拟和了洛杉矶市中心的c 0 变化。m i l e s 等发现随机模式在进行城市交通高 污染事故发生概率方面明显优于解析模式。l i u 等应用方法模拟台北的c o 的 浓度。k 撕m 等于1 9 9 8 年发展了一个用来预测城市街渠内和浓度极值的随机模 式。树回归技术通常用来分析不同变量之间的关系【2 “。 ( 4 ) 其他模式 9 第一章绪论 最近，一些诸如人工神经网络( a n n ) 、模糊逻辑理论( f u ) 也被应用于 机动车污染物扩散模型研究领域。r a i m o n d e 等应用f l t 发展了一个a p m 模型， f l j 在改良空气污染模型方面被广泛地认为有很大的发展前景。m o s e h o l m 等认 为人工神经网络对于研究街道十字路口处交通量、风向、c 0 短期浓度之间的 复杂关系有很好的应用前景。d m z d o 谢c z 等在研究阿根廷罗萨利奥市污染时发 展了一个基于人工神经网络的模型。1 幻等在对鞍山市交通环境影响评价时运 用了多层次模糊簇分析方法【2 7 】 3 、多源扩散模式 7 0 年代以来，发达国家开发了多种用于计算流动源线源排放污染物扩散的 模式。这些模式在开发初期一般用于高速公路上机动车污染物的扩散，经过修 正后，可以进行城市机动车污染物扩散的预测。此后，用于模拟城区污染物扩 散的多源模式获得了长足的发展，在模式中也考虑了对机动车排放污染物的处 理。近年来，采用城市多源扩散模式模拟机动车排放污染及控制策略对环境的 影响，已经成为决策支持研究不可缺少的一个环节。该尺度的扩散模式不仅可 以反映城市范围内机动车污染物排放对环境的影响；与此同时，为了确定城市 机动车污染的浓度分担率，也需要该模型可以同时适用于模拟固定源点源和面 源的扩散状况。根据各网格内的浓度和面积求出的平均的污染物浓度，得到污 染物颗粒物浓度分担率。 i s c 3 模式是一个稳态高斯烟流模型，可用于评价来自于工业带相关的许多 污染源的污染物的浓度，模式同时考虑城市特殊的气象条件和地理条件对污染 物扩散的影响。清华大学 2 8 1 2 9 】在机动车污染物浓度空间分布的研究比较多，研 究方法是在基于将区域网格化的基础上，建立了以g i s 为平台的机动车污染物 排放清单，利用修正的i s c s t 3 空气质量模型对澳门半岛和北京市大气中c o 和n o x 浓度的空间分布状况进行了模拟，为地区污染物排放控制提供科学依 据；济南市【3o 】以机动车污染排放实际情况为基础，结合具体的地理、气象等特 点，采用i s c s t 3 模型模拟计算了济南市年平均c o 和n 0 x 浓度空间分布，确 定出济南市机动车污染较为严重，需要重点控制机动车污染的区域。 近年来的研究表明，采用城市多源扩散模式模拟机动车排放污染及控制策 略对环境的影响，已经成为决策支持研究不可缺少的一个环节。除美国各大城 市外，芬兰的赫尔辛基和艾斯堡、澳大利亚的墨尔本、希腊雅典以及其它一些 欧洲城市均采用或开发适用于自己城市的多源模式进行污染物模拟。 l o 第一章绪论 4 、其它模式 2 0 世纪9 0 年代以来，美国环保局开始致力于继第一代高斯模型和第二代 欧拉网格模型的第三代模型系统的开发。模型不再区分单一污染问题，而是将 整个大气作为研究对象，在各个空间尺度上详尽模拟所有大气物理和化学过程。 模型力图增强模式通用性，采用完全模块化的结构，使得研究者可基于空间尺 度、研究对象、研究目的等不同需求，选择不同模块组合进行模拟，模型致力 于提供一个功能强大且易于使用的模拟平台，克服第一、二代模型在功能上的 局限和使用上的难度，同时促进大气科学各类模式在这一平台下的评估、交流 与合作。真是由于模型具有通用性、灵活性、开放性等优点，近几年来发展迅 速，成为国际上应用最广泛的空气质量模型系统之一。 m o d e l s 一3 模式是美国环保局研制的第三代空气质量预报和评估系统。该模 式系统不仅可以用于日常的空气质量预报，而且可用于对污染控制决策进行环 境评估。在空间范围上，可选择局地、城市、地区和大陆等多种尺度范围。模 式可对8 0 多种大气污染物的浓度分布进行模拟和预测【3 “。 1 1 5 机动车尾气颗粒物产生机制 机动车尾气颗粒物的排放因子确定十分困难，但是机动车尾气颗粒物的排 放因子在机动车尾气颗粒物污染特征的研究中是一个至关重要的参数，因此本 章从机动车尾气颗粒物的产生机制、机动车排放影响因素阐述与机动车尾气颗 粒物排放因子相联系的内容。 1 1 5 1 机动车尾气颗粒物的产生机制 机动车是道路交通的主体，它一般都以汽油机和柴油机作为动力装置，分 别依靠燃烧汽油和柴油产生动力，这就导致机动车在使用过程中产生两类颗粒 物排放，一类是由于燃料燃烧所产生的一次颗粒物和二次颗粒物排放，另一类 是由于机动车在行驶过程中所产生的非燃料燃烧颗粒物。 由燃料燃烧所产生的颗粒物主要包括碳微粒、光化学烟雾和铅微粒，它们 主要是燃料非正常燃烧和燃料添加剂所致；由于机动车在行驶过程中所产生的 非燃料燃烧颗粒物主要由机动车蹄片磨损、车轮与路面相互摩擦、机动车本身 附带尘土或装运物料撒落路面及空中飞散等原因形成。 1 碳微粒 1 1 第一章绪论 碳微粒是燃料不完全燃烧的产物，主要产生于柴油机和车况欠佳的汽油机。 概况地说是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的，但其详细的机理，即从 燃油分子到碳烟颗粒生成整个过程中的化学动力学反应及物理变化过程尚不十 分清楚。一般认为，当燃油喷射到高温的空气中时，轻质烃很快蒸发气化，而 重质烃会以液态暂时存在。液态的重质烃在高温缺氧条件下，直接脱氧碳化， 成为焦炭状的液相析出型碳粒，粒度一般比较大。而蒸发气化了的轻质烃，经 过不同的复杂途径，产生气相析出型碳粒，粒度相对较小。首先气相的燃油分 子在高温缺氧条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、 乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃；它们不断脱氧形成原子级的碳粒子，逐 渐聚合成直径2 n m 左右的碳烟核心( 碳核) ；气相的烃核其它物质在碳核表明 的凝聚，以及碳核相互碰撞发生的凝聚，使碳核继续增大，成为直径2 0 3 0 m m 的碳烟基元：而碳烟基元经过相互聚集形成直径1 岬以下的球状火链状的多孔 性聚合物。重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝聚，形成微粒 排放。 燃料在高压燃烧条件下，由于柴油机和车况欠佳的汽油机所使用的混合气 混合不均匀，混合器在高温缺氧区，燃油被裂解成碳，主要有粒径0 1 1 0 岬 的多孔型碳粒构成，这些碳粒往往附有s o ：及致癌物苯并( a ) 芘等可溶性有机物 及臭气，不仅影响大气的能见度，而且对人和生物都有害，并且粒径越小危害 越大。特别是粒径2 u m 以下的碳微粒吸入人体后会沉淀起来，对人体危害最大， 除了致癌作用外，还会导致慢性病、肺气肿、皮肤病及变态性急病。粒径越小 的碳粒悬浮于空中的时间也越长。最小的颗粒沉降的时间最长，在空中最长可 达一周以上，在实际的非静态大气中，这些颗粒甚至可以漂浮7 4 0 天( 不受 降雨的影响) 才落地。这样就增加了颗粒接触人体的机会，以及颗粒在大气中 接受阳光和其它物质作用而产生光化学反应的机会。一般柴油机和汽油机排出 颗粒以重量计，9 0 以上粒径小于1 岬，这就说明柴油机和汽油机排出颗粒物 的危害相当严重。 2 光化学烟雾 光化学烟雾的特征是二次污染，其发生并非由于机动车的直接排放，而是 由于n o x 和h c 的排放在太阳紫外光的作用下，产生光化学反应的结果。光化 学烟雾是一种混合物，其中约9 0 为氧化能力很强的臭氧0 3 ，但是还有很多过 氧化酰基硝酸盐等光化学过氧化物，以及各种游离基、醛、酮、硫酸烟雾等颗 1 2 第一章绪论 粒混合物。颗粒物粒径在2 5 岫以下的细颗粒更重要，这种细颗粒并非天然形 成( 火山爆发例外) 绝大部分产生于人为因素，其上吸附着大量光化学氧化剂， 并且可随着气流而输送，它是城市能见度下降的主要原因。大气中臭氧0 3 浓度 的增高，会带来一系列危害，除了对人体健康产生影响外，对植物( 特别是高 产农作物) 也是影响最大的因素，并可使橡胶制品加速老化出现龟裂，户外建 筑使用寿命缩短。 3 铅化物 铅化物是作为抗爆剂加入到汽油中的四乙基铅经过燃烧后所产生的化合 物。从燃烧室排出来的铅化物一般为粒径小于o 2 岬的小颗粒，这些小粒径的 铅化物一部分直接通过排气管排入大气，而另一部分则成为附着于排气口和排 气道、消声器而逐渐长大的颗粒，散落在路面上。这些铅化物不仅对人体有害， 使人患贫血病、牙齿变黑、神经麻痹，提高便秘、心血管病、脑溢血和慢性肾 炎等的发病率，而且铅化物还会吸附在发动机排气催化剂表面，显著缩短催化 剂寿命，造成所谓催化转化器“中毒”现象【3 2 l 。 1 1 5 _ 2 机动车排放影响因素 机动车的排放控制技术水平，是决定机动车污染物科放量的最重要因素， 除此以外，车辆的使用、保养、燃油质量以及环境条件等许多因素，都会影响 汽车的排放状况。国际上对机动车排放污染的控制始于6 0 年代中期的美国。目 前，发达国家己经走过了新车排放控制、在用车排放控制和管理、交通管理以 及城市综合规划等几个控制阶段。同发达国家的情况相比，我国的机动车排放 污染控制还处于起步阶段。 由于实际使用的车辆组成中包含不同车型、车种，而且配置不同的排放控 制措施；即使同类车辆也有不同的发动机结构、变速器类型、化油器或燃油喷 射系统：由于车主不同又使得车辆有不同的维修保养状况，不同的行驶议程等。 因此，只有通过大量的排放测试结果，才能获得有代表性的全体车辆的排放统 计状况。另外，由于各地方执行的i m 制度( i n s p e c t i o i l m a i n t e n a l l c e 检查和维 护制度) 的不同，车辆使用频率和使用方式的不同，以及各类型车辆所占比例 的不同，也会对实际运行的整体车队的排放造成影响1 3 ”。 影响机动车排放的几大类因素可以归纳如下。 1 、车辆与燃料特性 1 3 第一章绪论 ( 1 ) 发动机的类型和技术。如：二冲程或四冲程；使用柴油机、汽油机、 转子式发动机或其他发动机；燃料喷射，涡轮增压，以及其他的发动机