（环境工程专业论文）成都市机动车污染物扩散模式研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，成都市机动车保有量持续快速增长。截至今年3 月底，成都市机 动车保有量已达1 8 3 万辆，且仍以每天8 0 0 辆的速度递增。不断增长的机动车 数量致使城市机动车污染物排放量逐年增加，机动车尾气污染成为成都中心城 区大气环境质量改善的瓶颈之一。 机动车排放污染物的扩散受多种因素影响，包括排放污染源强度，气象因 素，街道几何条件等，过程比较复杂。本论文选取成都市二环路段作为研究对 象，通过对成都市气象资料、街道特征、城区交通发展现状的资料搜集与整理， 对成都市机动车污染现状及污染特征进行了研究，分析了气象因素与街道地理 因素对机动车污染物在街道中扩散的影响。 通过对成都市气象特征与街道几何特征的分析，确定引进美国加利福尼亚 州交通部开发的线源空气质量模型c a l i n e a 模型，来对成都市机动车尾气排放 的污染物c o 进行浓度模拟。将模拟结果与实测数据做比较分析，于e x c e l 上用 实测值与模拟值进行线性回归分析，结果证明c a l i n e 4 模型能够比较准确的模 拟街道两侧人行道上c o 的浓度。由于模拟数据总体偏小，对模型进行敏感性 分析，并对敏感系数进行修订，使修正后的模拟结果更适合成都市的实际情况， 提高了模拟准确率。 最后通过本文的分析与验证，提出减少成都市机动车尾气污染的措施与建 议。论文在引进模型对微尺度的污染物浓度进行预测方面进行了一些有意义的 探索，填补了成都市在该方面的空白。研究结果可以为政府相关决策提供量化 的科学依据，有较好的科研价值和实用价值。 关键词机动车污染；c a l i n e 4 ；车流量：模型修正 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em o t o rv e h i c l er e c o v e r a b l ea m o u n ti nc h e n g d ui n c r e a s e sf a s t c o n t i n u o u s l y b yt h ee n do fm a r c h t h i sy e a r ，t h em o t o rv e h i c l er e c o v e r a b l ea m o u n t i nc h e n g d uh a sa l r e a d yb e e nu pt o1 , 8 3 0 ，0 0 0 ，a n ds t i l li n c r e a s ep r o g r e s s i v e l ya tt h e s p e e do f8 0 0f o re v e r yd a y t h eq u a n t i t yo fm o t o rv e h i c l ei n c r e a s i n gc o n s t a n t l y c a u s e st h ee m i s s i o no f u r b a nm o t o rv e h i c l ep o l l u t a n tt oi n c r e a s ey e a rb yy e a r t h e t a i lg a so fm o t o rv e h i c l ep o l l u t e st h ep r i m a r yp o l l u t i o ns o u r c et h a th a sa l r e a d y b e c o m eu r b a na t m o s p h e r e i t sac o m p l i c a t e dp r o c e s sf o rt h ev e h i c u l a re x h a u s tt od i s p e r s ei ns t r e e tc a n y o n m a n yf a c t o r sm a ya f f e c tt h i sp r o c e s ss u c ha st h es o u r c ei n t e n s i t y ，m e t e o r o l o g i c a l f a c t o r sa n ds t r e e tg e o m e t r ya n ds oo n s o m et y p i c a ls t r e e t sa r es e l e c t e da st h eo b je c t s o ft h es t u d y t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fv e h i c l ee m i s s i o ni n c h e n g d ua r ee x p l o r e d e m p h a s i si sp u to nh o wt h em e t e o r o l o g i c a lf a c t o r sa n ds t r e e t g e o m e t r ya f f e c tt h ed i s p e r s i o np r o c e s so f t h ev e h i c u l a rp o l l u t a n t si ns t r e e t s c a l i n e 4i ss e l e c t e dt os i m u l a t et h ed i s p e r s i o np r o c e s so ft h ev e h i c u l a re x h a u s t si n t h es t r e e t sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n ds t r e e t g e o m e t r yi nc h e n g d uc i t y t h ea u t h o ru s e dt h em o d e lt os i m u l a t et h em o t o rm o b i l e p o l l u t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec a l i n e 4m o d e la n ds e tu pap a r a m e t e r i z ep l a n t h em o d e l e dv a l u eo ft h em o d i f i e dc a l i n e 4a n dt h em e a s u r e dv a l u es h o wg o o d p e r t i n e n c e t h ep r e c i s er a t eo f t h er e s u l ti sb e e ni m p r o v e d f i n a l l y , t h ea u t h o rg i v e ss o m ea d v i c e st or e d u c et h em o t o rc ap o l l u t i o n t h er e s u l t s o ft h i ss t u d yh a v e o b v i o u ss c i e n t i f i cv a l u ea n dp r a c t i c a lv a l u et o s u p p o r tt h e d e c i s i o n so ft h eg o v e r n m e n tw i t hs c i e n t i f i cd a t a k e yw o r d sv e h i c l ee m i s s i o n ；c a l i n e 4m o d e l ：m o t o rv e h i c l ef l o w ；m o d e l m o d i f i c a t i o n 西南交通大学凹南父遗大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密 2 不保 年解密后适用本授权书； 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：顿 日期：跏b - ，d 指导老师签名。獬丐 日期：么一岔六，汐 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过对成都市气象因素与地理因素的数据搜集与分析，论证了 c a l i n f a 模型在模拟成都市二环路机动车污染物c o 扩散的适用性。 2 通过对c a l i n e 4 模型输入参数的敏感性分析，得知风向对该模型模拟的 准确度影响最大，风速、排放因子及车流量也为敏感性因素。其他如温度、大 气混合层高度等参数属非敏感性因素。 3 通过对模型的风向角与风速的系数修正，提出控制成都市机动车污染的 措施与建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 作为世界上最大的发展中国国家，在过去三十多年里，随着我国城市经济 的迅猛发展及城市化进程的不断加快，城市交通需求量急剧增加，汽车保有量 呈逐年上升态势。2 1 世纪以来，我国汽车生产与销售的增长速度已达两位数。 据公安部交管局调查数据显示，截至今年3 月底，我国机动车保有量为1 6 3 亿 辆，比2 0 0 7 年底增长1 8 5 ，较2 0 0 7 年同期增长9 2 0 。机动车辆的普及增大 了人们活动的半径，改变了人们的生活方式和社会关系，人类活动突破了旧的 城市空间布局，促使人流、物流和信息在城市中心区与边缘区之间进行新的格 局调整，都市圈和大城市带成为新的城市组织形态，与此同时也带来了拥挤， 能源消耗，环境污染，交通事故和社会不安定等负面影响。虽然与世界各发达 国家相比，我国机动车保有量并不高，但这些车辆主要集中于经济发达人口密 集的大城市，而城市配套的公路措施与交通规划未随机动车数量的增加而同步 发展，加之我国机动车排放控制技术目前仅相当于国外2 0 世纪7 0 年代的水平， 致使我国大城市的机动车排放污染物已经接近或超过了环境容量。根据城市大 气污染物来源的分类统计，机动车尾气污染物在主要大城市中的分担率已近 8 0 。机动车尾气污染已成为我国大中城市亟待治理的普通问题。 作为四川省省会，成都市是四川省政治、经济、科技文化、金融、交通、 通讯中心，也是我国西部大开发的核心城市。截至今年1 月，成都市机动车保 有量已超过1 7 8 0 0 0 0 辆，并仍以每年1 7 的速率递增，其中私家车占到8 5 。 近些年来市民购买汽车的热情始终居高不下，可以预见成都市机动车保有量还 会继续增加。不断增长的机动车数量致使城区中心许多重要道路长时间处于饱 和状态，加速、减速、怠速等不利工况频繁发生，更加剧了机动车污染物的排 放。监测结果显示：中心城区机动车排气污染一氧化碳占总排放量的9 9 7 ， 碳氢化合物占总量的9 2 ，氮氧化物占总量的7 9 5 。机动车尾气污染已成为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 影响成都市大气质量的主要污染源。 由于机动车所产生的大气污染物最高浓度距离地面l m 左右，靠近人体呼 吸带，长期呼吸这种被污染的空气，不仅会对人体健康造成严重危害，还会对 环境产生不仅是局部的甚至可以扩展到大气层中很远的距离及其他地区并长时 间存在的影响。成都市地处四川盆地西部，风速小、静风频率高、空气湿度大、 逆温频率高的气象因素也导致空气的水平扩散和垂直扩散条件差，机动车排气 污染物难以扩散，对人体健康及城市环境危害更加严重。因此根据城市的气象 因素及城市街道几何形状的的特点，研究城市街道中污染物的产生因素与扩散 迁移规律，提出减少机动车尾气污染对人体及周围环境的负面影响的措施是非 常必要的。 本论文拟建立适合成都市实际情况的主干道机动车污染物扩散模型，可用 于模拟预测成都市机动车排气污染现状和发展，确定以动员对整个城市大气污 染的贡献，从而可以根据机动车排气污染的实际情况采取相应的控制措施，做 到有的放矢，达到综合治理的目的。同时本论文的研究成果可供公路建设项目 环境影响评价和城市规划部门参考使用，为交通规划和环保部门的相关决策提 供量化的科学依据。城市机动车尾气污染物扩散的影响因素，寻求成都市机动 车尾气污染物的扩散规律，不仅可以用于模拟预测成都市机动车尾气污染的现 状与趋势，还可以根据模拟结果结合实际情况采取相应措施，做到有的放矢， 达到治理机动车尾气污染的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究情况 欧洲、美国和日本等国家字6 0 年代末对机动车排气污染物扩散模式进行了 多方面研究，主要是研究使用于公路扩散和城市街道扩散的模式。于7 0 年代初 提出了很多模式，2 0 多年来又不断改进和开发新模式。这些模式大体是以扩散 微分方程的解析解为基础的烟流、烟团模式；直接求解未分方程的数值模拟模 式；基于观测结果的半经验模式。模式的开发和校验通常以现场检测、野外示 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 踪剂试验和风洞模拟试验的结果为基础。 在上述模式中，高斯型模式能较好的模拟开阔平坦公路上机动车排气污染 物的扩散，而不适用于存在密集高层建筑物的街道峡谷；数值模拟模式可处理 结构复杂的街道大气扩散，但过程十分复杂、不利于普遍推广，且梯度理论用 于模拟小尺度扩散在理论上的可靠性尚需进一步研究。经验模式方法简单，但 缺乏正确的理论基础，限制了模式的普遍应用。目前世界各国环保部门推荐应 用于污染浓度预测的模式大多属于高斯扩散模式。 高斯模式是在大量实验资料分析的基础上，应用湍流扩散的统计理论得到 的正态分布假设下的扩散模式。它包括h 1 w a y 模式、g m 模式、c a l i n e 模式、 高斯分布型的烟流、烟团方程等。这些模式最初产生于7 0 年代，当时根据已有 的在道路附近得到的实验数据来验证和评价这些模式，结果并不能让人满意。 主要原因是不能确定汽车的排放量，而且现场试验中得被测污染物的北京浓度 是不均匀的。1 9 7 5 ，美国通用汽车公司联合其他一些公司以及环保局经过周密 的设想和完善的控制，使用通用汽车的测试设备进行了一项s f 6 公路扩示踪实 验。这次示踪实验所得的数据首次为模式的e i n g j i a 和发展提供了可靠的依据和 帮助。高斯型模式特别注意车辆行驶引起的初始扩散参数，其值是根据实测数 据估算，因而简介考虑了陈量刑时引起的湍流效应。e s k r i d g e 等f 1 】【2 】在1 9 9 1 年 研究了汽车速度对湍流扩散的影响。发现垂直方向湍流扩散与相对汽车风速的 平方成正比，在稳定条件下汽车速度有更多影响，因为在中性和不稳定大气中， 汽车尾流湍流易被大气湍流屏蔽掉。相关研究还表明，在尾流方向上最佳湍流 比例长度是一个车宽，在竖向上为测点到地面的高度。 1 2 2 国内研究现状 国内这方面的研究尚处于起步阶段。但仍有不少学者就高斯线性模型在国 内平直公路和低矮街道上应用的可靠性作出了论证，并且就国外模型在国内实 际应用上做出了有益的尝试。 金均等【3 利用3 2 0 国道某段的实测数据面对采用高斯线源模式预测开阔公 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路尾气扩散的可靠性进行了验证。结果证明在有风条件下对于原参数( 主要是 源的初始扩散宽度和风速) 进行适当的修正后，可以得到与实际较为符合的结 果。凌玲等【4 】利用武汉市珞狮路实测的n o x 浓度数据在合理确定扩散参数的基 础上，对任意风向下的高斯线源扩散模式进行了炎症，确定此模式适合模拟和 预测周围建筑低矮的道路尾气扩散。 交通部制定的公路建设项目环境影响评价推荐了h i w a y - 2 积分模式进 行气态污染物扩散浓度的计算。易振国等【5 】就主要输入参数( 排放因子、风速、 风向角、线源长度等) 进行了敏感度分析，认为规范推荐的模式只是实际情况 的一种近似，风向和风速对浓度分布影响较大，当环境评价要求很高，还应根 据实际情况对模型进行修正。李修刚掣6 】推到了各种组合线性线源的下风距离 和横向风距离的共识，进一步完善了此模式的几何参数，提高了模型的预测精 度和评价结果的可靠性。 龚慧明【7 利用c a l 3 q b c r 模型对北京市崇文门一个开阔的十字路口进行模 拟，发现能较好的模拟十字路口的机动车尾气排放的c o 浓度时空分布。周洪 昌等利用此模型对上海市的几个周围有高大建筑物的十字路口和街道下固地区 进行模拟却发现和世纪结果有很大的差异，认为高斯线源模型不适合街道峡谷 地区尾气扩散的模拟和预测，只适合宽阔路段的模拟。另外，北京大学环境科 学中心环境模拟与污染控制国家联合重点实验室在相关方面也展开了大量工 作，但是到目前为止还没有形成真正适合我国实际情况的比较特殊的成型模式。 1 3 研究思路方法 1 3 1 研究思路 首先分析成都市机动车的污染现状与影响机动车污染扩散的影响因素，通 过对成都市具体情况的调查确定引用线源扩散模式c a l i n e 4 来对成都市主干 道c o 浓度进行模拟，来确定该模型在成都市的实用性。通过对c a l i n e 4 模型 输入参数敏感性分析来确定对模拟结果影响最大的因素，以此进行修正来提高 模拟精度。基本思路如图1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 1 论文研究思路图 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 收集资料。包括成都市历年的气象资料，成都市近年来机动车保有量 及车型组成，城区交通干道环境空气中污染物浓度监测数据，成都市道路基础 数据包括街道几何参数、建筑物高度及国内大城市的机动车排放污染控制水平 数据等。 ( 2 ) 实地监测。对所选争取的成都市典型交通干道的污染物浓度、车流量、 温度、风速、风向等进行监测，同时对街道的几何特征进行车辆，包括整个街 道的宽度、车道宽度、两旁建筑物的平均高度等。 ( 3 ) 引进模型。对成都市机动车排气控制水平和机动车车型组成的分析， 结合其他大城市机动车排放因子的数据，确定成都市机动车的排放因子，得到 排放源强。通过对气象数据与街道机和特征的分析研究确定引用美国环保总局 推荐使用的线性扩散模式c a l i n e 4 来进行模拟。 ( 4 ) 修正模型。输入模型所需要的参数生成输入文件。对比实地监测数据 和收集到的数据对模型进行检验，对比检验结果对模型进行修正，以提高模型 的预测精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章成都市机动车发展及污染现状分析 2 1 我国机动车发展现状 机动车保有量是影响城市机动车污染的重要因素。随着经济的迅猛发展及 城市化进程的不断加快，我国机动车保有量迅速增长。1 9 9 5 年，全国机动车总 保有量达到2 4 5 0 万辆，1 9 9 7 年己达3 4 6 8 万辆。进入2 l 世纪以来，机动车保有 量持续增长。据公安部交管局调查数据显示，截至今年3 月底，我国机动车保 有量为1 6 3 亿辆，比2 0 0 7 年底增长1 8 5 ，较2 0 0 7 年同期增长9 2 0 。汽车 和摩托车是主要的构成部分，占9 0 6 0 。得益于轿车进入家庭步伐加快以及个 体私营经济的迅速发展，私人机动车数量增长迅速，保有量为1 2 3 亿辆，比2 0 0 7 年底增长5 0 8 。据国务院发展研究中心估计，我国汽车产业将会保持2 0 - 3 0 年的快速增长，2 0 1 0 年达到5 6 6 9 万辆，2 0 2 0 年将高达1 31 0 3 万辆【8 】。 2 0 0 3 年至今我国机动车保有量如表2 1 所示。 表2 12 0 0 3 2 0 0 8 年我国机动车保有量 由表l 可见，我国机动车保有量以年均约1 0 的速率稳定增长，2 0 0 3 与2 0 0 5 年达到2 0 以上。 机动车保有量的不断增长致使机动车尾气的总排放量相应增加，环境污染 尤其是机动车尾气污染已成为城市大气的主要污染源，一些城市中机动车排放 的污染物对多项大气污染指标的贡献率已达到6 0 以上。作为发展中国家，我 国机动车制造业起步较晚，技术较低，与国外产品相比，油耗高，污染物排放 量大，单车排放因子高。我国的机动车排放因子高于美国3 - 5 倍，有些甚至高 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 达1 0 倍，导致我国大型城市机动车污染物排放量已超过发达国家类似规模的城 市。目前，我国大城市的机动车排放污染物已经接近或超过了环境容量。同时 由于城市交通和人口密集度高，机动车污染物排放密度和造成的污染浓度则比 发达国家高出几倍，在城市空气污染重的分担率逐步增加。此外由于机动车所 产生的大气污染物最高浓度距离地面l m 左右，靠近人体呼吸带，长期呼吸这 种被污染的空气，会对人体健康及周围环境产生较大危害。 2 2 成都市机动车保有量分析 作为我国西部重镇，四川省省会，同时也是我国西部大开发的核心城市， 成都市机动车数量近年来持续保持快速增长。截至今年3 月份，成都市机动车 保有量己超过1 8 3 万辆，位居全国第二位，且仍以8 0 0 辆天的速度递增。尤其 是私人汽车数量增长率达到2 5 ，保有量高达8 0 ，市民购买私家车热潮始终 居高不下。据跨国市场调研公司c b c 在北京、成都、上海、广州、武汉5 大城 市的最新调查数据显示，成都市已跃居上海、武汉之上，成为仅次子北京和广 州的全国“私家车第三城。 通过成都市交通管理局搜集的数据资料，近十几年年来成都市机动车保有 量及分车型机动车数量变化情况分别如图2 1 与表2 - 2 所示。 图2 1 成都市机动车保有量增长曲线图( 1 9 9 3 2 0 0 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 不断增长的机动车数量，带来的不单单是切实的利益，也造成拥挤，能源 消耗，环境污染，交通事故和社会不安定等负面影响。城市街道车流量的增加， 不仅造成街区空气的恶化，对周围和建筑物内人群健康构成严重威胁，还直接 影响到了整个城市的大气环境质量。随着机动车数量不断膨胀，机动车尾气污 染成为成都中心城区大气环境质量改善的瓶颈之一。 2 3 成都市交通数据分析 2 3 1 成都市道路发展概况 成都是全国4 5 个公路主枢纽城市之一，自2 0 0 1 年实施“畅通工程“5 年来， 新建设道路面积1 3 4 1 万平方米，形成了以红星路、东城根街、新华路、滨江路 “井”字形快速通道，人民路、蜀都大道“十 字形综合性干道和三条环形快 速干道为骨架，县级公路为次骨架，再配以8 条放射状高速公路、1 条绕城高速 公路和l o 条进出城主要通道大都市圈公路网体系。 主要干道南北向：人民北路一人民中路一人民南路、府青路一红星路一红 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 星南路、蓉北商贸大道一北站西路一五丁路- ：i l 校场西路一万和路一东城根街 一武候祠大街一老川藏路； 东西方向：蜀都大道、成洛路一双林路一新华大道一沙湾路一交大路、成龙 路一滨江路一锦罩路一青羊街一光华大道。 图2 2 成都城市现状道路网布局图 由上图可见，成都市中心城区的道路网络布局结构呈现环状放射加局部方 格网状的形态，是典型的单中心城市发展格局。2 0 0 5 年末成都市人均道路面积 达1 4 5 平方米，道路面积率为2 0 3 ，支路利用率达9 9 7 2 0 。目前，城市公 路密度达到1 1 9 6 百平方公里，位居全国第一。中心城区道路概况见表2 3 、2 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 表2 3 成都市中心城区道路状况 表2 _ 4 成都市中心城区不同圈层道路密度概况( 公里平方公里) 2 3 2 车流量的观测统计 本论文选取成都市二环路作为研究对象，对其车流量进行了监测统计。 ( 1 ) 统计时间 监测日期：2 0 0 7 年9 月1 8 日9 月2 0 日 监测时间：8 ：0 0 2 0 ：o o ，每天只测一个方向，隔天监测相反方向。 ( 2 ) 车型划分 统计车流量时将机动车的车型按表2 3 进行分类。其中大型汽车中主要是 包括了大型客车或大型公交车，中型包括了中巴车或载客量在2 0 左右的客运车， 大型货车包括重型卡车，小型货车包括三轮货运摩托。 调查及分析结果见表2 5 、2 - 6 及图2 3 、2 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 - 3 统计结果变化曲线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 对每日观测结果加以平均得到车流量的日变化曲线如下图所示。 图2 - 4 监测段车流量目变化曲线图 分车型的车流对比见表2 - 6 车型比例分布表。 表2 - 6 车型比例分布表 可以明显看出，上下班时间为车流量的高峰期。这时候机动车的运行工况 频繁变化，怠速、加减速情况经常出现，致使污染物的排放量急剧增加，是机 动车尾气污染的危险时段，并且直接造成街道污染物的大量积聚。通过表2 8 看出，轿车的比例最高，其次为出租车。由下面图2 6 可以很直观的看出车流 量的日曲线变化。 2 4 成都市机动车污染现状分析 2 4 1 大气环境质量 成都市城区空气环境质量首要污染物为可吸入颗粒物，空气质量以良为主， 优良率( a p i 指数1 0 0 的天数) 达8 4 4 。空气污染由煤烟型进一步向煤烟与机 动车尾气混合型污染发展。大部分郊区( 市) 县环境空气质量明显优于城区。成都 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 市区内空气污染分布如图2 5 所示。 落壤隧缝滋 麓域磁托 瓣城寰鬻 翳撬忿 爨壤嚣 瑷壤中心 图2 5成都市区空气污染区域分布图 年下s p 小s 啦n o ， ：、 芝 ，q j _ o 沈 军衔 图2 - 6s 0 2 、 n o x 、t s p 年平均浓度变化曲线图9 由图2 - 6 可以看出，近些年来，氮氧化物浓度值逐渐增加，尤其白2 0 0 0 年 后上升趋势明显，可见氮氧化物对大气的污染程度正在逐渐增加，这正是由于 机动车快速增长所致。 2 0 0 2 年度三环路内一、二、三级道路机动车h c 、c o 和n o x 排放量分别 为：h c 年排放1 5 6 万t ，占城区同类污染物总排放量的8 0 ；c o 年排放量为 雾 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 5 2 万t ，占总排放量的9 7 ；n o x 年排放量为o 8 万t ，占总排放量的3 4 3 1 0 】。 四川省环保局最新公布的数据，在成都市中心城区一二环路内，机动车排气污 染负荷分担率已高达4 0 1 ，三环路间已达到2 9 9 。也就是说，城市中心区域 的大气污染四成来自机动车尾气排放。 2 4 2 机动车污染道路监测 为了解成都市主干道两侧机动车排气污染物的变化规律，对二环路机动车 排放的污染物进行了监测。 ( 1 ) 监测时间：2 0 0 7 年7 月1 8 日至2 0 日，早8 点至晚8 点。 ( 2 ) 监测方法：将所监测气体采用气袋法采集，采用非红外分析仪对所采集气 体进行实验分析。 ( 3 ) 执行标准：按照国家环境质量空气二级标准的原则。c o 的标准浓度值为 1 0 0 0 0 m g m 3 。 ( 4 ) 监测结果 结果统计见表 表2 7 二环路c o 监测结果表 2 4 3 机动车综合排放因子 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g k i n 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。机动车在实际道路上运行时的综合排放因子 不仅取决于机动车排放控制水平，运行的工况条件、使用年限和累计行驶历程 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 车辆的维护保养状况、油料特征以及运行的环境条件等，最终都会影响机动车 的实际排放。这些复杂因素的综合作用结果是通过排放因子计算模式来反映的。 目前世界上应用最广泛的模式是美国环保局开发的m o b i l e 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 。 ( 1 ) 机动车类型划分 根据车辆的总质量将我国机动车分为4 大类，其中按照排量和燃料类型的 不同，又细分为1 2 小类【1 7 1 ，具体见表2 8 。 表2 8 机动车分类表 轻型车 轻型汽油车，轻型柴油车，轿车，出租车，其他车 中型车 重型车 摩托车 中型汽油车，中型柴油车 重型汽油车，重型柴油车 二冲程摩托车，四冲程摩托车，摩托车 ( 2 ) 排放因子的确定 我国目前使用的机动车排放标准是以欧洲标准工况e u e + e u d c 为基础的， 该工况与我国具体城市的实际道路汽车运行状况存在着较大差别，由此获得的 机动车排放因子与我国的实际情况差别较大，不能很好地预测机动车污染状况 2 0 0 4 年北京工商大学化学与环境工程学院的姚志良，王岐东，胡燕霞对成都市 实际道路行驶工况进行了具体的研究。结合成都的实际情况采用了清华大学环 境科学与工程系根据m o b l i e 5 模式修正得到的排放因子【闭，各车型平均排放 因子见表2 9 。 表2 - 9 成都市机动车污染物排放因子( 单位：g k m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 4 4 机动车污染物排放量 成都市2 0 0 0 年城区内机动车污染物排放量分别为：h c 年排量为1 5 6 万吨， 占城区同类污染物的8 0 ；c o 年排放量为1 5 2 万吨，占排放量的9 7 ；n o x 年排放量为o 8 万吨，占总排放量的2 7 。 城市机动车各类污染物排放量计算公式为： e q p = e m j 式中：p j 计算年份机动车保有量，万辆： j _ 车型分类； m i 年平均行驶里程，万k m ； e q l r 不同车型不同污染物的单位里程平均排放因子； 9 6 0 0 年成都市机动车污染物年排放量【1 9 】如下图所示。 图2 7 成都市机动车污染物逐年排放量统计图 2 5 机动车构成特点及排气污染分析 城市机动车的构成一方面可从机动车分车型的保有量上进行分析，也可通 过实际道路上的调查统计，得到各车型的实际出行情况。后者更能反应城市机 动车运行的实际情况，可直接用于城市道路的机动车排气研究。成都市机动车 的构成情况特点如下： ( 1 ) 私家车数量增加迅速，且出行率较高。近年来随着经济的增长与人们 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 生活观念的转变，居民购买私家车的热情始终高居不下。成都市私家车持续保 持快速增长。鉴于执行了新的排放标准，新车单车的排污量较先前车型会有所 降低，但如无节制的增长，私家车对城市大气的污染问题会逐渐显现出来。 ( 2 ) 据统计摩托车数量较多，约占成都市机动车保有量的5 0 ，但出行率 较低。通过对成都市道路监测结果可以看出。交通管制措施的实施应是造成该 现象的原因。 ( 3 ) 公交车和出租车本身数量不是很大，但属于“高频率。高强度 的运 行车辆。减少车辆出行率、降低人均排污负荷最有效的方法便是发展公共交通。 近年来成都市在发展公共交通的同时，还加强了对运行车辆清洁能源的改造力 度。目前成都市现有的公共交通机动车的数量基本能满足市民出行的需要，以 后会在改善道路状况和只能交通等方面加大对公交系统的建设，估计在一段时 间内公共交通机动车的数量不会有太大变化。公共交通的发展，减少了人均出 行的排污量，但同时使公共汽车的使用频率和载客负荷较高，造成公共汽车的 排气污染相对严重。 2 6 本章总结 ( 1 ) 近年来随着经济的发展我国机动车保有量显著增加，成都市机动车保 有量现位居全国第二位，已达1 8 3 万辆，私家车数量增长率迅速，出行率较高。 ( 2 ) 成都市中心城区的道路网络布局结构呈现环状放射加局部方格网状的 形态，是典型的单中心城市发展格局。目前，城市公路密度达到1 1 9 6 百平方公 里，位居全国第一。 ( 3 ) 通过对二环路车流量的数据统计，上下班时间为车流量的高峰期。车 型分布轿车的比例最高，其次为出租车。 ( 4 ) 成都市大气污染类型由煤烟型向混合型转变。在成都市中心城区一二 环路内，机动车排气污染负荷分担率已高达4 0 1 ，三环路间已达到2 9 9 。城 市中心区域的大气污染四成来自机动车尾气排放。主干道旁污染物浓度上下班 高峰期超过大气质量二级标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章机动车污染扩散影响因素分析 在街道中，机动车排放污染物扩散受到气象条件和街道建筑结构的影响。 每个城市都有自己的气候特征独特的建筑和交通基础建设特征以及，因此分析 特定城市的街道几何特征和气象条件对于研究城市街道污染扩散模式十分必要 的。 3 1 成都市气候背景 成都市位于成都平原中部，介于东经1 0 2 度5 4 分至1 0 4 度5 3 分，北纬3 0 度0 5 分至3 1 度2 6 分之间，市中心位于北纬3 0 6 7 度，东经1 0 4 0 6 度。属亚热 带季风气候，具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点，全年霜雪少，风速小， 阴天多，日照少，气压低，湿度大。逆温出现频繁。春季气候回升快，但常有 春寒出现。夏季降雨集中，常有局部洪涝。秋季气温下降快，连绵阴雨多。冬 季霜冻较少，干冬两句较普遍。多云雾，日照时间短，空气潮湿。年平均气温 1 8 4 ，年总降水量为9 1 8 2 毫米，年平均风速1 2 米秒。 3 2 影响机动车尾气污染扩散的气象因素 汽车发动机燃烧产生的污染物排放到大气中以后，在大气中传输扩散。传 输扩散受到气象因素和环境因素的影响。当地面大气处于不易稀释扩散的气象 条件时，从机动车排放的大气污染物，将有可能造成高浓度的大气污染；反之， 当大气处于易于稀释扩散的气象条件下时，由于排向大气中的污染物能被风和 大气湍流迅速的稀释扩散，即使是在于前者相同的原参数条件下，也可能不会 造成大气污染。风和湍流是影响大气扩散能力的主要动力因子，大气稳定度则 是影响大气扩散能力的主要热力因子。 3 2 1 风 ( 1 ) 风速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 风速对大气污染起冲淡稀释的作用，风速越大，单位时间内混入空气中的 清洁空气越多，稀释越快；反之，风速越小，稀释越慢。城市街道汽车污染扩 散过程中，最主要的一个特点是街道峡谷对局地流场的影响。由于上层大气会 在峡谷内产生一个或者多个涡流，因而使得峡谷内流场完全不同于上层大气。 8 0 年代，很多研究都证实了街道中漩涡回流的存在。d e p a u l 和s h e i h 于1 9 8 5 年在芝加哥的一个街道峡谷中进行了一次示踪试验，结果表明：当环境风速在 2 - - 一5 m s 时，街道峡谷中只有一个涡流存在；当风速降低n d , 于1 5 2 0 m s 时， 峡谷中的涡流就似乎消失了 2 l 】。尽管街道峡谷中涡流现象非常复杂，但有一个 规律是相同的，即上层大气中风速加大时，峡谷内污染物与上层大气的扩散交 换也随之加剧，从而使得峡谷内污染物浓度降低【2 2 。 在实际观测中发现，成都市主要街道的高宽比一般在o 5 4 左右，这样的街 道是属于宽阔街道结构，屋顶风容易下洗至街道底部，造成街道底部风速相对 较大的情况。 表3 1成都市常年各月风速统计表( 单位：m s ) 由成都市气象局常年风速统计表中可以看出，成都市各月平均风速较小， 均低于1 5 m s ，年均风速为1 2 r n s 且全年变化幅度较小。因此本文在后问进行 c a l i n e 4 模型应用研究时，选择静风、l m s 、1 5 m s 三种风俗条件代表成都市 的风速状况。较小的风速不利于机动车污染物的扩散稀释，随着成都市机动车 保有量的增加，机动车污染物排放量逐年递增，机动车污染问题将成为一个重 大的现实问题。 ( 2 ) 风向 风对大气污染物起到的另一个作用是整体输送作用，风向决定了污染物的 迁移方向，使得污染源下风向地区比上风向地区污染物浓度高。街道两旁建筑 物顶部的蜂箱对街道内大气污染物扩散有很重要的作用，这是由于不同风向的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 屋顶风在接到内将产生不同的气流流场。地面风向有十六方位，则高浓度机会 多。但风速较小时，下风向近距离污染最为严重。 表3 - 2 成都市常年各月风向资料统计表 项目1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月l o 月 11 月1 2 月 最多静静静静静静静 静静静静静 风向风 风风风风风风风风风风风 最多风 向频率 4 94 63 83 73 53 7 4 34 24 24 7 5 0 5 4 ( ) 次耋风n n en n e n n e n n e n n ennnn n e n n e n n en n l 口j 次多风 向频率 1 31 31 41 11 0888111 01 11 2 由成都市常年风项统计表可以看出，成都市常年的主导风向为静风，频率 为4 3 ，次多风向：6 、7 、8 月为n ( 频率为8 ) ，其余各月为n n e ( 频率为 1 1 ) ，对应的下风向分别为s s w 和s ，属严重污染区域。 3 2 2 气温 气温的时间和空间上的变化是引起大气污染物浓度变化的另一个重要气象 因素，与大气稳定度有密切的关系。 成都市常年各月气温统计资料如表3 3 所示。 表3 3成都市常年各月气温统计资料表 由上表可以看出，成都市月平均最高气温出现在7 月份，为3 0 0 。c ，最低 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 气温出现在1 月份，为2 4 。年均气温为1 6 2 。冬季气温较低，大气稳定 度高，污染物不易扩散，致使浓度较高；夏季气温偏高，大气稳定度较低，气 层不稳定，大气污染物浓度低。同样日变化与年季变化相同，白天气温升高， 大气湍流交换强，大气污染物浓度低：夜间气温下降，气流下沉，湍流减弱， 大气污染物浓度高。气温的垂直分布决定着大戚德曾接状态，当气温上高下低 时，层结不稳定，湍流扩散强。因此，气温的时空分布影响着大气污染物的扩 散稀释。 3 2 3 大气稳定度 大气稳定度反映了大气的基本热力状况，而大气的热力状况对大气污染物 的输送、扩散和分布有重要影响，因此，大气稳定度也是分析研究机动车污染 物扩散必须考虑的因素之一。 大气稳定度表示空气在铅直方向上的稳定程度，即气块是否稳定于原来的 层次，是否易于发生对流。它是综合反映大气扩散稀释能力的重要指标，共分 六类：强不稳定a ，不稳定b ，弱不稳定c ，中性d ，弱稳定e ，稳定f ，其中 还包括a2 b ，b 2 c 和c 2 d 三种介于两种稳定度之间的类别。a 、a b 、b 、b c 、 c 类为不稳定类，c d 、d 类属于中性，e 、f 类为稳定类。成都市大气稳定度 三大类频率变化曲线如图3 3 所示。 鬻 一 瞢 警 图3 3 成都市大气稳定度三大类频率变化曲线( 1 9 8 2 1 9 9 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 成都地处盆地西部的成都平原的中部，有日照少、云量多、风速小和湿度 大等气候特点；加之工业发达，大量的工业烟尘提供充足的凝结核，使得成都 云、雾增多，地理位置和气候特点的多种因素使成都多年的大气稳定度以中性 和弱稳定类为主，不稳定类的b 类居多，且季节变化明显，以中性类及稳定类 变化幅度较大。冬季，太阳辐射较弱，上空常存在一个持久的逆温层，且云量 多，风速小，雾日多，因而湍流较弱且不易发展，稳定类出现频率较高，不稳 定类最少。夏季，太阳辐射较强，对流旺盛，不稳定类为一年中的最大值。 3 2 4 逆温 逆温的产生有很多种情况。最常见的是在晴朗无云的夜间，当风速较小( 风 速 3 m s ) 时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面处冷却最为强烈， 较高的启程冷却较慢，因而形成了至地面开始逐渐向上发展的逆温层。日落前 一小时逆温开始形成，这是的逆温是和地面相贴的，成为贴地逆温。随着地面 辐射冷却的家具，逆温逐渐向上扩展，黎明时逆温强度最大。当发生逆温时， 大气是稳定的，所以逆温层的存在大大阻碍了气流的垂直运动。若逆温层存在 于空中某高度，由于上升的污染气流不能穿过逆温层而积聚在它之下，会造成 严重的大气污染现象。 由于特殊的地理环境，城市特有的下垫面及天气系统的影响，使得成都边 界层流场复杂多变。据1 9 9 0 1 9 9 9 年1 0 年资料统计，成都地区逆温出现频率为 1 5 6 。逆温出现频率一般为冬季最多，以上部逆温为主，其出现频率为6 2 9 ， 逆温平均底高8 9 4 m ，平均顶高1 2 2 8 m ，平均厚度3 3 4 m t 2 3 】 表3 _ 4 各高度层逆温发生次数 四川省气象环境影响评价中心于2 0 0 2 年进行低空探空测试，所得上部逆温 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 的空间分布如表4 所示。其中“逆温底高次数”表示某一高度为逆温底高的次 数。可见，上部逆温底高在地面以上至6 0 0 m 高度均有出现，频率共为4 0 2 。 其中 20 ，则令f a = 2 0 ； e f f a 的调整因子； n - 、“广一n 的累加起始值和终止值( 整数) ，由层结稳定度和风速共同 决定； a 、b 线源的起点和终点。 c a l i n f a 模式把道路上方区域直接作为一个湍流的规则区域。捏合带的范 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 围是在