（环境工程专业论文）公路机动车排气线源扩散模式的研究.pdf

摘要 定量计算公路机动车排气形成的污染物浓度在公路项目环境空气质量影响评价、公 路环境空气污染模拟预测及机动车排气污染控制等方面有重要意义。 要计算或预测机动车排气对环境空气质量的影响，需建立符合公路环境和机动车车 流排放特点的扩散模式。本文以大气平流扩散方程为基础，考虑近地面层风速和大气湍 流随高度显著变化的特征，建立公路机动车排气线源扩散模式。对模式中的参数进行修 正，验证其精度和有效性。研究了模式中各参数的敏感性，确定了影响机动车排气污染 物浓度分布的主要因素。分析这些因素的影响特点和规律。然后引入两个工程实例，讨 论了道路结构对线源下风向浓度分布的影响，并为模式在工程环境影响中的应用提供了 指导。最后针对我国公路机动车排气污染特点提出了污染控制措施。论文主要研究成果 如下： ( 1 ) 建立了适合公路机动车排放污染物扩散特点的多点源排放污染物平流扩散方 程，在一般垂直边界和水平边界假设条件下求得了平流扩散方程的解析解，得到了无限 长线源和有限长线源的污染物浓度计算公式。 ( 2 ) 研究和讨论了公路机动车排放污染物扩散模式中各参数的确定方法。分析发 现，本模式考虑了近地面、低风速气象条件下污染物浓度的模拟，且与其他常用模式相 比精度更高。 ( 3 ) 模式中参数的敏感性分析表明，除机动车排放外，影响机动车排气污染物浓 度分布的主要因素有气象条件及公路工程和路上活动相关参数等。通过对敏感参数的分 析发现：大气稳定度和路基高度的影响主要体现在公路两侧附近；线源长度的影响主要 在距公路一侧较远处，但应考虑较短线源的端点效应；环境风速、车速、交通量以及排 放因子对路边附近浓度分布影响显著，但当污染物扩散到一定范围后，影响将很小。 ( 4 ) 通过两个公路扩散的实例应用，验证了本模式在定量计算及预测了机动车排 气污染物浓度的分布方面的快速有效性，以及对公路环境空气质量研究方面的实用价 值，同时也为模式在工程中的实际应用提供了指导。 ( 5 ) 分析了不同道路结构对公路机动车空气污染物扩散的影响。公路隧道使污染 物以排放源为中心沿下风向向周围扩散，高浓度范围明显分布在下风向轴线两侧的较广 区域；高路基对污染物的扩散有明显的促进作用，在高路基一侧附近迅速形成最高浓度 轴线后，沿x 方向两侧对应等浓度分布。 ( 6 ) 根据污染物分布影响因素分析和浓度分布模拟，提出了实用有效的机动车排 气污染控制措施，为公路机动车排气污染防治方面的工作提供了理论依据和指导。 关键词：公路，机动车排气，线源扩散模式，平流扩散方程， 污染物浓度模拟，污染控制 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt oc a l c u l a t et h ep o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fv e h i c l e se m i s s i o n , w h i c hc a nb eu s e di na i rq u a l i t ye n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to fh i g h w a ys u b j e c t s ，a i r p o l l u t i o ns i m u l a t i o no nr o a de n v i r o n m e n ta n dp o l l u t i o nc o n t r o li nv e h i c l e se m i s s i o n i ti sc r u c i a lt os e tu pad i s p e r s i o nm o d e la p p l i c a b l et or o a d w a yi no r d e rt op r e d i c tt h e e f f e c t so fv e h i c l ee m i s s i o np o l l u t a n t so na i rq u a l i t y b a s e do nt h ea t m o s p h e r i cd i f f u s i o n e q u a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e i g h t d e p e n d e n tw i n ds p e e da n da i rt u r b u l e n c e m o t i o n ，ar o a d w a yl i n e s o u r c ed i s p e r s i o nm o d e li se s t a b l i s h e d p a r a m e t e r si nt h em o d e la r e m o d i f i e da n dt h ea c c u r a c ya n dv a l i d i t yo ft h em o d e li se x a m i n e dt h es e n s i t i v i t yo ft h e p a r a m e t e r si nt h em o d e li sa l s os t u d i e d t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no ft h ev e h i c l e se m i s s i o na r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ed e t a i l e de f f e c t so ft h em a i n f a c t o r sa r ea n a l y z e d t h e n ，t h r o u g ht w oe n g i n e e r i n gc a s e s ，t h ei m p a c t so fr o a dc o n s t r u c t i o n o np o l l u t a n t sd i s t r i b u t i o na r ed i s c u s s e d ，w h i c hc a na l s op r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h e sa b o v e ，p o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sb e l o w ： ( 1 ) a t m o s p h e r i cd i f f u s i o ne q u a t i o no fm u l t i p o i n ts o u r c e st h a ti sa p p l i c a b l ef o rp o l l u t a n t s d i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l e se m i s s i o ni se s t a b l i s h e d u n d e rt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a l b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，f i n i t e - l e n g t ha n di n f i n i t e l e n g t hl i n e - s o u r c e sc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n s a r ea n a l y t i c a l l ys o l v e d ( 2 ) t h ed e t e r m i n a t i o no fp a r a m e t e r si nt h em o d e lo fv e h i c l e sp o l l u t a n t sd i f f u s i o ni s s t u d i e da n dd i s c u s s e d p o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o ni ss i m u l a t e du n d e rt h em e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n so fn e a rs u r f a c el a y e ra n d l o w w i n ds p e e d c o m p a r e dw i t l lo t h e rm o d e l s ，t h i sm o d e l h a sh i g h e rp r e c i s i o n ( 3 ) s e n s i t i v i t ya n a l y s i si nt h em o d e ls h o w st h a tm e t r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n de n g i n e e r i n g p a r a m e t e r so fr o a da n dr o a da c t i v i t i e sa r et h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep o l l u t a n t s c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ft h es e n s i t i v ep a r a m e t e r s ，i ti si n d i c a t e d t h a ta t m o s p h e r i cs t a b i l i t ya n dh e i g h to fr o a d b e dh a v em a r k e de f f e c t so nt h ep o l l u t a n t s c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nn e a rt h er o a d t h ee f f e c tt h a tt h el e n g t ho fl i n es o u r c e si sm a i n l yo n o n es i d eo ft h er o a da n df a ra w a yf r o mt h er o a d ，b u tt h ee n d i n ge f f e c ts h o u l db ec o n s i d e r e d 1 1 1 o t h e rp a r a m e t e r s ，s u c ha sw i n ds p e e dv e h i c l es p e e d ，t r a f f i cv o l u m ea n de m i s s i o nf a c t o r s ，a l s o h a v es i g n i f i e a t i o ni n f l u e n c e so nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n b u tt h e s ei n f l u e n c e sw i l lb el i t t l e a f t e rad i s p e r s i o ns c o p e ( 4 ) t h ee f f i c i e n c yo ft h i sm o d e li sv e r i f i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no f t w oe n g i n e e r i n g c a s e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o d e li su s e f u lt os i m u l a t ea n dp r e d i c tt h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n ，a n dh a sp r a c t i c a lv a l u ef o ra i rq u a l i t ys t u d yo fr o a d ( 5 ) t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr o a dc o n s t r u c t i o no na i rp o l l u t a n t sd i f f u s i o ni sa n a l y z e d i t t u r n so u tt h a tr o a dt u n n e lc a u s e sp o l l u t a n t sd i f f u s i n ga l o n gw i t ht h ew i n d ，a n dt h eh i g h c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no nal a r g er a n g e h i g hr o a d b e dp r o m o t e st h ed i f f u s i o no ft h e p o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，t h em a x i mc o n c e n t r a t i o na p p e a r sa to n e s i d eo fr o a da n dt h e nt h e c o n c e n t r a t i o nw i l lb es a m ea te a c hs i d e ( 6 ) a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f i n f l u e n c ef a c t o r so fp o l l u t a n t sd i s t r i b u t i o na n ds i m u l a t i o no f c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h ec o n t r o lm e a s u r e so fv e h i c l e se m i s s i o np o l l u t i o ni si n t r o d u c e d ， w h i c ha l s os u p p l i e st h et h e o r ya n dg u i d a n c et oe m i s s i o np o l l u t i o np r e v e n t i o no fv e h i c l e so n r o a d k e yw o r d s ：h i g h w a y , v e h i c l ee m i s s i o n ，l i n e s o u r c ed i s p e r s i o nm o d e l ， a d v e c t i o nd i f f u s i o ne q u a t i o n ，s i m u l a t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n , p o l l u t i o nc o n t r o l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： f 司苘矽呷年歹月乡口日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： ( 司蔼 导师签名： 竹 月乡。日 扩7 年箩月9 0 日 长安大学硕上学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章概述 1 1 1 研究的背景 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国机动车保有量的迅猛增加和公路建设的快速发展， 公路机动车污染问题逐渐显现出来。统计表明，截至2 0 0 3 年底，我国机动车产量已突 破2 0 0 0 万辆，保有量已达到1 0 7 亿辆。而最新统计结果表明，2 0 0 7 年3 月底全国机动 车总保有量已达1 4 8 多亿辆。机动车污染物排放总量也随着机动车保有量的持续增长持 续攀升。2 0 0 3 年全国机动车一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的排放量已分别达到3 “ x1 07 t 、5 4 9 1 0 6 t 、8 3 6 x1 0 6 t ，分别是1 9 9 5 年相应污染物排放总量的2 0 5 、3 0 1 、2 5 1 倍【l 】。机动车排气污染已经成为构成了城市区域空气污染的主体因素，严重影响了环境 和人体健康。根据国家环保中心预测结果，到2 0 1 0 年我国机动车保有量将位居世界前 列，在不考虑节能和控制条件下，机动车尾气污染物排放量将占空气污染源的6 4 。公 路机动车排气造成的空气污染问题将日益受到社会各界的关注。 由于机动车尾气近地面排放，恰好处于人的呼吸带范围，排放的污染物对人体健康 影响十分明显，危害甚大。如排放的一氧化碳和氮氧化物能大大阻碍人体的输氧功能， 铅能抑n j l 童的智力发育，造成肝功能障碍，排放的颗粒物对人体有致癌作用。此外， 机动车排放的一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物在太阳的照射下会在大气中反应，形成 光化学烟雾，其污染范围更广，对人体健康、生态环境的危害更大。加之我国的机动车 保养维修和日常检查系统不完善，单车排放污染物比国际水平高出数十倍。造成局部地 区的机动车污染问题相当严重，因此，对我国机动车排放污染物危害进行研究是非常有 必要的。 要确定公路机动车排放污染物对环境空气质量的影响，需要建立符合公路环境及机 动车车流排放特点的扩散模式。从2 0 世纪7 0 年代以来，国外先后开发了不少计算线源 污染物浓度的模式。分析这些扩散模式可以看出，它们大多属于高斯烟流公式在应用中 的推广。由于公路机动车排气的扩散发生在近地面层( 距地面高度 4 5 。时，线源下风向的浓度为【1 8 】： 以，o ，。罔= 丽2 丽q 唧( 矧 2 ， 此模式不适用于夹角小于4 5 。的情况。对风向和线源成任意交角的模式可以利用简 单内插法来推导得到。 在估算有限长线源造成的污染物浓度时，必须考虑到线源末端引起的“边缘效应”。 随着接受点距线源距离的增加，“边缘效应 将在更大的横风向距离上起作用，因而有 限长线源扩散模式可表示为： 如，o ，。= 矗e x p ( 茜弦面1e x p ( 等户 3 ， 式中：p 。= y l 仃y ，= y 2 仃y 1 2 2 国内研究动态 由于受扩散实验条件和野外示踪试验经费所限，在我国尚未见到有规模、综合性的 公路机动车排气线源扩散实验和研究成果的报道。在国内仅有的几项相关研究也主要是 针对城市道路开展的【1 9 刎。 4 长安人学硕士学位论文 同时由于近十年来我国高速公路建设的迅猛发展，公路建设项目环境影响评价工作 全面展开起来。作为评价公路机动车尾气排放对环境空气质量影响的手段，我国采用的 公路汽车尾气扩散模式的种类较多，但多停留在对基于高斯烟流扩散模式的修正应用 上。不少学者就高斯模式在国内平直公路上的应用的可靠性做出了论证，并且就模式在 国内实际应用中做出了有益的尝试。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 积分模式进行大气污染物扩散浓度的计算。西安至临潼高速公路环境评价 中采用了该模式预测空气污染，而易振国【2 l 】等对其主要输入参数( 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时，还应根据实际情况对模型进 行修正；在上海至嘉兴高速公路环境影响评价中曾采用c a l i n e 模式预测公路机动车排 污对沿线环境空气质量的影响，而李修刚【2 2 】等利用c a l i n e 4 模式对上海市南京北路开 阔道路进行模拟和预测，并和现场试验的数据进行比较，发现c a l i n f a 模式计算开阔 道路两侧的c o 浓度模拟效果较好，但模拟n o x 浓度的扩散模式尚需进一步研究。因此， 无论采取哪一种模式，都会碰到不同程度的困难。 1 3 研究目的及内容 1 3 1 研究目的 通过研究我国机动车排放源特点，建立多源大气污染物线源扩散模式，研究和讨论 各参数的取值，并引入工程实例加以应用，对公路交通空气污染物排放量计算、公路项 目环境空气质量影响评价、公路环境空气污染模拟预测及机动车排气污染控制等方面提 供参考。本文主要研究技术路线如图1 1 所示。 5 第一章概述 图1 1 论文研究技术路线 1 3 2 主要研究内容 本文根据大气平流扩散方程，选取相关参数，确定边界条件，建立了适合我国机动 车排放源特点的污染物线源扩散模式；对模式中参数进行敏感度分析，寻求机动车排气 污染物分布规律；然后引入两个工程实例，对公路边机动车排气污染物浓度分布进行模 拟和计算；最后针对模式影响因素及污染物浓度分布规律提出相应的机动车排气污染防 治措施。各章的主要内容如下： 第一章介绍了公路机动车尾气排气污染物扩散模式研究的背景，结合目前我国机动 车排气线源扩散模式研究现状和目的，阐述了研究该模式的意义。同时介绍了国内外对 线源扩散模式的研究现状以及本文的研究思路和技术路线。 第二章通过对常用机动车排气污染物扩散模式的对比，确定适用我国机动车排放特 征的扩散模式，在大气扩散平流方程的基础上，根据公路环境特点及机动车尾气排放特 6 长安大学硕士学位论文 点，结合适应我国实际机动车排放特点的污染物线源扩散相关参数，得出有限长线源和 无限长线源污染物浓度的解析解，建立了广泛适用于公路的机动车线源污染物扩散模 式，并对模式中参数进行讨论和修正。 第三章对模式中的各类参数进行敏感度分析，研究公路工程参数对尾气扩散的影 响，确定公路机动车排气污染物浓度的影响因素及分布规律。并对模式的精度进行分析， 讨论该模式的实用性和有效性。 第四章引入两个公路工程的应用实例，利用本文建立的污染物扩散模式，对公路隧 道敞开口段及高路基路段下风向处污染物浓度分布进行模拟、验证和分析。 第五章针对模式的影响因素，结合模拟的结果，制定相应的机动车排气污染控制措 施。 最后为本文的结论，对全文进行了总结，并阐述了一些未来需要进一步研究的问题 及对这些问题的研究展望。 7 第二章公路线源污染物扩散模式 第二章公路线源污染物扩散模式 环境空气质量预测是近几年环境科学中发展最快的研究领域之一。2 0 世纪6 0 年代 以来发展了众多公路线源污染物扩散模式来预测环境空气质量，由于这些模式所考虑的 物理过程和导出条件不同，其计算公式和参数的表达式也各不相同，对于同一污染问题 用不同的模式进行计算，常会得到差异很大的计算结果。在这些扩散模式中，较有影响 并在我国曾有应用的模式主要有高斯烟流模式，基于高斯烟流模式的h i w a y 线源扩散 模式、g m 模式、c a l i n e 模式，以及y e a 模式和点源积分法等。下面对这些模式做简 要介绍。 2 1 常用模式 2 1 1 常用模式简介 1 、h i w a y 模式 h i w a y 模式 4 1 是美国国家环境保护局于1 9 7 5 年开发的第一个公路线源扩散模式。 1 9 8 0 年p e t e r s o n 2 3 l 和r a o 2 4 】等以g m 公司在纽约公路实验数据为基础，对h i w a y 模式 进行修改推出h i w a y - 2 模式。h i w a y - 2 模式将公路排放视为一系列有限长线源，并将 公路的每个车道视为直的、连续以均匀速率排放污染物的有限长线源。然后，再将线源 等效成一系列的连续点源，通过积分高斯点源扩散公式得到计算线排放源污染物浓度的 表达式为： c = 鱼ur 倒 ( 2 1 ) 式中：广书染物浓度，m g m 3 ； g l 线源污染物排放强度，m g ( m s ) ； l 广_ 风速，m s ： 卜线源的长度，m ； 谬一线源微元，m 。 式( 2 1 ) 中的厂称为扩散函数，可根据排放源高度及大气有无逆温层对污染物的阻 挡等情况，选择适当的表达式。当高空无逆温层时，厂的表达式为： 厂= 瓦1 州一茜，h 警h 警 旺2 ， 长安大学硕士学位论文 式中，o r y ，o r ：横风向，垂直方向的扩散参数，m ： 阡一线源的排放高度，m ： r 计算点距地面的高度，m 。 其中扩散参数的定义为： 仃y = ( 盯孟+ 盯；。) 0 5 ( 2 3 ) 万：= ( 口三+ 盯：2 0 ) n 5 ( 2 。4 ) 式中：o r 。环境湍流引起的横风向扩散参数，m ； o r 。环境湍流引起的垂直方向扩散参数，m ； o r y o 公路引起的初始横风向扩散参数，m ，0 - 7 加= 2 口；o ； 盯柏公路引起的初始垂直方向扩散参数，m ，其值在1 5 - - 5 m 之间，o r ：。随风 速的增大而增加。 为了回避h i w a y 模式在低风时计算不稳定的问题，h i w a y - 2 模式将风速定义为： u - - - = m a x ( u ，u e ) t e = 1 8 5 u 0 1 6 4 c o s 2 目 ( 2 5 ) 式中：卜风向与公路走向的夹角，( 。) 。 2 、g m 模式 c h o c k 在美国g m 公司公路机动车排放扩散实验研究成果的基础上，提出方便计算 公路线源污染物浓度的g m 模式【9 1 。与h i w a y 模式相比，g m 模式回避点源假设，并 定义一个新的扩散函数，将风向与车道走向的夹角口和离排放源的距离作为扩散参数的 自变量，此外，g m 模式还考虑了在稳定大气和微风条件下，汽车尾气烟羽的抬升。然 而，g m 模式只能用于无限长线源的情况。g m 模式计算污染物排放浓度的表达式为： c = 赤叶吾c 挚2 + 唧h 挚2 汜6 ) 式中：r 线源源强，m g ( m s ) ； ( 7 r - 一公路横风向风速与风速订正因子的和，州s ； 陆广一机动车排污烟羽高度m ， 在g m 模式中，水平和垂直扩散对污染物浓度的影响体现在定义中的盯：中，即： 9 第二章公路线源污染物扩散模式 仃：二 a + b f c o ) x r ( 2 7 ) 朋+ 纠等| 7 汜8 ， 式中：r 计算点距车道中心的距离，m ； 卜风向与公路走向的夹角，( o ) ； a ，b ，c ，r 根据大气稳定度确定的经验参数。 烟羽高度凰的计算式为： 耻l 丝a p o 掣ul l ，x ” i 。 i 式中：卜烟羽的宽度，m ； r 重力加速度，m s 2 风和p 环境空气和烟羽的密度，k g m 3 ； 一系数； z 广_ 线源横风向风速，m s ； 3 、c a l i n e 模式 c a l i n e 系列模式是美国国家环保局推荐使用的一种法规应用级线源模型。1 9 7 7 年，w a r d 等对c a l i n e 模式进行了改进，开发出了c a l i n e - 2 模式【6 】，b e n s o n 又将道 路等效为一系列风向垂直的短的连接线，开发了c a l i n e 3 模式川，进一步改善了 c a l i n e 2 模式在大气处于稳定和当风向与公路走向平行时，计算结果偏大的缺陷。后 来b e n s o n 又将c a l i n e 3 模式进一步修改，升级为c a l i n e 一4 t 舯，使其可用于道路交叉 口和停车场的情况。c a l i n e 一4 模式将公路划分若干小单元，每一个单元近似成一个通 过其中心点，且与风向垂直的有限长线源，下风向某点污染物浓度看成是所有单元排放 对该点污染物浓度的贡献的叠加，其污染物浓度计算公式如下： c = 面q 唧 一1 等2 + 唧h 学胁即c 茜渺 汜 为反映车辆行驶带来的机械湍流和排放污染物的热湍流在扩散过程的作用， c a l i n e 4 模式提出了“混合区域的概念( 将道路两侧各加3 m 作为混合区域的边界) ， 表示公路汽车污染物的扩散特征。在此混合区域内，认为垂直扩散参数和地面粗糙度以 及大气的稳定度完全无关，而是用污染物的停留时间的函数形式来表示，而污染物的停 1 0 长安大学硕士学位论文 风速。而在此混合区域边界到距公路1 0 k m 处，考虑到热湍流的影响，用修正后的p g 曲线参数表示。而水平扩散参数在考虑到机械湍流的作用下，把其表示为扩散时间的函 数进行计算。与其他模式相比较，c a l i n e 系列模式有适应面广、模式简单易操作等优 点。 4 、j e a 模式 日本环境保护厅的j e a 模式是根据r o b e r t s 的线源扩散方程的解和用大阪府示踪剂 扩散实验数据建立的半经验模式1 5 】。东京府根据在东京实测的n o x 数据对该模式进行 修改，开发出东京j e a 模式。j e a 模式以大阪府扩散实验数据为依据确定扩散参数。j e a 模式按风向与公路走向垂直、平行和环境处于静风时分别给出不同的计算污染物浓度的 表达式。 ( 1 ) 垂直风，即公路与风向的夹角为4 0 。 0 9 0 。时 c ：熹辱e x p ( - b 竺) (211)4 u s i n 口石5 、 石7 1 ( 2 ) 平行风，即公路与风向的夹角为0 。 0 4 0 。时 归盎矿老矛 q j 2 ) ( 3 ) 静风( u l m s ) 时 c 一器呢 眩 其中，w 1 ，w 2 和w 3 为线源长度的函数，其表达式分别为 = 扣坝别 旺 啤惦器h 一 眨 肾昙。肌1 南一觚1 赢， ( 2 1 6 ) 形( 孝) = 万2f e x p ( 一，7 2 ) d r l t ” 式中：r 污染物浓度，m g m 3 ； 第二章公路线源污染物扩散模式 q l 线源排放速率，m g ( m s ) ： r 计算点离线源的距离，m ； y l ，此有限长线源的端点坐标，m ： r 计算点距地面的高度，m ； b ，s ，g ，g l 风速，辐射平衡，建筑物大小和建筑物与地表尺度之比的函数； p ，a l ，g 2 建筑物大小和建筑物与地表尺度比值的函数； 彳2 风速和辐射平衡参量的函数； 彳3 ，g 3 ，聊辐射平衡参量的函数； 卜风向与线源的夹角，( 。) 。 5 、点源积分法 点源积分方法本质上是把线源划分成有多个点源，然后求这些点源浓度之和，这种 方法适用于各种线源，即使线源呈现不规则的折线或曲线形状。这与多点源浓度场的计 算相同。实际计算时要给出线源的每段的起点和终点，前一段的终点自动成为后一段的 起点，在每段内再划分为若干小段，每一小段作为一个点源考虑，其中心坐标与计算点 的坐标在给定的风向和计算条件下建立联系，同时还要给出每一段的线源源强。 2 1 2 模式优缺点 1 、基于高斯线源扩散的模式 h i w a y 模式、g m 模式、c a l i n e 模式等基于高斯模式的扩散模型，使得高斯模式 无论从理论上，还是从实践上都有了进一步的发展。与其它一些类型的扩散模式相比， 高斯模式有其自身的许多优点：高斯模式的前提假设是比较符合实际的。大量小尺度 扩散试验证明，正态分布的假设至少是实际分布的一种粗略近似( 尤其是对小范围扩散) ； 模式的物理概念反映了湍流扩散的随机性，其数学运算比较简单；高斯类型的模式 具有坚实的实验基础，扩散参数的求取均有比较可靠的经验公式或图表可供使用，在实 际应用中更方便，较有实用价值；对基本的高斯扩散模式作一些修正( 如地形修正等) ， 便可以直接将其用来处理一些特殊条件下的大气扩散问题；由于高斯扩散模式具有解 析形式，因此其数学计算简单，计算量相对较少。 但高斯模式同时也存在局限性：虽然引入了初始扩散参数来考虑大气湍流对污染 物扩散的影响，但是在准确定量描述这些影响上还有一定的困难【2 5 1 ；其适用的条件及 范围受到限制( 一般小于1 0 - - - 2 0 k i n ) ，对于区域或更大的范围不太适用：由于公路机 1 2 长安大学硕士学位论文 动车排气的扩散发生在近地面层( o - - l o o m ) ，受公路路基、地面及机动车行驶过程引起 的机械湍流的影响明显，近地面层风速和大气湍流有随高度显著变化的特征，而高斯模 式未考虑这一点；此外，公路上机动车排放污染物在垂直方向的浓度分布也不符合高 斯分布。因此用高斯公式来描述近地面层的湍流扩散，计算公路机动车浓度，存在理论 和应用方面的局限性。 2 、其他模式 j e a 模式的优点是既可应用于高架道路也可用于平面道路，但参数多，计算量大， 不便于实际应用；点源积分法虽然适用范围广，但是计算工作量大，污染源强调查的工 作量也大，一般用于在对整个城市区域内各种大气污染物宏观分析控制上。 综上所述，考虑高斯模式及其它半经验模式的局限性，一种针对我国公路环境和机 动车排放特点的风速和扩散系数随高度变化的公路机动车多源扩散方程应运而生【2 6 1 ，同 时提出了在各种边界条件下的定解问题，得到各类边界条件下公路排放为多点源、等效 线源和面源时污染物浓度的解析解。本文即在此基础上建立了广泛适用于公路的机动车 排气污染物扩散模式。 2 2 大气平流扩散方程 一般地，在研究公路机动车尾气扩散规律的时候，我们通常将一条繁忙公路看成是 连续的线源，但公路机动车排放不是单纯的线源，而是一组在不同车道上分布的多点源。 当公路上车流量不大时，用线源代替公路机动车排放会产生较大的误差。因此我们从建 立大气扩散方程开始，针对公路环境特点考虑方程中的各个参数，并提出边值条件，得 出该条件下大气扩散方程的解析解。而要建立公路机动车排气扩散模式，首先应确定污 染物的排放源强。 2 2 1 排放源强 源强的确定是公路机动车排气扩散模式建立的基础条件之一，也是计算公路线源污 染物浓度的基本资料。 ( 1 ) 单位长度机动车排放污染物源强 公路上单位长度机动车排放污染物源强可以表示为： 圹赤善如u 嵫4 q 1 7 1 3 第二章公路线源污染物扩散模式 式中：缈公路线源种污染物排放强度，m g ( m s ) ，j = l 、2 、3 分别表示c o 、 h c 、n 0 2 a f 第f 类型机动车小时交通量，辆h ，i = 1 、2 、3 、4 分别表示轻型车、 中型车、重型车、摩托车； 杨f 型机动车污染物单车排放因子，g ( k m 辆) ： 知叫型车污染物排放因子车速订正系数； 乃( y ) = 口驴+ b i v + c 萨y 2 ( 2 1 8 ) y 车速，k m , z h 。 ( 2 ) 排放源强 在公路机动车排放污染物浓度计算中一般为有限长路段的问题。对于沿y 方向长度 为三的路段，若将坐标原点设在该路段的中点，则公路线源排放源强度s 表示为： s = 矿( ，y ，z ，) ( 2 1 9 ) 式中：口单位长度机动车排放污染物源强，m g ( m s ) ： 厂似执磊) 排放源的位置( 执乙) 分布函数； i ) 对于高度为h 的无限长平直公路，选取坐标y 轴与公路平行。当公路交通量较 大时，可将公路等效为一条线源，如图2 1 所示，则排放源的位置函数厂( ，y ，z ，) 可表 示为： f ( x ，y ，z ，) = 万( x ，) 艿( z ，一h ) ( 2 2 0 ) y ”“”2 图2 1 无限长公路机动车污染物排放源位置示意图 i i ) 对于沿y 方向长度为l 的路段，假定坐标原点设在该路段中点，如图2 2 所示， 则其排放源位置函数可表示为： ( t ，苁，乙) = 艿以) 日( 只+ 争一日( 只一争 6 ( 乙一| | 1 ) ( 2 2 ) 1 4 长安大学硕士学位论文 式中：万( ) 狄拉克8 函数，定义为： 万c r ，= 三 乞： 日( ) - h e 孙钿e 函数，定义为： 日( r - r ) = 墨搿 图2 2 有限长公路机动车污染物排放源位置不葸图 此外，公路桥是种特殊的线源排放源，桥面有一定的弧度，如图2 3 所示。式( 2 2 1 ) 中若路基高度取大桥路面( 或立交路面) 型状曲线h ( y ) ，即为大桥( 或立交桥) 上机动 车排气源强分布函数。 乃( j ，) = 五一p 一扩 ( 2 2 2 ) 式中：j l 瑚。桥面的最大高度，m ； 乒- 桥面曲度参数。 孝= l i l ( 等肥) 2 图2 3 公路桥路面线源示意图 1 5 第二章公路线源污染物扩散模式 2 2 2 扩散方程 根据梯度输送理论和质量守恒方程的大气平流扩散方程【2 7 】： 鲁+ 甜等+ v 等+ w 鲁= 昙c 疋芸，+ 昙c k y 等，+ 昙c k ：誓，+ 纵c 一向，d + 马力 ( 2 2 3 ) 式中：弓第歹种污染物成份的化学反应生成率； 母第种污染物排放源强度； c 1 c n _ 种污染物成份的浓度； 丁温度变量。 在方程( 2 2 3 ) 中，风速( u ，1 ，w ) 和扩散系数( 疋，局，k ) 都是随时间与空间 变化的物理量。在实际问题中，这些量都较难用数学显函数形式表达出来。因此在各种 简化条件下寻求方程的解析解，至今仍是有意义的，它有助于我们分析方程中各物理参 数对浓度空间分布的作用。 对于机动车排放的污染物c o 、n 0 2 、h c 和p m l o ，其化学性质是相对惰性的，故 不考虑化学反应过程，认为气体成分无变化，即r 文c l ，c d = o ，源项是线性的。实际 中为简化计算，常选取坐标系的石方向与环境风的方向一致。在此坐标下，环境风在y 和z 方向的速度分量v - - w - - o ，简单起见，省去下标0 ，方程可化简为： 砉+ “塞= 昙( 疋塞) + 品( k y 嘉) + 昙( e 参+ s ( 毛y z ) ( 2 ) 对于稳定污染物排放源，方程中祟= o 。此外，当环境风速较大( 痧1 5 m s ) ，假定 工方向湍流扩散项与风速平流项相比可以略去( 昙( k ， ”o 盎c ) ，因此，大气平流扩 散方程化简为： 唾= 昙( k y 骞) + 鲁( t 塞) + s ( 而弘z ) ( 2 2 5 ) 将源强公式( 2 1 9 ) 带入( 2 2 5 ) ，得到公路机动车多源污染物平流扩散方程： 材瓦a c = 万a 【k y 万a c ) + 夏a ( 疋参+ 口万( ) 万( z s - - h ) 无限长平直公路 “友a c = 万a 【k y 万a c ) + - - - ( k , a c ) + 口万( t ) 日饥+ 尹l 一日( y ，一争 万( z j 一办) 长度为l 的公路 ( 2 2 6 ) 1 6 长安大学硕士学位论文 2 2 3 边界条件 方程( 2 2 5 ) 的求解需要提出适合的边界条件组成定解问题。对于公路机动车排放 的污染物的平流扩散问题，在直角坐标系下，涉及水平方向( x ，y ) 和垂直方向( z ) 的 边界条件。针对公路环境特点，确定公路机动车多点源排放扩散模式的边界条件为： ( 1 ) 水平边界 在工，y 方向距有限长公路无限远处，污染物浓度趋于零，因此有 l i m c = l i m c = 0z 【o ，佃) ( 2 2 7 ) ( 2 ) 垂直边界 一般情况下，不考虑边界层对机动车排气污染物的吸收( 即n e u m a n 边界) 。在z 方向，假定地面对尾气污染物没有吸收作用( 全反射) ；且在z 方向无限远，污染物浓 度趋于零，即 卜学_ 0 训巾删 ( 2 2 8 ) 陇 ( 2 ) ll i m c = 0z ，y ( o o ，+ ) 方程( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 组成了定解问题。在求解定解问题之前，我们需要给 定“( z ) 、恐( z ) 、i c y 和s 的函数形式。 2 2 4 越( z ) 和k z ( z ) 、k e 的确定 公路属于地面构筑物，和十多公里厚的大气对流层相比，公路上的机动车污染物排 放属于地面源，机动车排放污染物的平流与扩散主要发生在近地面层。在近地面层，风 速“( z ) 和扩散系数局、彪由于受到地面的影响，随高度显著变化。对地面排放源污染物 扩散的相关研究表明，在近地面层，用高度z 的幂函数表示风速和湍流扩散系数的非高 斯扩散模式，其计算结果与实测资料一致【2 6 1 。因此，取“( z ) 和巧、尼的表达式为【2 8 】： 心