第九章 道路空气污染预测与暴露评估

汽车与环境邱兆文编著邓顺熙主审普通高等教育汽车服务工程专业教材Contents第一章绪论第二章燃油汽车主要污染物生成机理第三章汽车排放标准及测试技术第四章汽车排放污染物净化技术第五章电动汽车的环境影响第六章报废汽车的环境污染与控制第七章汽车和交通噪声污染与控制第八章道路交通排放评估方法第九章道路空气污染预测与暴露评估第九章道路空气污染预测与暴露评估第一节空气污染气象基础第二节道路空气质量模型简介第三节道路空气污染暴露评估一、大气组成与热力结构第一节空气污染气象基础地球大气是由多种物质组成的混合体，其中主要是气态物质，有氮气、氧气、二氧化碳、臭氧、以及一些惰性气体。除此之外，还有许多固态、液态的颗粒物。1、大气组成按浓度分主要成分：其浓度在百分之一以上，它们是氮（N2）、氧（O2）和氩（Ar）；微量成分：其浓度在1ppm~1%之间，包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）等干空气成分以及水汽；痕量成分：其浓度在1ppm以下，主要有氢（H2）、臭氧（O3）、氙（Xe）等。一、大气组成与热力结构第一节空气污染气象基础

大气按热力结构不同，在垂直方向上可以分为对流层、平流层、中层、热层、外层。2、大气的热力结构对流层：受到地面强烈的影响平流层：平流层受地面影响较小，几乎没有对流运动，气流主要在水平方向平稳地流动。中层：温度随高度上升而下降热层：温度随高度上升迅速增加。热层中的气体处于高度电离状态，温度日变化非常大。外层：空气分子数密度非常小，自由程很大，气体分子容易从地球引力场中逃逸二、主要气象要素第一节空气污染气象基础气温气压气湿风向风速云况云量能见度太阳辐射1、描述大气的物理量与道路交通空气污染物扩散有关的气象要素主要有：对大气状态和大气物理现象给予定量或定性描述的物理量称为气象要素。第一节空气污染气象基础

1）气温层结在大气边界层中大气的温度随着高度而变化，气温随高度的变化可以用气温沿铅直高度分布曲线来表示，该曲线称为气温层结曲线，简称气温层结或层结。2、气温层结与风速廓线气温随高度变化的快慢用气温递减率来表示。气温递减率的数学定义式为：干空气在绝热升降过程中，每升降100m气温变化的负值称为干空气温度绝热递减率，以γ表示。经计算，γd≈0.98K/100m（取1.0K/100m），这表示干空气在作绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m气温约降低（或升高）1K。二、主要气象要素第一节空气污染气象基础

1）气温层结大气边界层中气温层结有4种典型情况：2、气温层结与风速廓线气温随高度的增加而递减，即γ>0，称为正常分布层结或递减层结。气温随高度的分布多数是这种分布。气温递减率等于或近似等于干绝热递减率，即γ=γd，称为中性层结。气温随高度增加而增加，即γ<0，称为气温逆转，简称逆温。气温随高度增加而不变化，即γ=0，称为等温层结。二、主要气象要素第一节空气污染气象基础

2）风速廓线大气的水平运动是作用在大气上的各种力的总效应。作用在大气上的水平力有：（1）水平气压梯度力（2）地转偏向力（3）惯性离心力（4）摩擦力由于这些力在不同高度上的组合不同，从而使风速随高度变化而变化。表示风速随高度变化的曲线称为风速廓线，风速廓线的数学表达式称为风速廓线模式。2、气温层结与风速廓线二、主要气象要素

第一节空气污染气象基础

2）风速廓线：常用目的风速廓线模式对数律模式和幂函数模式两种。

2、气温层结与风速廓线二、主要气象要素

（2）指数律风速廓线模式由实测资料分析表明，非中性层结时的风速廓线，可以用指数律模式描述：（1）对数律风速廓线模式对数律风速廓线模式用于近地层(100m以下)中性层结条件下精度较高,其公式为:

（9-2）（9-1）第一节空气污染气象基础３)大气稳定度及其判据如果大气中空气受到外力作用，产生了向上或向下运动，当外力去除后可能发生3种情况：（1）气块逐渐减速并有返回原来位置的趋势，称这种大气是稳定的；（2）气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；（3）气块立即停止运动或作等速直线运动，称这种中大气是中性的。用气温递减率（γ）与干绝热递减率（γd）之差来判断大气稳定度：（1）当γ-γd>0时，大气是不稳定的；（2）当γ-γd=0时，大气是中性的；（3）当γ-γd<0时，大气是稳定的。2、气温层结与风速廓线二、主要气象要素三、气象条件与地形对空气污染的影响第一节空气污染气象基础1、近地层大气温度分布与空气污染大气湍流运动的成因和强弱取决于两个因素：一是机械作用引起的机械湍流，其强度取决于风速、风雨和地面起伏度。二是由于大气各部分的温度差而引起的热力湍流，这种热力湍流与空气污染关系极大。如果将大气作为一个热力学系统，根据热力学第一定律：

（9-3）三、气象条件与地形对空气污染的影响第一节空气污染气象基础对于空气，式（9-3）可写为：

由式（9-4）可知，引起大气温度变化的原因有两个：一是空气与外界的热量交换，二是大气本身的压力变化。

大气低层，气压变化不大，热交换的影响是主要的，此时式（9-4）简化为：（9-5）（9-4）而在大气高层，往往气压变化的影响大大超过热交换的影响，此时式（9-4）可简化为：（9-6）三、气象条件与地形对空气污染的影响第一节空气污染气象基础大气的热量来源于四个方面：大气直接吸收太阳短波辐射dQs；大气中的水汽、CO2能强烈吸收地面的长波辐射dQ1；大气向地面的逆辐射dQa；大气与地面之间的对流换热dQc

。所以，大气吸收的热量dQ为：dQ=dQs+dQ1+dQa+dQc（9-7）三、气象条件与地形对空气污染的影响第一节空气污染气象基础逆温强度和逆温层厚度都会影响污染的程度。研究表明，当逆温强度增大和逆温层厚度增加时，污染将会加重。1948年美国多诺拉大气污染事件1952年英国伦敦烟雾事件2、

逆温层与大气污染按成因不同，逆温可分为辐射逆温、平流逆温、下沉逆温、湍流逆温及锋面逆温五种类型,其中辐射逆温与大气污染的关系最为密切。三、气象条件与地形对空气污染的影响第一节空气污染气象基础城市人口密集，工厂集中，交通繁忙，使得能量消耗巨大，产生的大量余热直接释放到大气之中城市地面大多被水泥、砖石覆盖，地面蒸发热量少，温度较高；另外，城市表面建筑物鳞次栉比，大大增加了地面粗糙度，这都使城市上空大气向地面吸收的对流换热量增加。城市上空笼罩着大量烟气和CO2，因此，城市大气吸收的太阳辐射及吸收地面的长波辐射，都要大于农村上空大气对应的吸热量。城市覆盖物（建筑物、水泥路面等）热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气冷却缓慢。3、城市热岛环流与空气污染城市近地层大气的净吸热量比周围农村多，其平均气温高于周围农村(特别是夜间)，形成所谓城市热岛效应有以下原因：城市热岛效应示意图山风和谷风的交替出现使工厂排出的污染物常在谷地与坡地之间回旋，同时当夜晚出现山风时，由于冷空气下沉于谷底，上面为山谷上原来的暖空气，所以常伴随有逆温层出现，污染物就是更不易扩散而造成污染。４.地形与空气污染1）山谷风山风、谷风形成示意图海风、陆风形成示意图第一节空气污染气象基础三、气象条件与地形对空气污染的影响2）海陆风水陆风环流使排入近地层的污染物在夜晚被陆风吹向水域，而在白天又被水风吹回来，或进入水陆风环流中，使污染物循环积累不能稀释扩散；而直接排入上层反旋气流的污染物，也会被环流重新带回地面；空气质量模型空气质量模型，又称大气化学传输模型。是模拟大气污染物的输送、扩散、迁移、转化和清除过程，预测在不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度时空分布的数学模型，是大气中污染物行为规律的数学描述。是分析大气污染时空演变规律、解析大气污染来源及制定大气污染控制规划的重要技术工具。本质上是基于大气输送与扩散机理，对污染物在大气中的物理化学过程进行模拟再现的一种数学工具。第二节道路空气质量模型简介一、空气质量模型基本原理平流输送湍流扩散干湿沉降化学转化…模拟内容第二节道路空气质量模型简介一、空气质量模型基本原理大气污染过程自20世纪60年代起步以来，空气质量模型主要经过了三代模型的衍变。第一代模型以高斯扩散模式为代表的表征大气扩散过程的模型，结构简单、运算速度快，多用于环境影响评价。第二代模型加入复杂化学反应计算，考虑了三维气象场，进行三维网格划分，主要用于解决单一污染问题。20世纪90年代发展起来的第三代模型，以“一个大气”的基本思想，集合多种污染物的复杂反应，考虑多种污染物在大气中相互制约、相互影响和相互转化，解决多尺度多污染问题。由于垂直方向温度分布不均匀引起的热力湍流，其强度主要取决于大气稳定度；由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流，其强度主要决定于风速梯度和地面粗糙度。实际的湍流是上述两种湍流的叠加。1、湍流概念大气的无规则运动称为大气湍流。风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果。第二节道路空气质量模型简介二、湍流扩散基本理论按形成原因分风速越大，湍流越强，大气污染物的扩散速度越快，污染物的浓度就越低。风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响污染物扩散稀释的。梯度输送理论是通过与非克(A.Fik)扩散理论的类比而建立起来的假定：由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。泰勒（G.I.Taylor）首先应用统计学方法研究满流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。下图是从污染源排放出的粒子，在风向沿着x轴的湍流大气中的扩散情况。2、湍流扩散理论简介1）梯度输送理论第二节道路空气质量模型简介二、湍流扩散基本理论由湍流引起的扩散第二节道路空气质量模型简介二、湍流扩散基本理论2、湍流扩散理论简介2）湍流统计理论湍流扩散统计理论是在量纲分析基础上，由Batchelor和Gifford等人发展起来，用于研究近地面大气湍流扩散的一种理论。3）相似理论相似理论的基本原理是拉格朗日相似性假设，即在近地层的流体质点，假设其拉格朗日统计特性仅仅取决于表征其欧拉特性的已知参量，量纲分析复杂且不确定性大，其应用限制在近地面层内。坐标系：排放源点在地面面上的投影点为坐标原点；平均风向为x轴，下风方向为x轴的正向；y轴在平面内垂直于x轴y轴的正向在x轴的左侧；z轴垂直于水平面，向上为正向。即该坐标系为右手坐标系。假设：1）污染物在空中按高斯分布（正态分布）；（2）在整个空中风速是均匀的、稳定的，且风速大于1m/s；（3）源强是连续均匀的；（4）在扩散过程中污染物质量是守恒的。1、高斯模式坐标系及其假设第二节道路空气质量模型简介三、高斯扩散模式

由污染物正态分布的假设，下风向任一点的污染物平均浓度分布函数为：2、点源扩散高斯模式1）无限空间连续点源的高斯模式第二节道路空气质量模型简介三、高斯扩散模式由假设（4）可写出污染物的源强为：由概率统计理论，其方差的表达式为：上述四个方程组成一个方程组，其中源强Ｑ、平均风速ｕ、标准差σｙ和σｚ为已知量，Ｃ即浓度Ｃ(x、y、z)、函数Ａ(ｘ)、系数ａ和ｂ为未知量。（9-9）（9-10）（9-8）

经推导计算，便得到无限空间连续点源污染物扩散的高斯模式为：2、点源扩散高斯模式1）无限空间连续点源的高斯模式第二节道路空气质量模型简介三、高斯扩散模式（9-11）高架连续点源的扩散问题，必须考虑地面对扩散的影响。它的坐标系和假设条件同前所述，所不同的是认为地面像镜面那样对污染物起到全反射的作用。如图所示，P点的污染物浓度可看成是由位置（0、0、H)的实源和位置（0、0、-H）的像源在P点所构成的污染物浓度之和。（1）实源的作用。（2）像源的作用。2）高架连续点源高斯模式第二节道路空气质量模型简介三、高斯扩散模式高架点源扩散模式示意图

下式为高架连续点源污染物的扩散模式，由这一模式可求出下风向任一点的污染物浓度。第二节道路空气质量模型简介三、高斯扩散模式2）高架连续点源高斯模式（1）地面浓度扩散模式（z=0）（2）地面轴线浓度扩散模式

(y=0)（3）地面连续点源扩散模式

(H=0)（9-14）（9-15）（9-16）（9-17）

1、无限长线源扩散模式1）风向与线源垂直时的无限长线源扩散模式当风向与线源垂直时，取ｘ轴与风向平行ｙ轴为线源方向，其扩散模式为:第二节道路空气质量模型简介四、汽车尾气扩散模式在道路上由机动车辆排气所形成的空气污染源(车流量>100/ｈ)可以看作是线源。下面介绍线源污染物扩散模式。线源坐标系示意图设x轴的正向为主导风向的下风方向，x轴与无限长线源的交点为坐标原点。在水平面内y轴垂直于x轴，y轴正向位于x轴的左侧。铅直向上为z轴正向。（9-18）

1、无限长线源扩散模式第二节道路空气质量模型简介四、汽车尾气扩散模式2）风向与线源平行时的无限长线源扩散模式当风向与线源平行时，取ｘ轴为线源方向。在σｘ/σｙ＝常数(Ｂ)、σｙ＝ａｘ条件下的扩散模式为:3）风向与线源成任意夹角风向与线源成任意夹角φ时，用简单的内插方法，计算无线长线源两侧的污染物浓度：（9-19）（9-20）我国«制定地方大气污染物排放标准的技术方法»(ＧＢ/Ｔ3840-1991)中关于大气稳定度的等级见下表。第二节道路空气质量模型简介四、汽车尾气扩散模式稳定度的级别规定是：A-极不稳定；B-不稳定；C-微不稳定；D-中性；E-微稳定；F-稳定；A~B-按Ａ、B级数据内插，其余类推。

当风向垂直于线源时，通过接收点作垂直于线源的直线（x轴），直线的下风方向为x轴正向，线源的范围从y1

到y2，则有限长线源地面浓度扩散模式为：2、有限长线源扩散模式估算有限长线源产生的环境空气污染物浓度时，必须考虑有限长线源两端的“边缘效应”。第二节道路空气质量模型简介四、汽车尾气扩散模式（9-21）1、AERMOD原理1）系统工作原理第二节道路空气质量模型简介五、ＡＥＲＭＯＤ模型AERMOD是一种用于点源、线源和面源的高斯型污染物浓度预测模型，已在静态污染源领域得到广泛的应用，同时也被USEPA推荐为交通源污染物浓度预测的官方模型。AERMOD模型运行流程2）AERMOD模型局限性第二节道路空气质量模型简介五、ＡＥＲＭＯＤ模型AERMOD模型虽然以最新的大气边界层和大气扩散理论为基础，但是，AERMOD扩散模型只是在地面与上部逆温层对污染物全反射、污染物质性质保守的前提下才能使用，在小风条件下不适用。目前，AERMOD还不能从理论和数学上精确地描述稳定边界层。稳定边界层的缓慢变化如何在扩散模型中体现，是AERMOD空气质量模型所关注的课题。总之，AERMOD并没考虑空气动力过程对空气污染的扰动、物理化学与传输分配作用。2、AERMOD建模数据需求1）ＡＥＲＭＯＤ模型基本数据第二节道路空气质量模型简介五、ＡＥＲＭＯＤ模型运行AERMOD扩散计算模块，至少需要建立一个文本格式的控制流文件，该控制流文件中提供了模型运行的一些程序控制选项、污染源位置及参数、预测点位置、气象数据的引用以及输出参数。若考虑建筑物下洗，控制流文件中还需要建筑物几何参数数据。两个基本的气象数据文件：地面气象数据文件（surfacemeteorologicaldatafile）及探空廓线数据文件（profilemeteorologicaldatafile），这两个文件由气象预处理程序AERMET生成。如需考虑地形的影响，还需在控制流文件中引入地形数据，地形预处理文件需要由地形预处理模块AERMAP生成。场地数据：源所在地的经纬度、地面湿度、地面粗糙度、反射率。污染源数据包括源的编码、源的几何参数、排放率等；2）道路空气质量建模数据在进行模型模拟之前，需要准备研究对象的相关数据，包括用于AERMOD模拟的气象、地形数据和用于排放模型计算的速度、交通量、车型比例等数据，详细数据类型及来源如下表所示。第二节道路空气质量模型简介五、ＡＥＲＭＯＤ模型1、暴露和剂量的定义1）暴露第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念1982年Ott在一篇文献中提出了“暴露”（exposure）的定义，他认为暴露是指人体在某个时刻与某种污染物的接触。该定义指出的“暴露”实际上只是“接触”，并不包括摄入或吸收。之后很多科学家也对暴露的定义进行过描述，尽管大家都认为暴露是指人体同污染物的接触，但是到底这种接触是发生在人体可见边界（如皮肤或进入人体内的“入口”，如嘴、鼻孔等）还是发生在吸收交换边界部（如皮肤或肺、胃肠道等）一直都模棱两可，并没有形成共识。1、暴露和剂量的定义1）暴露第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念1992年，美国国家环保局（USEPA）发布了《暴露评价技术导则》，其中将“暴露”定义为人体可见边界（如皮肤、口和鼻腔）接触化学物质的过程。暴露（接触）穿过人体的机体界面而进入人体化学物质进入人体摄入”（intake）吸收”（uptake）暴露发生两要素：空间特定地点存在污染物质；并且在同一时间同一地点有人的存在。第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念大多数时候，化学物质包含在空气、水、土壤、产品、运输或运载介质中，接触点的化学物质的浓度即为暴露浓度。

一段时间内的暴露可以通过对该段时间下的暴露浓度进行积分来表述：（9-22）2）剂量第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念USEPA《暴露评价技术导则》认为：“剂量”指当物质穿过有机体的外边界后与代谢过程或者生物受体发生相互作用的量。“潜在剂量”是吸收、呼吸或皮肤暴露的量。“实际剂量”是某物质在吸收屏障中被吸收的量和可被吸收的量（尽管无须穿过机体的外边界）。“吸收剂量”是在吸收过程中指穿过特殊暴露屏障（如皮肤交换屏障、肺、消化道等）的量。“内在剂量”是更常用的术语，指与吸收屏障和交换界面无关的被吸收的量。与特殊器官或细胞相互作用的化合物的量指该器官或细胞吸收的量。剂量通常表达为剂量率，或用单位时间内实际剂量或内部剂量来表示（如mg/d），或者以单位时间每单位人体质量暴露剂量率[mg/(kg·d)]计。第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念

潜在剂量用介质中化学物质的浓度与介质吸入率的乘积来计算：（9-23）大多数与环境化学物质有关的风险评价使用的都是建立在潜在剂量或内部剂量基础上的剂量-效应关系即:（9-24）2、呼吸暴露第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念呼吸暴露是环境污染物进入人体的关键途径，尤其是对下列污染物：（1）大量的职业暴露物；（2）周围环境空气污染物；（3）室内空气污染物；（4）特殊的情形：水中的挥发性物质（VOCs）。呼吸暴露途径示意图2、呼吸暴露第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念人体的呼吸系统主要由鼻、嘴、咽、喉、气管、支气管、肺、隔膜等组成。人体呼吸系统第三节道路空气污染暴露评估一、基本概念不同颗粒物经由人体呼吸暴露的途径如图1所示。图2为人体呼吸道主要区域的分支数量呼吸道主要区域的分支数量多达6×104个.不同颗粒物经由人体呼吸的暴露途径呼吸道主要区域的分支数量1、暴露评估基本方法道路空气污染暴露常见评估方法为固定点环境监测和个体移动监测。1）固定点环境监测固定点环境监测法广泛运用于评估道路交通污染暴露特征及其健康影响。鉴于该方法所需人力、物力和资金成本相对较低。故可用于长期和区域性人群暴露水平研究，也是目前国内外研究最常用的方法。第三节道路空气污染暴露评估