城市交通道路机动车尾气的扩散模型综述

沈琳 张家铭 巢渊

摘要：归纳了国内外机动车尾气扩散模型,基于开阔道路型、街道峡谷型和交叉道路型3类城市典型交通道路,探讨了各种机动车尾气扩散模式的优缺点和适用性。

关键词：扩散模式；城市典型道路；机动车排气

中图分类号：U467.4+8文献标识码： A 文章编号：

引言

2009年我国首次成为世界汽车产销第一大国，机动车污染日益严重，机动车尾气排放成为我国大中城市空气污染的主要来源[1]。机动车排放污染对城市低空大气环境和人体健康危害较大。近年来，城市热点区域（街道峡谷、交叉道口）的机动车污染扩散问题日益得到广泛重视。上世纪中页，国外研究专家就开始开发针对城市交通道路机动车尾气的扩散模型[2]。研究方法基本上是在把握城市道路参数、交通参数和气象参数等的基础上，考察各类机动车排放因子，运用湍流扩散理论及大气化学理论等确定污染物浓度。其发展经历了从简单到复杂，从计算地面最大浓度到计算地面浓度时空分布，从点源到面源及复合源的过程[3]。根据城市典型交通道路，可分为三类模型：开阔道路扩散模型、街道峡谷扩散模型、交叉道路扩散模型。

1. 开阔道路扩散模型

开阔道路为城市道路的主干，由于路面比较宽阔，车流量大，车速较快，两侧高层建筑物较少，或建筑物的平均高度与道路宽度之比较小，所以污染物易受气象参数影响而快速扩散，尾气污染物浓度与车流量往往有很高的相关性。适用于此类道路的机动车尾气扩散模型主要为基于高斯理论的扩散模型，主要有CALRoads[4] 、GM[4]、H IWAY[5] 、TEXIN–2[6] 、GFLSM[7]、ISMAP[8]、TRAQSIM[9]等，在我国应用最多的是CALRoads 模型。

1.1CALRoads模型

CALRoads[4]模型是由美国加利福尼亚交通部开发的道路大气扩散模型, 包括CALINE4、CAL3QHC 和CAL3QHCR 的3个模块。CALINE 模型系列的最近版本是CALINE4 模型，它基于高斯扩散方程，应用混合层的概念来描述道路上方污染物的扩散。CAL3QHC 模型是预测道路交叉口附近机动车污染物排放质量浓度的模式, 其中包括CALINE 线源扩散模式和信号灯交叉口交通排队长度算法。CAL3QHC 模式最多可以模拟120条路段、60个受点的污染物质量浓度[10]。CALRoads 模型仅限于预测地形条件相对简单、气象条件相对稳定的高速公路和城市开阔型道路及停车场等场所在微尺度区域内受点的污染物质量浓度，而且输入参数较繁杂，和GIS结合以进行空间数据管理、分析和可视化的难度较大。

2. 街道峡谷扩散模型

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。由于城市峡谷型道路结构独特，经常造成局地污染。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。研究者开发了大量的城市峡谷扩散模式，在空气污染、交通管理、城市规划及汽车数量、污染预测和人口控制之间的相互影响中有重要的应用价值。对城市峡谷型道路污染扩散这种小尺度扩散问题而言，环境因素尤其是地理条件有很大的影响，街道两旁的高层建筑影响了街道峡谷内的流场，街道两侧的建筑物密集程度、高度及高度分布均匀度,以及街道的长、宽度等尺寸与污染物传输和扩散所处的大气流场有很大关系。峡谷型道路扩散模式主要有美国的STREET[11]、Nicholson 开发的箱模式[12]、德国的CPBM[13]、荷兰的CAR[14] 、丹麦的OSPM[15]、日本的JEA[16]等。

2.1STREET 模型

STREET 模型[11]是美国斯坦福研究所的Johnson等对机动车尾气初始扩散和由机动车引起的湍流进行了简化假设,用一个简单的箱式模型得到的扩散模型 。假设污染源由两部分组成：城市背景浓度和峡谷机动车尾气排放浓度。因此，计算街道两侧污染物浓度时需考虑街道受体点的高度及受体点与污染源的距离。峡谷背风面的污染物浓度与受体点和线源的距离成反比,峡谷迎风面的污染物浓度只与受体点和线源的垂直高度有关。由于STREET模式没有考虑风向与街道夹角较小或平行的情况,模式中的参数是根据实验经验在规则街道峡谷中得到,因而在应用到其他街道时需要进一步修正,且该模式在接近静风条件下模拟精度不高。考虑风向对扩散的影响较差, 在接近静风条件时, 描述污染与风速的关系不准确。

2.2 CPBM 模型

CPBM模式[13](Canyon Plume - BoxMode1)采用高斯烟羽模式与箱模式相结合的方法,考虑了太阳辐射产生的热力效应及汽车行驶引起的湍流作用,从烟羽直接扩散和垂直再循环两部分对污染物浓度进行估算。但是, 由于该模型的数学公式较复杂, 难以看出污染物浓度与气象条件和街道形状之间的关系。而这种关系对于估计最大浓度的法规性模式, 显得非常重要。

2.3 OSPM 模型

OSPM 模式[15]( Operational Street PollutionMode1)是由丹麦国家环境研究所的Hertel和Berkowiez在CPBM的基础上发展得到的,是一个半经验模式,认为街道峡谷内的污染物浓度由3部分组成:汽车尾气污染物直接扩散所产生的浓度;由气流涡旋造成污染物循环所引起的浓度;城市背景浓度。直接扩散浓度的计算采用高斯烟羽模式思路,循环浓度采用区域形状为梯形的箱式模型思路。该模式在北欧经大量数据验证, 都获得了理想的模拟效果。

3交叉道路扩散模型

交叉道路是指道路交叉路段，包括十字交叉路口、T型路口、环行路口及高架立交桥等。平面交叉型道路，即交叉路口、T型路口、环行路口处，车流量接近饱和，多数车辆处于怠速工况，且周围建筑物风场比较复杂，使交叉道路的空气污染比较严重。虽然交叉道路各支路两旁布满高低错落的建筑物，地形结构复杂，但每个交叉路口在机动车运行和排放上有许多共同点，即交叉路口车流汇集，同时有正常行驶和怠速或减速、加速的混合车流，且由于转弯和直行间的协调，导致车辆在交叉口处加、减速频繁，怠速时间长，尾气排放量增加，污染物浓度极易超标。从20世纪70年代开始，美国研究人员开发了不少适用于交叉道路的机动车排气污染模拟程序, 主要有CAL3QHC、H IROAD, 以及一些适用于开阔道路的模式, 如CALINE4 和HIWAY 等。

以上模型基本类似，主要考虑交叉道路几何特征、各车型比例及车流量、排放因子、气象参数等。美国环保局曾对8个交叉口尾气扩散模型作比较评价[17]，结果表明大多数模型在模拟最高值时预测值偏小，其中CALINE4、CAL3QHC 和TEXIN2 的表现好于其他模型，而且CAL3QHC 和TEXIN2 在进行独立交叉口分析时比CALINE4 更精确。

3.1 CAL3QHC 模型

CAL3QHC模式是美国环保局开发并推荐使用的交叉口尾气扩散模型，属于CALRoads模型的一个模块。模型利用HCM 方法计算不饱和条件下车辆的平均怠速时间，过饱和条件下的额外怠速则由确定性排队理论程序计算。模型将排放分为行驶排放和怠速排放，其中行驶排放基于机动车的平均速度(包括加速和减速)，使用排放模型计算得到；怠速排放通过排放模型中的怠速排放因子计算。模型预测CO浓度时使用MOB ILE，预测颗粒物浓度时使用PART5，扩散分析使用CALINE。

3.2 FLINT 模型

FLINT 模型由中佛罗里达大学开发的，用来模拟预测饱和或过饱和交通状况下城市交叉路口环境空气中CO浓度的面源模型，该模型采用确定队列法估计饱和状态下的车队长度，而在过饱和情况下，则用一种循环计算方法估算。Al - Deek等对梅尔罗斯和伊利诺斯等城市的交叉路口进行模拟，通过与CAL3QHC、FLINT、TEXIN2 等模式的模拟结果及实际结果相比较，发现FL INT 模式的模拟结果更接近实际值。

4. 国内研究概述

在开阔道路扩散模型方面：李莉[10]等应用CALRoads模型对上海市典型交通道路的CO作预测,发现该模式在模拟周围较空旷主干道路CO质量浓度时具有较好的结果,与实测结果的相关性在0. 01的显著性水平上达到了0. 83；尹翠琴[18]等选用CALINE4 模型对广州市街东高速公路一期工程(即街口至良口段)营运期间机动车尾气排放的污染物浓度进行了预测计算；李东东[19]、陈红梅[20]、付甫刚[21]、兰涛[22]也分别运用CALINE4 模型对济南、厦门、贵州、西安等地的开阔型道路做了机动车尾气排放的污染物浓度扩散预测计算，效果颇佳。

在街道峡谷扩散模型方面：史锐[23]等采用OSPM 模型计算了2008年太原市夏季( 7月)与冬季( 12月) 车流量高峰期街道内的一次NOx 与CO 的小时浓度, 有较好的适用性；何东全[24]等采用OSPM 模式计算澳门城区街区峡谷内污染物浓度,进行污染评价，计算结果表明,对于高宽比较大的街区峡谷,OSPM 模式有良好的适用性；傅立新[25]等对OSPM 模式进行了修正,并应用于北京、澳门等地的模拟,结果与实际值非常符合。

在交叉道路扩散模型方面：龚慧明[26]利用CAL3QHC 对北京市崇文门路口进行模拟，发现该模型能较好的模拟开阔型十字路口处机动车CO的排放；周洪昌[27]等利用CAL3QH 对上海市某几个交叉道口进行模拟，由于交叉道口周围高大建筑物偏多，多种交通工具混合，故该模型适用性不佳；金陶胜[28]等开发了适合我国的交叉道口机动车尾气扩散模型；傅立新[25]改进OSPM模型的基础上，开发建立街道十字路口汽车污染扩散的模式- OSIPM，经实测数据验证，该模型可以较准确地模拟十字路口地污染扩散规律。

5.结论

现在各国都相应制定了适合自己国家的汽车尾气扩散模型以控制环境污染。针对错综复杂的城市道路,基于高斯基础的扩散模式对比较稳定的基础条件下,一些简单的城市开阔型道路和交叉路口机动车尾气污染物扩散模拟较为准确,但对于复杂的峡谷型道路、交叉路口,同时受复杂气象条件影响时,尾气扩散模式主要采用数值模拟方法。

参考文献:

[1]环境保护部 中国机动车污染防治年报(2010年度) 机动车环保网

[2]RAOST, KEENAN M T. Suggestions for improvements of the EPA - HIWAY model. Air Poll. Control Assoc, 1980, 30:247- 256.

[3]刘侃侃，贠延滨, 罗才武 ,孙德智 城市机动车尾气排放及道路扩散模式综述 环境监测管理与技术，2009，21（6）：8- 14

[4]PAULBPE. CAL INE42A dispersion model for p redicting air pollutant concentration near roadways 57328- 604167.Sacramento, California: California Department of Transportation, 1984: 1 - 205.

[5]CHOCKDP. A simple line source model for dispersion near roadways Atmospheric Environment, 1979, 12:823 - 829.

[6]PETERSEN W B. Users guide for H IWAY22: A highway air pollution model. US EPA: EPA - 600 /8 - 80 - 018, 1980.

[7]HLAV INKA M W, KORPICS J J, BULL IN J A. TEXIN22: Aversatile model for predicting carbon monoxide concentrations near intersect. Air Poll Control Assoc. , 1987, 37: 819- 822.

[8]LUHAR A K, PATIL R S. A general finite line source model for vehicular pollution prediction. Atmospheric Environment,1989, 23 (4) : 555 - 562.

[9]DABBERDTW F, SANDYS R C,BUDER P A. ISMAP - A traffic emission dispersion model for indirect sources. 68th AnnualMeeting Air Poll. Control Assoc. , 1975, 22: 44 - 75.

[10]李莉,陈长虹,黄成,景启国,潘汉生,黄海英 CALRoads模式在上海市典型道路CO 扩散预测中的应用 环境监测管理与技术，2006，18（4）：7-11

[11]JOHNSON W B,LUDW IG F L, DABBERTW F, eta1. An urban diffosion simulation model for carbon monoxide. Air Pollution Control Association, 1973, 23: 490 - 498.

[12]N ICHOLSON S E. A pollution model for street level air. Atmospheric Environment, 1975, 9: 19 - 31.

[13]YAMATINO R J,W IEGAND G. Development of CPBM models for urban street canyon. Atmospheric Environment, 1986, 20(14) : 2137 - 2156.

[14]VANDEN H KD,BAARS H P,DU IJ IN N J. Effects of buildings and trees on air pollution by road raffle. Proceedings of the EighthWorld Clean Air Congress, 1989.

[15]HERTEL O,BERKOW IC Z R. Operational street pollution model (OSPM), NATC /CCMSITM, air pollution modeling and its application. Canada, 1989.

[16]环境厅大气保全局 窒素酸化物总量规制 公害研究对策,，1982， 33: 1 - 23

[17]Donald C D, David G S, Robert C M, et al. Evaluation of CO Intersetion Modeling Techniques Using a New York City Database. Washingtion:EPA,1992

[18]尹翠琴，金腊华 CAL INE4模式在广州市街东高速公路机动车尾气污染预测评价中的应用 暨南大学学报(自然科学版)，2008，29（3）：276-285

[19]李东东，刘厚凤，杜瑞雪 应用CALINE4 模式估算机动车排放污染物的浓度—以济南市主干道为例 资源开发与市场Resource Development & Market 2009 25( 1) :53-54

[20]陈红梅，陈崇成，汪小钦 应用CALINE4 模式模拟机动车排气污染的时空分布—以厦门市主干道路为例 福州大学学报(自然科学版)，2004（4）：257-260

[21]付甫刚，马旭东，周晓娟 CALINE4 模式在贵州省安顺至紫云高速公路机动车尾气污染环境影响评价中的应用 三峡环境与生态，2011，33（2）：53-57

[22]兰涛 CALINE4模型在西安市主干道机动车CO污染扩散计算中的应用研究 中国优秀硕士学位论文全文数据库

[23]史锐，张红，尹卫霞 应用OSPM 模型计算太原市交通大气污染时空分布环境科学与管理 2010，35（10）：20-24

[24]何东全，郝吉明，傅立新，周中平，刘阳，王志石，邓宇华 应用OSPM 模式进行澳门街区峡谷污染评价环境科学学报 1999，19（3）：256-261

[25]傅立新，郝吉明 城市街区交通空气污染模拟研究 环境保护 2000，02：46

[26]龚慧明 城市交通路口机动车污染研究 北京大学 2001

[27]Zhou H, Daniel S Traffic Emission Pollution Sampling and Analysis on Urban Streets with High-rising Buildings Transportation Research Part D: Transport and Environment,2003,6(4)：269-281

[28]李伟，王炜，邓卫 城市交叉口机动车污染物扩散模型研究 公共交通科技，2005，22（5）：155-158

[29]金陶胜，余志 城市十字交叉口汽车尾气污染扩散模式 中山大学学报，2003，42（6）：130-131

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