＊基于CAL INE4模型的城市機(jī)動車尾氣CO擴(kuò)散模擬研究——以太原市快速道濱河?xùn)|路為例

石偉,張紅 ,史銳,盧彬

(1.山西大學(xué)黃土高原研究所,山西太原 030006;2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西太原 030006)3.太原市環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院,山西太原 030002)

＊基于CAL INE4模型的城市機(jī)動車尾氣CO擴(kuò)散模擬研究
——以太原市快速道濱河?xùn)|路為例

石偉1,張紅2＊,史銳1,盧彬3

(1.山西大學(xué)黃土高原研究所,山西太原 030006;2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西太原 030006)3.太原市環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院,山西太原 030002)

采用MOBILE6.2模型,在收集太原市機(jī)動車保有量、車況、氣象等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,得到太原市機(jī)動車污染排放因子.以太原市快速道濱河?xùn)|路為例,采用CAL INE4模型對濱河?xùn)|路機(jī)動車尾氣CO的擴(kuò)散進(jìn)行模擬計算.同時分別在冬季和夏季進(jìn)行了車流量統(tǒng)計和CO監(jiān)測分析,比較模型模擬結(jié)果與實際監(jiān)測濃度之間的差異,探討模型的適用性和準(zhǔn)確性.研究結(jié)果表明:MOBILE6.2及CAL INE4模型能夠很好地應(yīng)用于太原市快速路機(jī)動車尾氣CO的擴(kuò)散模擬,對于其他城市類似地形的街道機(jī)動車污染模擬也有一定的參考價值.

機(jī)動車;CO;擴(kuò)散因子;MOB ILE6.2;CAL INE4

機(jī)動車尾氣污染物已經(jīng)成為城市空氣污染的主要來源[1].發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)60年代末就對機(jī)動車排氣污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行了多方面研究,提出了很多模型,近20多年來又不斷改進(jìn)和開發(fā)新模型.CAL INE系列模型是美國國家環(huán)保局推薦使用的一種法規(guī)應(yīng)用級線源模型.與其他模型相比較,CAL INE系列模型有適應(yīng)面廣、模型簡單易操作等優(yōu)點.經(jīng)過不斷改進(jìn)完善,目前已發(fā)展到第4代模型,即CAL INE4,在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[2].目前主要用于高速路環(huán)境評價,在城市機(jī)動車污染模擬預(yù)測方面,僅在廈門、西安、濟(jì)南等城市主干道機(jī)動車尾氣的研究中有報道[3-5].本論文以太原市快速道——濱河?xùn)|路為例,選用CAL INE4模型模擬城市快速道的機(jī)動車尾氣污染,探討城市快速道機(jī)動車污染的分布,以期為城市交通管理、環(huán)境保護(hù)和城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù).

1 CAL INE4模型概述

CAL INE4用于預(yù)測快速道或準(zhǔn)快速道交通排放的一次性污染物的濃度,評估快速道兩側(cè)150 m范圍內(nèi)微尺度區(qū)域空氣質(zhì)量的變化以及模擬寬闊街道內(nèi)污染物的濃度分布,確定相對不太復(fù)雜的地形條件下(道路的“平坦段”、“路堤”、“橋梁”和“區(qū)段”)多至20個接受點上的空氣污染濃度[6].利用CAL INE4處理污染物擴(kuò)散時,假定1 h內(nèi)風(fēng)是均勻而定常的,假定垂直風(fēng)速等于零,擴(kuò)散參數(shù)取用經(jīng)驗擴(kuò)散參數(shù),模型包含初始水平、垂直擴(kuò)散.CAL INE4模型是基于高斯煙流公式和混合區(qū)域概念以及污染物沉積沉降速率綜合考慮得到的一種線源擴(kuò)散模型[2].

基本思路是把道路看成一系列線源單元(簡稱線元),分別計算各線元排放的污染物對接受點濃度的貢獻(xiàn),然后再求和計算整條道路流動源在接受點產(chǎn)生的污染濃度[7].把劃分后的每一個線元看作一個通過線元中心、方向與風(fēng)向垂直、長度為該線元在 Y軸方向投影的有限線源.以接受點為坐標(biāo)原點,上風(fēng)向為正軸,則線元對接受點污染的貢獻(xiàn)值可按式(1)計算.

式中:Cn為第n個線元對接受點的貢獻(xiàn);Q1為線源源強(qiáng)[mg/(m·s)];u為近地面風(fēng)速(m/s);H為源高(m);σz為橫向的擴(kuò)散參數(shù);σy為垂直向的擴(kuò)散參數(shù);˙y1、y2為有限線源兩端點的縱坐標(biāo)(y2＞y1);z為預(yù)測點高度.

最后疊加各線元在測點的計算結(jié)果.

2 CAL INE4模型的應(yīng)用

2.1 道路的選取

太原市路網(wǎng)呈現(xiàn)輪廓方正、網(wǎng)格清晰的路網(wǎng)格局,主干道如東西向的勝利街、北大街、府東(西)街(漪汾街)、迎澤大街、南內(nèi)環(huán)街、長風(fēng)大街、學(xué)府街等,南北向的瓦流路、和平路、新建路沿線、解放路沿線、五一路沿線、建設(shè)路沿線等,間距合理,密度適當(dāng)[8].但隨著太原市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市規(guī)模的擴(kuò)大,近年來如濱河?xùn)|西路、新晉祠路、龍城大道等快速道的發(fā)展更加完善了太原市交通網(wǎng)絡(luò)的形成,加強(qiáng)了城市間各區(qū)域的緊密聯(lián)系.

針對太原市快速道機(jī)動車尾氣排放的環(huán)境問題,本文選取了濱河?xùn)|路作為研究對象,其具有道路較寬、兩旁建筑物較低的特點,街道峽谷效應(yīng)不太顯著,所以從理論上可以適用于CAL INE4的計算條件.

2.2 源強(qiáng)計算

機(jī)動車的排放源強(qiáng)與車流量、車型分類及排放因子有關(guān).可根據(jù)(2)式確定:

式中:Q1為汽車尾氣總源強(qiáng),mg/(m·s);Ei為某類型汽車的綜合排放因子,g/(輛·km);V為總車流量,輛/h;Fi為某類型汽車流量占總車流量的百分比.

2.2.1 機(jī)動車污染物排放因子的確定

本論文采用的MOB ILE6.2是美國環(huán)保局開發(fā)并推薦使用的機(jī)動車綜合排放因子計算模型[9],該模型的建立基于聯(lián)邦測試方法(FTP)測得的實驗結(jié)果和美國環(huán)保署組織的有關(guān)在用車機(jī)構(gòu)測得的結(jié)果.該模型對車型、行駛里程的平均基本排放因子、發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)、車用燃料性質(zhì)、環(huán)境影響因素、空調(diào)負(fù)荷,以及機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)和檢查保養(yǎng)制度(I/M)等因素的影響進(jìn)行修正.對于不同于FTP測試方法的工況采用平均速度修正,從而更能真實反映實際行駛工況下的機(jī)動車排放水平.車隊特征如行駛里程、機(jī)動車的使用頻率、車輛類型組成以及車隊的平均速度等影響機(jī)動車排放[10],在一定條件下,車輛的排放與其行駛里程呈線性關(guān)系,用(3)式表示:

其中,EF—平均排放因子,g/mi·vel,ZM L—零公里排放率,DR—劣化率,VM T—機(jī)動車行駛里程.

在計算出基本排放因子后,對機(jī)動車運轉(zhuǎn)條件下廢氣排放因子的計算需考慮多種修正因子,才能得到實際排放因子.分車型排放因子修正公式(4)如下:

式中:TP(Travel Parameters)車隊特征:主要包括以下方面的參數(shù)因子:登記分布、柴油車比例、積累里程率、VM T分布等,EFFTP:FTP基本排放率,TO(Tampering Offset)劣化補(bǔ)償措施,AD(Aggressive Driving)駕駛習(xí)慣,AC(Air Conditioning)空調(diào)影響,TCF(Temperature Correction Factors)溫度修正,SCF(Speed Correction Factors)速度修正,FCF(Fuel Correction Factors)燃油修正.

分車型排放因子轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合排放因子的公式(5)為:

修正各參數(shù)因子后,使MOB ILE6.2模型適用于太原市機(jī)動車排放因子的計算,發(fā)現(xiàn)平均速度是影響排放因子的重要參數(shù),而在一天不同時段內(nèi),道路機(jī)動車的行駛速度差異較大,因此確定不同速率下的機(jī)動車排放因子對于計算道路不同時段的排放源強(qiáng),確定太原市道路污染的時間分布有重要意義.經(jīng)模型計算,對太原市機(jī)動車排放因子和平均速度的關(guān)系建模,結(jié)果發(fā)現(xiàn),排放因子隨速率的下降而降低,并呈3階多項式分布(表1),說明當(dāng)城市道路平均速度較低時,怠速、加速、減速工況頻繁,其機(jī)動車呈現(xiàn)高排放水平.計算排放因子時,采用交警部門提供的分季度不同時段小時平均車速數(shù)據(jù)(表2).根據(jù)以上數(shù)據(jù)對太原市機(jī)動車實際CO排放因子進(jìn)行了計算,結(jié)果見表3.

表1 太原市分車型機(jī)動車排放因子隨速度變化表Table 1 Motor vehicle em ission factor model with the sub-speed change in Taiyuan

表2 濱河?xùn)|路分時段平均車速Table 2 Sub-period average speed of East Binghe Road

表3 太原市機(jī)動車CO排放因子Table 3 Vehicles emission factor of CO in Taiyuan

2.2.2 車流量及車型比例

通過實地監(jiān)測,后期進(jìn)行了詳細(xì)的分類、計數(shù)等,初步得到濱河?xùn)|路小時車流量及車型比例的分布情況.車流量變化系數(shù)根據(jù)平均時間段可以分為時變系數(shù)、日變系數(shù)、月變系數(shù)和季變系數(shù)等.其中時變系數(shù)是變化最顯著的系數(shù),通常以車流強(qiáng)度系數(shù)表示,它等于各小時車流量同高峰小時車流量之比.郝吉明等對北京市車流量時間變化系數(shù)的分析表明,車流時間分布基本呈現(xiàn)明顯的“雙峰”結(jié)構(gòu),即上午8:00-10:00;下午17:00-19:00車流量最大[11].

從表4(P150)的濱河?xùn)|路分擔(dān)率統(tǒng)計結(jié)果可以看出,機(jī)動車車流量以輕型客車為主,占總車流量的82.7%左右.具體來說,太原市總車流量的高峰期出現(xiàn)在18:00-19:00.這是由于輕型客車流量的激增導(dǎo)致的.根據(jù)以上數(shù)據(jù)用MOBILE6.2模型可以計算得到CO源強(qiáng)(P150,表5).

表4 太原市濱河?xùn)|路機(jī)動車分擔(dān)率Table 4 Vehicles contribution rate of East Binghe Road in Taiyuan

表5 太原市濱河?xùn)|路CO排放源強(qiáng) 單位:mg/(m·s)Table 5 Intensity of CO emission sources on East Binghe Road in Taiyuan unit:mg/(m·s)

2.2.3 擴(kuò)散參數(shù)確定

根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 13201-91)對擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行計算,先按照太陽高度角和云量來確定太陽輻射等級,再根據(jù)輻射等級和地面風(fēng)速確定穩(wěn)定度級別.在擴(kuò)散參數(shù)選取時,采用國標(biāo)BG/T 13201-91,其中規(guī)定取樣時間為0.5 h,擴(kuò)散參數(shù)按冪函數(shù)表達(dá)式(6)為:

以2007年7月份國家氣象局公布的我國各地區(qū)太陽輻射等級數(shù)據(jù)與太原市氣象數(shù)據(jù),以及監(jiān)測時段現(xiàn)場測得的氣象數(shù)據(jù),判斷太原市濱河?xùn)|路夏季監(jiān)測時段大氣穩(wěn)定度為B級,冬季監(jiān)測時段大氣穩(wěn)定度等級為C級,然后再確定橫向擴(kuò)散參數(shù)冪函數(shù)表達(dá)式.計算得到太原市橫縱向擴(kuò)散參數(shù)如下表6、表7.

表6 夏季太原市濱河?xùn)|路橫縱向擴(kuò)散參數(shù)Table 6 Horizontal and vertical diffusion parameter in summer on East Binghe Road in Taiyuan

表7 冬季太原市濱河?xùn)|路橫縱向擴(kuò)散參數(shù)Table 7 Horizontal and vertical diffusion parameter in winter on East Binghe Road in Taiyuan

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果

將擴(kuò)散因子、車流量、擴(kuò)散參數(shù),以及風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)等代入CAL IN E4模型,可以計算出太原市濱河?xùn)|路的CO濃度模擬結(jié)果(表8).

表8 濱河?xùn)|路機(jī)動車排放CO濃度模擬結(jié)果(單位mg/m3)Table 8 CO concentration in vehicle emission simulation results on East Binghe Road(Un it:mg/m3)

從表8可以看出,兩季CO濃度變化不明顯,清晨的濃度要高于其它時段的濃度.從兩季CO排放因子來看,冬季機(jī)動車排放因子要比夏季的高,但實驗結(jié)果顯示濃度變化不明顯,這是因為冬季監(jiān)測當(dāng)天近地面風(fēng)速比夏季監(jiān)測時要高,有利于機(jī)動車污染物的擴(kuò)散.清晨CO濃度高于其它時段,是由于夜間機(jī)動車數(shù)量較小,大氣下沉,污染物沉降性較高容易積累.

3.2 模型驗證

為了對模型的結(jié)果進(jìn)行驗證,進(jìn)行車流量統(tǒng)計時,在濱河?xùn)|路水西關(guān)南街路段選取2個采樣點,夏季4個時段,冬季3個時段取樣(樣本編號①-⑦),對機(jī)動車尾氣CO的污染進(jìn)行了同步監(jiān)測,并采用非色散紅外吸收法對尾氣CO濃度進(jìn)行測定,最終將模擬結(jié)果與實地監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,如表9.

表9 實測值與模擬值對比(單位mg/m3)Table 9 Comparison between modeling and real CO testing(Unit:mg/m3)

圖1 實測均值與模擬值對比圖Fig.1 Graphical comparison between modeling and real CO testing

圖2 調(diào)整后監(jiān)測值與預(yù)測值對比圖Fig.2 Graphical comparison between modeling and real CO testing,after amended

從圖1可以看出,實測值與模擬值變化趨勢相同,但普遍模擬值高于實測值.這是因為濱河?xùn)|路一邊為200多米寬的汾河,一邊為市區(qū)建筑,下墊面物理性質(zhì)差異較大,容易形成局部大氣流動,從而加速了機(jī)動車污染物的擴(kuò)散,所以實測均值比模擬值偏低.但二者之間的趨勢具有相關(guān)性,所以對模型進(jìn)行彈性修正,經(jīng)計算得彈性系數(shù)為0.461 245,調(diào)整后的CO模擬值與CO實測值基本保持相同的變化趨勢,說明CAL INE4模型可以應(yīng)用于太原市濱河?xùn)|路機(jī)動車尾氣CO污染擴(kuò)散的模擬,計算對比結(jié)果見圖2.

4 結(jié)論

本文討論了MOBILE6.2與CAL INE4模型在太原市的應(yīng)用,通過收集太原市多年的機(jī)動車資料,應(yīng)用MOBILE6.2模型計算出了太原市并州路的機(jī)動車CO的冬夏兩季排放因子和源強(qiáng),在收集太原市氣象資料和車流量的基礎(chǔ)上,應(yīng)用CAL INE4模型計算得到濱河?xùn)|路的CO擴(kuò)散濃度.為了驗證模型的適用性和準(zhǔn)確性,同步進(jìn)行了車流量分車型統(tǒng)計、氣象監(jiān)測和CO實地監(jiān)測,將模型模擬結(jié)果與實地監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,調(diào)整CAL INE4模型的參數(shù),使模型更好地適應(yīng)太原市快速路機(jī)動車尾氣CO的實際擴(kuò)散情況.經(jīng)過與實測值的對比調(diào)整后認(rèn)為,這兩種模型能夠應(yīng)用于城市機(jī)動車尾氣CO擴(kuò)散模擬.

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Dispersion Models of Motor-vehicles CO Exhaust Pollutant Based on CAL INE4——a case study on East Binghe Road in Taiyuan,Shanxi

SHI Wei1,ZHANG Hong2,SH IRui1,LU Bin3
(1.Institute of Loess Plateau,Shanxi University,Taiyuan030006,China;
2.College of Environmental Science and Resources,Shanxi University,Taiyuan030006,China;
3.Taiyuan Research Design Institute of Environment Sciences,Taiyuan030002,China)

Motor vehicle data such as vehicle amount,vehicle conditions,and the meteorological characteristics in Taiyuan w ere collected to analyze the pollutant source intension by using the U.S.MOB ILE 6.2,and then CAL INE4 Model were used to simulate the dispersion process of CO on East Binhe Road.In addition,the CO concentrations and vehicle amounts were monitored in different times on East Binhe Road in order to compare the monitored CO concentrations with the simulated CO concentrations which calculated by the CAL INE4 Model.The results showed that the MOB ILE6.2 and CAL INE4 models after parameter amended can be fit to simulate the diffusion process of CO on East Binghe Road of Taiyuan city.

vehicles;CO;diffusion factor;MOB ILE6.2;CAL INE4

X511

A

0253-2395(2011)01-0147-06＊

2010-05-25;

2010-07-07

山西省太原市科技局項目(0704010);國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目(091010828)

石偉(1983-),男,山西太原人,碩士研究生,從事環(huán)境工程學(xué)與生態(tài)恢復(fù)研究.＊通訊作者:E-mail:zhanghong@sxu.edu.cn