城市道路機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散模型研究概況

劉 迪，盧振蘭

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

在過(guò)去的“十一五”期間，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，國(guó)家也加大了對(duì)大中型城市道路建設(shè)的投入，交通的便利帶動(dòng)了機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增長(zhǎng)。公安部交管局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)1.99億輛，其中，汽車8500多萬(wàn)輛，每年新增機(jī)動(dòng)車2000多萬(wàn)輛，我國(guó)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。然而隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增長(zhǎng)，也帶來(lái)了一定的環(huán)境問(wèn)題，機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)于城市空氣質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重。環(huán)保部發(fā)布的《中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào) (2010年度)》中指出，2009年全國(guó)113個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市中，1/3的空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，機(jī)動(dòng)車尾汽排放已成為大中城市空氣污染的主要來(lái)源，很多城市尤其是大中城市空氣污染已經(jīng)呈現(xiàn)出煤煙型和汽車尾氣復(fù)合型污染的特點(diǎn)，加劇了大氣污染治理的難度。

動(dòng)車線源污染物擴(kuò)散模型的研究可以為防治大氣污染提供依據(jù)，也便于研究機(jī)動(dòng)車尾氣污染物的遷移規(guī)律，同時(shí)也是進(jìn)行環(huán)評(píng)工作的重要工具。

1 國(guó)外市道路機(jī)動(dòng)尾氣染物擴(kuò)散模型

1.1 HIWAY

HIWAY模型［1］是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局于1975年由Zimmerman，Thompson共同開發(fā)的第一個(gè)公路擴(kuò)散模型。HIWAY模型基于最早的大氣擴(kuò)散模式—高斯模式，同時(shí)HIWAY模型也繼承了高斯模式的優(yōu)點(diǎn)與不足。一般來(lái)說(shuō)對(duì)于開闊平坦的公路上的機(jī)動(dòng)車排放污染物擴(kuò)散能很好地進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是不適用于兩側(cè)高層建筑較密集的街道峽谷。而且，對(duì)于公路的邊緣，大氣穩(wěn)定度較好，同時(shí)風(fēng)速較小，風(fēng)向與公路接近于平行，預(yù)測(cè)值會(huì)偏高。

1980年以紐約試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，Petersen等人對(duì)于現(xiàn)有的HIWAY模型進(jìn)行了修正，從而提出了HIWAY－2模型［2］。除了對(duì)于一些參數(shù)的修訂外，HIWAY－2模型最大的特點(diǎn)就是，拋棄了原先采用的6類P－G擴(kuò)散廓線，將大氣穩(wěn)定性分為不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定三個(gè)等級(jí)。同時(shí)HIWAY－2也為用戶提供了同時(shí)模擬多條道路、多個(gè)時(shí)段的功能，對(duì)于較大區(qū)域內(nèi)的線源污染物模擬以及敏感性分析提供有利條件。但是，HIWAY－2模型在模擬線源污染物的時(shí)候沒(méi)有考慮到垂直方向上熱力湍流的影響，而是僅僅考慮由車輛引起的熱力湍流。

1.2 CALINE

CALINE模型［3］最早是在20世紀(jì)70年代由美國(guó)的Beaton提出的，最初的CALINE模型主要是針對(duì)美國(guó)加州;在1975年基于最開始的CALINE模型，Ward又提出了 CALINE模型的新一代模型CALINE－2模型［4］;在4a之后，也就是1979年基于高斯煙羽線源模型式推出了CALINE－3模型［5］;1984年推出了CALINE模型系列的最后一個(gè)版本，也是至今為止最新的一個(gè)版本CALINE－4模型［6］。經(jīng)過(guò)十多年的版本更新，CALINE系列模型已經(jīng)成為世界上應(yīng)用最為廣泛的模型之一。

CALINE－4模型的基本思路是將道路劃分成一系列線源單元 (簡(jiǎn)稱線元)，分別計(jì)算各線元排放的污染物對(duì)接受點(diǎn)濃度的貢獻(xiàn)，然后，再求和計(jì)算整條道路流動(dòng)源在接受點(diǎn)產(chǎn)生的污染濃度［7］。同時(shí)，基于高斯模式和混合區(qū)域概念以及污染物沉積、沉降速率的綜合考慮，得到CALINE－4模型，因此CALINE－4模型需要更全面的考慮參數(shù)的設(shè)定;模型運(yùn)行控制選項(xiàng)、污染源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和接受點(diǎn)位置坐標(biāo)文件，這四項(xiàng)構(gòu)成CALINE－4模型的主要輸入文件，其中污染源數(shù)據(jù)文件主要包括數(shù)據(jù)信息有車流量數(shù)據(jù)、各類污染物的排放因子、道路集合參數(shù)等;氣象數(shù)據(jù)主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度、擴(kuò)散參數(shù)等。

有報(bào)道稱，國(guó)外學(xué)者利用CALINE模型、CALINE－2模型和HIWAY模型兩個(gè)線源模型進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，在平行風(fēng)的條件下，三種模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)相比都偏高，CALINE系列模型預(yù)測(cè)值要比HIWAY模型高;而在交叉風(fēng)的條件下，三種模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)相比都偏低，HIWAY模型要比CALINE系列模型預(yù)測(cè)值高。

1.3 ADMS

ADMS模型［8］是由劍橋環(huán)境研究公司(CERC)、英國(guó)氣象局和Surrey大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作開發(fā)，是當(dāng)今國(guó)際上較為成熟的一種大氣預(yù)測(cè)模型。ADMS模型以大氣邊界層、大氣擴(kuò)散理論、Monin－Obukhov長(zhǎng)度等最新的大氣物理理論為基礎(chǔ)，屬于第二代大氣擴(kuò)散模型，在全世界應(yīng)用廣泛，很多國(guó)家都能看到ADMS模型的足跡。2008年，我國(guó)環(huán)境環(huán)保部頒布的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》也將ADMS模型列為推薦的大氣預(yù)測(cè)模型。

ADMS模型同時(shí)也加入了使用GRS機(jī)理化學(xué)反應(yīng)模塊，可以模擬NO、NO2、O3和一些具有揮發(fā)性有機(jī)化合物之間的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)對(duì)于顆粒物的沉降速度、干沉降影響和濕沉降的計(jì)算分別考慮到大氣表層穿過(guò)底層的阻力總和，阻力公式和下洗率的定義。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

李昭陽(yáng)、湯潔等［9］利用對(duì)長(zhǎng)春市內(nèi)的12個(gè)具有代表性檢驗(yàn)受體點(diǎn)位進(jìn)行模擬，結(jié)合長(zhǎng)春市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CALINE－4模型。通過(guò)模擬值與監(jiān)測(cè)相關(guān)性的驗(yàn)證，得出0.99的相關(guān)系數(shù)，證明CALINE－4模型基本適用于長(zhǎng)春地區(qū)的條件，預(yù)測(cè)長(zhǎng)春市機(jī)動(dòng)車線源污染物較為準(zhǔn)確。

施益強(qiáng)、王堅(jiān)等［10］通過(guò)計(jì)算道路線源污染源強(qiáng)，利用HIWAY2、CALINE－4模型結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)于廈門市區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣NOX、PM10的擴(kuò)散進(jìn)行模擬、驗(yàn)證和分析。通過(guò)實(shí)地檢測(cè)與模擬認(rèn)為，廈門當(dāng)?shù)豊OX、PM10質(zhì)量濃度總體上隨風(fēng)速增加而呈下降趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速＞7m/s時(shí)，PM10隨著風(fēng)速的增加質(zhì)量濃度反而下降。廈門市區(qū)NOX、PM10出現(xiàn)高污染特征，主要在W至NNW風(fēng)向時(shí)，污染物質(zhì)量濃度出現(xiàn)低污染特征，主要在SSE至S風(fēng)向時(shí)。

凌玲、李湘南［11］等利用武昌監(jiān)測(cè)站提供的長(zhǎng)年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及武漢氣象臺(tái)提供的氣象資料，同時(shí)分析NOx擴(kuò)散的各種影響因素，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用任意風(fēng)向下的高斯線源擴(kuò)散模式，對(duì)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的常年的NOx日均濃度數(shù)據(jù)和某街道實(shí)測(cè)NOx數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，取得較好的驗(yàn)證結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散問(wèn)題的研究最早起始于20世紀(jì)30年代，在70年代以后逐漸成為研究熱點(diǎn)，并且發(fā)展了很多用于模擬公路和城市街渠污染物擴(kuò)散的模式［12］。國(guó)外對(duì)于機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散模型的研究較為成熟，而我國(guó)學(xué)者的研究大多停留在結(jié)合國(guó)外較為成熟機(jī)動(dòng)車尾氣污染物模型對(duì)城市交通道路大氣環(huán)境進(jìn)行影響分析。然而，對(duì)于機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散模型的研究，受到污染源的強(qiáng)度、氣象條件、地理?xiàng)l件等多方面因素的影響，這也給機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散模型的建立增加了不少難度。

一個(gè)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散模型有助于防止機(jī)動(dòng)車線源污染，而我國(guó)建立自己的機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散模型是十分必要的，對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作也會(huì)起到積極作用。

［1］ Zimmerman J R，Thompson R S．User’s guide for HIWAY，a highway air pollution model［R］．US EPA －650/4－74－008，1975．

［2］ Petersen W B．User’s guide for HIWAY －2，a highway air pollution model［R］．US EPA －600/8－ 80－018，1980．

［3］ Beaton J L．Matheanatical approach to estimating highway impact on air quality，Washington ［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1972．

［4］ Ward C E．CALINE －2:An improved micro－scale model for the dispersion of air pollutants from a line source［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1977．

［5］ Beason P E．CALINE －3:A versatile dispersion model for predicting air pollutant levels near highways and arterial roads［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1979．

［6］ Beason P E．CALINE －4:A dispersion model for predicting air pollttant levels near roadways［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1989．

［7］王福川．土木工程材料 ［M］．北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2001．

［8］ Cambridge Environmental Research Consultants．ADMS模式介紹及技術(shù)說(shuō)明［Z］．Cambridge United Kingdom，2004．

［9］李昭陽(yáng)，湯潔．長(zhǎng)春市城市道路交通CO污染的空間分布模擬研究 ［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2005，18(1)．

［10］施益強(qiáng)，王堅(jiān)．基于GIS的廈門市區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣擴(kuò)散模擬［J］．集美大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2010，15(6)．

［11］凌玲，李湘南．汽車尾氣擴(kuò)散的計(jì)算機(jī)模擬與預(yù)測(cè)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) (信息與管理工程版)，2001，23(3)．

［12］彭軍，張明，王體?。泛统鞘薪智C(jī)動(dòng)車大氣污染物擴(kuò)散模式發(fā)展綜述［J］．南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，28(3)．