基于環(huán)境空氣容量的最大出行產(chǎn)生率

王曉寧，吳志濤

(哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱)

近年來，隨著城市機動車保有量的增加，機動車排放的污染物在城市空氣污染物總量中分擔率越來越高，造成的空氣污染日益受到關注.城市區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量受機動車出行量的影響，而出行量又受區(qū)域土地開發(fā)強度的影響，所以影響空氣污染的根源是土地開發(fā)強度.區(qū)域土地開發(fā)強度存在極值，過量地開發(fā)會帶來空氣污染問題.為控制土地開發(fā)強度，我國已廣泛開展交通影響分析工作，但交通影響分析理論沒有考慮建設項目建成后吸引的交通對所在區(qū)域造成的空氣污染問題.因此，從環(huán)境空氣角度研究土地開發(fā)強度臨界值，對控制區(qū)域空氣污染具有重要的理論意義和實用價值.

許多學者在道路設施受限條件下，利用交通環(huán)境容量控制交通需求方面開展了一系列研究.如趙童等［1］提出了基于“用地反饋”的交通影響分析思路并建立了基于重力模型的逆四階段法用地反饋模型，該模型旨在探究區(qū)域路網(wǎng)剩余通行能力還能支持多大的土地開發(fā)量，沒有考慮交通環(huán)境容量因素.劉志碩等［2］根據(jù)一個環(huán)境中污染物輸入輸出特征，建立了城市交通環(huán)境承載力的計量模型.楊忠振等［3］研究了路段的交通環(huán)境承載力，對每條路段的交通環(huán)境承載力進行求和得到1個區(qū)域的交通環(huán)境承載力，并選取了CO作為計算指標.兩篇文獻均從宏觀角度研究了交通環(huán)境承載力(交通環(huán)境承載力最大可達到交通環(huán)境容量)，著眼于整個城市，目的是確定城市機動車保有量大小，但沒有考慮對區(qū)域土地開發(fā)強度的控制.李鐵柱等［4－5］從微觀角度研究了交通環(huán)境容量并建立了求解路段和區(qū)域交通環(huán)境容量模型，模型從限制路段交通量大小和控制機動車出行率角度為保護區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量提供理論依據(jù)，不涉及土地利用.葉彭姚等［6］研究了城市交通效益與路網(wǎng)密度的關系，得出了存在一個最佳路網(wǎng)密度使交通效益最大的結論，但未求出此最佳密度值.可見，現(xiàn)有研究主要集中在確定交通環(huán)境容量的方法并用其控制交通需求上，交通環(huán)境容量對土地利用影響的研究偏少.因此，在區(qū)域一定的道路設施和保持一定環(huán)境空氣質(zhì)量的條件下，研究區(qū)域土地容許的最大出行產(chǎn)生率確定方法，可以控制交通對區(qū)域空氣造成污染.本文在計算區(qū)域環(huán)境空氣容量和把計算的路網(wǎng)容量換算成車輛污染物排放量后，以路網(wǎng)流量為媒介，通過調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量大小，達到用區(qū)域環(huán)境空氣容量約束路網(wǎng)容量的目的;根據(jù)OD反推理論模型和路網(wǎng)流量，反推出區(qū)域的出行產(chǎn)生量;根據(jù)區(qū)域可利用的土地面積計算單位土地面積容許產(chǎn)生的最大出行產(chǎn)生量.

1 區(qū)域環(huán)境空氣容量計算

容量是指一定空間容納某種物質(zhì)的能力.環(huán)境空氣容量是交通環(huán)境容量的組成部分，而交通環(huán)境容量是從環(huán)境容量衍生來的概念.環(huán)境學科認為交通環(huán)境容量是環(huán)境容量在交通排放源上的分擔量，是環(huán)境容量的一部分.在環(huán)境學科中，環(huán)境容量定義為在一定區(qū)域內(nèi)，考慮污染物的背景濃度，當污染物排放量和清除量相等時，該區(qū)域所容納的污染物的量.從定義可知，環(huán)境容量是一段時間內(nèi)區(qū)域環(huán)境容納污染物總量的最大值，隨時間而變化.本文環(huán)境空氣容量含義是在其他排放源一定的情況下，為保障人體和區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全，區(qū)域環(huán)境在一段時間內(nèi)最大能容納道路交通排放的空氣污染物總量.

區(qū)域環(huán)境空氣容量的計算采用環(huán)境學科中的A值法［7］.A值法原理是將區(qū)域視為由1個或多個箱體組成，下墊面為底，混合層頂為箱蓋，通過對區(qū)域的通風量、雨洗能力、混合層厚度、下墊面等條件綜合分析得出濃度限值后，計算出1 a內(nèi)由大氣的自凈能力所能清除掉的大氣污染物總量.把A值控制區(qū)分n個小區(qū)，每個小區(qū)面積為Si，則區(qū)域環(huán)境空氣容量為

式中:Q為區(qū)域環(huán)境容量，10

4

t/a;Q

i

為i小區(qū)環(huán)境容量，10

4

t/a;A為該地區(qū)的容量系數(shù)，10

4

km

2

/a;c

i

為i小區(qū)污染物年日均濃度限值，mg/m

3

;c

bi

為i小區(qū)污染物背景濃度，mg/m

3

;S

i

為i小區(qū)面積，km

2

;S為小區(qū)面積總和，km

2

;n為小區(qū)數(shù);Q

t

為環(huán)境空氣容量，10

4

t/a;η為交通排放的污染物占區(qū)域污染物總量的比例.

2 路網(wǎng)容量和污染物排放量計算

2.1 路網(wǎng)容量計算

土地開發(fā)需要足夠的道路設施支持，大容量的道路網(wǎng)對應區(qū)域高的經(jīng)濟發(fā)展水平，適應區(qū)域大的交通需求.區(qū)域路網(wǎng)容量與土地開發(fā)強度密切相關，甚至前者對后者起著決定性的作用.路網(wǎng)容量含義:在氣候條件良好的條件下，為保證路網(wǎng)服務水平不低于最低可接受水平，單位時間內(nèi)路網(wǎng)最多能夠容納的車輛數(shù).根據(jù)含義，路網(wǎng)容量由路段容量和交叉口容量兩部分組成.圖論中為研究方便，常將節(jié)點容量轉(zhuǎn)換為弧容量而使節(jié)點容量為零，故借鑒此方法將交叉口容量等效轉(zhuǎn)換為路段容量而使交叉口容量為零，假設交叉口容量分配到與之相連路段上的量與該路段容量間存在簡單的比例關系，且比例都相等.

當路網(wǎng)容量最大時，理論上區(qū)域土地開發(fā)量也達到最大值.路網(wǎng)容量受路網(wǎng)結構影響，其大小客觀表現(xiàn)為路網(wǎng)流量大小.先從區(qū)域路網(wǎng)容量的角度探究土地最大出行產(chǎn)生率，后用交通環(huán)境容量約束條件進行修正.研究的關鍵是路網(wǎng)容量最大時路網(wǎng)上車輛污染物排放量的確定.路網(wǎng)流量在此的含義為路網(wǎng)中每條路段的交通量.基于此，可建立路網(wǎng)流量與路網(wǎng)容量之間的關系模型.根據(jù)所采用的流量不同，路網(wǎng)容量分為基本容量和實際容量，前者采用路段的基本通行能力計算，后者采用路段實際調(diào)查所得的流量計算.

路網(wǎng)實際最大容量的確定是根據(jù)路網(wǎng)基本容量和實際容量計算路網(wǎng)服務水平(飽和度)，以最低可接受服務水平為目標調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量使實際容量最大.若計算的服務水平高于最低可接受水平，則增大路網(wǎng)流量(實際上是每條路段流量)使路網(wǎng)服務水平等于最低可接受水平;反之，則減小路網(wǎng)流量(實際上是每條路段流量)使路網(wǎng)服務水平等于最低可接受水平.

物種累積曲線被廣泛應用于判斷試驗設計取樣量是否充分以及估計物種豐富度（李巧，2011）。為了驗證本次野外試驗獲取的數(shù)據(jù)是否具代表性，利用EstimateS 9.1.0對數(shù)據(jù)進行檢驗并制圖。如果曲線一直上升，表明樣本量不足，需增加試驗；如果曲線最終變?yōu)闈u近線，上升平緩，則表明抽樣充分，可對數(shù)據(jù)作進一步分析（李巧，2011；Longino，2000）。

根據(jù)文獻［8］可求得區(qū)域路網(wǎng)基本容量和實際容量，但求得的路網(wǎng)容量與本文路網(wǎng)容量含義有出入.因此，為便于研究，引入如下模型.模型分為兩部分，前一部分為單位時間內(nèi)路段的通行能力，后半部分為路段上的車輛數(shù).根據(jù)格林希爾治線性模型有

式中:Cj為路網(wǎng)基本容量，pcu/h;Cji為路段i基本通行能力，pcu/h;ki為路段i交通流密度，pcu/m;Li為路段i長度，m;vf為路段i自由流速度，m/s;Cs為路網(wǎng)實際容量，pcu/h;vi為路段i平均車速，m/s;qi為路段i流量，pcu/h;α為交叉口容量分配到與之相連各路段的比例.

式(3)、(4)用于計算路網(wǎng)服務水平，當區(qū)域道路因用地緊張等因素而無法拓寬以增大基本路網(wǎng)容量時，就不能只考慮交通環(huán)境容量，而應同時考慮路網(wǎng)實際容量和交通環(huán)境容量并取兩者中的較小值以確定路段流量qi.

2.2 污染物排放量計算

為在一定區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量條件下控制土地開發(fā)強度，需增加區(qū)域環(huán)境空氣容量約束條件.為便于研究需統(tǒng)一計量單位，把路網(wǎng)容量等效換算為路網(wǎng)上車輛污染物排放量.在調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量使路網(wǎng)實際容量最大后，計算此時路網(wǎng)上車輛在一定時間段內(nèi)污染物排放總量.車輛污染物排放量包括在路段運行過程中的排放量和經(jīng)過交叉口的排放量兩部分.因影響因素復雜，車輛經(jīng)過交叉口的排放量目前還沒有成熟的確定方法.考慮到車輛經(jīng)過交叉口的排放量與相連路段流量有關，故假設這兩者為正比關系且比例都相等.

利用單車污染物排放因子法進行計算，即

式中:M為1 d內(nèi)單位長度的道路上各種類型機動車污染物總的排放強度，g/km;λk為k型機動車污染物排放因子車速修正系數(shù);Ek為k型機動車污染物的單車排放因子，g·km-1·veh-1;qk為k型機動車交通量，veh/h，k=1、2、3分別表示小型車、中型車和大型車.

式中:Qr為1a內(nèi)路網(wǎng)上運行的所有車輛排放的污染物總量，t/a;Lj為j路段長度，km;β為車輛經(jīng)過交叉口的排放量與經(jīng)過相連路段的排放量的比值;n為路段總數(shù).

由路網(wǎng)條件和路網(wǎng)服務水平可以推算區(qū)域的出行產(chǎn)生率值，但該值可能對區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量不利或者沒有充分利用區(qū)域大氣環(huán)境資源.因此，用式(6)計算得一定服務水平條件下路網(wǎng)中車輛污染物排放總量后，用區(qū)域環(huán)境空氣容量對其進行修正，以求得環(huán)境空氣容量約束下的最大容許出行產(chǎn)生率.

3 區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率計算

在計算當路網(wǎng)容量最大時路網(wǎng)中車輛1a內(nèi)污染物排放總量后，增加區(qū)域環(huán)境空氣容量這一約束條件.若Qr/Qt＜1，則表示區(qū)域土地開發(fā)量不足，需增大路網(wǎng)基本容量，進而可以使路網(wǎng)實際容量增大，最終表現(xiàn)為增大路網(wǎng)流量，調(diào)節(jié)措施:給予每條路段流量一個增長系數(shù)(快、主、次、支不同)，使比較雙方恰好相等;若Qr/Qt＞1，則表示區(qū)域土地開發(fā)過量，調(diào)節(jié)措施:給予每條路段流量一個降低系數(shù)(快、主、次、支不同)，使比較雙方恰好相等;若Qr/Qt=1，表示區(qū)域土地開發(fā)適當.

路網(wǎng)流量不都對區(qū)域土地開發(fā)有貢獻，過境交通的存在不僅占用區(qū)域道路資源，而且限制區(qū)域土地開發(fā)量.與區(qū)域相關的交通量中，只有起點或終點在區(qū)域內(nèi)部的出行，才被認為對區(qū)域土地開發(fā)有貢獻.因此，路網(wǎng)流量中需先剔除過境交通量，再根據(jù)OD反推理論用剩余交通量信息反推各交通小區(qū)的出行產(chǎn)生量.區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率計算流程見圖1.

為得到最大出行產(chǎn)生率，需獲取區(qū)域總出行量數(shù)據(jù).通過環(huán)境空氣容量約束求得路網(wǎng)中每條路段流量后，根據(jù)路網(wǎng)幾何和流量信息，利用OD反推理論，就能反推得各交通小區(qū)間的出行分布量.從研究內(nèi)容看，無需求得小區(qū)間的出行分布量，而只需求得各小區(qū)的出行產(chǎn)生量或吸引量.由于在OD矩陣中小區(qū)出行產(chǎn)生量與出行吸引量相平衡，所以思路是先通過非結構化OD反推方法反推得小區(qū)間的出行分布量，再求得各小區(qū)的出行產(chǎn)生量(OD矩陣中每行的和).若依據(jù)此思路，則需解決無先驗OD矩陣的問題和反推模型的選擇問題.借鑒文獻［9］中的先驗OD矩陣構造方法，即先任意給定OD矩陣并用全有全無方法進行分配，得到出行分配率后，根據(jù)OD反推模型反推出先驗OD矩陣，再按有先驗OD矩陣的情況進行反推.

圖1 區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率計算流程圖

在求得各小區(qū)出行產(chǎn)生量后，把各小區(qū)的出行產(chǎn)生量進行求和得到區(qū)域總出行產(chǎn)生量.然后除以區(qū)域可利用的土地面積，得區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率，即區(qū)域土地利用最大容許開發(fā)強度.

式中:［λ］為區(qū)域土地利用最大出行產(chǎn)生率，pcu/m2;O為區(qū)域最大出行產(chǎn)生量，pcu;ω為區(qū)域可利用土地面積占區(qū)域總面積的比例;S為區(qū)域面積，m2.

4 算例分析

選取深圳市某區(qū)域路網(wǎng)進行算例分析，具體見圖2和圖3.圖2中數(shù)據(jù)是路段長度，圖3中數(shù)據(jù)是路段雙向流量.該區(qū)域內(nèi)共有94條路段，區(qū)域面積為1.57 km2，劃分為6個交通小區(qū)，各小區(qū)面積見表1.

圖2 區(qū)域分區(qū)及路段長度(km)

圖3 區(qū)域路網(wǎng)流量(veh·h-1)

環(huán)境空氣容量計算.依據(jù)國家標準，大氣容量測算指標為SO2、NO2和PM103項.機動車排放的污染物主要有CO、NOx、HC和PM(顆粒物).考慮簡化計算量和所選污染物的代表性，選取NOx作為環(huán)境空氣容量的測算指標.假設污染控制目標為國家二級標準(空氣中NOx質(zhì)量濃度為0.08mg/m3)并忽略背景濃度值，A值取3.64×104km2/a，η取0.7.根據(jù)式(1)、(2)，可求得該區(qū)域環(huán)境容量和環(huán)境空氣容量分別為3.66×103、2.56×103t/a.

表1 各交通小區(qū)環(huán)境容量計算結果

路網(wǎng)容量到車輛污染物排放量的換算.假設路網(wǎng)中每條路段的小、中、大3種車型數(shù)量的比例為0.8∶0.15∶0.05;單車排放因子參考文獻［10］的研究成果，具體見表2;α=0.2，β=0.2.車輛折算系數(shù)采用高速公路基本路段的折算值，即小型車為1.0，中型車為1.5，大型車為2.0.

表2 各種車型在不同速度下的單車排放因子

根據(jù)式(4)～(6)，可計算得該區(qū)域1 a內(nèi)路網(wǎng)上運行的所有車輛排放的污染物總量為2.23×103t.

最大出行產(chǎn)生率的計算.當Qr/Qt＜1，由計算結果可知，該區(qū)域土地開發(fā)量不足，應采取增大路網(wǎng)流量措施.調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量，使Qr/Qt的比值為1，再剔除過境交通后(假設過境交通的比例為50%)，采用TransCAD軟件進行OD反推.為簡化計算，假設各種等級的道路交通量調(diào)節(jié)系數(shù)相等，調(diào)節(jié)系數(shù)Qr/Qt=1.15.反推后小區(qū)1～6的出行產(chǎn)生量分別為3873、407、1957、8263、13044、7778pcu，出行總量為25322pcu.

若假設該區(qū)域可利用土地面積占區(qū)域總面積的比例ω=0.9，根據(jù)式(7)，求得區(qū)域土地利用最大出行產(chǎn)生率［λ］=0.025pcu/m2.

由上述分析可知，該算例只考慮了境內(nèi)出行中的區(qū)間出行，沒有考慮區(qū)內(nèi)出行和起點或訖點在境外的出行.由于區(qū)域面積較小且各小區(qū)用地性質(zhì)較為單一，使區(qū)內(nèi)出行對最大出行產(chǎn)生率的影較小，可以接受.對于起點或訖點在境外的出行，算例假設該出行量較小，忽略不計.

5 結論

1)以區(qū)域交通環(huán)境容量為約束條件，選取了NOx作為測算評價指標，綜合考慮了路網(wǎng)容量和服務水平，提出了區(qū)域土地最大容許出行產(chǎn)生率的確定方法，從控制機動車排放的角度為衡量區(qū)域土地是否開發(fā)過量提供了一個評判標準.

2)通過環(huán)境空氣容量和路網(wǎng)容量的比較，可以根據(jù)Qr/Qt的計算結果，依據(jù)格林希爾治線性模型評價現(xiàn)狀和改善后的路網(wǎng)的服務水平，為分析路網(wǎng)設施改善效果提供理論依據(jù).

3)依據(jù)最大出行產(chǎn)生率值，對容積率一定的建設項目可依據(jù)此方法確定合理規(guī)模;對于組合型建設項目，可進一步采用線性優(yōu)化的方法得到最佳組合方式，使區(qū)域土地開發(fā)的效益最大，為建設項目的合理選址和規(guī)模確定提供依據(jù).

4)分析了環(huán)境空氣容量對土地開發(fā)強度的制約，而土地開發(fā)強度還受停車設施、交通組織方式、軌道交通和區(qū)域其他資源等因素制約，這些有待于進一步研究.

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