以路網(wǎng)大氣環(huán)境容量為基礎(chǔ)的交通環(huán)境容量研究

王小霞，韓 霜，盧建鋒，尹應(yīng)梅

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

路網(wǎng)大氣環(huán)境容量指在滿足大氣環(huán)境目標(biāo)值前提下，城市路網(wǎng)大氣環(huán)境所能夠容納污染物的最大能力。如果某一城市大氣污染物數(shù)量超過該城市路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的閾值，大氣環(huán)境將不能發(fā)揮其正常功能，生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)、人類健康，以及物質(zhì)財(cái)產(chǎn)、生物生長(zhǎng)等都將受到損害。路網(wǎng)大氣環(huán)境容量是確定路網(wǎng)交通環(huán)境容量的重要依據(jù)。

1 路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的計(jì)算方法

路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的計(jì)算主要是根據(jù)污染物的濃度控制目標(biāo)來反推其排放總量的限值。路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計(jì)算的常用方法有線性規(guī)劃優(yōu)化法、A-P值法、模擬法和箱式法 4 種。

1.1 線性規(guī)劃優(yōu)化法

線性規(guī)劃優(yōu)化法[1]是以城市 ( 或區(qū)域 ) 污染物排放總量最大為目標(biāo)函數(shù)，以滿足城市 ( 或區(qū)域 ) 大氣環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)及各污染源的可能排放強(qiáng)度范圍作為約束條件進(jìn)行的優(yōu)化規(guī)劃。其目標(biāo)函數(shù)為

式中：K為環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)總數(shù)；fij為第i污染源對(duì)j環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)率；Caj為j環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)的污染區(qū)域濃度貢獻(xiàn)；Csj為j環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

排放量上下界約束條件為

式中：Qi，min，Qi，max分別為根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及各污染源的削減潛力、排放標(biāo)準(zhǔn)確定的各污染源最小排放強(qiáng)度和最大排放強(qiáng)度。

由于線性規(guī)劃優(yōu)化法涉及的因素較多，計(jì)算比較煩瑣，早期的應(yīng)用受到一定限制。

1.2 A-P 值法

A-P 值法[2-3]以大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為控制目

式中：Z為所有污染源的排放總量；Np為重點(diǎn)污染源總數(shù)；ei為各污染源的權(quán)重因子；Qpi為第i重點(diǎn)污染源的排放強(qiáng)度；Qa為污染區(qū)域的排放總量。

環(huán)境質(zhì)量約束條件為標(biāo)，在掌握大氣污染物的擴(kuò)散稀釋規(guī)律的基礎(chǔ)上，使用控制區(qū)排放總量允許限值計(jì)算路網(wǎng)大氣環(huán)境容量。A-P 值法確定路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的步驟為：①根據(jù)所在城市 ( 或區(qū)域 ) 的地理位置，按照《 制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法 》( GB/T 13201-91 ) 中的表 1，查總量控制系數(shù)A值；②確定第i個(gè)環(huán)境功能分區(qū)的污染物的控制濃度 ( 或標(biāo)準(zhǔn)濃度限值 )Ci；③確定各個(gè)環(huán)境功能分區(qū)的總量控制系數(shù)Ai值：Ai=A×Ci；④確定各個(gè)環(huán)境功能分區(qū)的污染物允許排放總量：⑤計(jì)算總量控制區(qū)的污染物允許排放總量：

A-P 值法一般適用于城市(或區(qū)域)規(guī)劃階段的環(huán)境條件分析。雖然 A-P 值法的運(yùn)用比較普遍，但是其目標(biāo)針對(duì)性和定量考察性不強(qiáng)[4]。

1.3 模擬法

模擬法[4-5]是利用環(huán)境空氣質(zhì)量計(jì)算方法模擬城市 ( 或區(qū)域 ) 排放的污染物引起的環(huán)境質(zhì)量變化是否會(huì)導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)。如果超標(biāo)，可以按等比例或按對(duì)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率進(jìn)行相關(guān)污染源的排放量削減，以滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，其計(jì)算公式為

式中：Q為路網(wǎng)大氣環(huán)境容量，t/a；Cs為污染物的大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mg/m3；C本底為污染物的背景濃度，mg/m3；C關(guān)心點(diǎn)為預(yù)測(cè)關(guān)心點(diǎn)的年平均濃度值，mg/m3；Q預(yù)測(cè)為預(yù)測(cè)的城市(或區(qū)域)污染物源強(qiáng)，t/a。

模擬法往往適用于 2 類路網(wǎng)大氣環(huán)境容量估算，一類是規(guī)模較大、具有復(fù)雜環(huán)境功能的新建城市 ( 或區(qū)域 )，另一類是即將進(jìn)行環(huán)境污染治理與技術(shù)改造的現(xiàn)有城市 ( 或區(qū)域 )。

1.4 箱式法

箱式法[6]是假設(shè)城市 ( 或區(qū)域 ) 形成一個(gè)氣團(tuán)或箱子，假設(shè)箱子內(nèi)污染物主要由自身污染排放引起，忽略箱體外面的污染物排放，假設(shè)箱子內(nèi)污染物混合均勻，則箱內(nèi)污染物濃度的變化表示如下。

式中：Ci為箱子內(nèi)第i污染物的濃度， mg/m3；Qi為箱子內(nèi)第i污染物單位面積源強(qiáng)，mg/(m2· s)；H為混合層高度，m；為平均風(fēng)速，m/s；X為研究區(qū)域面積的等價(jià)直徑，m。

箱式法抓住了大氣環(huán)境污染系統(tǒng)的主要輸入、輸出關(guān)系，適用性強(qiáng)，通過參數(shù)確定，可以計(jì)算得到與實(shí)際情況比較符合的結(jié)果[7]，故至今仍然被廣泛采用。箱式法往往適用于宏觀區(qū)域范圍內(nèi)的空氣整體質(zhì)量及大氣環(huán)境總?cè)萘康难芯俊０凑障渥拥臄?shù)量，箱式法又可以分為單箱法和多箱法。

1.5 路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計(jì)算的改進(jìn)方法

上述 4 種路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計(jì)算方法的特點(diǎn)分析表明箱式法更適合路網(wǎng)交通環(huán)境容量的研究，因而采用改進(jìn)的單箱法推導(dǎo)路網(wǎng)大氣環(huán)境容量。改進(jìn)的單箱法是在污染濃度控制目標(biāo)已經(jīng)確定的條件下，利用改進(jìn)的單箱法反推研究區(qū)域污染物允許排放總量的方法。由改進(jìn)的單箱法確定的路網(wǎng)大氣環(huán)境容量可以表示為式中：Q為路網(wǎng)大氣環(huán)境容量，t/a；C為大氣污染物的濃度目標(biāo)值，mg/m3；Vd為大氣污染物的干沉降速度，m/s；Vw為大氣污染物的濕沉降速度，m/s；Kc為大氣污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化率，s-1；為平均風(fēng)速，m/s；C0為大氣環(huán)境本底值，mg/m3；H為混合層高度，m；ΔX為箱體順風(fēng)方向長(zhǎng)度，m；S為研究區(qū)域的面積，km2；T為研究時(shí)間，d。

簡(jiǎn)化公式⑹的部分參數(shù)，將箱體順風(fēng)方向的長(zhǎng)度看作研究區(qū)域總面積S的等效直徑，因而可以用S來表示 ΔX，得到ΔX= 2 (S/π)1/2；由于計(jì)算大氣污染物濃度時(shí)，時(shí)間一般取 1 年，所以公式⑹中的研究時(shí)間T取為 365 d。將 ΔX的簡(jiǎn)化值及T的實(shí)際值代入公式⑹，可以得到簡(jiǎn)化后的路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計(jì)算公式為

2 路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計(jì)算

2.1 路網(wǎng)交通環(huán)境容量模型

路網(wǎng)交通環(huán)境容量是指在一定時(shí)期、一定的交通狀況和一定的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)約束下，在城市 ( 或區(qū)域 ) 的實(shí)際氣象地理?xiàng)l件下，在保證人類的生存和生態(tài)環(huán)境不受損害的前提下，環(huán)境所能容納的機(jī)動(dòng)車污染物排放量的最大負(fù)荷。路網(wǎng)交通環(huán)境容量作為路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的一個(gè)構(gòu)成部分，兩者之間的關(guān)系可以利用機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放分擔(dān)率線性表示為

式中：Qd是路網(wǎng)交通環(huán)境容量，t/a；η是機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放分擔(dān)率，%。

由于道路交通系統(tǒng)排放的大氣污染物可以分為2 類：一類為氣態(tài)污染物，如 CO、HC 和 NOx等；另一類為固態(tài)顆粒物，如粒徑小于等于 10μm 的可吸入顆粒物 ( Particulate Matter，PM10) 及總懸浮顆粒物 ( Total Suspended Particle，TSP ) 等。2 類污染物的特性和容量影響因素均不相同，所以在計(jì)算路網(wǎng)交通環(huán)境容量時(shí)可以將公式⑻分別轉(zhuǎn)化為公式⑼和公式⑽。

氣態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計(jì)算公式可以表示為

式中：Qg為氣態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量，t/a。

固態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計(jì)算公式可以表示為

式中：Qs為固態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量，t/a；α為城市綠化率，%；β為裸地?fù)P塵率，%。

2.2 路網(wǎng)交通環(huán)境容量模型參數(shù)的選取

（1）機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放分擔(dān)率η。機(jī)動(dòng)車排放分擔(dān)率即用交通流動(dòng)源中的機(jī)動(dòng)車污染物排放總量除以所研究城市 ( 或區(qū)域 ) 內(nèi)的全部污染源的總排放量，其中全部污染源的總排放量一般包括流動(dòng)源、工業(yè)源、生活源及其他天然排放源在內(nèi)的所有污染源的排放總量。根據(jù)具體的調(diào)查、研究和計(jì)算，取 CO 排放的分擔(dān)率η為80%；取 NOx排放的分擔(dān)率η為 40%；取 HC 排放的分擔(dān)率η為 49%；取PM10排放的分擔(dān)率η為 2.9%。

（2）大氣污染物的濃度目標(biāo)值C?！?環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 》( GB 3095—2012 ) 將環(huán)境空氣質(zhì)量分為2 個(gè)等級(jí)，并且規(guī)定了各等級(jí)環(huán)境空氣質(zhì)量中各項(xiàng)污染物不允許超過的濃度限值。由于遼寧省、四川省、北京市等我國(guó)大部份省市的空氣質(zhì)量在 2015 年將達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8]，因而可以將 2015 年的我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)定為國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到 NOx的目標(biāo)濃度值C為 0.05 mg/m3，PM10的目標(biāo)濃度值C為 0.07 mg/m3。國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中沒有 CO 和 HC 的年平均值說明，根據(jù)年平均值一般為日平均值一半的國(guó)標(biāo)規(guī)律，定義CO 日均值的一半為其目標(biāo)濃度值，得到 CO 的目標(biāo)濃度值C為 2.00 mg/m3；根據(jù)《 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法 ( Ⅲ、Ⅳ ) 》 ( GB 18352.3—200X )中的各車型氣態(tài)物質(zhì)排放限值，得到 HC 的排放限值一般為 CO 排放限值的 1/10，推算得出 HC 的目標(biāo)濃度值C為 0.20 mg/m3。

（3）研究區(qū)域的面積S?！?中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒 2013 》中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)國(guó)土面積 959.69 萬 km2，得到S值為 9 596 900 km2。

（4）大氣污染物的干沉降速度Vd。干沉降速度是指污染物在大氣中物理沉降的速度。NOx的干沉降速度可以取 NO 和 NO2的干沉降速度之和，得到 NOx的干沉降速度Vd為 7.01 × 10-4m/s；CO 和HC 的干沉降速度Vd為 0 m/s；PM10的干沉降速度Vd為 44 × 10-4m/s[9]。

（5）大氣污染物的濕沉降速度Vw。濕沉降是指污染物隨雨、雪、冰雹等大氣降水沉降到地面的過程。濕沉降由于是由降水形式引起的，所以其往往具有集中沉降的特點(diǎn)。根據(jù)有關(guān)資料，NOx的濕沉降速度Vw為 1.9 × 10-4m/s；CO、HC 和 PM10的濕沉降速度Vw為 0 m/s[10]。

（6）大氣污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化率Kc。大氣污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化率是指在大氣污染物中，轉(zhuǎn)化的或參與反應(yīng)的污染物質(zhì)量占污染物總質(zhì)量的比例。NOx的化學(xué)轉(zhuǎn)化速率Kc可以取8.3×10-6s-1[11-12]。由于 CO和 HC 的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以 CO 和 HC 的化學(xué)轉(zhuǎn)化率Kc取 0 s-1。與固態(tài)顆粒物的干濕沉降作用相比，固態(tài)顆粒物的化學(xué)轉(zhuǎn)化微乎其微，因而PM10的化學(xué)轉(zhuǎn)化作用可以忽略不計(jì)，其化學(xué)轉(zhuǎn)化率Kc取 0 s-1。

（8）混合層高度H?；旌蠈痈叨葧?huì)受到空氣溫度、空氣濕度、大氣壓力、太陽輻射值、風(fēng)速等諸多氣象條件的影響，不同城市的混合層高度也會(huì)不同。根據(jù)我國(guó)的常年氣象統(tǒng)計(jì)資料，可以得出國(guó)內(nèi)多個(gè)城市的H平均值為 365 m[13]。

（9）大氣環(huán)境本底值C0。大氣環(huán)境本底值是指在沒有人為污染的情況下，大氣中有害物質(zhì)的濃度。因?yàn)?CO、NOx等在大氣環(huán)境中的天然本底濃度很低，大氣環(huán)境本底值一般近似為 0，因而取它們的大氣環(huán)境本底值C0為 0 mg/m3。

（10）城市綠化率α。綠化率是指規(guī)劃建設(shè)用地范圍內(nèi)的綠地面積與規(guī)劃建設(shè)用地總面積的比值。根據(jù)有關(guān)資料，我國(guó)的城市建成區(qū)綠化率α為30.2%[14]。

（11）裸地?fù)P塵率β。隨著機(jī)動(dòng)車保有量及道路長(zhǎng)度、面積的迅速增加，交通揚(yáng)塵尤其是施工車輛揚(yáng)塵已經(jīng)成為裸地?fù)P塵的主要來源，根據(jù)有關(guān)資料，我國(guó)的裸地?fù)P塵率β一般取 25.7%[14]。

2.3 路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果及其結(jié)論

根據(jù)選取的模型參數(shù)值和公式⑼，計(jì)算得出2015 年 CO 的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為 12 642.6 萬 t；HC 的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為 774.3 萬 t；NOx的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為1 200.1 萬 t。

根據(jù)公式⑽，計(jì)算得出 2015 年 PM10的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為 235.1 萬 t。

利用線性回歸預(yù)測(cè)、灰色預(yù)測(cè)和組合預(yù)測(cè)等方法預(yù)測(cè)得到 2015 年的機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放量[10]，將其與 2015 年的路網(wǎng)交通環(huán)境容量進(jìn)行對(duì)比，如表 1 所示。

由表 1 可以看出，NOx的排放數(shù)量更加接近路網(wǎng)交通環(huán)境所能夠容納的機(jī)動(dòng)車污染物排放量最大負(fù)荷，根據(jù)環(huán)境系統(tǒng)最小因子限制定律，為了控制路網(wǎng)交通環(huán)境容量，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)控制機(jī)動(dòng)車NOx的排放量。

表1 2015年路網(wǎng)交通環(huán)境容量與機(jī)動(dòng)車尾氣污染物預(yù)測(cè)值對(duì)比

3 結(jié)束語

路網(wǎng)大氣環(huán)境容量是確定路網(wǎng)交通環(huán)境容量的重要依據(jù)，其計(jì)算方法有多種，包括線性規(guī)劃優(yōu)化法、A-P 值法、模擬法和箱式法等。由于箱式法更加適用于宏觀區(qū)域范圍內(nèi)的大氣環(huán)境總?cè)萘垦芯浚蚨捎酶倪M(jìn)的單箱法建立路網(wǎng)交通環(huán)境容量模型，通過查閱相關(guān)資料對(duì)模型中各參數(shù)賦值，計(jì)算得到 2015 年 CO、HC、NOx、PM10的路網(wǎng)交通環(huán)境容量值，經(jīng)過與 2015 年尾氣污染物預(yù)測(cè)值的比較可知，控制路網(wǎng)交通環(huán)境容量應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)控制機(jī)動(dòng)車 NOx的排放量。

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