基于HDM4的路面養(yǎng)護(hù)與汽車尾氣排放影響分析

張夢(mèng)冉

（西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

近年來(lái)，氣候變化在短時(shí)間內(nèi)急劇上升為重大的環(huán)境問(wèn)題，原因之一是因?yàn)殡S著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的普及使用在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面效應(yīng)，即大量的溫室氣體，尤其是二氧化碳 （CO2） （GHG）的排放，［1］。因此，如何在公路工程中減少汽車尾氣的排放量顯得尤為重要。HDM4模型可以在分析過(guò)程中預(yù)測(cè)汽車尾氣的排放，對(duì)于不同的公路質(zhì)量，汽車尾氣的排放量是不同的。通過(guò)使用HDM4模型，分析比較不同公路質(zhì)量下的汽車尾氣排放情況，即可得到公路養(yǎng)護(hù)如何影響汽車尾氣排放量及其之間的關(guān)系。

HDM4（Highway Development and Management System）是世界銀行主持開(kāi)發(fā)的道路路面管理與分析系統(tǒng)，中文譯名為 “公路發(fā)展與管理系統(tǒng)”，在公路改良及養(yǎng)護(hù)工程中作為規(guī)劃軟件廣泛被使用。HDM4計(jì)算機(jī)模型可在分析中根據(jù)使用者指定的方案模擬公路的物理狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)條件［2］，該模型大致被分為兩個(gè)部分：公路狀態(tài)惡化及性能影響（Road Deterioration＆Works Effects）模型和公路使用者影響 （Road User Effect）模型。RDWE（Road Deterioration＆Works Effects）模型主要包括路面損壞模型，而RUE（Road User Effect）模型囊括了行駛時(shí)間模型、發(fā)生事故模型和尾氣排放影響模型［3-6］。

本研究主要使用汽車尾氣排放影響模型，該模型中模擬了汽車尾氣排放情況，其包含7種排放廢氣，分別為碳?xì)浠衔?（HC）、一氧化碳 （CO）、氮氧化物 （NOx）、二氧化硫 （SO2）、二氧化碳（CO2）、懸浮微粒 （PM）以及鉛 （Pb）［7-9］。對(duì)應(yīng)的特征量包括交通量及其構(gòu)成、公路斷面類型及幾何形狀、車輛行駛速度、燃料類型和汽車使用壽命，旨在尋求公路養(yǎng)護(hù)等級(jí)和汽車尾氣排放量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為大氣環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

1 模型測(cè)試

為執(zhí)行HDM4汽車尾氣排放模型，需要確定一系列輸入指標(biāo)：車輛總數(shù)、配置、路段類型及其幾何形狀、交通量及其構(gòu)成、養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，以及項(xiàng)目模型。

1.1 車輛信息

車輛信息選定為系統(tǒng)已確定的英格蘭地區(qū)車輛信息 （England Vehicle Fleet），該數(shù)據(jù)已被輸入到HDM4模型的車輛信息文件夾之下。車輛信息數(shù)據(jù)中包括了上文所介紹的汽車尾氣排放預(yù)測(cè)中的尾氣排放模型參數(shù)值。

1.2 配置

在確定路段信息之前，若無(wú)相關(guān)信息，需給定車道類型和交通流模式，本研究中，車道類型為雙車道，交通流模式為自由流。此外，本模擬的公路配置如表1所示。

表1 公路配置設(shè)定Table 1 RD calibration set

1.3 路段類型及其幾何形狀

通過(guò)兩種不同的方式確定樣本路段以說(shuō)明道路養(yǎng)護(hù)如何影響汽車尾氣的排放，其一是確定實(shí)際道路路段的真實(shí)數(shù)據(jù)用以分析，其二是假設(shè)代表性典型路段的數(shù)據(jù)以表示和比較不同養(yǎng)護(hù)等級(jí)對(duì)于汽車尾氣排放的影響［10-12］。盡管后者無(wú)法得到真實(shí)道路的汽車尾氣排放情況，但其結(jié)果突出強(qiáng)調(diào)了一系列典型路段的道路養(yǎng)護(hù)影響比較，并且該影響仍會(huì)表現(xiàn)在實(shí)際道路網(wǎng)中，基于此，本研究將會(huì)采用后者來(lái)分析。典型路段數(shù)據(jù)設(shè)定如表2所示。

表2 典型路段數(shù)據(jù)設(shè)定Table 2 Input data for typical road section

1.4 交通量

根據(jù)已給定的英格蘭地區(qū)車輛信息，該地區(qū)具有10種類型的車輛，且每種類型車輛的數(shù)量不會(huì)逐年增長(zhǎng)。各類車輛典型的年平均日交通量（AADT）見(jiàn)表3。

1.5 養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

輸入典型路段基本數(shù)據(jù)之后，為說(shuō)明道路養(yǎng)護(hù)如何影響汽車尾氣的排放，還需確定道路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。本模擬過(guò)程中，設(shè)定了3種養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，分別代表了良好養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、普通養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以及不良養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。不良養(yǎng)護(hù)的工程項(xiàng)目?jī)H包括補(bǔ)坑 （patching）、裂縫修補(bǔ) （crack sealing）及再封縫（resealing）；普通養(yǎng)護(hù)的工程項(xiàng)目包括路緣修復(fù)（edge repair）、補(bǔ)坑（patching）、裂縫修補(bǔ)（crack sealing）及路表整修 （surface dressing）；良好養(yǎng)護(hù)的工程項(xiàng)目包括日常路緣修復(fù) （routine edge repair）、日程補(bǔ)坑 （routine patching）、裂縫修補(bǔ) （crack sealing）以及薄層加鋪 （thin overlay）［13-15］。此外，良好養(yǎng)護(hù)工程項(xiàng)目的干預(yù)等級(jí)最高，而不良養(yǎng)護(hù)工程的干預(yù)等級(jí)最低。

表3 年平均日交通量數(shù)據(jù)設(shè)定Table 3 AADT input for low medium and high traffic

1.6 項(xiàng)目模型

模擬工作的最后階段是通過(guò)將養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)添加于典型路段來(lái)建立相應(yīng)的模型項(xiàng)目，由于此項(xiàng)目是用以比較不同路段下的汽車尾氣排放輸出數(shù)據(jù)，因此應(yīng)使用 “基于路段分析”。選擇HDM4中的 “尾氣排放模型” （Emission Model）并運(yùn)行模型軟件，汽車尾氣的排放數(shù)據(jù)可以被系統(tǒng)模擬預(yù)測(cè)得到。

圖1 項(xiàng)目模型結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of the modeling Project

2 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)模型分析，HDM4系統(tǒng)生成了關(guān)于交通、公路狀態(tài)惡化及性能影響、公路使用者影響、環(huán)境影響、成本流與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等方面的輸出報(bào)告，對(duì)于本研究項(xiàng)目 “路面養(yǎng)護(hù)與汽車尾氣排放影響分析”，關(guān)于公路狀態(tài)惡化及性能影響和公路使用者影響方面的輸出數(shù)據(jù)可以用來(lái)分析公路養(yǎng)護(hù)程度如何影響汽車尾氣的排放。HDM4軟件生成的在分析中需要用到的報(bào)告：①公路狀態(tài)惡化及性能影響：基于項(xiàng)目的平均粗糙度 （圖）、基于路段的平均粗糙度 （圖）、道路工程總結(jié)報(bào)告 （基于路段）；②環(huán)境影響：尾氣排放總結(jié)報(bào)告。

2.1 道路養(yǎng)護(hù)及路面狀況

正如上文中所提到的，已設(shè)定3種養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)分別代表良好養(yǎng)護(hù)、普通養(yǎng)護(hù)和不良養(yǎng)護(hù)，不同的公路養(yǎng)護(hù)等級(jí)直接影響了路面狀況，其進(jìn)一步通過(guò)行駛速度、行駛時(shí)間、啟停循環(huán)或其他因素影響油耗量，使汽車產(chǎn)生不同的尾氣排放量。20 a間典型路段的平均粗糙度如圖2所示。

圖2 典型路段的平均粗糙度 （低流量路段）Figure 2 Average roughness（IRIav）for typical road section

由圖2可知，所有養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的典型路段粗糙度逐年增長(zhǎng)，這也說(shuō)明了所有養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的典型路段性能在之后的20 a間都會(huì)惡化。不良養(yǎng)護(hù)、正常養(yǎng)護(hù)及良好養(yǎng)護(hù)下的路段粗糙度在2015—2023年之間是完全相同的，然而2024年后，不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的路段惡化程度不盡相同。根據(jù)平均粗糙度圖4可知，不良養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)在這3種養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中具有最低的干預(yù)等級(jí)和最少的工程項(xiàng)目，這將導(dǎo)致該標(biāo)準(zhǔn)下的路段惡化最為嚴(yán)重，粗糙度從2015年的4.0IRI升至2034年的15.2IRI。對(duì)于良好養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的路段來(lái)說(shuō)，其狀態(tài)惡化得最少，僅從2015年的4.0IRI增加到2034年的8.8IRI，另外，良好養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的路段平均粗糙度產(chǎn)生較大起伏波動(dòng)，這是由于每5 a所進(jìn)行的薄層加鋪 （thin overlay）工程影響。普通養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的干預(yù)等級(jí)在良好養(yǎng)護(hù)和不良養(yǎng)護(hù)之間，粗糙度從2015年的4.0IRI升至2034年的13.3IRI。

2.2 汽車尾氣排放

根據(jù)尾氣排放總結(jié)報(bào)告，HDM4模擬已預(yù)測(cè)出每年的汽車尾氣排放量 （以t計(jì)）。在該報(bào)告中，包含了上文所提到的7種尾氣，基于報(bào)告所給出的數(shù)據(jù)，典型路段的具體汽車尾氣量變化如圖3。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下典型路段汽車尾氣排放量變化Figure 3 Vehicle emissions for typical road section under poor

由圖3可知，幾乎所有類型的尾氣 （除鉛Pb之外）這20 a間在不良養(yǎng)護(hù)、正常養(yǎng)護(hù)和良好養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下其排放量均逐年下降。二氧化碳 （CO2）占據(jù)了尾氣排放總量的95%之多，其次是一氧化碳 （CO），僅占尾氣排放總量的3%，在所有類型的排放尾氣中，鉛排放量占據(jù)的比重是最少的。這同樣也證明了氣候變化及全球變暖成為嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題的原因之一就是汽車行駛排放的大量二氧化碳（CO2）尾氣。

除此之外，每一種尾氣排放量的變化趨勢(shì)都是相似的，因此，汽車尾氣排放總量的變化趨勢(shì)可以代表任一尾氣的變化趨勢(shì)。通過(guò)Excel的計(jì)算可以得到每年的尾氣排放總量，并且其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

由圖4可得，不良養(yǎng)護(hù)、正常養(yǎng)護(hù)和良好養(yǎng)護(hù)下的尾氣排放總量在2015年—2024年間是完全相同的，然而2024年之后各養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的尾氣排放總量及其變化趨勢(shì)不盡相同，這種現(xiàn)象與分析周期內(nèi)的道路粗糙度變化趨勢(shì)相似。此外，還可發(fā)現(xiàn)在在分析周期的結(jié)尾，即2034年，良好養(yǎng)護(hù)下的尾氣排放總量是最小的，而不良養(yǎng)護(hù)下的尾氣排放總量是最大的且正常養(yǎng)護(hù)下的該值介于這兩者之間。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下典型路段汽車尾氣排放總量Figure 4 The amount of＂total emissions＂for typical road section under poor，good and fair maintenance

盡管良好養(yǎng)護(hù)下公路上行駛車輛在2034年或之后產(chǎn)生最少的尾氣排放量，但當(dāng)考慮到分析周期內(nèi)所有年限的汽車尾氣排放量之和，情況就不同了。在這3種養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn) （不良、正常和良好養(yǎng)護(hù)）下的20 a內(nèi)尾氣排放總量分別為7 892.70、7 844.66、7 988.89 t。良好養(yǎng)護(hù)下的公路上行駛車輛反而會(huì)產(chǎn)生最多的尾氣排放量，而正常養(yǎng)護(hù)的年限內(nèi)尾氣排放總量最少，不良養(yǎng)護(hù)下的該值介于二者之間，這與2034年的尾氣排放總量情況完全不同。

對(duì)比圖4與圖2可知，對(duì)于良好養(yǎng)護(hù)，當(dāng)粗糙度在2025—2030年間急劇下降時(shí)，尾氣排放量明顯上升，這是因?yàn)榇植诙韧瑫r(shí)也會(huì)影響車輛的行駛速度，低粗糙度伴隨高行駛速度會(huì)產(chǎn)生更多的尾氣排放量。然而對(duì)于不良養(yǎng)護(hù)和正常養(yǎng)護(hù)來(lái)說(shuō)，當(dāng)粗糙度大于10.2 IRI（2028年）時(shí)，盡管高粗糙度會(huì)導(dǎo)致較低的行駛速度，但由于粗糙度對(duì)于油耗的影響，汽車尾氣排放量仍會(huì)輕微上漲。

3 結(jié)語(yǔ)

更大的粗糙度伴隨著更多的汽車尾氣排放量，此外，行駛速度和汽車尾氣排放量正相關(guān)，這兩個(gè)因素都受到養(yǎng)護(hù)工程的影響。良好養(yǎng)護(hù)大大減少了粗糙度，然而由于低粗糙度，汽車行駛速度會(huì)更快。不良養(yǎng)護(hù)在一段時(shí)間之后會(huì)導(dǎo)致高粗糙度，盡管行駛速度慢，粗糙度足夠大仍會(huì)導(dǎo)致其尾氣排放量較大。綜合考慮到速度和粗糙度的影響，正常養(yǎng)護(hù)對(duì)于控制汽車尾氣排放量是最佳的。

此外，值得注意的是，對(duì)于正常養(yǎng)護(hù)尾氣排放量的最低點(diǎn)為10.2 IRI（2028年）處，我們可以將其設(shè)為受粗糙度和行駛速率影響的 “平衡點(diǎn)”，可以認(rèn)為理想的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是將粗糙度維持在 “平衡點(diǎn)”附近。減少交通量、限速，也可降低尾氣的排放量。