城市快速路大氣污染擴(kuò)散模擬研究

摘 要：為探究城市快速路機(jī)動(dòng)車排放的大氣污染物的擴(kuò)散對(duì)周邊環(huán)境的影響，本文以蘭州市南環(huán)快速路作為研究對(duì)象，利用 IVE 模型計(jì)算出機(jī)動(dòng)車污染物的排放量，并使用 CFD 模型模擬南環(huán)路機(jī)動(dòng)車污染物的擴(kuò)散情況。結(jié)果表明，四個(gè)區(qū)域都能被快速路污染物的擴(kuò)散所影響，醫(yī)院和學(xué)校受污染物濃度的影響更大。

關(guān)鍵詞：城市快速路；IVE模型；CFD；大氣污染物

中圖分類號(hào)：X 51" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市快速路為等級(jí)最高的城市道路，起到保證汽車暢通行駛，提高城市內(nèi)部運(yùn)輸效率的作用。但是城市快速路交通量也越來越大，其產(chǎn)生的污染物降低了城市快速路周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量。城市快速路周邊是醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，老人和小孩的活動(dòng)更多，因此對(duì)空氣質(zhì)量的要求也更嚴(yán)格。

在大氣污染物的擴(kuò)散對(duì)環(huán)境的影響問題研究中，王宇[1]、侯素霞等[2]學(xué)者在北京、上海、山東以及新加坡紐頓等不同地區(qū)，針對(duì)污染物的時(shí)空分布特征、污染物的相關(guān)性等進(jìn)行了深入研究，為區(qū)域環(huán)境空氣污染防治提供基礎(chǔ)支撐[3]。但是現(xiàn)有的大氣污染擴(kuò)散的研究缺乏以單條城市快速路作為對(duì)象，研究快速路污染物的擴(kuò)散對(duì)周邊環(huán)境的影響。為探究城市快速路機(jī)動(dòng)車排放的大氣污染物擴(kuò)散對(duì)周邊環(huán)境的影響，本文運(yùn)用IVE模型對(duì)快速路機(jī)動(dòng)車污染物的平均排放因子進(jìn)行計(jì)算，以蘭州市西固區(qū)南環(huán)路為研究對(duì)象，使用CFD模型模擬快速路機(jī)動(dòng)車污染物的擴(kuò)散對(duì)快速路周邊不同功能區(qū)的影響，并對(duì)南環(huán)路周邊不同功能區(qū)的擴(kuò)散情況進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)將模型模擬值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)與數(shù)據(jù)來源

圖1為南環(huán)路（又名南山快速路）周邊4個(gè)采樣點(diǎn)（醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)）的分布情況，包括各點(diǎn)的測量位置和功能區(qū)土地利用性質(zhì)種類。4個(gè)區(qū)域采樣點(diǎn)均選在南環(huán)路北側(cè)，北側(cè)為主要的各種功能區(qū)的建筑，南側(cè)環(huán)山，建筑物很少。在南環(huán)路兩邊和快速路同等級(jí)的或者更高等級(jí)的道路都離南環(huán)路較遠(yuǎn)。

選取甘肅省蘭州市西固區(qū)南環(huán)路作為研究對(duì)象，考慮功能區(qū)和建筑形態(tài)對(duì)污染物的排放影響等因素，在南環(huán)路周邊選取4個(gè)功能區(qū)（醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)）作為監(jiān)測點(diǎn)。主要監(jiān)測大氣常規(guī)污染物CO，在4個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，每個(gè)點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測12h，同步監(jiān)測交通量、氣象等參數(shù)。車流量監(jiān)測采用人工計(jì)數(shù)，每15min統(tǒng)計(jì)1次，12h不間斷連續(xù)監(jiān)測。

1.2 研究方法

1.2.1 IVE模型

IVE模型是可以對(duì)道路機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放進(jìn)行模擬的模型。該模型可預(yù)測機(jī)動(dòng)車的5種常規(guī)污染物（CO、VOCs、NO2、SO2和PM）、3種溫室效應(yīng)氣體（CO2、N2O和CH4）和6種有毒物質(zhì)（鉛、1，3-丁二烯、乙醛、甲醛、氨和苯）的排放量。目前，IVE模型越來越多地應(yīng)用于研究不同發(fā)展階段、不同規(guī)模和行政級(jí)別以及不同行駛特征的城市機(jī)動(dòng)車的排放變化規(guī)律。

模型主要由4個(gè)部分組成：結(jié)果輸出部分（Calculation），本地城市參數(shù)部分（Location），車隊(duì)數(shù)據(jù)部分（Fleet），基礎(chǔ)排放因子參數(shù)部分（Base Adjustment）。計(jì)算時(shí)只須將本地化的參數(shù)填入相對(duì)應(yīng)的頁面，即可快速得到模型估算的污染物排放量。

IVE模型的基本計(jì)算過程是通過調(diào)整后的修正系數(shù)與模型內(nèi)自帶的基礎(chǔ)排放因子相乘，從而得到當(dāng)?shù)孛糠N污染物排放類型的車輛經(jīng)修正后的排放因子，然后與快速路區(qū)域內(nèi)的交通車隊(duì)的水平分布狀況以及交通車流行駛工況相結(jié)合，計(jì)算得到快速路機(jī)動(dòng)車在行駛狀態(tài)下的大氣污染物排放量。

模型使用發(fā)動(dòng)機(jī)比功率VSP（Vehicle Specific Power）和發(fā)動(dòng)機(jī)工作強(qiáng)度ES（Engine Stress）這兩個(gè)參數(shù)來表征快速路機(jī)動(dòng)車瞬間行駛工況和空氣污染物排放之間的關(guān)系，提高了模型預(yù)測的準(zhǔn)確性和適用性。

IVE模型是可用于解決微觀層面的道路機(jī)動(dòng)車氣體排放問題的模型。在IVE模型中，機(jī)動(dòng)車的排放分為運(yùn)行排放（Q排）和啟動(dòng)排放。因?yàn)檠芯康缆奉愋蜑榭焖俾?，而快速路上車輛運(yùn)行基本沒有啟停情況，所以只計(jì)算運(yùn)行排放。

計(jì)算每種車型的校正排放率（Qt），如公式（1）所示[4]。

Qt=Bt·Kt1·Kt2·...·Ktx" " " " " " " " " " "（1）

式中：Qt為每種車型的校正排放率；Bt為每種車型的基準(zhǔn)排放率；Kt1、Kt2...Ktx為校正因子。

根據(jù)每種車型的校正排放率（應(yīng)用于fdt）來計(jì)算運(yùn)行排放，如公式（2）所示。

（2）

式中：ft為車輛行駛狀態(tài)所占比例；為在美國聯(lián)邦測試規(guī)程工況下的平均速度（km/h）；fdt為車輛在不同行駛工況占總行駛工況的比例；Kdt為車輛在行駛階段的校正因子；為模型輸入的車輛的實(shí)際行駛狀態(tài)下的平均速度。

1.2.2 CFD模擬

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是當(dāng)代快速發(fā)展的一門學(xué)科，其可以利用高速計(jì)算機(jī)來求解流體流動(dòng)的偏微分方程組。CFD可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬并直接得出分析模擬圖，其可以進(jìn)行靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析和氣體流動(dòng)模擬等[5]。

與理論方法相比，它具有假設(shè)限制少、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。也具備對(duì)多種城市道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的能力，預(yù)測能力很強(qiáng)，其方法也容易應(yīng)用。其模擬計(jì)算結(jié)果較為理想，可自由選擇計(jì)算方程，應(yīng)用場景豐富且功能多樣。通過CFD仿真可以模擬預(yù)測模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的結(jié)果圖，節(jié)省人力、物力和時(shí)間，避免使用大量的試驗(yàn)儀器，因此選用CFD來模擬快速路污染物的擴(kuò)散情況。

目前，CFD成了解決流體流動(dòng)與傳熱等問題的有力工具，在氣象學(xué)、建筑物內(nèi)外部環(huán)境以及暖通空調(diào)等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在市場上的商業(yè)CFD軟件有Star、 FLUENT、Comsol CFX和Open FOAM等。CFD的預(yù)測結(jié)果比較依賴輸入條件的準(zhǔn)確性，需要詳細(xì)的調(diào)查結(jié)果以及對(duì)初始參數(shù)進(jìn)行合理預(yù)判，需要結(jié)合IVE模型得出的污染物排放量，對(duì)本文的研究內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，得出合理的初始值。使用美國ANSYS公司研制的裝載了CFD功能模塊的工程仿真軟件（ANSYS WORKBENCH）2021R1版本對(duì)快速路進(jìn)行模擬分析。

2 結(jié)果分析

2.1 平均排放因子和污染物排放量

根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際調(diào)研情況將南環(huán)路車型主要分為4種：重型貨車、輕型貨車、大型客車和中小客車。將根據(jù)上述調(diào)查計(jì)算得到的參數(shù)輸入IVE模型，運(yùn)用IVE模型計(jì)算蘭州市南環(huán)快速路4種車型的平均排放因子，并換算出污染物年排放量。表1為機(jī)動(dòng)車日平均排放因子和年污染物排放量。由表1可以看出南環(huán)路污染物的排放因子按車型從大到小排序?yàn)椋狠p型貨車居首，其次為中小客車，然后是重型貨車，最后是大型客車。大部分貨車所排放的污染物比客車多，而且南環(huán)路的車輛主要是中小客車和輕型貨車，大型客車和重型貨車的比例很低。從車型來看，中小客車和輕型貨車的排放因子和年排放量都很高。同時(shí)，輕型貨車和中小客車的排放因子分別是重型貨車和大型客車排放因子的10.4倍和8.5倍。需要重點(diǎn)考慮中小客車和輕型貨車所排放的污染物對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.2 快速路大氣污染物濃度擴(kuò)散情況分析

使用ANSYS WORKBENCH對(duì)南環(huán)路道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，然后對(duì)污染物CO進(jìn)行分類，分析其在快速路段不同區(qū)域的擴(kuò)散情況。

如圖2所示，4個(gè)區(qū)域路面濃度最高的區(qū)域?yàn)閷W(xué)校，最低的區(qū)域?yàn)榫用駞^(qū)。除了學(xué)校之外，其他3個(gè)區(qū)域基本都被CO擴(kuò)散覆蓋。在學(xué)校區(qū)域內(nèi)，主要覆蓋了約三分之一的建筑，污染物覆蓋范圍最小。

圖2為CO在4個(gè)功能區(qū)不同類型建筑的擴(kuò)散分布情況，最低濃度為0，濃度單位為kmol/m3，將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度單位進(jìn)行分析。圖左邊的圖例為污染物摩爾濃度的變化區(qū)間，每個(gè)圖的摩爾濃度區(qū)間都不一樣。

根據(jù)總體擴(kuò)散情況分析，醫(yī)院和學(xué)校區(qū)域的污染物濃度整體比其他區(qū)域高，其受到快速路交通污染物的影響最大。原因是在快速路附近的醫(yī)院和學(xué)校的建筑和周邊山坡都比較高，污染物不易擴(kuò)散。居民區(qū)位置比快速路路面要低很多，該居民區(qū)屬于老舊小區(qū)，建筑物高度不高。商業(yè)區(qū)多為工廠建筑，整體建筑平均高度約5m，比醫(yī)院和學(xué)校低。居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和周邊的山坡距離較遠(yuǎn)，周邊比較開闊，自然風(fēng)能夠降低快速路污染物濃度。

圖3為一氧化碳實(shí)測的結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比情況，對(duì)4個(gè)區(qū)域的污染物進(jìn)行了比較。根據(jù)圖3實(shí)測的結(jié)果與CFD模型計(jì)算的模擬結(jié)果對(duì)比，可以看出CFD數(shù)值模擬模型能夠保證模擬結(jié)果的趨勢比較吻合整體的變化，但幅度和數(shù)值還是有一定的差距。CO實(shí)測值均高于模擬值，其中CO污染物在4個(gè)功能區(qū)的變化相對(duì)較小，整體呈水平變化。當(dāng)進(jìn)行建模時(shí)對(duì)一些比較復(fù)雜的建筑進(jìn)行了適當(dāng)簡化，可能導(dǎo)致模擬值與實(shí)測值產(chǎn)生差距。當(dāng)同時(shí)數(shù)值模擬時(shí)，流體域中只有快速路交通污染物的單個(gè)來源，沒有加入快速路實(shí)際環(huán)境的背景數(shù)據(jù)，因此數(shù)值模擬值均低于實(shí)測值。

3 結(jié)論

通過研究，得出以下結(jié)論。1）通過分析IVE模型計(jì)算結(jié)果，貨車的污染物的排放因子整體大于客車的排放因子。相比其他車型，中小客車和輕型貨車的污染物較多，需要特別考慮中小客車和輕型貨車排放的污染物對(duì)周邊環(huán)境的影響。2）CFD數(shù)值模擬模型能較好地模擬快速路交通污染物的擴(kuò)散情況，但是因?yàn)闆]有加入環(huán)境背景濃度，所以使模擬值均小于實(shí)測值。所有區(qū)域在不同程度上都會(huì)受快速路污染物的擴(kuò)散影響，其中，醫(yī)院和學(xué)校的污染物濃度整體比其他區(qū)域高，受到快速路交通污染物的影響最大。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宇. 北京市典型道路空氣中揮發(fā)性有機(jī)物污染特征與模擬[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 侯素霞，張鑒達(dá)，李靜.上海市大氣污染物時(shí)空分布及其相關(guān)性因子分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2021，30（6）：1220-1228.

[3]]郭亞軍，王花蘭，李明璇，等.高速公路路域大氣污染特征分析[J].環(huán)境工程，2023，41（12）：166-171.

[4]呂改艷. 重慶市主城區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放特征及減排情景研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2021.

[5] 姜智文. 基于CFD的多場景大氣污染物在北京典型街區(qū)中分布規(guī)律的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2023.

通信作者：聶挺（1997—），男，漢族，云南文山人，碩士，研究方向?yàn)榻煌ò踩c環(huán)境。

電子郵箱：wy15769865476@163.com。