基于交通模型的道路機(jī)動(dòng)車排放模擬研究 1

劉登國(guó)，劉娟，伏晴艷，朱洪，樓狄明，黃偉民，王磊

1上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 2. 上海城鄉(xiāng)建設(shè)和交通發(fā)展研究院，3. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院

1 引 言

圖1 基于交通模型的道路路段排放測(cè)算方法

近年來(lái)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量每年增速很快，到2018年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.07億輛[1]，汽車占77.8%、摩托車占22.2%。機(jī)動(dòng)車污染已成為各大城市的主要大氣污染源，上海城市大氣細(xì)顆粒物PM2.5源解析顯示移動(dòng)源排放占比為29%[2～4]。北京、天津、上海、重慶、澳門、廣州、杭州、成都、烏魯木齊、上海等城市[5-15]利用機(jī)動(dòng)車有關(guān)模型估算了機(jī)動(dòng)車排放清單。由英國(guó)劍橋環(huán)境研究中心（CERC）開發(fā)的ADMS-Urban模型已在英國(guó)、匈牙利、立陶宛、新加坡、香港、中國(guó)內(nèi)地得到廣泛應(yīng)用，包括倫敦、布達(dá)佩斯、羅馬、遼寧北部城市、上海等城市[15-18]，但基于路段的城市機(jī)動(dòng)車排放清單及其擴(kuò)散模擬研究較少。本研究以交通模型為基礎(chǔ)，計(jì)算基于路段的機(jī)動(dòng)車動(dòng)態(tài)排放清單，并用ADMS-Urban模型模擬道路擴(kuò)散情況，為實(shí)際道路機(jī)動(dòng)車排放污染物預(yù)測(cè)預(yù)警提供技術(shù)支持。

2 基于交通模型的機(jī)動(dòng)車排放研究

將在早高峰、平峰、晚高峰等3個(gè)時(shí)段建立的上海交通模型，接合上海典型道路線圈和高速公路收費(fèi)站的分車型流量變化規(guī)律，細(xì)化輸出為全路網(wǎng)7.2萬(wàn)條路段小客車、大客車、小貨車、大貨車、集卡、公交車和出租車等7種車型全天24小時(shí)的車流量和車速數(shù)據(jù)庫(kù)。

以IVE模型的基本原理為依據(jù)建立路段機(jī)動(dòng)車污染物的排放測(cè)算方法的公式如下：

其中，i為車型，j為道路類型；T為交通量，單位為輛/年，L為道路長(zhǎng)度，單位為km；EF為排放因子，單位為g /（km·輛）。

根據(jù)交通模型的7.2萬(wàn)條路段7種車型24小時(shí)的車流量和車速數(shù)據(jù)庫(kù)，接合上海車輛技術(shù)分布數(shù)據(jù)庫(kù)中提取對(duì)應(yīng)的車輛技術(shù)分布，計(jì)算各技術(shù)類型車輛的流量。根據(jù)平均車速?gòu)臋C(jī)動(dòng)車基礎(chǔ)排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得各車型排放因子，根據(jù)計(jì)算路段的長(zhǎng)度和總車流，計(jì)算路段的機(jī)動(dòng)車污染物排放，每1 h將各路段計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總并輸出（圖1）。以2014年上海全路網(wǎng)工作日交通量為例，計(jì)算全路網(wǎng)機(jī)動(dòng)車污染物排放清單，獲得NOx、PM10、PM2.5、VOCs日排放量分別是264噸、19.6噸、17.5噸、83.6噸，上海市機(jī)動(dòng)車排放市區(qū)與郊區(qū)差異明顯，這與上海道路機(jī)動(dòng)車交通量市區(qū)和郊區(qū)分布規(guī)律有關(guān)；因VOCs主要來(lái)自汽油車尾氣排放，中心城區(qū)VOCs排放密度高于郊區(qū)；NOx排放高架道路和高速公路等主干道排放密度高于其它道路。

圖2 機(jī)動(dòng)車排放主要污染物空間分布1km網(wǎng)格分布規(guī)律

以早高峰8點(diǎn)機(jī)動(dòng)車交通量為基礎(chǔ)，計(jì)算早高峰機(jī)動(dòng)車NOx、PM10、PM2.5、VOCs排放清單，以1 km網(wǎng)格的排放強(qiáng)度空間分布詳見圖2，排放強(qiáng)度高的地區(qū)分布在寶山浦東外環(huán)隧道、徐家匯、滬杭閔行莘莊、S4閔行路段。

3 基于道路排放清單的ADMS交通影響測(cè)算

ADMS模型基于高斯煙流分布計(jì)算污染濃度[15-18]：

式中，式中：為為計(jì)算點(diǎn)處的污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；為計(jì)算點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，m；為源強(qiáng)，mg/(m·s)； 為平均風(fēng)速，m/s 、分別為橫向和鉛直向擴(kuò)散參數(shù)，m； 為線源高度，m；為線源長(zhǎng)度，m；為高斯誤差函數(shù)。

圖3 VOCs、NOx、PM2.5（一次）污染排放模擬空間分布圖

圖4 NOx（上午8點(diǎn)（東南風(fēng)））污染排放空間分布圖

圖5 NOx（上午8點(diǎn)（靜風(fēng)））污染排放空間分布圖

本次模擬選擇以主干路及高速、快速道路共計(jì)1.2萬(wàn)段建立的ADMS模型輸入文件為例，其排放量約占全部道路的56%，計(jì)算道路機(jī)動(dòng)車NOx、PM2.5、VOCs排放擴(kuò)散規(guī)律。氣象條件為：風(fēng)向西北風(fēng)和東南風(fēng)，風(fēng)速為3m/s、靜風(fēng)，晴天時(shí)候的云量（0）。由于ADMS只能模擬3000段路段，本次模擬分割成5段計(jì)算ADMS擴(kuò)散情況，模擬數(shù)據(jù)匯總而成。上海早上8點(diǎn)為上班交通高峰期，各類污染物模擬的高濃度主要集中在內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)線上及附近，從空間分布上快速路、高速等路段車流密集，成為高污染負(fù)荷的重點(diǎn)區(qū)域。主干路及高速路段兩側(cè)的高濃度距離約1 km，最大距離出現(xiàn)在下風(fēng)向的100 m左右，最高值到背景值距離在1 km～2 km之間，平均約1.5 km左右(圖3)。

抽取14個(gè)敏感點(diǎn)（圖3）計(jì)算環(huán)境空氣質(zhì)量：在靜風(fēng)條件下，敏感點(diǎn)濃度在682～6 161 ug/m3，有3個(gè)點(diǎn)超出3 000 ug/m3。風(fēng)速為3 m /s、西北風(fēng)下，敏感點(diǎn)濃度在241～3 402 ug/m3；有12個(gè)超出250 ug/m3，有3個(gè)點(diǎn)超出1500ug/m3，在中環(huán)滬閔高架接觸點(diǎn)最高。風(fēng)速為3m/s、東南風(fēng)下，敏感點(diǎn)濃度在55～1 103 ug/m3；有10個(gè)超出250 ug/m3，在外環(huán)浦東接觸點(diǎn)最高。詳見圖4、圖5、圖6、圖7。

圖6 高速路及主干路和接受點(diǎn)位圖

圖7 敏感點(diǎn)污染排放圖

表1 滬閔路北松公路口NOx最高值信息

每種氣象條件下的7萬(wàn)個(gè)NOx數(shù)據(jù)，西北風(fēng)、東南風(fēng)、靜風(fēng)NOx最大值在滬閔路北松公路口(米坐標(biāo)（347 803.34，3 435 874）)分別為14.5mg/m3、15.3mg/m3、19.3mg/m3，詳見表1，以西北風(fēng)為基準(zhǔn)，東南風(fēng)、靜風(fēng)下NOx濃度分別是其的1.1、1.3倍。其中NOx大于0.25mg/m3，西北風(fēng)、東南風(fēng)、靜風(fēng)分別占10%、9%、45%；大于1mg/m3，西北風(fēng)、東南風(fēng)、靜風(fēng)分別占0.7%、0.7%、30%。

4 結(jié) 論

① 基于交通模型的道路機(jī)動(dòng)車排放NOx、PM10、PM2.5、VOCs排放量分別是264噸/日、19.6噸/日、17.5噸/日、83.6噸/日；中心城區(qū)VOCs排放密度高于郊區(qū)，NOx排放快速路和高速路等排放密度高于其它道路。

② 上海主干路及高速、快速道路共計(jì)1.2萬(wàn)段的排放量約占全部道路的56%，上海交通高峰期早上8點(diǎn)的NOx、PM2.5(一次)、VOCs模擬高濃度主要集中在內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)線，從空間分布上快速路、高速等路段車流密集，成為高污染負(fù)荷的重點(diǎn)區(qū)域。主干路及高速路段兩側(cè)的高濃度距離約1km，最大距離出現(xiàn)在下風(fēng)向的100 m左右，最高值到背景值距離平均1.5 km左右。

③ 14個(gè)敏感點(diǎn)計(jì)算的NOx濃度顯示：在靜風(fēng)條件下，敏感點(diǎn)濃度在682～6161 ug/m3，有3個(gè)點(diǎn)超出3 000ug/m3。風(fēng)速為3m/s、西北風(fēng)下，敏感點(diǎn)濃度在241～3 402 ug/m3；有12個(gè)超出250 ug/m3，有3個(gè)點(diǎn)超出1 500 ug/m3，在中環(huán)滬閔高架接觸點(diǎn)最高。風(fēng)速為3m/s、東南風(fēng)下，敏感點(diǎn)濃度在55～1 103 ug/m3；有10個(gè)超出250 ug/m3，在外環(huán)浦東接觸點(diǎn)最高。