城市道路機動車尾氣污染物擴散模型研究概況

劉 迪，盧振蘭

(吉林農業大學資源與環境學院，吉林 長春 130118)

在過去的“十一五”期間，我國經濟得到迅猛發展，經濟發展的同時，國家也加大了對大中型城市道路建設的投入，交通的便利帶動了機動車數量的增長。公安部交管局發布的數據顯示，我國機動車保有量已達1.99億輛，其中，汽車8500多萬輛，每年新增機動車2000多萬輛，我國的機動車數量保持高速增長態勢。然而隨著機動車數量的增長，也帶來了一定的環境問題，機動車尾氣對于城市空氣質量的影響日益嚴重。環保部發布的《中國機動車污染防治年報 (2010年度)》中指出，2009年全國113個環保重點城市中，1/3的空氣質量不達標，機動車尾汽排放已成為大中城市空氣污染的主要來源，很多城市尤其是大中城市空氣污染已經呈現出煤煙型和汽車尾氣復合型污染的特點，加劇了大氣污染治理的難度。

動車線源污染物擴散模型的研究可以為防治大氣污染提供依據，也便于研究機動車尾氣污染物的遷移規律，同時也是進行環評工作的重要工具。

1 國外市道路機動尾氣染物擴散模型

1.1 HIWAY

HIWAY模型［1］是美國環境保護局于1975年由Zimmerman，Thompson共同開發的第一個公路擴散模型。HIWAY模型基于最早的大氣擴散模式—高斯模式，同時HIWAY模型也繼承了高斯模式的優點與不足。一般來說對于開闊平坦的公路上的機動車排放污染物擴散能很好地進行預測，但是不適用于兩側高層建筑較密集的街道峽谷。而且，對于公路的邊緣，大氣穩定度較好，同時風速較小，風向與公路接近于平行，預測值會偏高。

1980年以紐約試驗數據為基礎，Petersen等人對于現有的HIWAY模型進行了修正，從而提出了HIWAY－2模型［2］。除了對于一些參數的修訂外，HIWAY－2模型最大的特點就是，拋棄了原先采用的6類P－G擴散廓線，將大氣穩定性分為不穩定、中性、穩定三個等級。同時HIWAY－2也為用戶提供了同時模擬多條道路、多個時段的功能，對于較大區域內的線源污染物模擬以及敏感性分析提供有利條件。但是，HIWAY－2模型在模擬線源污染物的時候沒有考慮到垂直方向上熱力湍流的影響，而是僅僅考慮由車輛引起的熱力湍流。

1.2 CALINE

CALINE模型［3］最早是在20世紀70年代由美國的Beaton提出的，最初的CALINE模型主要是針對美國加州;在1975年基于最開始的CALINE模型，Ward又提出了 CALINE模型的新一代模型CALINE－2模型［4］;在4a之后，也就是1979年基于高斯煙羽線源模型式推出了CALINE－3模型［5］;1984年推出了CALINE模型系列的最后一個版本，也是至今為止最新的一個版本CALINE－4模型［6］。經過十多年的版本更新，CALINE系列模型已經成為世界上應用最為廣泛的模型之一。

CALINE－4模型的基本思路是將道路劃分成一系列線源單元 (簡稱線元)，分別計算各線元排放的污染物對接受點濃度的貢獻，然后，再求和計算整條道路流動源在接受點產生的污染濃度［7］。同時，基于高斯模式和混合區域概念以及污染物沉積、沉降速率的綜合考慮，得到CALINE－4模型，因此CALINE－4模型需要更全面的考慮參數的設定;模型運行控制選項、污染源數據、氣象數據和接受點位置坐標文件，這四項構成CALINE－4模型的主要輸入文件，其中污染源數據文件主要包括數據信息有車流量數據、各類污染物的排放因子、道路集合參數等;氣象數據主要包括風速、風向、大氣穩定度、擴散參數等。

有報道稱，國外學者利用CALINE模型、CALINE－2模型和HIWAY模型兩個線源模型進行對比研究，結果表明，在平行風的條件下，三種模型的預測值與實際監測相比都偏高，CALINE系列模型預測值要比HIWAY模型高;而在交叉風的條件下，三種模型預測值與實際監測相比都偏低，HIWAY模型要比CALINE系列模型預測值高。

1.3 ADMS

ADMS模型［8］是由劍橋環境研究公司(CERC)、英國氣象局和Surrey大學等機構合作開發，是當今國際上較為成熟的一種大氣預測模型。ADMS模型以大氣邊界層、大氣擴散理論、Monin－Obukhov長度等最新的大氣物理理論為基礎，屬于第二代大氣擴散模型，在全世界應用廣泛，很多國家都能看到ADMS模型的足跡。2008年，我國環境環保部頒布的《環境影響評價技術導則 大氣環境》也將ADMS模型列為推薦的大氣預測模型。

ADMS模型同時也加入了使用GRS機理化學反應模塊，可以模擬NO、NO2、O3和一些具有揮發性有機化合物之間的化學反應。同時對于顆粒物的沉降速度、干沉降影響和濕沉降的計算分別考慮到大氣表層穿過底層的阻力總和，阻力公式和下洗率的定義。

2 國內研究現狀

李昭陽、湯潔等［9］利用對長春市內的12個具有代表性檢驗受體點位進行模擬，結合長春市環境監測中心站的監測數據驗證了CALINE－4模型。通過模擬值與監測相關性的驗證，得出0.99的相關系數，證明CALINE－4模型基本適用于長春地區的條件，預測長春市機動車線源污染物較為準確。

施益強、王堅等［10］通過計算道路線源污染源強，利用HIWAY2、CALINE－4模型結合GIS技術對于廈門市區機動車尾氣NOX、PM10的擴散進行模擬、驗證和分析。通過實地檢測與模擬認為，廈門當地NOX、PM10質量濃度總體上隨風速增加而呈下降趨勢，當風速＞7m/s時，PM10隨著風速的增加質量濃度反而下降。廈門市區NOX、PM10出現高污染特征，主要在W至NNW風向時，污染物質量濃度出現低污染特征，主要在SSE至S風向時。

凌玲、李湘南［11］等利用武昌監測站提供的長年監測數據，以及武漢氣象臺提供的氣象資料，同時分析NOx擴散的各種影響因素，在此基礎上，應用任意風向下的高斯線源擴散模式，對監測站監測的常年的NOx日均濃度數據和某街道實測NOx數據進行計算機模擬分析，取得較好的驗證結果。

3 結語

機動車污染物擴散問題的研究最早起始于20世紀30年代，在70年代以后逐漸成為研究熱點，并且發展了很多用于模擬公路和城市街渠污染物擴散的模式［12］。國外對于機動車尾氣污染物擴散模型的研究較為成熟，而我國學者的研究大多停留在結合國外較為成熟機動車尾氣污染物模型對城市交通道路大氣環境進行影響分析。然而，對于機動車尾氣污染物擴散模型的研究，受到污染源的強度、氣象條件、地理條件等多方面因素的影響，這也給機動車污染物擴散模型的建立增加了不少難度。

一個準確、穩定的機動車尾氣污染物擴散模型有助于防止機動車線源污染，而我國建立自己的機動車尾氣污染物擴散模型是十分必要的，對我國環境保護工作也會起到積極作用。

［1］ Zimmerman J R，Thompson R S．User’s guide for HIWAY，a highway air pollution model［R］．US EPA －650/4－74－008，1975．

［2］ Petersen W B．User’s guide for HIWAY －2，a highway air pollution model［R］．US EPA －600/8－ 80－018，1980．

［3］ Beaton J L．Matheanatical approach to estimating highway impact on air quality，Washington ［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1972．

［4］ Ward C E．CALINE －2:An improved micro－scale model for the dispersion of air pollutants from a line source［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1977．

［5］ Beason P E．CALINE －3:A versatile dispersion model for predicting air pollutant levels near highways and arterial roads［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1979．

［6］ Beason P E．CALINE －4:A dispersion model for predicting air pollttant levels near roadways［R］．Washington:Fed．Highway Administration，1989．

［7］王福川．土木工程材料 ［M］．北京:中國建材工業出版社，2001．

［8］ Cambridge Environmental Research Consultants．ADMS模式介紹及技術說明［Z］．Cambridge United Kingdom，2004．

［9］李昭陽，湯潔．長春市城市道路交通CO污染的空間分布模擬研究 ［J］．環境科學研究，2005，18(1)．

［10］施益強，王堅．基于GIS的廈門市區機動車尾氣擴散模擬［J］．集美大學學報 (自然科學版)，2010，15(6)．

［11］凌玲，李湘南．汽車尾氣擴散的計算機模擬與預測［J］．武漢理工大學學報 (信息與管理工程版)，2001，23(3)．

［12］彭軍，張明，王體?。泛统鞘薪智C動車大氣污染物擴散模式發展綜述［J］．南京氣象學院學報，2005，28(3)．