汽車尾氣污染調查與時空特性分析

張揚 喬建剛

1.中國人民大學附屬中學 北京 100000 2.河北工業大學 土木與交通學院 天津 300401

1 引言

隨著社會的進步，城市的快速發展，汽車保有量保持著上升趨勢，產生的尾氣污染日益嚴重，不僅影響著城市空氣環境質量，還對人體造成了危害，尤其是易感人群[1-3]。20世紀末，汽車排放的尾氣污染物（如CO，NOx等）在大部分城市已經漸漸取代了由煤炭燃燒所引起的污染[4-5]，交叉口是交通網的重要節點，也是問題的嚴重地方，道路不合理造成了道路擁堵，使得交通污染越來越嚴重。同濟大學副教授張蘭芳、方守恩[6]研究了公路平面交叉口合理間距研究，從宏觀角度建議了亟待改善的道路網絡，在實現城市道路網系統結構的一體化進行了初步探索。本文通過對城市道路交叉口的交通量分析，計算對比了綠燈排放源強和紅燈排放源強，提出氣體污染的時空特性。

2 交叉口的交通擁堵

2.1 選擇調查地點

辰昌路與龍門道位于天津市交通繁榮地段，該交叉口為典型的信號控制“十”字交叉口，臨近地鐵站，交通流量相對較大，早晚上下班高峰期交通延誤較為嚴重。該路段交叉口處，辰昌路為雙向十車道，龍門道為雙向八車道。

2.2 交叉口交通流量統計

根據實際調查辰昌路與龍門道交口的車流量分布，調查時間定為早高峰7：30至9：00，晚高峰17：00至19：00兩個時間段之間，對調查結果進行數據分析。

3 交叉口污染排放源強計算

目前污染物擴散規律模型按照交通流量以及排放因子進行污染源強度的計算，濾除在交通燈調控下造成車輛減速等系列動作所產生的空氣的污染情況表現出的種種空間不均勻性。

3.1 單個路段單元子片段劃分

按照車流走向以及車道所具備的功能而言，充分對不同路段在多控制信號下得污染空間不均勻狀況進行考量，完成對單個路段單元進行留個子片段的劃分行為。不同子片段具備多條車道，且這些片段中中承載的道路功能存在高度的一致性。要對交通信號控制所產生的片段污染情況進行分析，則將按照相應強度進行紅綠污染源的排放類。

3.2 綠燈排放源強

綠燈排放源定義為子片段中車輛在綠燈情況下，車輛在單位小時時間內所排放出的污染物的質量問題。其中需要注意的綠燈顯示時間同有效率時間是不完全對等的，因此在數據處理的環節中應當扣除車輛的發動時間，車輛在有效綠燈時間內以正常速度行駛，計算綠燈排放源強如式（1）。

其中q的計算如式（2）：

以NOx的排放作為研究對象，在浙江工業大學郭幸運[7]的研究中表明，綜合行駛排放因子為0.51g/Km，怠速排放率為3.32mg/s，經過計算在一個信號周期的綠燈排放源強值為180261.81mg/h。

3.3 紅燈排放源強

紅燈排放源定義為子片段車道內承載的車輛在黃燈或者紅燈情況下，單位小時內汽車所釋放出的污染物的總質量。紅燈信號周期則是指在交通燈控制的周期中，除去綠燈的所有時間周期。在該周期中，同樣還需考慮到交通路口的作用，例如紅燈急剎車等動作。

假定機動車所排出的污染物同減速、加速、勻速這三個環節排污情況的綜合，對子片段在單位小時內的排污強度進行計算。

同綠燈周期不同，在紅燈周期中不同道路中機動車所產生的污染物同路段單元位置情況存在很大的關聯性。如果單元所處的位置臨近停車線，那么在處于怠速情況下車輛所產生的排放量相對加速狀態下產生的污染物水平較低；而單元臨近隊伍的末尾的情況下，則排放出的污染物情況與之前的狀態相反。按照車流的方向將交通路口進行四條道路連接（A1A2，A2A1，B1B2，B2B1）劃分，將不同路段單元所涉及的道路界面視為道路單元的端點，而這些端點同起點之間的位置關系定義為起點距離D，詳見圖1所示。

圖1 紅燈信號期排放源強計算示意圖

圖2 加速累積排放量示意圖（起點在b區）

當完成對距離D的長度參數確定之后，排放總量同隊伍的長度信息、加速度值、時間以及停靠位置存在一定的關系。當端點在排隊長度范圍內（見圖 2），即起點落在 b 區，車輛經歷怠速停車后加速行駛，加速累積擴散排放量等于加速排放率、排隊車輛數與加速時間三者的乘積。

減速累積擴散排放量近似看作與加速累積擴散排放量相同，此處不再贅述。 怠速累積擴散排放量計算方法與加速累積擴散排放量計算方法類似，等于怠速排放率、排隊車輛數、平均怠速時間三者的乘積。平均怠速時間近似認為是紅燈時間，用式（5）表示怠速累積擴散排放量。

經過計算在一個信號周期的NOx的紅燈排放源強值為270392.72mg/h。

4 結論

通過對城市道路交叉口交通量的調查，結合交叉口處車輛的行駛特征，分別對綠燈排放源強和紅燈排放源強進行了探討，并以汽車尾氣NOx作為研究對象，對排放源強進行了計算。由計算的結果看出，紅綠燈的控制時間對污染物的排放有著一定程度的影響，紅燈排放源強超過綠燈排放源強的一倍之多，所以通過控制好紅綠燈變化的時間值，可以較好的減少汽車尾氣的排放量，增加空氣的潔凈程度。