汽車尾氣污染調(diào)查與時(shí)空特性分析

張揚(yáng) 喬建剛

1.中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100000 2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院 天津 300401

1 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，城市的快速發(fā)展，汽車保有量保持著上升趨勢(shì)，產(chǎn)生的尾氣污染日益嚴(yán)重，不僅影響著城市空氣環(huán)境質(zhì)量，還對(duì)人體造成了危害，尤其是易感人群[1-3]。20世紀(jì)末，汽車排放的尾氣污染物（如CO，NOx等）在大部分城市已經(jīng)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(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，也是問題的嚴(yán)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(yán)重。同濟(jì)大學(xué)副教授張?zhí)m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(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)城市道路網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一體化進(jìn)行了初步探索。本文通過對(duì)城市道路交叉口的交通量分析，計(jì)算對(duì)比了綠燈排放源強(qiáng)和紅燈排放源強(qiáng)，提出氣體污染的時(shí)空特性。

2 交叉口的交通擁堵

2.1 選擇調(diào)查地點(diǎn)

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(hào)控制“十”字交叉口，臨近地鐵站，交通流量相對(duì)較大，早晚上下班高峰期交通延誤較為嚴(yán)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(tǒng)計(jì)

根據(jù)實(shí)際調(diào)查辰昌路與龍門道交口的車流量分布，調(diào)查時(shí)間定為早高峰7：30至9：00，晚高峰17：00至19：00兩個(gè)時(shí)間段之間，對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 交叉口污染排放源強(qiáng)計(jì)算

目前污染物擴(kuò)散規(guī)律模型按照交通流量以及排放因子進(jìn)行污染源強(qiáng)度的計(jì)算，濾除在交通燈調(diào)控下造成車輛減速等系列動(dòng)作所產(chǎn)生的空氣的污染情況表現(xiàn)出的種種空間不均勻性。

3.1 單個(gè)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(duì)不同路段在多控制信號(hào)下得污染空間不均勻狀況進(jìn)行考量，完成對(duì)單個(gè)路段單元進(jìn)行留個(gè)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(duì)交通信號(hào)控制所產(chǎn)生的片段污染情況進(jìn)行分析，則將按照相應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行紅綠污染源的排放類。

3.2 綠燈排放源強(qiáng)

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(shí)時(shí)間內(nèi)所排放出的污染物的質(zhì)量問題。其中需要注意的綠燈顯示時(shí)間同有效率時(shí)間是不完全對(duì)等的，因此在數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)中應(yīng)當(dāng)扣除車輛的發(fā)動(dòng)時(shí)間，車輛在有效綠燈時(shí)間內(nèi)以正常速度行駛，計(jì)算綠燈排放源強(qiáng)如式（1）。

其中q的計(jì)算如式（2）：

以NOx的排放作為研究對(duì)象，在浙江工業(yè)大學(xué)郭幸運(yùn)[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(jīng)過計(jì)算在一個(gè)信號(hào)周期的綠燈排放源強(qiáng)值為180261.81mg/h。

3.3 紅燈排放源強(qiáng)

紅燈排放源定義為子片段車道內(nèi)承載的車輛在黃燈或者紅燈情況下，單位小時(shí)內(nèi)汽車所釋放出的污染物的總質(zhì)量。紅燈信號(hào)周期則是指在交通燈控制的周期中，除去綠燈的所有時(shí)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(dòng)作。

假定機(jī)動(dòng)車所排出的污染物同減速、加速、勻速這三個(gè)環(huán)節(jié)排污情況的綜合，對(duì)子片段在單位小時(shí)內(nèi)的排污強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

同綠燈周期不同，在紅燈周期中不同道路中機(jī)動(dòng)車所產(chǎn)生的污染物同路段單元位置情況存在很大的關(guān)聯(lián)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(chǎn)生的排放量相對(duì)加速狀態(tài)下產(chǎn)生的污染物水平較低；而單元臨近隊(duì)伍的末尾的情況下，則排放出的污染物情況與之前的狀態(tài)相反。按照車流的方向?qū)⒔煌房谶M(jìn)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(diǎn)，而這些端點(diǎn)同起點(diǎn)之間的位置關(guān)系定義為起點(diǎn)距離D，詳見圖1所示。

圖1 紅燈信號(hào)期排放源強(qiáng)計(jì)算示意圖

圖2 加速累積排放量示意圖（起點(diǎn)在b區(qū)）

當(dāng)完成對(duì)距離D的長(zhǎng)度參數(shù)確定之后，排放總量同隊(duì)伍的長(zhǎng)度信息、加速度值、時(shí)間以及停靠位置存在一定的關(guān)系。當(dāng)端點(diǎn)在排隊(duì)長(zhǎng)度范圍內(nèi)（見圖 2），即起點(diǎn)落在 b 區(qū)，車輛經(jīng)歷怠速停車后加速行駛，加速累積擴(kuò)散排放量等于加速排放率、排隊(duì)車輛數(shù)與加速時(shí)間三者的乘積。

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

經(jīng)過計(jì)算在一個(gè)信號(hào)周期的NOx的紅燈排放源強(qiáng)值為270392.72mg/h。

4 結(jié)論

通過對(duì)城市道路交叉口交通量的調(diào)查，結(jié)合交叉口處車輛的行駛特征，分別對(duì)綠燈排放源強(qiáng)和紅燈排放源強(qiáng)進(jìn)行了探討，并以汽車尾氣NOx作為研究對(duì)象，對(duì)排放源強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算。由計(jì)算的結(jié)果看出，紅綠燈的控制時(shí)間對(duì)污染物的排放有著一定程度的影響，紅燈排放源強(qiáng)超過綠燈排放源強(qiáng)的一倍之多，所以通過控制好紅綠燈變化的時(shí)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。