王曉寧，吳志濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，150090哈爾濱)

近年來(lái)，隨著城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增加，機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染物在城市空氣污染物總量中分擔(dān)率越來(lái)越高，造成的空氣污染日益受到關(guān)注.城市區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量受機(jī)動(dòng)車(chē)出行量的影響，而出行量又受區(qū)域土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的影響，所以影響空氣污染的根源是土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度.區(qū)域土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度存在極值，過(guò)量地開(kāi)發(fā)會(huì)帶來(lái)空氣污染問(wèn)題.為控制土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，我國(guó)已廣泛開(kāi)展交通影響分析工作，但交通影響分析理論沒(méi)有考慮建設(shè)項(xiàng)目建成后吸引的交通對(duì)所在區(qū)域造成的空氣污染問(wèn)題.因此，從環(huán)境空氣角度研究土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度臨界值，對(duì)控制區(qū)域空氣污染具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值.

許多學(xué)者在道路設(shè)施受限條件下，利用交通環(huán)境容量控制交通需求方面開(kāi)展了一系列研究.如趙童等［1］提出了基于“用地反饋”的交通影響分析思路并建立了基于重力模型的逆四階段法用地反饋模型，該模型旨在探究區(qū)域路網(wǎng)剩余通行能力還能支持多大的土地開(kāi)發(fā)量，沒(méi)有考慮交通環(huán)境容量因素.劉志碩等［2］根據(jù)一個(gè)環(huán)境中污染物輸入輸出特征，建立了城市交通環(huán)境承載力的計(jì)量模型.楊忠振等［3］研究了路段的交通環(huán)境承載力，對(duì)每條路段的交通環(huán)境承載力進(jìn)行求和得到1個(gè)區(qū)域的交通環(huán)境承載力，并選取了CO作為計(jì)算指標(biāo).兩篇文獻(xiàn)均從宏觀角度研究了交通環(huán)境承載力(交通環(huán)境承載力最大可達(dá)到交通環(huán)境容量)，著眼于整個(gè)城市，目的是確定城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量大小，但沒(méi)有考慮對(duì)區(qū)域土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的控制.李鐵柱等［4－5］從微觀角度研究了交通環(huán)境容量并建立了求解路段和區(qū)域交通環(huán)境容量模型，模型從限制路段交通量大小和控制機(jī)動(dòng)車(chē)出行率角度為保護(hù)區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量提供理論依據(jù)，不涉及土地利用.葉彭姚等［6］研究了城市交通效益與路網(wǎng)密度的關(guān)系，得出了存在一個(gè)最佳路網(wǎng)密度使交通效益最大的結(jié)論，但未求出此最佳密度值.可見(jiàn)，現(xiàn)有研究主要集中在確定交通環(huán)境容量的方法并用其控制交通需求上，交通環(huán)境容量對(duì)土地利用影響的研究偏少.因此，在區(qū)域一定的道路設(shè)施和保持一定環(huán)境空氣質(zhì)量的條件下，研究區(qū)域土地容許的最大出行產(chǎn)生率確定方法，可以控制交通對(duì)區(qū)域空氣造成污染.本文在計(jì)算區(qū)域環(huán)境空氣容量和把計(jì)算的路網(wǎng)容量換算成車(chē)輛污染物排放量后，以路網(wǎng)流量為媒介，通過(guò)調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量大小，達(dá)到用區(qū)域環(huán)境空氣容量約束路網(wǎng)容量的目的;根據(jù)OD反推理論模型和路網(wǎng)流量，反推出區(qū)域的出行產(chǎn)生量;根據(jù)區(qū)域可利用的土地面積計(jì)算單位土地面積容許產(chǎn)生的最大出行產(chǎn)生量.

1 區(qū)域環(huán)境空氣容量計(jì)算

容量是指一定空間容納某種物質(zhì)的能力.環(huán)境空氣容量是交通環(huán)境容量的組成部分，而交通環(huán)境容量是從環(huán)境容量衍生來(lái)的概念.環(huán)境學(xué)科認(rèn)為交通環(huán)境容量是環(huán)境容量在交通排放源上的分擔(dān)量，是環(huán)境容量的一部分.在環(huán)境學(xué)科中，環(huán)境容量定義為在一定區(qū)域內(nèi)，考慮污染物的背景濃度，當(dāng)污染物排放量和清除量相等時(shí)，該區(qū)域所容納的污染物的量.從定義可知，環(huán)境容量是一段時(shí)間內(nèi)區(qū)域環(huán)境容納污染物總量的最大值，隨時(shí)間而變化.本文環(huán)境空氣容量含義是在其他排放源一定的情況下，為保障人體和區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全，區(qū)域環(huán)境在一段時(shí)間內(nèi)最大能容納道路交通排放的空氣污染物總量.

區(qū)域環(huán)境空氣容量的計(jì)算采用環(huán)境學(xué)科中的A值法［7］.A值法原理是將區(qū)域視為由1個(gè)或多個(gè)箱體組成，下墊面為底，混合層頂為箱蓋，通過(guò)對(duì)區(qū)域的通風(fēng)量、雨洗能力、混合層厚度、下墊面等條件綜合分析得出濃度限值后，計(jì)算出1 a內(nèi)由大氣的自?xún)裟芰λ芮宄舻拇髿馕廴疚锟偭?把A值控制區(qū)分n個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為Si，則區(qū)域環(huán)境空氣容量為

式中:Q為區(qū)域環(huán)境容量，10

4

t/a;Q

i

為i小區(qū)環(huán)境容量，10

4

t/a;A為該地區(qū)的容量系數(shù)，10

4

km

2

/a;c

i

為i小區(qū)污染物年日均濃度限值，mg/m

3

;c

bi

為i小區(qū)污染物背景濃度，mg/m

3

;S

i

為i小區(qū)面積，km

2

;S為小區(qū)面積總和，km

2

;n為小區(qū)數(shù);Q

t

為環(huán)境空氣容量，10

4

t/a;η為交通排放的污染物占區(qū)域污染物總量的比例.

2 路網(wǎng)容量和污染物排放量計(jì)算

2.1 路網(wǎng)容量計(jì)算

土地開(kāi)發(fā)需要足夠的道路設(shè)施支持，大容量的道路網(wǎng)對(duì)應(yīng)區(qū)域高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，適應(yīng)區(qū)域大的交通需求.區(qū)域路網(wǎng)容量與土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度密切相關(guān)，甚至前者對(duì)后者起著決定性的作用.路網(wǎng)容量含義:在氣候條件良好的條件下，為保證路網(wǎng)服務(wù)水平不低于最低可接受水平，單位時(shí)間內(nèi)路網(wǎng)最多能夠容納的車(chē)輛數(shù).根據(jù)含義，路網(wǎng)容量由路段容量和交叉口容量?jī)刹糠纸M成.圖論中為研究方便，常將節(jié)點(diǎn)容量轉(zhuǎn)換為弧容量而使節(jié)點(diǎn)容量為零，故借鑒此方法將交叉口容量等效轉(zhuǎn)換為路段容量而使交叉口容量為零，假設(shè)交叉口容量分配到與之相連路段上的量與該路段容量間存在簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，且比例都相等.

當(dāng)路網(wǎng)容量最大時(shí)，理論上區(qū)域土地開(kāi)發(fā)量也達(dá)到最大值.路網(wǎng)容量受路網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響，其大小客觀表現(xiàn)為路網(wǎng)流量大小.先從區(qū)域路網(wǎng)容量的角度探究土地最大出行產(chǎn)生率，后用交通環(huán)境容量約束條件進(jìn)行修正.研究的關(guān)鍵是路網(wǎng)容量最大時(shí)路網(wǎng)上車(chē)輛污染物排放量的確定.路網(wǎng)流量在此的含義為路網(wǎng)中每條路段的交通量.基于此，可建立路網(wǎng)流量與路網(wǎng)容量之間的關(guān)系模型.根據(jù)所采用的流量不同，路網(wǎng)容量分為基本容量和實(shí)際容量，前者采用路段的基本通行能力計(jì)算，后者采用路段實(shí)際調(diào)查所得的流量計(jì)算.

路網(wǎng)實(shí)際最大容量的確定是根據(jù)路網(wǎng)基本容量和實(shí)際容量計(jì)算路網(wǎng)服務(wù)水平(飽和度)，以最低可接受服務(wù)水平為目標(biāo)調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量使實(shí)際容量最大.若計(jì)算的服務(wù)水平高于最低可接受水平，則增大路網(wǎng)流量(實(shí)際上是每條路段流量)使路網(wǎng)服務(wù)水平等于最低可接受水平;反之，則減小路網(wǎng)流量(實(shí)際上是每條路段流量)使路網(wǎng)服務(wù)水平等于最低可接受水平.

物種累積曲線被廣泛應(yīng)用于判斷試驗(yàn)設(shè)計(jì)取樣量是否充分以及估計(jì)物種豐富度（李巧，2011）。為了驗(yàn)證本次野外試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)是否具代表性，利用EstimateS 9.1.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并制圖。如果曲線一直上升，表明樣本量不足，需增加試驗(yàn)；如果曲線最終變?yōu)闈u近線，上升平緩，則表明抽樣充分，可對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析（李巧，2011；Longino，2000）。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］可求得區(qū)域路網(wǎng)基本容量和實(shí)際容量，但求得的路網(wǎng)容量與本文路網(wǎng)容量含義有出入.因此，為便于研究，引入如下模型.模型分為兩部分，前一部分為單位時(shí)間內(nèi)路段的通行能力，后半部分為路段上的車(chē)輛數(shù).根據(jù)格林希爾治線性模型有

式中:Cj為路網(wǎng)基本容量，pcu/h;Cji為路段i基本通行能力，pcu/h;ki為路段i交通流密度，pcu/m;Li為路段i長(zhǎng)度，m;vf為路段i自由流速度，m/s;Cs為路網(wǎng)實(shí)際容量，pcu/h;vi為路段i平均車(chē)速，m/s;qi為路段i流量，pcu/h;α為交叉口容量分配到與之相連各路段的比例.

式(3)、(4)用于計(jì)算路網(wǎng)服務(wù)水平，當(dāng)區(qū)域道路因用地緊張等因素而無(wú)法拓寬以增大基本路網(wǎng)容量時(shí)，就不能只考慮交通環(huán)境容量，而應(yīng)同時(shí)考慮路網(wǎng)實(shí)際容量和交通環(huán)境容量并取兩者中的較小值以確定路段流量qi.

2.2 污染物排放量計(jì)算

為在一定區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量條件下控制土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，需增加區(qū)域環(huán)境空氣容量約束條件.為便于研究需統(tǒng)一計(jì)量單位，把路網(wǎng)容量等效換算為路網(wǎng)上車(chē)輛污染物排放量.在調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量使路網(wǎng)實(shí)際容量最大后，計(jì)算此時(shí)路網(wǎng)上車(chē)輛在一定時(shí)間段內(nèi)污染物排放總量.車(chē)輛污染物排放量包括在路段運(yùn)行過(guò)程中的排放量和經(jīng)過(guò)交叉口的排放量?jī)刹糠?因影響因素復(fù)雜，車(chē)輛經(jīng)過(guò)交叉口的排放量目前還沒(méi)有成熟的確定方法.考慮到車(chē)輛經(jīng)過(guò)交叉口的排放量與相連路段流量有關(guān)，故假設(shè)這兩者為正比關(guān)系且比例都相等.

利用單車(chē)污染物排放因子法進(jìn)行計(jì)算，即

式中:M為1 d內(nèi)單位長(zhǎng)度的道路上各種類(lèi)型機(jī)動(dòng)車(chē)污染物總的排放強(qiáng)度，g/km;λk為k型機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子車(chē)速修正系數(shù);Ek為k型機(jī)動(dòng)車(chē)污染物的單車(chē)排放因子，g·km-1·veh-1;qk為k型機(jī)動(dòng)車(chē)交通量，veh/h，k=1、2、3分別表示小型車(chē)、中型車(chē)和大型車(chē).

式中:Qr為1a內(nèi)路網(wǎng)上運(yùn)行的所有車(chē)輛排放的污染物總量，t/a;Lj為j路段長(zhǎng)度，km;β為車(chē)輛經(jīng)過(guò)交叉口的排放量與經(jīng)過(guò)相連路段的排放量的比值;n為路段總數(shù).

由路網(wǎng)條件和路網(wǎng)服務(wù)水平可以推算區(qū)域的出行產(chǎn)生率值，但該值可能對(duì)區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量不利或者沒(méi)有充分利用區(qū)域大氣環(huán)境資源.因此，用式(6)計(jì)算得一定服務(wù)水平條件下路網(wǎng)中車(chē)輛污染物排放總量后，用區(qū)域環(huán)境空氣容量對(duì)其進(jìn)行修正，以求得環(huán)境空氣容量約束下的最大容許出行產(chǎn)生率.

3 區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率計(jì)算

在計(jì)算當(dāng)路網(wǎng)容量最大時(shí)路網(wǎng)中車(chē)輛1a內(nèi)污染物排放總量后，增加區(qū)域環(huán)境空氣容量這一約束條件.若Qr/Qt＜1，則表示區(qū)域土地開(kāi)發(fā)量不足，需增大路網(wǎng)基本容量，進(jìn)而可以使路網(wǎng)實(shí)際容量增大，最終表現(xiàn)為增大路網(wǎng)流量，調(diào)節(jié)措施:給予每條路段流量一個(gè)增長(zhǎng)系數(shù)(快、主、次、支不同)，使比較雙方恰好相等;若Qr/Qt＞1，則表示區(qū)域土地開(kāi)發(fā)過(guò)量，調(diào)節(jié)措施:給予每條路段流量一個(gè)降低系數(shù)(快、主、次、支不同)，使比較雙方恰好相等;若Qr/Qt=1，表示區(qū)域土地開(kāi)發(fā)適當(dāng).

路網(wǎng)流量不都對(duì)區(qū)域土地開(kāi)發(fā)有貢獻(xiàn)，過(guò)境交通的存在不僅占用區(qū)域道路資源，而且限制區(qū)域土地開(kāi)發(fā)量.與區(qū)域相關(guān)的交通量中，只有起點(diǎn)或終點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)部的出行，才被認(rèn)為對(duì)區(qū)域土地開(kāi)發(fā)有貢獻(xiàn).因此，路網(wǎng)流量中需先剔除過(guò)境交通量，再根據(jù)OD反推理論用剩余交通量信息反推各交通小區(qū)的出行產(chǎn)生量.區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率計(jì)算流程見(jiàn)圖1.

為得到最大出行產(chǎn)生率，需獲取區(qū)域總出行量數(shù)據(jù).通過(guò)環(huán)境空氣容量約束求得路網(wǎng)中每條路段流量后，根據(jù)路網(wǎng)幾何和流量信息，利用OD反推理論，就能反推得各交通小區(qū)間的出行分布量.從研究?jī)?nèi)容看，無(wú)需求得小區(qū)間的出行分布量，而只需求得各小區(qū)的出行產(chǎn)生量或吸引量.由于在OD矩陣中小區(qū)出行產(chǎn)生量與出行吸引量相平衡，所以思路是先通過(guò)非結(jié)構(gòu)化OD反推方法反推得小區(qū)間的出行分布量，再求得各小區(qū)的出行產(chǎn)生量(OD矩陣中每行的和).若依據(jù)此思路，則需解決無(wú)先驗(yàn)OD矩陣的問(wèn)題和反推模型的選擇問(wèn)題.借鑒文獻(xiàn)［9］中的先驗(yàn)OD矩陣構(gòu)造方法，即先任意給定OD矩陣并用全有全無(wú)方法進(jìn)行分配，得到出行分配率后，根據(jù)OD反推模型反推出先驗(yàn)OD矩陣，再按有先驗(yàn)OD矩陣的情況進(jìn)行反推.

圖1 區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率計(jì)算流程圖

在求得各小區(qū)出行產(chǎn)生量后，把各小區(qū)的出行產(chǎn)生量進(jìn)行求和得到區(qū)域總出行產(chǎn)生量.然后除以區(qū)域可利用的土地面積，得區(qū)域土地最大出行產(chǎn)生率，即區(qū)域土地利用最大容許開(kāi)發(fā)強(qiáng)度.

式中:［λ］為區(qū)域土地利用最大出行產(chǎn)生率，pcu/m2;O為區(qū)域最大出行產(chǎn)生量，pcu;ω為區(qū)域可利用土地面積占區(qū)域總面積的比例;S為區(qū)域面積，m2.

4 算例分析

選取深圳市某區(qū)域路網(wǎng)進(jìn)行算例分析，具體見(jiàn)圖2和圖3.圖2中數(shù)據(jù)是路段長(zhǎng)度，圖3中數(shù)據(jù)是路段雙向流量.該區(qū)域內(nèi)共有94條路段，區(qū)域面積為1.57 km2，劃分為6個(gè)交通小區(qū)，各小區(qū)面積見(jiàn)表1.

圖2 區(qū)域分區(qū)及路段長(zhǎng)度(km)

圖3 區(qū)域路網(wǎng)流量(veh·h-1)

環(huán)境空氣容量計(jì)算.依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，大氣容量測(cè)算指標(biāo)為SO2、NO2和PM103項(xiàng).機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染物主要有CO、NOx、HC和PM(顆粒物).考慮簡(jiǎn)化計(jì)算量和所選污染物的代表性，選取NOx作為環(huán)境空氣容量的測(cè)算指標(biāo).假設(shè)污染控制目標(biāo)為國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(空氣中NOx質(zhì)量濃度為0.08mg/m3)并忽略背景濃度值，A值取3.64×104km2/a，η取0.7.根據(jù)式(1)、(2)，可求得該區(qū)域環(huán)境容量和環(huán)境空氣容量分別為3.66×103、2.56×103t/a.

表1 各交通小區(qū)環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

路網(wǎng)容量到車(chē)輛污染物排放量的換算.假設(shè)路網(wǎng)中每條路段的小、中、大3種車(chē)型數(shù)量的比例為0.8∶0.15∶0.05;單車(chē)排放因子參考文獻(xiàn)［10］的研究成果，具體見(jiàn)表2;α=0.2，β=0.2.車(chē)輛折算系數(shù)采用高速公路基本路段的折算值，即小型車(chē)為1.0，中型車(chē)為1.5，大型車(chē)為2.0.

表2 各種車(chē)型在不同速度下的單車(chē)排放因子

根據(jù)式(4)～(6)，可計(jì)算得該區(qū)域1 a內(nèi)路網(wǎng)上運(yùn)行的所有車(chē)輛排放的污染物總量為2.23×103t.

最大出行產(chǎn)生率的計(jì)算.當(dāng)Qr/Qt＜1，由計(jì)算結(jié)果可知，該區(qū)域土地開(kāi)發(fā)量不足，應(yīng)采取增大路網(wǎng)流量措施.調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量，使Qr/Qt的比值為1，再剔除過(guò)境交通后(假設(shè)過(guò)境交通的比例為50%)，采用TransCAD軟件進(jìn)行OD反推.為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)各種等級(jí)的道路交通量調(diào)節(jié)系數(shù)相等，調(diào)節(jié)系數(shù)Qr/Qt=1.15.反推后小區(qū)1～6的出行產(chǎn)生量分別為3873、407、1957、8263、13044、7778pcu，出行總量為25322pcu.

若假設(shè)該區(qū)域可利用土地面積占區(qū)域總面積的比例ω=0.9，根據(jù)式(7)，求得區(qū)域土地利用最大出行產(chǎn)生率［λ］=0.025pcu/m2.

由上述分析可知，該算例只考慮了境內(nèi)出行中的區(qū)間出行，沒(méi)有考慮區(qū)內(nèi)出行和起點(diǎn)或訖點(diǎn)在境外的出行.由于區(qū)域面積較小且各小區(qū)用地性質(zhì)較為單一，使區(qū)內(nèi)出行對(duì)最大出行產(chǎn)生率的影較小，可以接受.對(duì)于起點(diǎn)或訖點(diǎn)在境外的出行，算例假設(shè)該出行量較小，忽略不計(jì).

5 結(jié)論

1)以區(qū)域交通環(huán)境容量為約束條件，選取了NOx作為測(cè)算評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合考慮了路網(wǎng)容量和服務(wù)水平，提出了區(qū)域土地最大容許出行產(chǎn)生率的確定方法，從控制機(jī)動(dòng)車(chē)排放的角度為衡量區(qū)域土地是否開(kāi)發(fā)過(guò)量提供了一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

2)通過(guò)環(huán)境空氣容量和路網(wǎng)容量的比較，可以根據(jù)Qr/Qt的計(jì)算結(jié)果，依據(jù)格林希爾治線性模型評(píng)價(jià)現(xiàn)狀和改善后的路網(wǎng)的服務(wù)水平，為分析路網(wǎng)設(shè)施改善效果提供理論依據(jù).

3)依據(jù)最大出行產(chǎn)生率值，對(duì)容積率一定的建設(shè)項(xiàng)目可依據(jù)此方法確定合理規(guī)模;對(duì)于組合型建設(shè)項(xiàng)目，可進(jìn)一步采用線性?xún)?yōu)化的方法得到最佳組合方式，使區(qū)域土地開(kāi)發(fā)的效益最大，為建設(shè)項(xiàng)目的合理選址和規(guī)模確定提供依據(jù).

4)分析了環(huán)境空氣容量對(duì)土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的制約，而土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度還受停車(chē)設(shè)施、交通組織方式、軌道交通和區(qū)域其他資源等因素制約，這些有待于進(jìn)一步研究.

［1］趙童，徐慰慈.交通影響分析中逆四階段用地反饋模型探討［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(11):1267-1271.

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