吳 中，歐陽(yáng)鈺榮

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

基于峽谷模型淮安市城市道路PM2.5排放研究

吳 中，歐陽(yáng)鈺榮

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

選取中小城市道路-淮安市淮海北路段作為典型路段，設(shè)計(jì)并實(shí)施了街道峽谷實(shí)驗(yàn)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速風(fēng)向、交通量、車型、車速、PM2．5濃度及氣象條件，運(yùn)用峽谷模型求解了不同動(dòng)力源機(jī)動(dòng)車對(duì)PM2．5的貢獻(xiàn)。得出了在晴天和小雨兩種天氣情況下雨天各類車排放因子較晴天均有不同程度的下降，動(dòng)力源為柴油、汽油和天然氣的車排放因子依次下降。結(jié)論符合定性分析的結(jié)果，說明用峽谷模型研究中小城市道路PM2．5排放因子是適用的。結(jié)論表明柴油對(duì)PM2．5的貢獻(xiàn)最大，城市交通應(yīng)盡量采用天然氣為動(dòng)力源。

峽谷模型；城市道路；PM2．5排放因子

近幾年隨著中小城市的快速發(fā)展，大氣污染狀況也和大城市一樣逐漸惡化，霧霾天氣明顯增多。以淮安市為例，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，淮安市交通工具PM2．5排放占總份額的20%左右（2015年7-8月），在光照條件下純粹由車輛排放形成的二次排放量并不穩(wěn)定，約在交通工具排氣口一次排放總量的6%～25%。已成為解決城市大氣污染的難點(diǎn)問題，已經(jīng)影響到城市的生態(tài)環(huán)境以及人民群眾日常的工作與生活。PM2．5雖然在大氣成分中所占組分較少，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。因此汽車尾氣排放的研究，尤其是PM2．5排放的研究已經(jīng)刻不容緩。

科學(xué)準(zhǔn)確地建立機(jī)動(dòng)車污染源排放清單是進(jìn)行機(jī)動(dòng)車排放控制的重要依據(jù)，而獲取準(zhǔn)確的機(jī)動(dòng)車排放因子是其關(guān)鍵。[1]國(guó)內(nèi)外排放因子的研究已經(jīng)開始從單純的實(shí)驗(yàn)室臺(tái)駕實(shí)測(cè)方法向包括現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的綜合方法演變，微小顆粒物的排放也開始被考慮。本文以淮安市為例，通過街道峽谷實(shí)驗(yàn)，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出淮安市機(jī)動(dòng)車不同車型在不同速度及不同天氣情況下的PM2．5綜合排放因子，為交通運(yùn)輸企業(yè)的減排規(guī)劃提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 街道峽谷模型原理

城市道路上的排放實(shí)驗(yàn)處于半開放環(huán)境中，需要考慮道路兩側(cè)建筑物屋頂上自然風(fēng)力的影響[2]。對(duì)于二維斷面的街道峽谷，圖1表達(dá)了街道兩側(cè)建筑物對(duì)街道橫斷面的氣流氣態(tài)的影響。

圖1 凹型城市“峽谷”街道斷面氣流流態(tài)示意圖Fig.1 Air flow state of street canyon sections

街區(qū)內(nèi)的PM2．5的對(duì)流擴(kuò)散過程是相對(duì)復(fù)雜的，受影響的因素很多，主要包括：垂直于街道中心線的風(fēng)速、風(fēng)向、街區(qū)地理因素和污染源強(qiáng)度等[3]。在擴(kuò)散與氣流運(yùn)動(dòng)的影響下，道路內(nèi)部的排放物濃度分布呈現(xiàn)如下特征：

1）氣流在道路峽谷邊側(cè)內(nèi)部形成回流漩渦，A區(qū)受遮擋流速較小、B區(qū)迎氣流流速較大；

2）在氣流作用下，迎風(fēng)區(qū)域（B區(qū)）的排放物隨風(fēng)力作用被吹散，濃度較低；

3）排放物在背風(fēng)區(qū)域（A區(qū)）聚集，濃度較高。

街道峽谷模型實(shí)驗(yàn)就是同步觀測(cè)“峽谷”內(nèi)的交通量，A、B區(qū)的排放濃度、建筑物頂面垂直于街道中心線的風(fēng)速風(fēng)向，以及背景PM2.5濃度；進(jìn)而計(jì)算車輛的PM2.5排放因子[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案用于采集開放環(huán)境下的汽車尾氣排放數(shù)據(jù)：

1）在路面兩側(cè)位置布設(shè)交通流激光調(diào)查儀，用于檢測(cè)雙向交通流量、速度等參數(shù)；

2）在道路中央分隔帶護(hù)欄頂部位置布設(shè)PM2.5濃度儀，用于檢測(cè)道路內(nèi)部的PM2.5濃度；

3）在道路兩側(cè)相鄰建筑物距離地面12.0m和18.3m位置分別布設(shè)3臺(tái)PM2.5濃度儀觀測(cè)微顆粒濃度，在道路一側(cè)較高的交通賓館樓頂布設(shè)1臺(tái)PM2.5濃度儀，用于檢測(cè)PM2.5的背景濃度；

4）在道路兩側(cè)建筑物距離地面約18.3m的平面上設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向儀，儀器用三腳架支撐，高于樓面1.5m，用于檢測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向。另有一臺(tái)手持式人工讀數(shù)的風(fēng)速風(fēng)向儀用于校核。

具體儀器布置位置見圖2。

圖2 淮安城市道路實(shí)驗(yàn)儀器布設(shè)方案Fig.2 Experiment instrument location on Huai’an city road

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其用途Tab.1 Experimental equipment and its use

2 試驗(yàn)及觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

街道峽谷實(shí)驗(yàn)于2015年8月1日—8月3日在淮安市淮海北路（主干道）進(jìn)行，共計(jì)3天（全天24h采樣），覆蓋了交通高峰時(shí)段和平峰時(shí)段，經(jīng)歷過大晴天與陰雨天。實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行了交通流量、流速與車型、風(fēng)向與風(fēng)速以及多點(diǎn)PM2．5含量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。由于采用差分方法處理數(shù)據(jù)，差分時(shí)段選取的短，可以排除開放邊界造成的外來空氣帶來的污染因素。

圖3 淮安城市道路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Experiment sitemap of Huai’an city road

現(xiàn)場(chǎng)采樣具體的實(shí)驗(yàn)過程為：

1）抽取一定體積的空氣，使之通過已恒重的濾膜，則懸浮微粒被阻留在濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜重量之差及采氣體積，即可計(jì)算總懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度；

2）記錄現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)參數(shù)，包括溫度、大氣壓等；

3）將已恒重的濾膜用小鑷子取出，“毛”面向上，平放在采樣夾的網(wǎng)托上，擰緊采樣夾，按照規(guī)定的流量采樣；

4）采樣后，用鑷子小心取下濾膜，使采樣“毛”面朝內(nèi)，以采樣有效面積的長(zhǎng)邊為中線對(duì)疊好，放回表面光滑的紙袋并貯于盒內(nèi)；

5）采集樣本交由分析部門處理[5]。

2.1 街道樓頂氣流觀測(cè)

設(shè)定記錄5分鐘平均氣流流速，得到每天04:15-15:50連續(xù)140組的風(fēng)速風(fēng)向時(shí)間平均值，見圖4。

由記錄數(shù)據(jù)可得：14：40時(shí)風(fēng)速最高，為7．9m/s，觀測(cè)時(shí)段04：15-15．50內(nèi)5分鐘平均是測(cè)風(fēng)速的平均值為2．74m/s。

2.2 街道交通流量與車速觀測(cè)

街道交通流量與車速由二臺(tái)路側(cè)激光檢測(cè)儀分別布設(shè)在街道東西兩側(cè)車行道路邊，設(shè)置2～3人在市公路管理處樓頂上人工記錄公交車、大客車、小汽車以及出租車的出現(xiàn)時(shí)間與數(shù)量。

通過對(duì)記錄的數(shù)據(jù)分析，淮安市實(shí)測(cè)時(shí)間段內(nèi)該路段交通量的高峰期在早上8:00-9:00。在所有記錄車輛中，小汽車所占比例最高，其次是出租車、公交車和大客車（見表2）。

圖4 8月1-3日市公路處樓頂5分鐘平均實(shí)測(cè)風(fēng)速值Fig.4 The averagemeasured w ind speed on the roof w ithin 5m inutes（Aug.1st-3rd）

圖5 換算當(dāng)量小汽車后交通量時(shí)間分布Fig.5 Time distribution after passenger car unit conversion

表2 不同車型交通量占比Tab.2 Traffic proportion of differentmodels

觀測(cè)的淮海北路西側(cè)道路的交通流平均速度是37．5 km/h，淮海北路西側(cè)道路的交通流平均速度是33．2 km/h。

2.3 街道PM2.5濃度觀測(cè)

“峽谷”街道底部中央和兩側(cè)以及高處的PM2．5傳感器同步實(shí)測(cè)5分鐘平均的歷時(shí)變化量見圖6。

圖6 城市街道實(shí)測(cè)PM2.5濃度值Fig.6 PM2.5 concentration in the city street

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 SRI峽谷模型

Johnson（1973）等[6]人以街道峽谷內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出了預(yù)測(cè)污染物濃度的經(jīng)驗(yàn)公式SRI模型，它適用于可長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空中并可隨空氣同步運(yùn)動(dòng)的氣固態(tài)污染物。其基本原理是把街道峽谷某一高度內(nèi)的峽谷內(nèi)空間視為一個(gè)箱體，并假設(shè)污染物在垂直方向均勻變化（等梯度變化）。驗(yàn)證表明，在凹型斷面內(nèi)邊壁污染物濃度計(jì)算數(shù)值上能較好地描述圖1所示的空氣動(dòng)力學(xué)原理。

SRI峽谷模型：

式中：CLee和CLuv分別為街道峽谷內(nèi)屋頂風(fēng)的上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)的污染物濃度；Cb為峽谷上面的背景濃度；u為屋頂風(fēng)速；u0為最小稀釋參數(shù)，設(shè)定為0．5（m·s-1）；q為交通車道的排放強(qiáng)度（g/m/s）；x和z分別為受體水平和垂直方向距車道中央的距離;L0為污染物初始混合長(zhǎng)度；H和B分別為建筑物高度和街道寬度;K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Johnson等人取值為7。藤谷等人監(jiān)測(cè)東京都峽谷內(nèi)CO濃度后得到SRI模式中參數(shù)K在1．6～39之間，大氣穩(wěn)定度為弱不穩(wěn)定時(shí)K值小。東京都基于測(cè)定的NOx數(shù)據(jù)得到K值為：不穩(wěn)定、中性時(shí)為1/0．228，穩(wěn)定時(shí)為1/0.153。因此，可以看出峽谷模型應(yīng)用中K值較難標(biāo)定[7]。

由于模型中包含經(jīng)驗(yàn)常數(shù)K，K值的大小與現(xiàn)場(chǎng)氣壓大小、街道寬度和建筑物高度都有關(guān)，峽谷模型無(wú)法直接求解。

3.2 值的評(píng)估

為了評(píng)估K值，采用較封閉的隧道試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果[8]（滿足質(zhì)量守恒定律）。由于該試驗(yàn)是在南京市進(jìn)行的，淮安市和南京市的柴油、汽油可能成分不完全相同，但天然氣是采用同一輸送管道的，成分相同，能進(jìn)行比較，因此選用天然氣車型進(jìn)行比較。思路是利用南京市隧道的觀測(cè)結(jié)果，由質(zhì)量守恒方程計(jì)算PM2.5排放因子；再由淮安市城市道路監(jiān)測(cè)的天然氣車的K值（不精確，是個(gè)范圍）由質(zhì)量守恒方程反推PM2.5排放因子，與隧道PM2.5排放因子計(jì)算值最接近的K值為城市道路的K值。

3.2.1 計(jì)算隧道中的

依據(jù)PM2.5質(zhì)量守恒方程：

式中：c（x，t）為沿程隨時(shí)間變化PM2.5濃度；v（t）為出口處斷面風(fēng)速儀瞬時(shí)值；c出（t），c入（t）分別為隧道主干計(jì)算段出入口處斷面風(fēng)速儀瞬時(shí)值；αi為排放因子，g/km；Ni為T時(shí)段內(nèi)駛過隧道的車輛總數(shù)，其下標(biāo)i代表車輛種類；S為隧道空間橫截面積；Δx為隧道主干段計(jì)算區(qū)間的長(zhǎng)度，即首尾1號(hào)至4號(hào)PM2.5濃度傳感器間的隧道長(zhǎng)度。當(dāng)隧道橫截面積不變時(shí)，兩邊的S可消去。

結(jié)合不同PM2.5觀測(cè)值和當(dāng)時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向與空間相對(duì)位置，根據(jù)整理的m組離散實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，劃分成5種車型，分別列出離散形式的方程組，求解排放因子。

3.2.2 測(cè)量城市道路的K值

由于線源排放濃度與交通流量呈現(xiàn)正比關(guān)系，待定的系數(shù)K無(wú)法依據(jù)面向街道的兩側(cè)建筑物立面上布設(shè)的三臺(tái)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定得出。街道峽谷底部PM2.5傳感器緊靠車輛排氣管，其觀測(cè)數(shù)據(jù)最接近理想的線源強(qiáng)度。如果以谷底數(shù)據(jù)作為線源排放強(qiáng)度，按照它觀測(cè)數(shù)據(jù)推算標(biāo)定出的K值參見圖7。圖7中K值有一定范圍的變化，變化區(qū)間在1-19之間。

圖7 城市道路中由PM2.5數(shù)據(jù)標(biāo)定的K值Fig.7 K value of PM2.5 data calibration on the urban road

3.2.3 標(biāo)定城市道路的K值

因?yàn)橛捎^測(cè)值標(biāo)定的K值范圍太大，因此對(duì)每一個(gè)整數(shù)K值，通過SRI峽谷模型反向推算城市道路的天然氣車PM2.5排放因子，與3.2.1中的隧道天然氣車PM2.5排放因子值最接近的K值為城市道路的K值。結(jié)果標(biāo)定出K值在10.1左右，基本落在圖7的取值區(qū)間的平均值上。

3.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)車排放因子

將方程（1）和（2）變換，各時(shí)段排放強(qiáng)度q可以寫為

可以看出，q可以寫成下列與自變量相關(guān)的函數(shù)形式：

在T=5分鐘平均時(shí)間內(nèi)，排放強(qiáng)度q與交通量的關(guān)系（定義）可以表達(dá)為

在（6）式中，v為車輛空間平均車速；L0為污染物初始混合長(zhǎng)度，為排放因子，g/km；Ni為T時(shí)段內(nèi)駛過觀測(cè)點(diǎn)的車輛總數(shù)，其下標(biāo)代表車輛種類。

上風(fēng)側(cè)為

根據(jù)淮安市中心區(qū)域8月1-3日06∶00至16∶00現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在天氣良好情況下，得到平均25～40 km/h車速下的城市汽車排放因子如表3。

表3 淮安城市汽車PM2.5的平均排放因子計(jì)算值Tab.3 Calculating value of PM2.5 average em ission factors

4 結(jié)論

1）各類車排放因子小雨時(shí)比晴天時(shí)都有不同程度的下降。說明空氣中的高濕度會(huì)降低PM2．5擴(kuò)散的作用。

2）淮安市以柴油、汽油、天然氣為動(dòng)力源的機(jī)動(dòng)車PM2．5平均排放因子依次減少，晴天時(shí)最大（柴油大客車）為0．167 48 g/km，最?。ㄌ烊粴獬鲎廛嚕?．123 3 g/km。雨天時(shí)最大（柴油大客車）為0．161 30 g/km，最小（天然氣出租車）為0．011 76 g/km。重型車大于輕型車，排放標(biāo)準(zhǔn)越高的汽車PM排放量最低。提倡盡可能采用天然氣為動(dòng)力源。

[1]蘇小芳，范炳全，黃遠(yuǎn)東，等．城市次干道路段機(jī)動(dòng)車污染物排放因子的測(cè)定[J]．上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：318-322．

[2]謝紹東，張遠(yuǎn)航，唐孝炎．我國(guó)城市地區(qū)機(jī)動(dòng)車污染現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2000，13（4）：22-25，38．

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On PM2.5 Em issions of Huai’an City Road Based on Canyon Model

Wu Zhong，Ouyang Yurong
（College of Civil and Transportation Engineering,HehaiUniversity,Nanjing 210098,China）

Taking Huaihai North Road in Huai’an city,a small-medium city,as the typical road section,this study designed and implemented the street canyon experiment.According to themeasured PM2.5 concentration, wind speed and direction,traffic volume,vehicles,speed andmeteorological conditions,the canyonmodel was used to calculate the contribution ofmotor vehicleswith different power sources to PM2.5.It is obtained that the emission factors of various types of vehicles in rainy days are less than those in sunny days,and the emission factors of diesel,gasoline and natural gas decline in succession.The results of qualitative analysis show that it is feasible to use the canyonmodel to study the PM2.5 emission factors on small andmedium-sized city roads and that diesel oil becomes the greatest contributor to PM2.5,and it is suggested to adopt natural gas as the power source in urban traffic.

the canyonmodel；urban road；PM2.5 emissions

1005-0523（2017）05-0035-07

U491．1

A

2017－01－08

吳中（1964—），教授，博士，研究方向?yàn)榻煌骼碚?、交通?guī)劃與管理。

（責(zé)任編輯 王建華）