（环境工程专业论文）基于交通环境承载力的城市机动车发展规模研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：伴随着城市化进程的加快以及机动车保有量规模的发展，机动车污染 已成为威胁城市环境和交通系统正常运行的主要污染源，机动车发展规模总量控 制成为城市环境评价标准和交通管制措施制定的重要参考因素。目前，能源紧张、 城市环境恶化以及交通环境污染程度加深等一系列城市交通、环境问题成为我国 实施可持续发展战略的当务之急。及时提出交通环境承载力允许范围内的机动车 发展规模和合理的交通环境保护措施，是我国建立和谐社会要面对的焦点和重要 课题。 本论文的主要研究工作和成果有： l 、应用交通环境承载力理论，研究了交通环境承载力内涵及特征，确定其 影响因素及机动车大气污染物计量因子。 2 、将基于街谷扩散模式的o s p m 机动车尾气扩散模型应用于机动车污染物 交通环境容量的计量模型中，并结合我国的交通环境现状对其进行了改进。 3 、建立交通环境承载力定量化模式，并将机动车保有量增长l o g i s t i c 模式 化，推导出基于可再生资源s c h e a f e a r 模型的机动车发展规模最优增长模式 4 、结合武汉新区交通发展特征及其大气环境污染水平，分析确定了武汉新 区交通环境承载力阀值及其最优机动车保有量发展规模，提出相应的交通环境保 护措施。 关键词：交通环境承载力；机动车保有量；o s p m 污染物扩散模型；武汉新区 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n c r e a s i n ga c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ev o l u m eo fm o t o rv e h i c l e s ，m o t o rv e h i c l ep o l l u t i o nh a sb e c o m et h em a i ns o u r c e o fp o l l u t i o na n dt h r e a tt ot h eh e a l t h yo p e r a t i o no fu r b a ne n v i r o n m e n ta n dt r a n s p o r t s y s t e m t h e t o t a lc o n t r o lo f m o t o rd e v e l o p m e n ts c a l eh a sb e c a m ea ni m p o r t a n tf a c t o r i nt h ea r e ao fu r b a ne n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n ta n dt h et r a m cc o n t r 0 1m e a s u r e s i nt h e m e a n t i m e ，u r b a nt r a f f i ca n de n v i r o n m e n tp r o b l e m sh a v eb e c o m ea nu r g e n ti s s u ef o r c h i n a ss t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts u c ha se n e r g yc r i s i s ，t h ed e t e r i o r a t i o no f t h eu r b a ne n v i r o n m e n ta n dt h ew o r s el e v e lo f t r a f f i ce n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i ti sa n s e r i o u si s s u ea n df o u c sw eh a v et of a c et h a ts t u d yt h ea m o u n t so fm o t o rv e h i c l e d e v e l o p m e n tw i t h i nt h ea l l o ws c o p eo f t r a f f i ce n v i r o n m e n tc a r r y i n gc a p a c i t y , a sw e l l a sr e a s o n a b l em e a s u r e st op r o t e c tt h et r a f f i ce n v i r o n m e n ti nt i m ew h e nw ee s t a b l i s ha h a r m o n i o u ss o c i e t y 硼= l i sp a p e r p r e s e n t sm a i nc o n c l u s i o n sa n da c h i e v e m e n t sa sf o l l o w s ： 1 b ya p p l y i n gt h ec o n c e p t ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dp o l l u t a n tm e a s u r e m e n tf a c t o ro f t e c cb a s e do ni t sc o n n o t a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s 2 w i t ht h ec i t e so fo s p mm o d e lt ot h et e ce c o n o m e t r i cm o d e la n di t sr e v i s i n g c o m b i n e dw i t ht h ed o m e s t i ca t m o s p h e r ea n dt r a f f i cs t a t e 3 e s t a b l i s h m e n to f t e c cp a p e re s t a b l i s h e se c o n o m e t r i cm o d e l ，m o d e l i n gt h e g r o w t hi ns t a t ea n dt h eo p t i m a la m o u n t so fv e h i c l ed e v e l o m p m e n ts c o p eb a s e do n s c h e a f e a rm o d e l 4 c o m b i n ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s p o r td e v e l o p m e n ta n dt h el e v e lo f a t m o s p h e r i cp o l l u t i o no ft h es u b u r b so fw u h a n ，a p p l yt h et e c ct h r e s h o l da n d o p t i m a la m o u n t s o fc e h c i l ed e v e l o m p m e n ts c o p e i na d d i t i o n ，e s t a b l i s ht h e c o r r e s p o n d i n gt r a n s p o r te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm e a s u r e sf o rw u h a n s u b u r b s k e y w o r d s ：；t r a f f i ce n v i r o n m e n tc a r r y i n gc a p a c i t y ；v e h i c l ev o l u m e ；o s p m m o d e l ；w u h a ns u b u r b s 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 姗虢q 移 签字日期：7 年多月z 。日 导师签名喀琴 签字日期： 川年多月 致谢 本论文的工作是在我的导师雷黎副教授的悉心指导下完成的，朱广宇副教 授，卫振林副教授对我的论文也给予了严谨的指导和帮助。在两年的学习过程中， 雷黎副教授和朱广宇副教授不仅教导我科学的学习方法，而且教育我做人、做事， 老师严谨的治学态度和科学的工作方法在生活和学习的各个方面影响着我，给我 留下了深刻的印象。在此衷心感谢两年来两位老师对我的关心和指导。 在系统所两年的学习、生活过程中，张仲义教授、吕永波教授、卫振林副教 授、毕军副教授、纪寿文副教授、薄燕军老师、黄爱玲老师等也在我的学习和生 活中给予了我极大的帮助和启发，在这里向他们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄牛浩、同学王晓华、马金峰、曹征等同 学也给了我很大的帮助和支持，在此表示衷心感谢。 感谢我的父亲王希鹏、母亲苗翠芝和一直以来关心、支持、鼓励我的家人。 正是他们无私的爱，鼓励、鞭策着我努力向前。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 机动车的增长是一个国家经济增长、现代化发展的必然结果，随着中国经济 几十年的迅速发展、人均收入的提高及w t o 的加入，机动车人均保有量大幅度增 长，自九十年代至今，我国的机动车保有量基本同国民经济g d p 保持同比例增长。 机动车保有量的增加大力促进了汽车工业及其相关产业发展，对公路建设及运输 物流业也具有明显的拉动作用，但在带来经济效益的同时，对城市的交通系统和 生态环境系统所造成的压力已经呈明显的上涨趋势。在当前发展形势的背景下， 由英国科学家提出了低碳交通发展模式n 1 ( l o wc a r b o nt r a n s p o r ti n n o v a t i o n s t r a t e g y ) ，以环境生态容量、绿色交通体系、交通环境承载力等作为评价和规 划基础的交通发展模式，目的在于维护交通环境系统能够健康、稳定运行。 最近十几年，由于我国城市机动车保有量增加显著，根据国际卫生组织2 0 0 6 年公布的报告表明乜1 ，全球空气污染严重的城市依次为：太原、米兰、北京、乌 鲁木齐、墨西哥城、兰州、重庆、济南、石家庄、德黑兰。在最严重污染的1 0 个城市中，7 个位于中国。由机动车所造成的污染主要集中于大气环境系统中， 有害气体主要为n o 、 、 和颗粒物，主要污染物含量为 、 、x c oh c s 0 2 8 2 4 8 5 8 、1 3 、8 。根据主要城市调查报告显示，中国3 3 8 个城市中6 3 5 的城市 超过国家质量二级标准，其中超过三级标准的有1 1 2 个，占监测城市总数的 3 3 1 ，其大气污染已由工业废物、煤烟型污染向光化学烟雾型、复合型大气污 染转变。 根据估测，到2 0 1 5 年城市机动车污染物排放量将比2 0 0 0 年上升一倍，同时， 由氮氧化物所形成的二次光化学烟雾、以臭氧、颗粒物和扬尘所形成的二次污染 物已成为我国区域性，季节性，不可逆性的严重交通环境问题，环境交通的压力 亟待解决。 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 国内外研究综述 1 2 1 机动车污染物街道排放及扩散模式 1 2 1 1 高斯羽烟模式 连续点源排放的污染物浓度场可以由正态分布表示，浓度大小和源强成正 比，和风速成反比【4 1 。在简单的烟羽模式中，污染物在地表和混合层顶被反射， 一般不考虑化学转化和清除过程。模式中重要参数为水平和垂直扩散系数，一般 由p a s q u i l 大气稳定度或莫宁一奥勃霍夫相似理论参数表剩5 1 。经改进的烟羽模式 也可以用于城市面源或线源( 如交通) 的浓度计算，但一般不直接用于城市小尺 度扩散问题，因为城市中的建筑物和其他结构是通过地表粗糙度参数化的畸1 。但 是有些烟羽模式中包括了街谷扩散子模式，因而可用于街谷扩散问题研究。 1 2 1 2 箱式模式 箱式模式c p b m ( c a n y o np l u m eb o xm o d e l ) 由两个子模式构成口1 ：高斯烟羽 模式和箱模式，前者处理街谷中污染物排放的直接效应，后者处理街谷涡旋中污 染物产生的附加效应。同时，模式考虑了太阳辐射产生的热力效应以及汽车行驶 激发的湍流。街谷中烟羽浓度采用质量平衡方法计算，街谷背风涡加入附加烟羽； 而在迎风涡中，则考虑了街谷内空气与街谷上方空气交换对污染物浓度的稀释作 用。 1 2 1 3 街谷模式 a e o l i u s 模式【8 】采用了o s p m ( o p t i o n a ls t r e e tp o l l u t i o nm o d a l ) 【9 】的方法， 该方法和c p b m 方法类似。上述两个模式考虑了对污染物浓度有贡酬l o 】的3 个 因素：( 1 ) 源对浓度的贡献：( 2 ) 街谷环流对浓度的贡献；( 3 ) 城市背景浓度。当系 统风不平行街谷时，在街谷中产生涡旋，沿风向涡旋尺度相当于上风向建筑物高 度的2 倍，当系统风风速低于2 m s - 1 时，涡旋尺度随风速减小而降低，任何情 况下涡旋宽度不能超过街谷宽度。考虑地表粗糙度、污染源高度以及系统风风向 等因素，风速廓线采用对数率u 。 1 2 1 4 其他模式 源解析模式f 1 2 】如c p r m t l3 1 ( c o n s t r a i n e dp h y s i c a lr e c e p t o rm o d e l ，w a h l i n ) 一 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 般用于检验源模式计算结果以及源强估计的精确度。流体计量c f d ( c o m p u t t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 【1 4 j 模式可用于流体流动和热量传输等流体现象 的模拟，在工程及环境领域应用广泛。模式通过求解流体力学方程组【1 5 l ( 动量 方程，连续方程，污染物传输扩散方程，状态方程) 并采用适当的湍流闭合方案， 从而求得污染物浓度场。闭合方法主要有k e 闭合以及大涡模拟【1 6 1f 1 7 】方法，但 后者要求较高的计算条件，故一般只用于研究。 1 2 2 交通环境承载力及其定量化研究概况 在交通环境承载力研究方面，北京交通大学卫振林、申金升【2 3 】【2 4 】等提出了 交通环境承载力与交通环境容量的概念，并将二者进行了比较和定量化探讨。在 研究中，指出了二者的分类及影响因子，并提出了将环境作为一种约束条件，应 用到交通环境系统规划中，作为实施交通总量控制和实现交通结构优化，实现绿 色交通的重要依据。刘志硕，申金升，张智文等【2 4 】利用系统工程的思想，分析 并归纳了交通污染物在环境系统中的输出和输入模式，根据系统分析的思想建立 了交通环境承载力动态计量模型，并建立了交通环境承载力机动车削减量计算模 式，为在环境容量约束下的机动车保有量控制提供了科学依据。 李晓燕【2 5 】等提出了基于环境承载力的城市生态交通规划的理论框架，对交 通环境承载力( t e c c ) 的基本定义、影响因子和分类进行了阐述。并从对城市 生态化的阶段角度出发，对现阶段交通环境承载力的计算内容和模式进行了研 究，提出了基于箱式模式的交通大气环境容量计量模式【2 6 】，其充分考虑了大气 自身净化能力及各气象因素对污染物排放直至污染物浓度形成过程的作用与影 响，计算模式如下： e c ： 茎：垒 ( 1 1 ) 毛厶- 白 j = 1 式中：e c 柳动车最大保有量，辆； q 交通污染物的大气环境容量，t ； 第i 种车型所占的比例，； 厶第i 种车型的年均行驶里程，万公里； 岛第i 种车型的平均排放因子，g k i n ： k 单位转换系数，为1 0 0 式( 卜1 ) 将某城市区域内交通有关的大气环境对机动车污染物排放的最大 允许浓度值与单位机动车的大气污染物年均排放量进行相比，即可得到宏观层面 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 的机动车最大保有量。 杨忠振，苗国强【2 7 】等以城市环境承载力为约束条件预测了城市内可容纳的 最大乘用车保有量。建立了双层优化问题的预测模型，其中上层是环境承载力约 束下的最大乘用车保有量模型，以交通小区的乘用车保有量之和最大为目标函 数，以各路段的环境承载力为约束条件；下层是道路网上的用户平衡分配模型， 模拟乘用车出行者的行车路径，预测交通需求在道路网上的分布及形势特征。开 发了一个基于灵敏度分析的算法用于实现上下层模型的反馈及同时求解两个最 优化问题。 在交通容量与环境容量的交叉领域，吕智林掣2 9 】建立了双层多目标规划模 型，以描述城市快速道路网的污染控制与匝道控制。上层模型从系统分析的角度 出发，计算机动车排放污染物减到最低值，同时以寻求路网内机动车总流量最大； 下层通过用户平衡模型以达到系统的最优化。该模型结合了环境容量与交通容量 和机动车使用者的行为，并通过改进的遗传算法设计模型求解，证实了模型算法 的有效性。 1 2 3 基于交通环境承载力的交通政策措施综述 环境问题已成为2 1 世纪城市发展的主要问题，而城市机动车污染目前已成 为限制城市环境容量的主要源头，各国均从法律、经济、技术等方面采取大量措 施以降低城市交通的环境污染水平，保持城市的环境容量，目的在于提高城市交 通环境承载力，并使其与交通、自然、能源可持续发展相协调。 1 2 3 1 环境经济措施 环境经济措施【3 0 】是城市环境治理政策的主要内容。基于市场的环境经济政 策手段包括环境税、补贴、排污权交易、押金返还、建立市场、执行刺激等。欧 盟环境经济措施【3 l 】【3 2 1 主要包括：违章收费、执行保证金、环境税收、排污收费、 押金返还等。英国大力推广了“环境恶化源于珍贵资源的不清晰产权【3 3 】通过 颁发排放许可证交易制度来增加环境经济力度，即通过排污收费、污控活动补贴 和保证金退款制度等经济手段鼓励车主购买清洁燃油、安装污控装置、购买燃油 效率更高的车辆。 1 2 3 2 环境技术措施 环境技术措施或手段是城市环境治理定量管理的重要尺度。环境技术是指防 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 治环境污染、环境破坏和改善环境的相关技术，一般包括专门的治污技术、环境 管理技术、各种综合利用技术以及预防环境污染和环境破坏的技术。 美国控制机动车污染通过改善燃烧系统、改进点火系统、采用混合动力和燃 料电池技术等技术手段控制机动车尾气中污染物排放型3 5 】f 3 6 】【3 9 】； 欧盟环境技术措施：欧盟对最佳可用技术( b a t ) 【3 刀的评审，是针对一定 的设施水平，判定其是否为最佳可用技术，同时需要考虑当地的具体条件。评审 方法是对拟采用的技术依据当地情况进行费用效益分析，确定最佳技术方案，还 需要依据设施的技术特征、设施的地理位置，当地的具体环境条件以及考虑多方 收益率等因素进行调整：b a t 应用于新设施时，应充分考虑该技术在防止、减少 或逐渐减少污染物排放的能力上有一定的提升空间：b a t 用于现有设施时，必须 达到排放标准，但是在许可证评审过程中，应该逐步确定特定的排放标准要求和 合理的时间框架，以实现最终目标。 1 2 3 3 交通管理措施 环境教育、出行方式优化以及文化宣传等教育手段，也是国外进行交通环境 承载力保护措施得以实施的有效手段【3 引。例如德国的错时上下班和弹性工作制， 以及欧美等国提倡的交通出行“平峰 的手段【删【4 。它有利于调动个人的工作 积极性和提高工作效率，从根本上避免交通拥堵的生成。 错时上下班和弹性工作制不仅仅是充分利用了道路资源，减少了交通拥堵， 同时，也有利于减少环境污染和缓解公共交通运力紧张的情况，提高商业、娱乐 业晚间的营业时间和营业额。目前，中国重庆、杭州、深圳、温州、济南等城市 已相继推行过错时上下班制度h 引4 3 3 。 除此之外，提倡绿色交通出行，搭乘公共交通及轨道交通，并科学的进行交 通环境影响评价，也是提高交通环境质量的常用措施。 ! ! 塞奎望叁堂堡主堂堡兰壅 ! 堕 1 , 3 研究的框架、内容及方法 交通环境系统可持 续发展 城市机动车 发展规模 机动乍对交通 环境系统影响 武汉新区绿色 交通发展日标 交通环境系统保护措捕 的提出 一 匣出外空通环境承戢力 研究进展 承载力影响因子分析 污染因子的比选 交通环境承载 力理论及其定 量化分析 机动乍污染物环境容量 城市变通承载力分析 一一：j = i j = = 一一一一一一一一一一一一一一一二二二= 二= = = = = ： 机动车尾气扩散街答模型 ( 】s 州 模型 及其 改进 武汉 新区 交通 及规 蟊j 发 展特 征 交通环境承载力 定量化模型推导 机动车发展规模s0 i e f e r 模 型化及其保有量最优解 武汉 新区 机动 芏环 境污 染水 亚 武汉新区机动乍污染物环 境容量的确定 交通承载力计量模型 定量 比较 武汉新区交通承载力的确 机动车m o b i l e 排艘指标 机动车污染物环境容量模 型推导 大气污染物计 量因子分析 翻；嚣雌 一_ 一一一一_ 一一一一- 一一一一一一一一一一一 五夏磊函环境承载力阀值慝剽武汉新区机动车届优发展规模 武汉新区交通环境保护措施 理 论 基 础 模 型 化 及 方 法 毯 应 用 结 囤l l 研究框架及内容 f i g1 1f r a m e w o r k d c o n t e 。i a t 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 2 交通环境承载力及其理论基础 2 1 交通环境容量及环境承载力的基本理论 2 1 1 环境容量的定义及内涵 环境容量是指某一环境对污染物最大承受限度，在这一限度内，环境质量不 致降低到有害于人类生活、生产和生存的水平，环境具有自我修复外界污染物所 致损伤的能力。一般的环境系统都具有一定的自净能力【4 3 1 ，污染物不同，环境 对它的净化能力也不同。环境的自净作用越强，环境容量就越大。 一个特定环境的环境容量的大小，取决于环境本身的状况。研究环境容量对 控制环境污染的作用在于，根据环境容量可以制订出经济有效的污染控制方案， 确定哪些污染物由环境去净化，哪些必须先进行处理，以及处理到何种程度为宜。 环境容量可通过绝对容量和年容量1 4 5 j 两个时间段来评价。前者是指某一环 境所能容纳某种污染物的最大负荷量。后者是指某一环境在污染物的积累浓度不 超过环境标准规定的最大容许值的情况下，每年所能容纳的某污染物的最大负荷 量。 2 1 2 交通环境容量的分类及其影响因子 在交通与城市环境的复杂系统中，交通污染物环境容量是衡量和控制某种污 染物排放总量的主要指标， 本文所研究的交通污染物环境容量主要指由机动车排放的大气污染物环境 容量( 岛) ，即城市大气环境对机动车所排放的污染物负荷量，其负荷程度可 由机动车大气污染物环境饱和度( c ) 来表示。 绋的影响因素主要包括：一氧化碳、氮氧化物、碳氧化合物、可吸入颗粒 物、二氧化硫、二氧化碳、醛类等【4 引，以及机动车排放到大气环境中的污染物 相互产生化学变化( 如光化学烟雾、c o ，h c 等) 以及由机动车行驶所产生的噪 声和振动污染。 在确定绋时，需要对某区域的主要污染物进行选择，假设某城市对某一机 动车污染物的要求环境容量为k ，实际污染物的总量为x ，则该城市的交通环 境容量饱和度为( c ) ： c = 去 q 。1 ) 7 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 根据机动车所排放的污染物种类以及污染程度不同，选取该城市交通环境污 染物最大饱和度为机动车环境污染物容量计算因子，即： c = q g ： e q 。= m a x c i ，c 2 e ( 2 2 ) c n 。所对应的机动车所排放的污染物为确定该城市交通环境污染物容量的 指标。该限制因素就是限制其机动车发展的主因素，也是提出交通环境保护措施 的主要控制目标。 2 1 3 环境承载力的定义及内涵 2 1 3 1 承载力概念的发展 在环境容量研究的基础上，需要考虑如何协调区域内社会活动和环境系统以 及其他系统的相互关系，因此出现了环境承载力的概念，需要从多种角度，通过 比较、选择和计量来综合确定某一区域及系统内对个体发展的最大阀值，因此出 现了承载力的概念。早期的承载力研究首先与生态学的发展密切相关。1 9 2 1 年， 帕克和伯吉斯【4 9 】就在有关的人类生态学杂志中，提出了承载力的概念，其概念 的演化如表2 - 1 所示： 表2 一l 承载力类比及其内涵 t a b 2 - 1c o n n o t a t i o na n da n a l o g yo fc a p a c i t y 承载力类别 内涵 资源承载力一个国家或一个地区的数量和质量，对该空间内人口的 基本生存和发展的支持力 环境承载力 某一区域环境对人类社会经济活动的支持能力的阀值 生态承载力自然生态承载力：自然体系调节能力的最大限度。 城市生态系统承载力：生态系统的自我维持、自我调节 能力、资源与环境子系统的供容能力及其可维育的社会 经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量。 8 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 2 1 3 2 环境承载力的内涵 环境承载力是指在一定时期内，在维持相对稳定的前提下，环境资源所能容 纳的人口规模和经济规模的大小。地球的面积和空间是有限的，它的资源是有限 的，显然，它的承载力也是有限的。因此，人类的活动必须保持在地球承载力的 极限之内。 环境承载力又称环境承受力或环境忍耐力。它是指【剐在某一时期，某种环 境状态下，某一区域环境对人类社会、经济活动的支持能力的限度。人类赖以生 存和发展的环境是一个大系统，它既为人类活动提供空间和载体，又为人类活动 提供资源并容纳废弃物。对于人类活动来说，环境系统的价值体现在它能对人类 社会生存发展活动的需要提供支持。由于环境系统的组成物质在数量上有一定的 比例关系，在空间上具有一定的分布规律，所以它对人类活动的支持能力有一定 的限度。当今存在的种种环境问题，大多是人类活动与环境承载力之间出现冲突 的表现。当人类社会经济活动对环境的影响超过了环境所能支持的极限，即外界 的“刺激超过了环境系统维护其动态平衡与抗干扰的能力，也就是人类社会行 为对环境的作用力超过了环境承载力。因此，人们用环境承载力作为衡量人类社 会经济与环境协调程度的标尺。 2 2 交通环境承载力内涵及其影响因子 2 2 1 交通承载力的内涵及定量化指标 2 2 1 1 交通承载力的定义及分类 城市交通承载力定义为【5 l 】：“在城市空间范围内、在给定的交通设施条件、 环境容量和交通服务水平下，城市整体所能提供的人和物的空间位移的最大能 力。 它是一种资源化的对机动车等道路设施的供给能力。 根据研究目的、范围、对象的不同，城市交通承载力分类不同。 按照交通系统的外部条件，城市交通承载力可以分类为：交通环境承载力、 交通经济承载力和交通能源承载力。 按照服务对象的不同，交通承载力又可分为：客运承载力和货运承载力。 2 2 1 2 交通承载力的定量指标 在交通承载力定量化的研究中，一般可以通过多种角度来综合估测城市的交 9 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 通承载力。在交通系统中，主要通过交通的供给和交通需求两方面来选取指标【5 0 】， 如交通设施建设情况、交通工具性能、机动车的环境污染率、排放超标率等指标 来综合描述城市交通的承载力，具体用于指标如下： ( 1 ) 道路面积率 道路面积率为研究对象区域内的道路( 道路指有铺装宽度3 5 米以上的路， 不包括人行道) 面积与研究对象区域总面积之比，单位：。道路面积率是衡量 道路建设总体水平的指标。道路系指城市主干路，次干路，支路，不包括居住区 内的道路。给定道路面积率上限( 极限状态) 所对应的道路交通承载力，即为该 条件下的极限道路交通承载力。 彳：旦 ( 2 3 ) s 式中： 一研究对象区域面积率； b - - 研究对象区域道路面积； s _ 研究对象区域用地面积 ( 2 ) 路网密度 路网密度为研究对象区域内道路长度与研究对象区域面积的比值，单位：千 米平方千米。道路网密度是衡量路网构成特征的指标，道路密度过小时，道路 网的总体运行效率不高，道路密度过大时，干道的通行能力将会降低，因此路网 密度应保持一个合理值： d ：l s ( 2 4 ) 式中：卜研究对象区域路网密度； 卜- 研究对象区域内道路长度； 卜研究对象区域面积。 ( 3 ) 平均出行时耗 出行时耗，又称出行时间，即为一次出行中，由起点到终点所花费的时间。 平均出行时耗，是指居民出行调查中获取的居民平均出行时耗。除了与城市交通 系统的运行状况、城市交通结构合理性有关外，还与研究对象区域人口、面积、 城市布局形态等诸多因素有关。 ( 4 ) 机动车分担率 机动车分担率是指研究对象中区域居民出行选择机动车的出行量占总出行 量的比率，包括公交分担率和小汽车分担率。前者的提高是实现城市交通可持续 发展、提高交通效率、公平性、实现交通环保节能的根本途径和重要环节之一， l o 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 公共交通和轨道交通都属于其范畴。后者反映了研究对象地域的机动化水平和居 民的生活质量，也间接反映了交通需求管理状况。机动车分担率可表示为： p ：鱼 ( 2 5 ) q f 式中：卜研究对象区域机动车分担率； q 研究对象区域居民出行方式中选择公共交通或私家车的出行 量： q 研究对象区域居民总的出行量。 2 2 2 交通环境承载力的提出 在交通承载力和交通环境容量基础上提出的交通环境承载力是指，一定时期 和一定区域内，特定交通结构下，在交通环境系统的功能和结构不向恶性方向转 变的条件下，交通环境所能承受交通系统的最大发展规模【捌【2 3 1 。交通环境承载 力综合体现了城市在发展机动车规模时，城市交通环境系统可以忍受的最大机动 车污染物排放量和城市交通资源系统可以供给的最大机动车发展能力，它既不是 一个纯粹描述城市生态系统对污染物的包容量，也不是单纯描述交通系统所能支 持机动车发展的量，它反映了交通与环境系统交叉作用界面的综合特征。 2 2 3 交通环境承载力的特征及分类 交通环境承载力是宏观层面的总量控制指标，可分为机动车污染物的交通环 境承载力和道路交通资源环境承载力。前者即交通环境系统对一氧化氮、氮氧化 物、可吸入颗粒物、降尘等机动车污染因子所能忍受的最大阀值，它反映了一定 时间和区域内交通环境系统自身通过依靠污染物转化、迁移、复熵流、自净作用 等来抵抗机动车排放的污染物对其干扰的能力，它同时受到动态的机动车尾气扩 散特征和静态的交通结构、机动车发展特征的影响；道路资源交通环境承载力是 一个静态的特征量，它反映了城市交通系统对其机动车发展所能提供的土地、发 展规模、线网密度等能力，不同交通规划和结构下的承载力是不同的。 交通环境承载力具有客观稳定性和弹性变化的双重特征。在一定发展区域和 时间段内，若其结构和功能不发生较大的变化，交通环境系统所能承受的机动车 发展规模阀值相对稳定。然而，随着人们生活水平和环境质量标准的提高，在不 同社会阶段居民对环境质量和交通供给能力随之提高，因此城市交通环境承载力 的阀值也会随着改变，体现了其可变性的特征。 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 除此之外，城市交通系统结构的变化所引起的机动车总量构成，以及城市生 态环境系统受到外界自然条件干扰时，所导致的环境系统所能提供的容量发生变 化，都会导致交通环境承载力的值发生改变。因此，从短期总量控制角度来看， 交通环境承载力具有宏观层面的稳定性，从长期规划和经济、技术发展角度来看， 交通环境承载力又具有弹性可变的特征。 2 2 4 交通环境承载力定量化影响因子分析 由机动车发展规模的变化所影响的交通环境承载力主要为交通环境大气污 染承载力，这也是控制交通环境承载力阀值的主要监测和研究方面，大气污染承 载力定量化方面，需要确定其影响因子和定量化条件。在交通环境承载力受其影 响因子制约的情况下，交通环境承载力也会反作用于其各个影响因子，根据交通 大气污染物环境容量和交通承载力的内涵和定量化指标，可得出城市机动车交通 环境大气承载力定量化因素图： 图2 1 城市机动车交通环境承载力因素图 f i g 3 - 2f a c t o r so f u r b a nv e h i c l et r a f f i ce n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y 1 2 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 2 2 5 交通环境与机动车保有量的关系 交通环境是城市环境容量的重要组成部分和影响因素，根据城市本身的发展 模式，经济增长速度，城市规模以及人口密度分布等差异，交通环境的质量和承 载力大小也不尽相同。但根据目前国内外的统计资料显示，经济较为发达，交通 建设增长迅速城市的大气污染源6 0 以上来自机动车排放污染。经济的发展，必 然需要相匹配的交通路网建设的规划和建设，这一前提也导致了机动车量的增加 是伴随着城市现代化发展的必然趋势，而城市大气环境则是其首要的污染物承载 对象。 在机动车对交通环境承载力影响方面，若在机动车单体排放污染物一定的情 况下，机动车的环境承载力就取决于城市环境质量的标准及规定；在机动车数目 相对稳定的情况下，机动车的环境承载力则取决于单个机动车的排放污染浓度。 在环境质量标准及承载力的约束和规定下，机动车单体排放污染浓度越低， 则其在交通环境中的容量则越大，即与环境承载力越相符，机动车的交通环境承 载力可达到最大限度。 基于宏观交通大气环境容量计算的交通环境承载力，即机动车的最大保有 量，是一个宏观的总值，其计算结果可用于交通措施的实施、宏观交通环保政策 的决策、交通路网规划等多个环境与交通交叉领域。然而，根据交通环境承载力 具有客观稳定和弹性可变的双重特征，在城市交通系统中，微观层面的瞬时交通 状态，如高峰时段的交通流量、早晚高峰时段机动车出车率、城市中心地区的机 动车行驶密度，以及不同城市地域的街道几何尺寸和气象条件会影响交通环境承 载力的阀值，在此层面的机动车所产生的污染物浓度可能会瞬时性超越宏观角度 的交通环境承载力阀值，具有威胁交通环境系统合理发展的潜在影响。因此结合 微观角度的机动车尾气扩散定量化的大气污染物约束条件和宏观角度的总量控 制来综合评定交通环境承载力具有重要的现实意义。 综合分析，在诸多的环境承载力影响因素中，城市环境因素以其饱和程度决 定，其饱和度最大的控制因子，是城市交通环境的主要控制因素，根据交通环境 承载力的木桶效应，综合考虑区域内最大交通流量下的动态机动车污染物排放浓 度的大气污染物环境容量，以及静态条件下道路设施资源所能够支持的机动车发 展规模，并确定其最小值，是决定城市环境质量，承载力大小的关键。在交通政 策方针的刺激下，通过控制机动车数量来影响交通环境承载力，是当前较为公认 的环境友好型控制方法，当机动车数量达到相对于交通环境的最优承载力时，可 以为城市环境的可持续发展提供最优化的协同发展。 1 3 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 2 3 基于交通环境承载力的大气污染因子 2 3 1 大气污染物指标及评价方法 城市机动车主要排放的污染物包括h c 、c o 、氮氧化物、可吸入颗粒物、二 氧化硫等。其中氮氧化物和可吸入颗粒物为国家环境公报中列入的机动车污染物 主要环境评价因子。大气污染物浓度目标值可参照国家空气质量标准【5 1 】【5 2 】( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) ，其中作为大气质量评价的主要污染物为三类：总悬浮颗粒物、氮氧 化物( n o 、n 0 2 ) 、二氧化硫( s 0 2 ) ，各污染物标准值见表2 2 ： 表2 - 2 国家空气质量标准 t a b 2 - 2g b3 0 9 5 19 9 6 污染物名称取值时间浓度限值浓度单位 一级标准二级标准三级标准 总悬浮颗粒物( t s p )年平均o 0 8 o 2 0 o 3 0 日平均 o 1 20 3 00 5 0 氮氧化物( n o x ) 年平均 0 0 50 0 5o 1 0 日平均 o 1 0 o 1 00 1 5 小时平均 o 1 50 1 5o 2 0m g m 3 一氧化碳( ( 刀)日平均 4 0 0 4 0 06 o o 小时平均 1 0 0 0l o 0 02 0 0 0 二氧化硫( s 0 2 ) 年平均 o 0 40 0 80 0 8 日平均0 0 8o 0 80 1 2 小时平均 0 1 20 1 20 2 4 目前，全国采用大气综合污染指标作为城市的环境质量评价依据，其评价模 型为： 尸= p i 只= 品 式中：p 大气污染综合指数 1 4 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 只为第i 项大气污染指数 e 为第i 项污染年日均值 c n ；为第i 项污染物评价标准 各污染物的大气总量评估可根据城市路段排放强度与路段长度的乘积求和 可得城市道路大气各污染物的排放总量，其计算模型为： e = ex l 。= ( 哆，。( s ) 耳，) 厶 ( 2 8 ) 式中：局为整个路网的尾气排放总质量( 堙或力； 瓦为路段a 的排放强度 白例；l a 为路段a 的长度锄) ，删是指各排放物在速度s 下的排放因子( g k m ) 变化函数；耳。表示路段口上车型为p 的车流量。 其中e f ( s ) 的变化函数可用经验公式t 砑h s ) = - 2 x 1 0 西s 3 + 5 x 1 0 一s 2 0 0 2 6 s + 1 0 7 ( 2 - 9 ) 玛吸s ) 21 038s舵(2-10) 巩( ，) = 1 0 1 7 8 s 删 ( 2 - 1 1 ) 2 3 2 城市机动车发展规模大气污染计量因子的选定 城市道路的污染物主要是由机动车尾气排放所造成的，加之道路两旁的污染 较其他区域狭窄，且机动车流量的增加和气象条件稳定，空气流通较低等会使污 染物浓度增加。机动车尾气所排放的污染物主要为h c 、c o 、n o x 以及可吸入 颗粒物，以下分别对上述污染物进行分析选定城市机动车大气污染计量因子。 2 3 2 1h c 、c o 污染物 城市机动车对于h c 、c o 的污染贡献率在交通发达，既有较大机动车保有 量规模的城市中可达到1 0 0 。但对于城市来说，h c 、c o 所形成的污染为道路 周围的线源污染，对于城市面源来说，h c ，c o 不可能超标，且国家所制定的污 染指数均为城市面源污染，因此线源污染并不具有代表性。 2 3 2 2 可吸入颗粒污染物 可吸入颗粒物主要产生于城市中工业生产过程以及交通行驶所形成的扬尘 1 5 北京交通大学硕士学位论文城市交通环境承载力模型分析 和柴油的燃烧。可吸入颗粒物污染是我国多数城市空气污染的首要因素【蜘，在 工业化城市尤为严重。据统计资料表明【删我国3 2 2 个城市中，6 78 的城市总 悬浮颗粒物浓度平均值超过国家二级标准，其中3 76 9 超过国家三级标准，有 3 0 8 个城市环境质量不同程度的受到了颗粒污染物的影响。 颗粒污染物组成及成分见图2 2 ： 图2 - 22 0 0 6 城市大气颗粒物组成 f i 9 2 - 2 n ec o m p o s i t i o n o f u r b a na i r p a r t i c u l a t e m a t t e r , 2 0 0 6 由此可见，机动车尾气排放颗粒污染物在城市大气颗粒物污染中所占比率较 小，且机动车尾气中的颗粒物主要为柴油燃料所产生，对于汽油而言，目前大多 数城市中的无铅汽油已经普及化，其颗粒污染物排放量近似为零，分析2 0 0 6 年 武汉市机动车类型及其保有量。得出在城市交通道路中，大多数以小型车为主， 其主要燃料为汽油，因此选取机动车尾气排放颗粒污染物为机动车发展规模的控 制因素没有普遍意义，其污染程度与交通环境承载力大小没有直接影响。 j b 京交通大学硕士学位论文 城市交通环境承戡力模型分析 图2 - 32 0 0 6 年武攫市机动车车型比 f i 9 2 - 3 m o t o rv e h i c l 器t y p e so f w u h a n ，2 0 0 6 对于扬尘的污染贡献，其浓度大小受机动车数量和机动车的平均行驶速度的 影响 州，其计算可用扬尘计算函数【5 w ，= f ( u ，”，t ，& ) ( 2 - 1 2 ) 式中：n 机动车数量； u 机动车平均行驶速度； 只道路面积： 品城市绿化覆盖率 当车流小时，扬尘沉积到道路表面，使空气中的扬尘污染浓度暂时性降低， 当年流量达到一定数量时，沉积的扬尘被反复扩散至空气中，空气中的扬尘处于 悬浮状态，其沉积到道路面的几率降低，由于空气中悬浮颗粒物的数量是一定的， 故达到一定限