公路汽车尾气预测模式

公路汽车尾气预测模式TOC\o"1-4"\n1.1.1.1 概述1.1.1.2 污染物排放强度1.1.1.3 坐标变换与计算的起、止点1.1.1.4 HIWAY-2模式1.1.1.5 CALINE4模式1.1.1.6 小风静风模式1.1.1.7 垂直风和平行风时的解析式概述对汽车尾气的扩散预测，以高斯扩散模式为基础，各国曾推导出多种实用的气态污染物扩散模式，如我国常用的近似式、内插式，美国EPA的HIWAY-2、加州运输部的CALINE4，得克萨斯州的TXLINE和英国的简单桌面模式等。经过监测、验算和对比，除内插式和桌面式差别较大外，对平原微丘地区的直线公路，其它模式的计算结果相差并不大。这里采用了HIWAY-2积分模式和CALINE4模式。HIWAY-2模式的基本思想是：将公路线源划分成一系列微元，每一微元可作为点源处理，以高斯点源扩散公式计算每一微元对预测点的贡献值，然后线性叠加，结果作为公路线源对预测点的形成浓度的近似值。而CALINE4模式的基本思想是：将公路线源划分成一系列线元，每一线元看作一个中点在线元中心，方向与风向垂直的有限长线源（FLS），以高斯点源扩散公式计算每一线元对预测点的贡献值，然后线性叠加，结果作为公路线源对预测点的形成浓度的近似值。HIWAY-2模式的微元长度为1~2m，可直接用高斯点源模式计算微元在预测点的浓度，然后叠加。CALINE4划分出的线元是一种变长度的划分法，长度比HIWAY-2的微元大得多，且要用有限长线源的积分式来计算每个线元对预测点的贡献值。对于CALINE4，不能直接用于曲线公路，对曲线公路要先划分成一系列直线段来近似模拟；而HIWAY-2则可直接应用。此外，这两个模式对初始扩散参数和其它扩散参数的计算方法也是不同的。原则上，CALINE4和HIWAY-2及其参数只适用于有风模式（U10≥1.5m/s）,但我们这里将所有U10≥1m/s的情况都应用该模式。作为一个补充，对U10<1m/s（包括U10=0m/s的完全静风）的情况，我们应用HJT2.2-1993的小风静风模式和相关的扩散参数计算法。为了加快计算速度和提高计算精度，对于高度可视为不变的直线公路（无纵向坡度），有风（U≥1m/s）并且风向与公路线源可视为垂直时，自动采用解析式计算。这两个模式一般仅用于预测距公路500m范围以内的预测点，但预测点离路肩的距离应在10m以上（离路中心线一般应在15m以上）。而对风向、风速、稳定度和公路状态（直线或曲线、变高度、公路网等）均无限制。两者计算的差别：这两种算法的结果差别主要由线元或微元的不同取法引起，其次扩散参数的算法不同也是一个重要原因。当路面宽度很小时（<5m）两者计算结果很接近。在离公路距离较近时，HIWAY-2结果一般大于CALINE4结果，但差别不大；HIWAY-2的结果随距离衰减要快得多，因此离公路较远处，CALINE4结果反而比HIWAY-2结果大。另外一点是，CALINE4考虑了路宽的影响；而HIWAY-2与路宽无关，更适于单车道的情况（多车道也可拆分成几条平行单车道路面，只是需要知道每一车道的源强）。污染物排放强度依据《可行性研究报告》提供的路段预测年交通量和车型构成比，计算各类车型的高峰小时交通量，昼间平均小时交通量。按JTJ005-96附录B的方法，可由车流量计算各类型车预测年的平均行驶速度。各类型车气态排放污染物等速工况在各种车速下的污染物排放参数系数可参考下表选取：车辆单车排放因子Eij推荐值（g/km·辆）车辆排放污染物线源，按连续污染线源计算，线源的中心线即路线中心线，气态污染物排放源源强按下式计算：式中：Qj----j类气态污染物排放源强度，mg/(s·m)；Ai----I型车预测年的小时交通量，辆/h；Eij----汽车专用公路运行工况下i型车j类污染物在预测年的单车排放因子，mg/(辆·m)。关于JTJ005-96附录B中汽车平均行驶速度的计算，这里抄录如下：B1适用于在公路建设项目环境影响评价中，因汽车排放，交通噪声预测所需要的汽车行驶速度计算。B2车型分为小、中、大三种，车型分类标准见表B1。注：大型车包括集装箱车、拖挂车、工程车等，实际汽车排放量不同时可按相近归类。B3车型比应按《可行性研究报告》中给定的或通过实地调查确定。B4汽车行驶平均速度计算小型车平均速度计算公式：..........................................(B4-1)式中：Y--------小型车的平均行驶速度，km/h；X----预测年总交通量中的小型车小时交通量，车次/h。中型车速度计算公式：..........................................(B4-2)式中：YM----中型车的平均行驶速度，km/h；X----预测年总交通量中的中型车小时交通量，车次/h。大型车平均行驶速度按中型车车速的80%计算。B5公式适用条件用于高等级公路双向四车道，设计车速小型车120kg/h。小型车计算公式适用于小型车占总交通量的50%以上和小型车小时交通量70~3000车次/h。中型车计算公式适用于中型车小时交通量25~2000车次/h。只适用于昼间平均行驶速度的计算。B6公式修正当设计车速小于120km/h，公式计算平均车速按比例递减。当小型车交通量小于总交通量的50%时，每减少100车次，其平均车速以30%递减，不足100车次按100车次计。按式(B4-1)、式（B4-2）计算得出车速后，折减20%作为夜间平均车速。坐标变换与计算的起、止点因为CALINE4和HIWAY-2都是将公路划分成一系列线元或微元来分别计算，然后叠加，因此需要确定线源上哪一部份确实对预测点产生了影响，而只考虑这一部分的计算，忽略其它部份。这样，就需要确定计算的起点A和终止点B。对于任何一条直线公路，可作两个三维点P1、P2来定义其位置，P1和P2分别为道路路面中心线上两个不同的点。如果这是一条有限长的公路，则P1和P2应是这段公路的两端点。而对圆弧段公路来说，可用P1、P2和Po三个三维点来定义，以Po为圆心，PoP1为半径，从P1点逆时针绕到P2点形成的圆弧段。这一圆弧最长不能超过一个圆周。因P1和P2都是三维点，它们的Z坐标可以不同，因此这里能考虑道路高度的变化（有坡度公路），环形公路，螺旋盘升公路（如上海南浦大桥引桥）等情况。由于高斯分布的对称性，为简化计算，对一个预测点，在任何风向下进行适当的坐标转换（包括镜像变换）后都可以得到如下结果：预测点为坐标原点，风向从正Y轴吹向负Y轴（角度为1.5π），直线源P1P2的斜率≥0。如下图所示。这里进行坐标变换时，只是针对这些三维点在地面上的投影点进行，而不牵涉到高度。对直线源，设P1P2在Y轴上的截距为m，P1P2的斜率为K（K≥0），P1P2与Y轴交角为θ(亦即风向与线源的交角)。对圆弧源，设PoP1=PoP2=R为圆弧半径。按以下方法确定预测路段的起、止点：1.小风静风(U10<1m/s)以预测点P为圆心作一半径为1000m的圆，凡直线源被此圆围在内部的部分均参与预测计算，其它部份不参与计算。因此此圆与直线源的两个交点确定为预测点段的起、止点A和B。若无交点或只有一个交点，则说明无须参与计算。对圆弧源，则直接取圆弧起点P1为A点，终点P2点为B点。2.有风(U10≥1m/s)(1).直线源如果θ≤45度，过P作X轴的平行线，与P1P2交点为A点，在P2方向离A为2000m处为B点；.如果θ>45度，若P点在线源上侧(m<0)，则认为线源对P点无影响；若P点在线源下侧或在线源上(m≥0)，则过P点作一线(方向朝P1一侧)与P1P2交角为45度，交点为A点(PA.x<P.x)，在P2方向上离A为1500m处为B点。(2).圆弧源如果Po0.y≤-R，则测点不受此曲线线源的影响；否则全段圆弧参与预测，即以P1点为A点，P2点为B点，以Po0为圆心，从A点逆时针绕到B点。对于有限长的直线源来说，若按以上方法确定的A点超出P1点，则将A点调整为P1点，同理，若按以上方法确定的B点超出P2点，则将B点调整为P2点。需要指出的是，以上所说的确定线源计算的起、止点A和B的方法，与相关资料中对HIWAY-2和CALINE4介绍的方法有所不同，这里的方法更偏向保守（亦即更精确，但代价是所需计算的线源更长，计算时间更长）。HIWAY-2模式原文资料引自JTJ005-96《公路建设项目环评规范》，进行了适当补充修改。1.微元划分从A点开始，在线源上每隔1-2m长度划分成一个微元，直到B点。对每一个微元，设其中心的坐标为（x,y,H）,因风向是Y轴（指向Y轴负方向），测点在原点，因此测点相对微元中心的下风向距离X=y，横风向距离Y=x。这里由于已预先采用坐标变换，因此算法极为简便明了，不同于JTJ005-96中的介绍。2.扩散模式JTJ005-96中模式只适用于有风时（U10>1.5m/s）。这里我们把U10≥1m/s的情况都用此模式计算，而对U10<1m/s的情况，则用导则中小风静风模式计算。(1)有风模式（U10≥1m/s）：对每一个微元(长度为dLm)，在预测点形成的浓度可用下式计算：AB段线源在预测点形成的总的浓度为：式中：C----公路线源AB段对预测点产生的污染物浓度，mg/m3；U----预测路段有效排放源高处的平均风速，m/s；Q----气态污染物排放源强度，mg/(s·m)；σy、σz----微元（x,y,H）在测点处的水平横风向和垂直扩散参数，均为X的函数；X----线源微元中点至预测点的下风向距离（即微元的y坐标），m；Y----线源微元中点至预测点的横风向距离（即微元的x坐标），m；Z----预测点至地面高度，m；H----有效排放源高度（即微元中心的高度），m；A,B----线源计算段的起点及终点。当微元中心的y坐标（即测点的下风距离X）≤0时，该微元对测点无影响。对于线声源，当风向与线源垂直或平行时（平行时还要求线源是无限长线源），可直接用解析式计算（不要分微元叠加）。计算式参见垂直风和平行风时的解析式一节。(2)小风静风模式（U10<1m/s）参见小风静风模式一节。该模式的水平和垂直扩散参数的计算方法，也应按其相应规定执行。3.模式各参数的确定(1)平均风速U有效排放源高度处的平均风速U，可现场监测得出。如引用气象资料中的风速U0，当U0＜2m/s时，考虑车辆高速行驶的空气拖动效应，应按下式修正：式中：A----与车速相关的系数，车速为80-100km/h，A=1.85；θ----风速矢量与线源夹角(°)。当计算得出的U<U0时，仍用U0。(2)垂直扩散参数σz：式中：σza----常规垂直扩散参数，m；a,b----分别为回归系数和指数（取值见表D2），m；σz0----初始垂直扩散参数（取值见表D3），m；X----线源微元至预测点的下风向距离，m.。(3)水平扩散参数σy：式中：σya----常规水平横风向扩散参数,m；σy0----初始水平扩散参数(取值见表D4)，m；θP----烟羽水平扩散半角，（°）；X----线源微元中点至预测点的下风向距离，m；c、d----回归系数(取值见表D5)；(4)风向平行于公路中心线时的常规扩散参数确定当风向与公路中心线平行时，初始水平和垂直扩散参数仍可用前面非平行的情况进行计算，而常规扩散参数则要用以下方法计算。1）常规垂直扩散参数：式中：r----微元至测点的等效距离，m；e----常规扩散参数比，靠近路中心线e取小值，反之取大值；y----线源微元至预测点的横向距离，m。其余符号意义同前。2）常规水平横向扩散参数：式中符号意义同前(实际计算时要注意，必须将[c-dln(0.001y)]从度转换成弧度再计算)。(5)沿海地区扩散参数的确定沿海地区空气扩散比内地平原地区好，确定常规扩散参数时，应将沿海地区计算得出的稳定度按表2进行修正，再按表3和表4选择a,b,c,d值。若环境地形较复杂，如处于山岭重丘区或沿海空旷区，则扩散参数要进行适当修正，详见复杂地形模式一节。CALINE4模式原文资料引自国家环保总局监督管理司《环境影响评价教材》。进行了适当补充修改。为了预测道路汽车尾气排放污染物在接受点产生的浓度，CALINE4将道路划分成一系列的线元，分别计算各线元在该点产生的浓度（见下图所示），然后再求和计算整条道路汽车尾气在该点产生的总浓度。1.线元的划分方法预测点与道路的距离是指该点到道路中心线的垂直距离。第一个线元的长度与道路宽度相等，为一边长等于路宽的正方形，它的位置由道路与风向的夹角（θ）决定。第一个线元的位置如下确定：若风向与线源夹角θ<45度时,过测点P作一条与P1P2成45度的线((方向朝P2一侧)),交点即为第一个线元中心点；若θ≥45度时,过P点作Y轴的平行线与P1P2的交点为第一个线元中心点。上面已确定了影响预测点的线源段的起点A和终点B。其它线元将以第一个线元为基础，分别向A端和B端截取第二、第三...第N个线元。第一个线元的长度为道路的宽度，其它线元的长度和位置由下面公式确定：式中：La──为线元长度；W──为道路宽度；n──为线元编号；Lr──1.1+θ3/（2.5×105）为线元长度增长因子，与道路与风向的夹角有关（θ以度为单位）。线元距接受点越远，其对接受点的影响就越小，线元的长度就越长。按上式来划分线元，综合考虑了计算的精确度和计算效率。2.扩散模式划分后的每一线元看作一个中点在线元中心，方向与风向垂直的相应的有限长线源（FLS）。以线元中心为坐标原点，下风向为X轴正方向，对每个线元建立平面坐标系，把线元内汽车尾气的排放看作沿有限线源FLS上排放，再用下述高斯模式来模拟该有限线源的扩散其中；，x1、x2和x分别是线元左、右端点和测点的横风向坐标。此积分可用不完全伽马函数计算。最后叠加各线元在测点的计算结果。3.扩散参数计算方法CALINE4采用初始混合区来模拟车流运动对汽车尾气扩散的影响，初始混合区的宽度（σY0）定义为机动车道路宽度再在两旁各加上3m，增加的宽度代表运动汽车尾迹对尾气水平扩散的影响。初始混合区高度可用下式计算：σZ0（m）=1.6+0.1×TT为汽车尾气污染物在混合区内滞留的时间(s)，上式中W为混合区宽度，u为地面风速，θ为风向与道路夹角。在距道路中心线500m以外，扩散参数可参照HJT2.2-1993附录B2选用(按有风情况)。自初始混合区外缘到500m范围内的扩散参数可用线性内插法求得。即按初始混合区的σZ0和σY0以及500m处的σZ和σY内插处于初始混合区和500m之间的其它各点的扩散参数。以上介绍方法仅适用于有风情况（U10≥1m/s），对于小风静风模式（U10<1m/s），则应采用HIWAY-2中微元法，对每线微元使用导则中的点源小风静风模式（该模式的水平和垂直扩散参数的计算方法，也应按其相应规