机动车尾气扩散模型探析2800字

1 1 2 6通过前文CVEM排放模型可以测算获得排放源强度，在机动车排放污染物之后，便是污染物扩散过程。本文假设路段上每一辆车即为一个排放源，排出的尾气会以一定方式运动在空气中扩散，模拟该种扩散过程常用到的是1994年Turner150提出的高斯烟羽模型，以及Benson等511提出的加利福尼亚 (CALINE4)。下面会对两种模型以及对本文所采用的建模过程进行介绍。1.1基础模型介绍1.1.1基于点源的高斯烟羽模型Turner150提出的高斯烟羽模型，见公式(2-5,是一种计算连续平均点源的扩散模型。该模型假定空气污染物扩散是符合高斯分布的，也就意味着污染物浓度分布是服从正态概率分布的。具体的假设条件包括五方面：(1)地表是平坦的； (2)风速在整个扩散空间中是均匀不变的；(3)烟气到达地面全部反射，没有化学反应和沉降产生，即污染物质量在整个扩散过程是不会改变的；(4)污染物源强是连续且均匀的；(5)污染物浓度在y、z轴是服从正态高斯分布的。高斯烟羽模型被广泛用来估计来自地面或高架源的连续浮力空气污染羽流的分布。c(x,y,z)——接收点(x,y,z)的平均排放浓度(单位mg/s);o——原点为排放点所在位置；x——x轴正向为风速方向，为排放点沿风向上任一点的距离(m);y——y轴垂直于水平面xoz,为排放中心轴在直角水平方向上任一点的距离(m);z——z轴垂直于水平面xoy,为距离地表任一点的高度(m);H₀——排放点所在距离地面的高度；o,、o₂——水平和垂直分布的标准偏差，与大气稳定性、x的位置以及其他因素图2-1高斯烟羽模型【见谭宇姐】1.1.2加利福尼亚线源扩散模型上述中的高斯烟羽模型经过推广，可扩展为线源模型，Benson等5将该模型命名为加利福尼亚线源扩散模型(CALINE4)。CALINE4模型是基于高斯烟羽模型和混合区域概念以及污染物沉积沉降速率综合考虑得到的一种线源扩散模型】。该模型是依照当地气象条件，根据交通流量数据、接受污染片区的几何形状预测经一定扩散后，一定区域空气中的污染物浓度。它主要用于预测、模拟扩散颗粒物、CO、NO2等污染物浓度。在所有建模过程的基础之上，Benson等研发出了一套可供相关科研人员使用的CALINE4软件。该软件可用于模拟污染物的排放过程，需要的输入数据包括以下几个部分：(1)路段的地理状态：路段类型，每条路段的长度；(2)路段的机动车运行状态：每个路段的排放因子以及交通量；(3)气象条件：风速、风向、风向标准差、大气稳定度、混合层高度、环境温度、背景污染物浓度等。(4)接受点位置：输入各测量点具体坐标。在输入给定数据之后，CALINE4软件能够模拟污染物排放的过程，估算出在研究区域给定接收点的排放浓度。因软件来源不可得，本文并不使用CALINE4软件，而是主要对CALINE4模型的具体建模过程进行重点学习，并对该模型进行合理且适当地简化，以估算扩散后至接收点的污染物浓度。CALINE4模型的基本思路是首先将道路看成一系列的线源单元，再依次计算各线源单元所排放的污染物浓度，经过一系列的扩散过程，到达接收点时产生对该接收点的污染浓度贡献，最后求和所有线源单元对该接收点的浓度贡献521,便可以得到选定测量点的总污染扩散浓度，如图2-2所示。EY测量点距离D的大小等于测量点到路段中心线的垂线段长度的大小。第一个元素ε。成为与路段宽度相等的正方形，它的位置取决于路段与风向的夹角PHI.若PHI≥45°,第一个元素的中心便位于测量点的逆风向位置。若PHI<45°,那么第一个元素8。的位置保持不变且与其在PHI=45°时的位置相同。ε。的位置调整有助于实现非常接近路段的测量点的平滑模型响应。后续元素的位置和长度由式2-6和2-7确定：ELBASE=1.1+PH³/(2.5×10⁵)W——路段宽度；NE-元素编号；BASE-元素增长系数；PHI-路段与风向夹角(角度)。通过建模，每个元素被等价为一个垂直于风向且中心与元素中心相同的有限线源(FLSe),如图2-3所示。对每一个元素而言，建立了以元素中心为坐标原点且与风向对齐的局部坐标系。发生在每一个元素内的排放被认为是代表对应元素的有限线源FLS的释放。排放从元素顺风扩散假定为是服从高斯分布，且线源强度被认为是均匀的。每个有限线源FLSe的长度和方向是元素大小和路段与风向夹角的函数，如图2-3所把每一个有限线源FLS划分为无数个无限小的的部分dy,每一个dy对测量点排放浓度的贡献(增量浓度)为dC,dC可利用基于点源的高斯模型来进行计算，如图2-5所示，且有公式(2-8)。dC——增量污染扩散浓度；u——风速；Hp——污染源处的烟羽高度；σy和σ₂-水平和垂直分布的标准偏差。由于σ₂对于dy来说是常数，便令：对线源FLS内的所有无限小的dy进行积分，有：值得注意的是，σ,和σ₂是x而不是Y的函数。进行如下替换(p=y/σy,dp=dy/σy)后则有：很显然，我们可以发现，PD是符合正态概率密度函数的。1.2出行污染排放-扩散建模基于前面对两个模型的介绍，我们做了一些简化来适用于本文的交通排放暴露一体化建模过程。由于高斯烟羽模型的参数不在本文的研究范围以内，故使用公式(2-13a)和(2-13b)将扩散参数表示为x的函数，认为大气环境是稳定的。在本文中，由于只关注局部范围内近地面的车辆尾气排放量和排放浓度，故做如下假设：z=0,H,=0.因此，基于点源的高斯烟羽模型能够简化为以下公式。对于任意顺风向位置(也就是说x≥0时)有2-7a,而对于任意逆风向位置 (即x<0时),认为排放浓度c(x,y,z)=0。接着，根据CALINE4模型的相关建模思路，我们将基于点源的排放扩散浓度推广到基于线源(路段)的排放扩散浓度。首先，我们忽略路段的宽度，并将单个路段分解成大量的长度相等的小元素，每个小元素被等价为一个有垂直于风向的有限线源(FLS),且有限线源的中心就是小元素的中心。由于每个有限线源上的点具有相同的横坐标，它们具有相同的扩散参数σ,和σ2,因此，由某一有限线源FLSe引起的排放扩散浓度C(x,y)可通过对FLSe长度上的连续点源积分计算得到，见公式(2-15)。请注意，y¹和y²表示等价有限线源FLSe两端点的Y坐标，可根据被划分的单个小元素的长度()和小元素与风向的夹角(φe)来确定，见公式(2-16)和(2-17):,那么由单个有限线造成的排放扩散浓度可表示为公式φ(.)表示服从标准正态分布的累积概率密度函数。在上述建模过程中，测量点横、纵坐标的确定依据的是以有限线源FLSe的中心为原点的局部坐标系，x轴表示风向，y轴表示垂直于风向的方向。因此，当把测量点(X,Y)和单个有限线源FLSe(中心为(x,Y))放在全局坐标系中(交通网络)考虑时，认为X轴与风向的夹角(逆时针方向测量)是γ,下面的公式(2-19)和公式(2-20)就可被用来进行全局坐标(X,Y)到局部坐标(x,