广州市机动车排放污染三维仿真模拟研究

第一作者:孙艳军,男,1978年生,博士研究生,主要从事环境评价与规划研究。

#通讯作者。

3广东省自然科学基金资助项目(No.04300916)。

(4)在模型计算过程中没有考虑道路、墙面等反射面对噪声的反射影响,而实际的监测环境中客观存在噪声反射,这对噪声的监测结果有加强作用,这也是导致模拟值普遍偏小的主要原因。

5结论 该系统实现了对城市噪声信息的科学管理,能快速地为城市的发展决策提供信息支持。

系统的城市道路交通噪声模拟模块实现了对城市交通噪声环境进行数值模拟,通过这一模块的模拟计算,可以反映出交通情况、道路情况发生改变,所带来的城市道路交通噪声变化情况。

在模拟结果中,城市交叉路口的个别噪声指标出现了偏离实际观测值的现象,这是由于预测模型的不完善,有待进一步的改进。

参考文献1　徐新阳,余庆波,孙丽娜.环境评价教程.北京:化学工业出版社,2004.107～1242　施伯乐,丁宝康,周傲英,等.数据库系统教程.北京:高等教育出版社,1999.135～1413　陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论.第2版.北京:科学出版社,2000.15～534　陆守一,唐小明,王国胜.地理信息系统实用教程.第2版.北京:中国林业出版社,2000.32～335　李本纲,陶澍.道路交通噪声预测模型研究进展.环境科学研究,2002,15(2):56～596　李本纲,陶澍,曹军,等.城市道路交通噪声预测理论-统计模型.环境科学,2002,21(6):1～57　常玉林,王炜.城市道路交通噪声分析和预测方法研究.公路交通科技,2003,20(2):169～171责任编辑:贺锋萍　(修改稿收到日期:2005205219)广州市机动车排放污染三维仿真模拟研究3孙艳军1包芸2#陈新庚1彭晓春3(1.中山大学环境科学与工程学院,广东广州510275;2.中山大学近岸海洋研究中心,广东广州510275;3.国家环境保护总局华南环境科学研究所,广东广州510655) 摘要基于三维的对流-扩散方程,采用50m ×50m ×20m 的高分辨率网格对广州市机动车排放污染扩散的宏观分布状况进行了数值模拟研究,应用有限体积法数值求解上述方程。

模拟过程综合考虑了广州市的路网结构、交通流和路网线源排放强度等因素,进行了均匀风速的简单气象条件试算。

结果表明,机动车排放污染物浓度随交通流量而变化,随高度增加而下降,上风向污染物浓度大于下风向,模拟结果与实际污染情况具有较好的一致性。

关键词机动车排放污染污染扩散三维模拟A pilot study on three 2dimensional numerical 2simulation of motor vehicleemission pollution in G u angzhou city S un Yan 2j un 1,B ao Yun 2,Chen X ingeng 1,Peng X iaochun 3.(1.School of Envi ronmental Science and Engineering ,S un Yat 2sen Universit y ,Guangz hou Guang dong 510275;2.Research Center f or Coastal Ocean S cience and Technolog y ,S un Yat 2sen Universit y ,Guangz hou Guang dong 510275;3.S outh China I nstitute of Envi ronmental Science ,S E 2PA ,Guangz hou Guang dong 510655)Abstract :　Based on the convection -diff usion equation ,three 2dimensional dispersion of motor vehicle emission pollutants were modeled using high 2resolution grid spacing by 50×50×20meters.The convection 2diffusion equation was solved numerically using the finite volume method.Several factors were taken into account comprehensively inclu 2ding the distribution of roads system ,the traffic flow ,line source strength ,and so on.Specially ,two computational analog for windiness and without wind were taken example for a trial.The results show that motor vehicle emission pollutant concentrations typically follow the traffic flow rate.Pollutant concentrations decline as the height increases ,and are higher on the leeward side than on the windward side.Simulation predictions agree reasonably well with field measurements.K eyw ords :　Vehicle emission pollution Pollution diffusion Three 2dimensional simulation 近年来,随着城市化进程不断加快和机动车保有量迅速增加,机动车排放的污染物对城市大气环境造成的影响日益严重[1～5]。

据广州市汽车尾气污染分担率调查显示,CO 、HC 、NOx 和细颗粒物在大气污染物中所占比例分别为80%、75%、68%和50%,已成为广州市空气污染的第一大污染源。

广・032・　环境污染与防治　第28卷　第3期　2006年3月州市已经出现了由机动车排放污染引起的光化学烟雾和细粒子污染问题,O 3和前驱物NO X 的浓度远远超过了国家空气质量标准[6]。

由于机动车排放高度接近人的呼吸带高度,直接影响了行人和周围居民的健康,因此研究广州市机动车排放污染扩散规律为城市交通污染防治及决策提供科学依据,减轻机动车排放污染对人体健康的风险具有重要意义。

如何定量化评估机动车排放污染物扩散是个重要科学问题,是当前的热点研究领域。

欧洲、美国和日本等自20世纪60年代末对机动车排气污染物扩散模式进行了多方面的研究,但一般多是针对高速公路和城市典型街道峡谷等局部问题进行讨论[7～13]。

利用计算机仿真模拟技术对整个城市区域机动车排放造成的交通污染动态宏观分布状况进行数值模拟和预测的研究尚不多见[14]。

本文尝试探索广州市机动车排放污染扩散宏观分布的三维数值模拟技术,期望能对我国其他城市和地区的机动车污染控制决策提供一定的借鉴和参考。

1　机动车排放污染物扩散模拟系统 机动车排放污染物因气象动力条件的影响在大气层中扩散,形成了城市中各处随时间变化且程度不同的污染。

以广州市地面上近地大气层为研究空间,以机动车行驶排放的污染物为研究对象,以该空间内污染物的扩散分布状况为研究内容,从而获得城区立体空间中各点随时间变化的污染物浓度的宏观动态分布。

城市交通污染扩散过程是个复杂三维非定常湍流流动和质量浓度扩散的模拟问题[15,16]。

根据流体力学理论,在三维直角坐标系统中,有源的条件下,污染物在大气中的传输、扩散遵循式(1)的对流-扩散方程: 9c 9t +u 9c 9x +v 9c 9y +w 9c 9z =99x (k x 9c 9x )+99y (k y9c 9y )+99z (k z 9c 9z)+s(1) 边界条件:9c9xi|L =0式中:C 为污染物的浓度,mg/m 3;u 、v 、w 分别为相对于x 、y 、z 方向的混合物位移平均速度分量,m/s ;k x 、k y 、k z 分别为相对于x 、y 、z 方向的混合物扩散系数的分量,m 2/s ;s 为源和汇,mg/(m 3・s );L 为除地面以外的求解域边界;x i 为与所在边界垂直坐标。

采用有限体积法数值求解上述的对流—扩散方程,对流项采用一阶迎风差分格式,扩散项采用中心差分格式,整个求解利用半隐式迭代进行。

2城市路网线源强度计算方法 研究公路行驶的机动车排放的污染物扩散情况,把道路看作是不断排出污染物的线源,线源强度根据公路的车流量、机动车综合排放因子等因素确定。

道路高峰小时车流量污染物排放强度计算见式(2)。

Q ik (t )=13600Σni =1E F ik (t )×N k (t )×σk(2)式中:Q ik 为道路高峰小时i 类污染物排放强度,mg/(m 3・s );E F ik 为k 型车综合排放因子,g/km ,取值见表1[17];N k 为道路机动车高峰小时车流量,辆/h ;σk 为车型比例系数。

表1　分类车型单车污染物排放因子g/km 车型CO HC NO X 轻型车36.291 3.310 2.881中型车33.249 4.519 4.671重型车17.830 2.86013.760摩托车20.0073.4860.1843　广州市机动车排放污染的初步模拟3.1研究区域 研究选取广州市区的经纬度范围:经度在113°11.43′E ～113°24.12′E ,纬度在23°3.05′N ～23°10.41′N 。

大小为21.6km ×13.6km ,包含了整个广州市范围,以交通模拟范围为中心。

3.2计算网格划分 为了能精细地反映机动车排放污染物分布扩散情况,在计算网格的划分上采取Δx =Δy =50m 的高分辨率网格步长,使计算网格步长与主要道路的宽度具有同样的数量级。

Z 方向最高高度为200m ,考虑山丘地形的影响,网格沿地面起伏而变化,但仍是等距网格Δz =20m ,计算总网格数为432×272×20。

3.3污染源强估算 选取广州市区的100多条主要道路作为污染源,路网结构如图1。

图1　广州市路网结构图 据调查研究,广州市城区车流量的昼夜变化明显呈双峰型,分别出现在8:00-10:00和17:00-19:00两个时段。