城市主干路汽车尾气污染物特性研究_郏国中

系用 VSP （ vehicle specific power） 表示，再考虑它受
到坡度、速度和加速度等因素影响，那么，其物理意
义可以理解为比功率，kW / t，即机动车单位质量所
需要的功率。
vsp = v｛ 1. 1a + 9. 81［atan（ sinθ） ］ + 0. 132｝ +
0. 000302v3
（ 2）
式中： v 表示速度，m / s； a 表示加速度，m / s2 ； θ 表
示路面坡度。
1. 2 求解汽车排放因子
郑州市区汽车实际的运行时间，速度、运动路线
和空间位置等交通流数据可利用 GPS 定位系统监测
采集。运用特征参数法识别汽车运行信息得到表 1。
汽车瞬时加速度可由瞬时速度算得。将路面坡度
在车流量中所占的比例；
E
d ij
表示
i
车型
j
类怠速排放
因子； Td表示怠速时间； T 表示计时周期。
利用试验或模型公式求得汽车怠速排放因子； 汽
车在主干路两端信号交叉路口的怠速时间 T1d 可以利
用公式 （ 6） 可以求得，其主要因素影响有： 排队长
度 L、交通流量 N、信号绿信比 K 等； 公交车站点的
366 2014 年 7 期（ 总第 115 期）
公路交通科技 应用技术版
3. 2 线源排放源强的分析计算
在主干路上汽车行驶速度相对稳定，车流连续不
断，因此，一条主干路汽车行驶中的尾气排放污染可
以近似一个线源分析计算。分析计算线源浓度时，应
综合分 析 线 源 的 长 度、 源 强、 风 向 和 风 速 等 影 响 因
n
∑ NEij φi
Qj =
i
3600
（ 9）
式中： Qj表示汽车 j 类排放因子源强，mg / ms； n 表 示车型分类总数； Eij 表示 i 车型 j 类排放因子； φi 表 示实际主干路上 i 车型在车流量中所占的比例。
3. 3 选择其他参数
采用交通流量监测仪采集交通流量参数； 主干路
两端信号交叉口怠速时间参考交通流状况确定； 通过
验验证。研究表明： 优化的 IVE 模型可以有效分析城市主干路的汽车尾气污染物浓度； 在交通高峰时段，公交车停靠
站点时的点源污染明显影响城市主干路汽车尾气 CO 污染物的浓度分布。
关键词： 交通工程； IVE 模型； 汽车尾气； 排放特性； 主干路
中图分类号： U418
文献标识码： B
合理治理汽车尾气污染是现代城市低碳交通实现 过程中急需解决的重要课题。雾霾天气的形成与汽车 尾气污染密不可分，如郑州市区雾霾天气从 2000 年 全年的 10 天剧增至 2010 年 186 天。表达机动车尾气 排放状况的最基本的参数为尾气排放因子，国内外研 究汽车尾气排放通常利用排放模型计算排放因子，这 种方法已取得了较好的应用效果。当今，全球各地环 境保护部门广泛应用以高斯模型为基础所建立的扩散 模型研究汽车尾气排放扩散特性，这种尾气污染扩散 浓度模拟计算方法最典型的代表是美国交通部开发 CALINE4 模型。应用证明： 与现场试验的数据进行 比较，利用 CALINE4 模型对城市主干路尾气污染物 浓度模拟数据基本一致。
（ 1） 汽车在主干路段两端交叉口等待时尾气排放；
（ 2） 汽车在主干路段上运行时尾气排放； （ 3） 公交
车在主干路段公交站点处上下乘客时尾气排放。
CA = CC + CL + CS
（ 3）
式中： CA表示监测点处污染物浓度，mg / m3 ； CC 表示
交叉口处怠速时尾气排放在监测点处形成的排放因子
18. 8
11. 5
45. 4
24. 8
18. 7
0. 30
0. 49
0. 50
－ 0. 33 － 0. 62
－ 0. 55
2. 6
29. 3
42. 3
40. 0
11. 1
10. 6
27. 4
29. 0
24. 9
30. 0
30. 6
22. 2
置的分布区间综合计算每秒的 VSP 值求出，如图 1 所 示的市区非高峰时段 VSP Bin 的分布特征，各区间有 相应的本地化系数。
尾气污染和公交车停靠站点时的尾气污染均为怠速等
待的稳定污染，所以他们对主干路的污染贡献均可按
点源污染模式分析。参考高斯点源模式，设 x 轴与风
向同向，那么，风向不影响点源扩散特征，可以建立
点源扩散公式为：
CC（ s） （ x，y，z）
=
Qd － exp［－ 2πσy σz u
y2 2 σ2y
］·
｛
exp［－
由公式 （ 4） 可知，分析与计算关键参数点源强
Q
d j
是求解
CC（ S）
的 前 提，Qdj
决 定 于 车 流 量、 车 型 比
例、汽车怠速排放因子和怠速时间等交通流参数，其
计算数学模型是：
n
∑ Nφi
E
d ij
Td
Q
d j
=
i
T
（ 5）
式中：
Q
d j
表示汽车
j
类排放因子源强，mg
/ s；
N 表示
计时周期 T 内的车流量； φi 表示实际主干路上 i 车型
表 2 郑州市四类汽车 CO 排放因子
类型
公共汽车
市区 （ 非高峰） / g·km － 1 5. 092
市区 （ 高峰） / g·km － 1 5. 561
怠速工况 / mg·s － 1 15. 801
快速路 / g·km － 1
1. 484
重型车 3. 090 3. 835 6. 358 1. 055
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城市主干路汽车尾气污染物特性研究
郏国中，吴心平，贾振华
（ 河南工业大学，河南 郑州 450007）
摘 要： 减少汽车尾气排放是研究城市低碳交通的重要课题，本文以郑州市为例，通过本地化修正 IVE 模型后提取汽
车尾气排放因子，采用满足城市主干路汽车尾气污染扩散特征的线源和点源排放源强计算方法，再由郑州市主干路试
其他
表 1 郑州市汽车运行工况特征参数
参数 平均速度 / km·h － 1 平均行驶速度 / km·h － 1 平均加速度 / m·s － 2 平均减速度 / m·s － 2 怠速时间比例 /% 匀速时间比例 /% 减速时间比例 /% 加速时间比例 /%
快速路 市区 （ 非高峰）市区 （ 高峰）
44. 4
图 1 市区非高峰时段 VSP Bin 的分布特征
综合郑州市区汽车通行交通管制措施，并依据郑 州市统计信息网发布的 2010 年郑州市统计年鉴，可 以采集车型构成比例信息。而汽车控制水平可通过查 询有关文献资料获取到。
综上所述，郑州市汽车污染物排放因子可由公式 （ 1） 计算得到。公共汽车、重型车、轻型车和轿车 在不同运行工况下 CO 排放因子见表 2。
∏ EFj = Bj × Ki，j
（ 1）
式中： EFj 表示 j 类车型本地化排放因子，g / km； Bj
表示 j 类车型的标定排放因子，g / km； Ki，j 表示 j 类车 型的第 i 种本地化系数。
本地化系数包括： 汽车技术状况参数、车型比例
参数、运行特征参数等。若汽车排放和瞬态运行的关
大量调查统计分析选择公交车站点怠速时间及有关参
数； 气温、风速、风向、气压等相关气象参数可求助
当地气象部分采集； 扩散参数 σy、σz 可利用经验扩 散曲线和气压稳定度的分级求得。
4 分析及验证
本实验选取郑州市区任寨北街文化路口到黄河路 文化路口的主干路段为分析对象。此路段附近有大超 市、小学、大学校园、大型医院等，双向车道，交通 流量大且交通状况复杂，具有典型的城市主干道特 征。CO 是城市汽车尾气排放中头号污染物，它对患有 呼吸系统疾病和心脏病人群危害很大，所以科学测试研 究市区主干路 CO 浓度是目前急需解决的社会性课题。 4. 1 采集及分析试验数据
（
z － H） 2 σ2z
2
］+
exp［－
（
z + H） 2 σ2z
2
］｝
（ 4）
式中： CC（ S） 表示排放因子浓度； x、y、z 表示监测点
坐标，z 取值为 1. 8m； Qd 表示点源排放源强，mg / s；
σy、σz分别表示 y、z 向的扩散参数； 珔u 表示近地面风 速，m /s； H 表示排放源高度，m。
轻型车 7. 326 8. 142 17. 536 1. 752
轿车 1. 448 1. 761 3. 431 0. 553
2 城市主干路汽车尾气排放特性分析
城市主干路汽车尾气排放污染应重点考虑 3 处贡
献源，因此，主 这 3 处 贡 献 源 的 总 和。3 处 贡 献 源 分 别 是
图 3 风速和风向变化图
监测期内 CO 浓度和交通流量值随时间的变化关 系如图 4 所示。上午 8： 00 左右，文化路车流量达到 早高峰期，9： 00 后车流量开始减少，不过下降幅度 不明显； 13： 30 时以后，车流量又迅速增加，第二个 高峰时段来临。第二个车流量高峰时段直到 21： 30 时 以后才逐渐消失。由图 4 可见，白天文化路车流量 大，主要原因是该路段处于郑州市区繁华地段。由图 4 还可以看出： ①第一车流量高峰和第二高峰期间， 尽管 CO 浓度值峰谷交错，波动较大，但 CO 浓度值 始终处于上升的态势； ②自第一个车流量高峰时段 起，直至 21： 30 左右，车流量与 CO 浓度监测值基本 上处于上升通道； ③白天 CO 浓度值波动明显，而车 流量比较稳定，车流量大小影响道路两侧污染物 CO 浓度，但两者之间并非为线性的变化关系。由此可： 道路附近 CO 污染物浓度不只是受车流量的影响，还受 到气象变化因素影响和汽车行驶速度变化的影响。 4. 2 模拟计算结果
1 郑州市汽车尾气排放因子分析
1. 1 IVE 模型分析原理 IVE （ International Vehicle Emission） 模型是为发
展中国家而开发的机动车污染排放模型，它是由加州 大学河边分校 （ UCＲ） 和国际可持续发展研究中心 （ ISSＲC） 集中骨干技术力量，充分考虑机动车运行工 况而创建的模型。该模型通过自身的标定排放因子乘 以多种本地化修正系数，然后求出某城市不同车型排 放因子。
素。可以建立线源扩散公式为：
CL（ x，y，z）
=
Q｛ 槡2 πu θ σz
exp［－
（
z － H） 2 σ2z
2
］+
∫ exp［－
（
z
+ H） 2 σ2z
2
］｝
·
y2
exp［－
y1
y2 2 σ2y
］
（ 8）
式中： CL表示汽车在主干路运行时在监测点处形成的
排放因子浓度； x、y、z 表示监测点坐标，z 取值为
试验路段几何形状如图 2 所示。道路两侧建筑物
平均高度 30m，监测点设定在非机动车道上，位于黄 河路文化路口和建文公交站点之间。从 2010 年 1 月 5 日清晨 6： 00 到深夜 24： 00 全程监测采集监测点处 CO 浓度、风速、风向等数据。
图 2 监测点位置图
按照上北下南，左西右东的地理方位原则标定风 向； 假定北风的风向为 0b （ 或 360b） ，则东南西风的 风向分别为 90b、180b 和 270b。风向和风速随时间 的变化关系如图 3 所示。
通常情况下，学者在以高斯模型为基础研究汽车 在城市主干路尾气污染时，把汽车在路段行驶时的排 放污染物假定为均匀的线源排放，即选择平均速度作 为主要参数来计算污染物排放因子。这种研究方法存 在很大的缺陷，它忽视了影响城市汽车尾气排放 3 大 特殊因素，即怠速工况时间长、加减速频繁和公交车 站点。为了更有效地分析城市主干路尾气排放特性， 本文基于高斯点源及线源扩散模型，系统分析汽车城 市主干路尾气排放污染物特性，以 IVE 模型本地化修 正估算郑州市汽车尾气排放因子，建立满足城市主干 路尾气排放特性的源强数学模型，实现更好地模拟城 市主干路汽车尾气污染状况。
θ 取值为 0，将速度、加速度的逐秒数据代入公式
（ 2） ，可 计 算 出 不 同 时 刻 汽 车 的 VSP 值。 VSP Bin
（ 比功率区间） 的整体运行特征可以基于 IVE 模型设
作者简介： 郏国中 （ 1975 － ） ，男，河南人，硕士，讲师，研究方向： 汽车运用。
2014 年 7 期（ 总第 115 期） 365
怠速时间 T2d 由 2 部分组成，分别为上、下乘客时间
Tk和公交车的驶入与驶出时间 Tj，交通高峰期时间和
乘客数量明显影响该时间的长短。
T1d = （ 1 － λ） δN δL T
（ 6）
T2d = Tj + Tk
（ 7）
式中： T 表示计时周期，h； δN 表示主干路交通流量
影响系数； δL 表示乘客数量影响系数。
1. 8m； Q 表示线源排放源强，mg / ms； uθ 表示线源与 风向风速，m /s； H 表示线源高度，m； y1、y2 分别 表示线源两端点纵坐标值； σy、σz 分别表示 y、z 向 的扩散参数。
比较线源强 Qj 与点源强的特征可知，汽车尾气 排放因子 Eij是影响线源排放源强 Qj 的主要参数，而 E ij 的特征参数是不含怠速时间的平均行驶速度。其计 算式：
浓度，mg / m3 ； CL表示主干路段上运行时尾气排放在 监测点处形成的排放因子浓度，mg / m3 ； CS 表示公交 车在站点上下乘客时尾气排放在监测点处形成的排放 因子浓度，mg / m3 。
3 汽车尾气污染源强的分析与计算
3. 1 点源排放源强的分析与计算
因为汽车在城市主干路两端交叉口等待通行时的