东南大学-基于碳足迹测度模型的TransCAD二次开发

基于碳足迹测度模型的TransCAD二次开发

陶涛，黄家骏，蒋聪之，陈智

指导教师：过秀成，李铁柱，朱彦东

（东南大学交通学院江苏南京）

作品内容简介

随着世界各国对环境问题的日益重视，其中全球变暖和大气污染问题更为收到人们的关注，相关研究也变得十分重要。本文通过对交通运输过程中产生的二氧化碳及空气污染物排放过程进行研究，整合了国内外已有的排放理论，构建出合理的排放量计算模型，同时结合TransCAD的GISDK二次开发平台，设计二氧化碳排放与空气污染物排放量计算与评估功能，对交通规划方案或者现有的城市道路方案进行二氧化碳排放及空气污染物的计算，对所得数据进行分析，评估方案的二氧化碳排放及空气污染物对环境影响的大小，使规划方案更好地反映城市“低碳”和“环保”发展的诉求。最后，将所开发的软件用于南京市江心洲城市交通规划方案，对三个备选规划方案进行评价，筛选出更为符合低碳生态要求的规划方案，实现环保理念。

关键词：碳足迹；空气污染物；TransCAD软件；二次开发

1.研究背景

据奥斯陆气候和环境国际研究中心的研究报告称，汽车、轮船、飞机和火车等交通工具所使用燃料释放的温室气体是目前造成全球变暖的主要原因之一。报告指出，过去10年全球二氧化碳排放总量增加了13%，而源自交通工具的碳排放增长率却达25%。欧盟大部分工业领域都做到了成功减排，但交通工具碳排放却在过去10年增长了21%。碳排放在实质上和污染物存在着关系，碳排放的增加很大程度上将导致污染物的增加。目前交通产生的污染在很多国家尤其是发达国家已经成为一个重大环境问题。即使在环境优美的欧洲，交通污染也是相当严重的。全欧洲由道路交通产生的CO、NOx分别占CO、NOx总排放量的80%及60%左右，其中，在伦敦市，路面机动车产生的NOx占总排放量的74%，烟尘(主要是CO)占94%。可以说现行的交通工具对区域性的大气污染的“贡献”已经占到第一位，总体而言已经超过了工业污染。

现有的路网规划方案内容仅仅涉及道路的走向、布局、设计车速、交通量等方面，并没有考虑到碳排放要求。如果考虑碳排放量，将会带来以下好处：（1）发现很多道路设计不合理之处，使规划方案更具有合理性。通过比较不同的设计方案的碳排放量，可以评价道路网的可达性。往往因为道路间没有很好的衔接，而产生了多余的二氧化碳。

（2）从环保角度合理配置各种交通方式，使规划方案更具有效率性。对各交通方式进行统一的管理，保证道路的畅通，也是降低碳排放量的途径之一。同时，确保各交通方式的衔接，引导人们使用低碳、清洁的交通工具。

（3）鼓励规划工作者考虑新型环保节能交通方式，使规划方案更具前瞻性。例如可以通过加大轨道交通的建设力度，保障公交优先政策的实施，以减少小汽车的使用率。

因此，本文通过对交通运输过程中产生的二氧化碳及空气污染物排放过程进行研究，构建出合理的排放量计算模型，同时结合TransCAD的GISDK二次开发

平台，设计二氧化碳排放与空气污染物排放量计算与评估功能，对交通规划方案进行二氧化碳排放及空气污染物的计算，对所得数据进行分析，评估方案的二氧化碳排放及空气污染物对环境影响的大小。

2.研究流程

3. 理论基础

碳足迹测度模型就是对碳排放量进行计算的模型，对于二氧化碳排放模型，我们主要基于车辆燃料消耗进行建模，对于一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等空气污染物排放模型，我们主要基于车辆排放因子进行建模。

3.1基于车辆燃料消耗的二氧化碳排放模型

城市交通领域的二氧化碳排放来自于车辆燃料消耗，我们基于碳守恒原理，对于二氧化碳的排放进行计算，假定车辆消耗燃料产生的碳全部通过二氧化碳的形式排放到外界。

3.1.1 基本计算公式

车辆在行驶过程中的二氧化碳排放量为

（3-1）

其中，

M——车辆行驶过程中因燃料消耗所产生的二氧化碳排放量，单位是kg；

v——车辆每公里消耗燃料的平均体积，单位是/km，

S——车辆行驶的距离，单位是km，

D——车辆所消耗的燃料的密度，单位是，

R ——燃料的含碳质量比，单位是1。

M(CO 2)—CO 2的相对分子质量，数值为44。

M(C)—C 的相对原子质量，数值为12。

3.1.2 变量讨论

由上述讨论得到的公式

（3-1）

我们需要知道四个数据才能计算出车辆在行驶过程中的二氧化碳排放量，然而对于这四个变量，在不同情况下需要作出相应的变化以计算出更加精确的二氧化碳排放量，因此我们对于公式中的各个变量进行了深入的讨论研究，详情请见项目研究报告。

3.2 基于评价因子的空气污染物排放模型

机动车排放污染物的方式有三种：排气（尾气）、曲轴箱窜气、燃油蒸发。排气尾气成分有CO 、HC 、NOx 、SO 2、微粒（铅化物、碳烟）、臭气；曲轴箱窜气

主要成分HC （约占25%）；燃油蒸发HC （约占20%）。表列出了机动车排放污染物三种方式排放量对比，从中可以看出，机动车排放污染物主要以排气管排放的废气为主。 同时，也可以看出CO 、HC 和NOx 占了排放物的绝大多数。同时我国也将这三者列为车辆主要空气污染排放物。因此，本文研究选择CO 、HC 和NOx 作为城市交通机动车排放污染物的评价因子，应用于城市交通规划。

3.2.1 基本计算公式

交通污染物排放量计算公式为

（3-2）

式中，——路段i 机动车p 类污染物排放量，g/h ；

——路段i 里程（km ）；

——路段i 运行工况下j 型车p 类污染物排放因子，g/（veh ·km ）。 在交通规划软件分析过程中，通过交通分配以后可以确定交通网路中各路段的运行状态，排放因子可以通过拟合公式计算得到。

3.2.2 南京市机动车污染物排放因子

表2-7汽油车污染物排放

排放污染物的部

件

相对排放量（占该污染物总排放量的百分数）/% CO HC NOx 排气管

98~99 55~65 98~99 曲轴箱

1~2 25 1~2 油箱、化油器 0 10~20 0