从道路设计角度改善交通空气质量的可行性分析_彭小红

从道路设计角度改善交通空气质量的可行性分析

*

彭小红

1

邱兆文

2

（1.陕西交通职业技术学院汽车工程系，西安710018；2.长安大学汽车学院，西安710064）

摘要：道路交通是重要大气污染源之一，随着机动车数量的增加，其排放污染物对环境空气质量和人体健康的影响日益严重。影响道路环境空气质量的主要因素包括机动车排放、扩散状况和受体分布。道路设计能够从道路线形、道路设施及配置等方面影响到机动车运行排放水平并改变污染物扩散，从而影响到公众的污染物暴露水平。从道路线形、地形位置、路边设施（声屏障、树木绿化）等方面综述了道路设计要素对路边空气质量影响的研究现状，表明了从量化道路设计指标角度改善交通空气质量的可行性；在美国道路建设和环境符合性方面的政策分析基础上，分析了我国道路建设总流程中环境考虑要素，以期为进一步完善我国道路设计导则提供参考。关键词：道路设计；空气质量；改善；可行性分析

DOI ：10.13205/j．hjgc．201609017

ANALYSIS ON THE FEASIBILITY OF IMPＲOVING TＲAFFIC AIＲQUALITY

THＲOUGH ＲOAD DESIGN

PENG Xiao-hong 1，QIU Zhao-wen 2

（1.Department of Automobile ，Shaanxi College of Communication Technology ，Xi'an 710018，China ；

2.School of Automobile ，Chang'an University ，Xi'an 710064，China ）

Abstract ：Ｒoad traffic is one of the key sources of air pollution．With the increase of motor vehicles ，the traffic emissions have increasingly impact on air quality and public health．The main factors that influence the road air quality include motor vehicles emission ，diffusion and receptor distribution．Ｒoad design can impact vehicles operating exhaust level and change pollution diffusion from the aspects of road alignment ，road facilities and configurations ，and affect the public pollutant exposure．This paper summarized the literature reviews about the impact of road design ，terrain position ，roadside facilities （noise barrier ，tree planting ）on roadside air quality ，and demonstrates the feasibility of improving air quality from the point of quantitative road design．On the basis of the analysis of road construction and environmental compliance in the United States ，the environmental considerations in the general process of road construction in China are analyzed ，and some suggestions are provided for the further improvement of the road design guidelines．Keywords ：road design ；air quality ；improvement ；feasibility analysis

*中央高校基本科研业务费专项资金资助（310822152006）；住房和城乡建设部科学技术计划项目（2016-K2-O32）。收稿日期：2015－12－20

0引言道路是关系国民经济与社会发展的重要基础设施，但是，道路的建设和运营也带来了大气环境污染问题

［1］

。生活或工作在道路附近的人们具有较高的

患呼吸系统并发症、心血管疾病及受到其他不良健康影响的风险。机动车排放污染物是道路交通主要污染源，由于近年来各国实施了严格的汽车排放标准，

使得单车排放因子已经大大下降。如美国单车排放中挥发性有机物排放与1970年相比，目前下降了90%，PM 和NO x 也分别下降了80%。但是目前机动车仍然是城市重要的大气污染贡献源，其主要原因是机动车保有量的增加抵消了单车排放的下降效果。而且，一些机动车相关的非尾气排放（如制动、轮胎磨损等）并没有相关法规予以控制，这些污染物排放量也会随着汽车保有量的增加而增加。

城市规模扩大和道路网的不断完善导致了生活和工作在道路附近的人口数量增加，这部分人群直接

暴露在机动车一次污染物和二次污染物及其混合物中。据统计，30% 40%的美国城市公众暴露在道路附近较高的交通污染物浓度水平。在许多城市人口密集的国家，这个数字更高。最新调查表明，我国约有1.4亿居民居住交通干道沿线的50m范围内，长期暴露于交通排放污染中［2］。因此，制定除汽车自身减排之外的对策是非常迫切的，进一步挖掘道路交通降污潜力，以保护公众健康。本文从道路设计要素对交通污染暴露的影响分析出发，探讨了通过改善道路设计降低交通污染暴露的可行性，为制定考虑环境改善的道路设计技术导则提供参考。

1道路设计对空气质量的影响

1.1设计车速和线形

研究表明，机动车排放和道路设计要素（设计车速、道路等级、坡度等）之间是相关的［3-4］。设计车速既是道路线形设计的关键参数，也是影响汽车排放的重要因素。Barth M等研究总结得到汽车运行稳定速度在72 80km/h时CO2排放和油耗最低［5］。Boriboonsomsin K等研究得到车辆在通过上下坡（6%坡度）时要比平路通过多消耗燃油15% 20%，这表明下坡时节省的燃油并不能抵消上坡时增加的油耗，同时增加了汽车排放［6］。Myunghoon K等分析了公路竖曲线设计对机动车燃油消耗和排放的环境影响，实例验证了平缓曲率的竖曲线设计对于公路的整个寿命是具有环境效益和经济效益的［7］。

1.2道路地形

风洞模拟（1ʒ150比例模型）研究比较了相对周边地形不同道路高程对汽车污染物扩散的影响［8］。如果道路附近没有其他结构物，平面道路（道路断面与周边地形具有相同的海拔高度）上污染物的扩散经历了最小的混合过程。但是在截面道路（带有垂直或倾斜的边坡）上，这种道路结构将会增加空气湍流，促进了汽车污染物的混合和扩散，使得周边道路污染浓度降低。另外，当风流出或吹向道路截面时，与平面道路相比污染物烟羽将会抬升更高，有利于扩散。Feeney P J等在不同配置（平面、斜坡、高填土等）的洛杉矶城市高速公路上风向和下风向分别进行了PM采样分析［9］。结果表明，截面路段部分比其他情况的道路污染物浓度低。研究暗示了高填土部分道路可能带来比平面路段更高的下风向污染物浓度。另外，有研究表明除了影响气流，改变道路地形也可以影响机动车运动湍流和排放热湍流引起的动力和浮力。

1.3噪声屏障和树木绿化

道路附近的设施和建筑结构（如噪声屏障、绿化和建筑）也会影响污染物传输和扩散，它们的结构特征影响汽车排放污染物的初始扩散，并增加气体湍流运动，导致机动车排放污染物的混合在道路下风向建筑物周边聚集。

噪声屏障通过阻塞和改变声波方向降低了交通噪声，这些屏障也影响着空气污染物的扩散，促进了污染物的垂直混合。现场测试、实验和数值模拟均表明路侧设障是一种缓解机动车排放污染影响的实用方法，因为道路附近污染物浓度在障碍物下风向明显下降。Schulte N等探讨了障碍物高度对道路污染物浓度的影响［10］。Hagler G等应用计算流体力学（CFD）建模方法模拟了六车道公路路边有无屏障的两种情况机动车排放扩散的影响及污染物浓度场分布［11］。结果表明，污染物降低效果与路边屏障高度、风向等有密切关系。BaldaufＲ等评价了声屏障对CO和PM的影响效应，结果表明：在某种风向条件下声屏障会导致路上较高的污染物浓度，另外，在声屏的基础上增加树木能够降低道路附近的PM浓度［12］。一些研究对不同高度的声屏障的降污效果进行了实测探讨［10，13］，结果表明：在当风向垂直于道路向屏障时，在6m的屏障后面地面污染物浓度将下降15% 50%，尤其对于PM下降程度高于50%。

与噪声屏障类似，绿化也能够影响道路附近的污染物浓度。乔木和灌木复杂多孔的结构当空气穿过和在绿化附近时增加了空气湍流和促进混合和扩散。绿化的多孔性促进道路上空气的流动，因此不会导致道路污染物的聚集。Jonathan T等运用气溶胶动力学化学模型（CＲAG）研究了路边绿化带对公路机动车PM排放的壁垒作用影响效果［14］；蔺银鼎等采取现场模拟方法研究了城市道路绿化隔离带对道路中心颗粒污染物向非机动车道扩散的影响［15］，均验证了绿化对污染物浓度的稀释作用。

2美国道路设计与环保政策

上述研究进展推动了交通规划人员和工程师在进行公路沿线土地规划、路边设施和建筑时，考虑降低附近人群的空气污染暴露影响。尽管目前尚无有关降低公众污染暴露的道路设计导则，但美国在相关政策实施中已有所体现。美国在治理现有道路和新建道路工程的空气质量影响时，需要规划者评估道路

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Air Pollution Control