基于交通模型的道路机动车排放模拟研究 1

刘登国，刘娟，伏晴艳，朱洪，楼狄明，黄伟民，王磊

1上海市环境监测中心， 2. 上海城乡建设和交通发展研究院，3. 同济大学 汽车学院

1 引 言

图1 基于交通模型的道路路段排放测算方法

近年来，我国机动车保有量每年增速很快，到2018年，我国机动车保有量已达3.07亿辆[1]，汽车占77.8%、摩托车占22.2%。机动车污染已成为各大城市的主要大气污染源，上海城市大气细颗粒物PM2.5源解析显示移动源排放占比为29%[2～4]。北京、天津、上海、重庆、澳门、广州、杭州、成都、乌鲁木齐、上海等城市[5-15]利用机动车有关模型估算了机动车排放清单。由英国剑桥环境研究中心（CERC）开发的ADMS-Urban模型已在英国、匈牙利、立陶宛、新加坡、香港、中国内地得到广泛应用，包括伦敦、布达佩斯、罗马、辽宁北部城市、上海等城市[15-18]，但基于路段的城市机动车排放清单及其扩散模拟研究较少。本研究以交通模型为基础，计算基于路段的机动车动态排放清单，并用ADMS-Urban模型模拟道路扩散情况，为实际道路机动车排放污染物预测预警提供技术支持。

2 基于交通模型的机动车排放研究

将在早高峰、平峰、晚高峰等3个时段建立的上海交通模型，接合上海典型道路线圈和高速公路收费站的分车型流量变化规律，细化输出为全路网7.2万条路段小客车、大客车、小货车、大货车、集卡、公交车和出租车等7种车型全天24小时的车流量和车速数据库。

以IVE模型的基本原理为依据建立路段机动车污染物的排放测算方法的公式如下：

其中，i为车型，j为道路类型；T为交通量，单位为辆/年，L为道路长度，单位为km；EF为排放因子，单位为g /（km·辆）。

根据交通模型的7.2万条路段7种车型24小时的车流量和车速数据库，接合上海车辆技术分布数据库中提取对应的车辆技术分布，计算各技术类型车辆的流量。根据平均车速从机动车基础排放因子数据库中获得各车型排放因子，根据计算路段的长度和总车流，计算路段的机动车污染物排放，每1 h将各路段计算结果进行汇总并输出（图1）。以2014年上海全路网工作日交通量为例，计算全路网机动车污染物排放清单，获得NOx、PM10、PM2.5、VOCs日排放量分别是264吨、19.6吨、17.5吨、83.6吨，上海市机动车排放市区与郊区差异明显，这与上海道路机动车交通量市区和郊区分布规律有关；因VOCs主要来自汽油车尾气排放，中心城区VOCs排放密度高于郊区；NOx排放高架道路和高速公路等主干道排放密度高于其它道路。

图2 机动车排放主要污染物空间分布1km网格分布规律

以早高峰8点机动车交通量为基础，计算早高峰机动车NOx、PM10、PM2.5、VOCs排放清单，以1 km网格的排放强度空间分布详见图2，排放强度高的地区分布在宝山浦东外环隧道、徐家汇、沪杭闵行莘庄、S4闵行路段。

3 基于道路排放清单的ADMS交通影响测算

ADMS模型基于高斯烟流分布计算污染浓度[15-18]：

式中，式中：为为计算点处的污染物质量浓度，mg/m3；为计算点在笛卡尔坐标系中的坐标，m；为源强，mg/(m·s)； 为平均风速，m/s 、分别为横向和铅直向扩散参数，m； 为线源高度，m；为线源长度，m；为高斯误差函数。

图3 VOCs、NOx、PM2.5（一次）污染排放模拟空间分布图

图4 NOx（上午8点（东南风））污染排放空间分布图

图5 NOx（上午8点（静风））污染排放空间分布图

本次模拟选择以主干路及高速、快速道路共计1.2万段建立的ADMS模型输入文件为例，其排放量约占全部道路的56%，计算道路机动车NOx、PM2.5、VOCs排放扩散规律。气象条件为：风向西北风和东南风，风速为3m/s、静风，晴天时候的云量（0）。由于ADMS只能模拟3000段路段，本次模拟分割成5段计算ADMS扩散情况，模拟数据汇总而成。上海早上8点为上班交通高峰期，各类污染物模拟的高浓度主要集中在内环、中环、外环线上及附近，从空间分布上快速路、高速等路段车流密集，成为高污染负荷的重点区域。主干路及高速路段两侧的高浓度距离约1 km，最大距离出现在下风向的100 m左右，最高值到背景值距离在1 km～2 km之间，平均约1.5 km左右(图3)。

抽取14个敏感点（图3）计算环境空气质量：在静风条件下，敏感点浓度在682～6 161 ug/m3，有3个点超出3 000 ug/m3。风速为3 m /s、西北风下，敏感点浓度在241～3 402 ug/m3；有12个超出250 ug/m3，有3个点超出1500ug/m3，在中环沪闵高架接触点最高。风速为3m/s、东南风下，敏感点浓度在55～1 103 ug/m3；有10个超出250 ug/m3，在外环浦东接触点最高。详见图4、图5、图6、图7。

图6 高速路及主干路和接受点位图

图7 敏感点污染排放图

表1 沪闵路北松公路口NOx最高值信息

每种气象条件下的7万个NOx数据，西北风、东南风、静风NOx最大值在沪闵路北松公路口(米坐标（347 803.34，3 435 874）)分别为14.5mg/m3、15.3mg/m3、19.3mg/m3，详见表1，以西北风为基准，东南风、静风下NOx浓度分别是其的1.1、1.3倍。其中NOx大于0.25mg/m3，西北风、东南风、静风分别占10%、9%、45%；大于1mg/m3，西北风、东南风、静风分别占0.7%、0.7%、30%。

4 结 论

① 基于交通模型的道路机动车排放NOx、PM10、PM2.5、VOCs排放量分别是264吨/日、19.6吨/日、17.5吨/日、83.6吨/日；中心城区VOCs排放密度高于郊区，NOx排放快速路和高速路等排放密度高于其它道路。

② 上海主干路及高速、快速道路共计1.2万段的排放量约占全部道路的56%，上海交通高峰期早上8点的NOx、PM2.5(一次)、VOCs模拟高浓度主要集中在内环、中环、外环线，从空间分布上快速路、高速等路段车流密集，成为高污染负荷的重点区域。主干路及高速路段两侧的高浓度距离约1km，最大距离出现在下风向的100 m左右，最高值到背景值距离平均1.5 km左右。

③ 14个敏感点计算的NOx浓度显示：在静风条件下，敏感点浓度在682～6161 ug/m3，有3个点超出3 000ug/m3。风速为3m/s、西北风下，敏感点浓度在241～3 402 ug/m3；有12个超出250 ug/m3，有3个点超出1 500 ug/m3，在中环沪闵高架接触点最高。风速为3m/s、东南风下，敏感点浓度在55～1 103 ug/m3；有10个超出250 ug/m3，在外环浦东接触点最高。