CN105138822A - 一种结构化交叉路口机动车尾气扩散评估方法 - Google Patents

Abstract

一种结构化交叉路口机动车尾气扩散评估方法，包括以下步骤：骤1.根据车流通过路段的车流量、各车型比例、排放因子等参数计算路段线源排放源强；步骤2.根据车流排队路段的车流到达率、交通信号绿信比、车道饱和流率、各车型比例、排放因子等参数，参考交叉口尾气扩散模式CAL3QHC模式，将排队路段的怠速排放转化为虚拟线源源强；步骤3.以交叉口中心为原点，建立坐标系，计算交叉口区域内任意的接受点分别在路口A、B、C、D内高度值为z的平面上对应的浓度分量值C_A、C_B、C_C、C_D；其中C_A为路口A内，距虚拟线源1距离为L₁处的污染物浓度；步骤4.由交叉口内接受点上风向的两段街道峡谷浓度和风向角θ计算接受点处污染物浓度C；步骤5.得出接受点M处的浓度在该周期内的污染物浓度值C。

Description

一种结构化交叉路口机动车尾气扩散评估方法

技术领域

本发明涉及环境预测技术领域，特别是涉及一种三面是建筑物一面是街头公园的结构化十字交叉路口附近区域机动车尾气污染物扩散的评估方法。

背景技术

机动车尾气中含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、微粒及光化学烟雾等多种对人体有害的污染物，是城市大气污染的主要来源之一。道路交叉口是城市中汽车尾气排放污染最为严重的地段，一方面是因为城市交叉口是车流的集散交汇处，交通信号灯打断平稳行驶的交通流而造成额外的加速、减速等行驶工况，车辆经常在路口停车等候造成怠速行驶，比普通路段排放更多的尾气污染物；另一方面，交叉口处行人因等待信号灯，在污染物中暴露平均时间比普通路段更长，从而容易受到更严重的危害。

特别是当城市道路交叉口附近街道两侧有高大建筑物时，交叉口形成十字形街道峡谷结构，当城市边界层风向与街道峡谷走向夹角较大时，街谷内形成环流漩涡，污染物被限制在街道峡谷内部，难以向周围扩散，造成城市局部空气质量很差，严重影响周围住户及行人的健康安全。因此，越来越多的研究者开始关注交叉口机动车排放与扩散对周围环境空气质量的影响。围绕这一目标，国内外研究者开发了许多微观机动车尾气扩散模型，比较著名的有美国的CALINE系列模型(CALINE4、CAL3QHC等)、丹麦的OSPM模型等，但这些模型大都有其特定的应用场合，如CALINE系列模式针对开阔地形，OSPM模式针对峡谷街道地形。对于峡谷型十字交叉口，目前还没有一种较理想的机动车尾气扩散模型。

杭州市目前有许多新建区存在一种结构化的十字形交叉路口，这种交叉路口三面有建筑物，另一面是街头公园。这种结构化十字交叉口周围同时存在建筑物和开阔空地，车流的尾气排放和排放后的扩散情况比一般的十字交叉口更为复杂。本发明以使用较多的线源高斯模型和峡谷街道机动车尾气扩散模式OSPM模式为基础，提供了一种针对上述结构化十字交叉路口尾气扩散的评估方法，该方法充分考虑了实际分向对结构化十字路口污染物迁移扩散规律的影响，具有较强的针对性和实际可操作性。本发明对复杂街区布局在风作用下的污染物扩散的机理和规律进行了探讨研究，对准确分析机动车尾气实际污染状况和改善城市居民的生活环境有重要意义。

发明内容

本发明要克服现有技术的不足，提供一种三面建筑物一面街头公园的结构化十字交叉路口机动车尾气扩散评估方法，该方法具有较强的实际可操作性。具体方案如下：

将城市交叉口的尾气污染物浓度C看作是上风向污染物排放线源产生浓度和污染物背景浓度值C_b在交叉口区域的累积。根据风向与交叉口地形的相对位置，调整各线源的扩散类型和污染物浓度的累积方式。对于两边都有建筑物的路口，假设污染物在沿街道风的作用下，呈层流迁移到交叉口内部。对于一面是建筑物一面是街头公园的路口，当建筑物位于上风向时，将街道视为开阔地形；当街头公园位于上风向时，则将街道视为峡谷地形。此时，污染物在沿街道方向的迁移，在层流迁移的基础上乘以一个地形修正系数α，以修正公园对流场的影响，该修正系数与街道建筑物高度以及街头公园的长度和宽度有关。在交叉口一个信号周期内，各路口车流通过线源与排队虚拟线源会交替存在，最终的接受点污染物浓度根据两种线源存在时间的加权平均得到。

该方法具体包括以下步骤：

1.根据车流通过路段的车流量、各车型比例、排放因子等参数计算路段线源排放源强(附图1中的线源2和4)；

2.根据车流排队路段的车流到达率、交通信号绿信比、车道饱和流率、各车型比例、排放因子等参数，参考交叉口尾气扩散模式CAL3QHC模式，将排队路段的怠速排放转化为虚拟线源源强(附图1中的线源1和3)；

3.以交叉口中心为原点，建立坐标系(如附图2所示)，计算交叉口区域内任意的接受点M(x,y,z)分别在路口A、B、C、D内高度值为z的平面上对应的浓度分量值C_A、C_B、C_C、C_D。其中C_A为路口A内，距虚拟线源1距离为L₁处的污染物浓度；C_C为C路口内，距虚拟线源3距离为L₃处的污染物浓度；C_B、C_D分别为B和D路口内，距线源2和4的距离分别为L₂和L₄处污染物浓度的叠加。具体使用的浓度计算模式由下文给出。

4.由交叉口内接受点上风向的两段街道峡谷浓度和风向角θ计算接受点处污染物浓度C。以交叉口中心为原点，建立交叉口平面坐标系(如附图2所示)。则有：

当0°<θ<90°时，接受点M处污染物浓度为虚拟线源1在路口A内污染物的层流迁移以及通过线源2、4在接受点处产生污染物浓度的叠加，其中线源1产生的污染物浓度C_A，使用峡谷街道扩散模型OSPM模型计算得到；线源2、4产生污染物浓度C_B由线源高斯模型计算得到。此时，

C＝C_b+C_A+C_B

当90°<θ<180°时，接受点M处污染物浓度为通过线源2、4在路口B内产生污染物以及线源3在路口C内污染物紊流迁移浓度的累积，其中线源2、4产生的污染物浓度线源3产生的污染物浓度均使用峡谷街道扩散模型OSPM模型计算获得。并分别引入地形修正系数α₁、α₂来修正假设污染物在路口B、C内层流迁移引起的误差，α₁、α₂的取值分别与路口B、C建筑物的高度、道路的宽度以及公园的长度和宽度相关。此时，

$C=C_b+{\mathrm{\&alpha;}}_1\&CenterDot;C_B^{*}+{\mathrm{\&alpha;}}_2\&CenterDot;C_C^{*}$

当180°<θ<270°时，接受点M处的污染物浓度为线源3在接受点处产生浓度以及线源2、4在路口D内产生污染物的层流迁移浓度值的叠加，其中线源3在接受点出产生浓度值C_C使用线源高斯模式计算得到；线源2、4在路口D内产生浓度值C_D使用峡谷街道扩散模型OSPM模式计算得到。则：

C＝C_b+C_C+C_D

当270°<θ<360°时，接受点M处的污染物浓度为线源1在路口A内产生浓度值C_A以及线源2、4在路口D内产生污染物浓度C_D的层流迁移浓度值的累积，此时C_A和C_D的计算方法同上。则

C＝C_b+C_A·cosθ+C_D·sinθ

当θ＝0°、90°、270°、360°时，接受点M处污染物浓度分别为C_A、C_B、C_C、C_D，计算方法同上。

5.在交叉口一个信号周期内，各路口车流通过线源与排队虚拟线源会交替存在，但估算方法基本不变，只需进行一定参数替换。设一个周期T内，路口车流排队虚拟线源的存在时间为t₁，排队期间估算浓度值为C₁，正常通过期间估算浓度值为C₂，则接受点M处的浓度在该周期内的污染物浓度值C为

$C=\frac{C_1\&CenterDot;t_1+C_2\&CenterDot;(T-t_1)}{T}$

本发明的优点是：能够对三面建筑物一面街头公园的结构化十字交叉路口机动车尾气扩散进行评估，操作性强。

附图说明

图1为本发明的结构化十字交叉路口示意图

图2为本发明的十字交叉路口坐标系示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

1.根据路口B、D的车流量、各车型比例、排放因子等具体参数计算车流通过线源2、4的排放源强(图1中的线源2和4)；

2.根据路口A、C车流排队路段的车流到达率、交通信号绿信比、车道饱和流率、各车型比例、排放因子等参数，参考交叉口尾气扩散模式CAL3QHC模式，将排队路段的怠速排放转化为虚拟线源1、3的排放源强(图1中的线源1和3)；

3.以交叉口中心为原点，建立坐标系(如附图2所示)，计算交叉口区域内任意的接受点M(x,y,z)分别在路口A、B、C、D内高度值为z的平面上对应的浓度分量值C_A、C_B、C_C、C_D。其中C_A为路口A内，距虚拟线源1距离为L₁处的污染物浓度；C_C为C路口内，距虚拟线源3距离为L₃处的污染物浓度；C_B、C_D分别为B和D路口内，距线源2和4的距离分别为L₂和L₄处污染物浓度的叠加。具体使用的浓度计算模式由下文给出。

4.由交叉口内接受点上风向的两段街道峡谷浓度和风向角θ计算接受点处污染物浓度C。对于两边都有建筑物的街道，假设街道内的污染物在沿街道方向风的作用下，呈层流迁移到交叉口内部；对于一面是建筑一面是公园的街道，污染物的迁移在上述的基础上乘以一个地形修正系数α，该系数与街道2、3的建筑物高度与公园的各边长度有关。则有：

当0°<θ<90°时，接受点M处污染物浓度为线源1在路口A内污染物的层流迁移以及线源2、4在接受点处产生污染物浓度的叠加，其中线源1产生的污染物浓度C_A，使用峡谷街道扩散模型OSPM模型计算得到；线源2、4产生污染物浓度C_B由线源高斯模型计算得到。此时，

C＝C_b+C_A+C_B

当90°<θ<180°时，接受点M处污染物浓度为线源2、4在路口B内产生污染物以及线源3在路口C内污染物紊流迁移浓度的累积，其中线源2、4产生的污染物浓度线源3产生的污染物浓度均使用峡谷街道扩散模型OSPM模型计算获得。并分别引入地形修正系数α₁、α₂来修正假设污染物在路口B、C内层流迁移引起的误差，α₁、α₂的取值分别与路口B、C建筑物的高度、道路的宽度以及公园的长度和宽度相关。此时，

$C=C_b+{\mathrm{\&alpha;}}_1\&CenterDot;C_B^{*}+{\mathrm{\&alpha;}}_2{\&CenterDot;C}_C^{*}$

当180°<θ<270°时，接受点M处的污染物浓度为线源3在接受点处产生浓度以及线源2、4在路口D内产生污染物的层流迁移浓度值的叠加，其中线源3在接受点出产生浓度值C_C使用线源高斯模式计算得到；线源2、4在路口D内产生浓度值C_D使用峡谷街道扩散模型OSPM模式计算得到。则：

C＝C_b+C_C+C_D

当270°<θ<360°时，接受点M处的污染物浓度为线源1在路口A内产生浓度值C_A以及线源2、4在路口D内产生污染物浓度C_D的层流迁移浓度值的累积，此时C_A和C_D的计算方法同上。则

C＝C_b+C_A·cosθ+C_D·sinθ

当θ＝0°、90°、270°、360°时，接受点M处污染物浓度分别为C_A、C_B、C_C、C_D，计算方法同上。

5.在交叉口一个信号周期内，各路口车流通过线源与排队虚拟线源会交替存在，但估算方法基本不变，只需进行一定参数替换。设一个周期T内，路口车流排队虚拟线源的存在时间为t₁，排队期间估算浓度值为C₁，正常通过期间估算浓度值为C₂，则接受点M处的浓度在该周期内的污染物浓度值C为

$C=\frac{C_1\&CenterDot;t_1+C_2\&CenterDot;(T-t_1)}{T}$ 。

Claims (1)

1.一种结构化交叉路口机动车尾气扩散评估方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.根据车流通过路段的车流量、各车型比例、排放因子的参数计算路段线源排放源强；

步骤2.根据车流排队路段的车流到达率、交通信号绿信比、车道饱和流率、各车型比例、排放因子的参数，参考交叉口尾气扩散模式CAL3QHC模式，将排队路段的怠速排放转化为虚拟线源源强；

步骤3.以交叉口中心为原点，建立坐标系，计算交叉口区域内任意的接受点M(x,y,z)分别在路口A、B、C、D内高度值为z的平面上对应的浓度分量值C_A、C_B、C_C、C_D；其中C_A为路口A内，距虚拟线源1距离为L₁处的污染物浓度；C_C为C路口内，距虚拟线源3距离为L₃处的污染物浓度；C_B、C_D分别为B和D路口内，距线源2和4的距离分别为L₂和L₄处污染物浓度的叠加；

步骤4.由交叉口内接受点上风向的两段街道峡谷浓度和风向角θ计算接受点处污染物浓度C；以交叉口中心为原点，建立交叉口平面坐标系；则有：

当0°<θ<90°时，接受点M处污染物浓度为虚拟线源1在路口A内污染物的层流迁移以及通过线源2、4在接受点处产生污染物浓度的叠加，其中线源1产生的污染物浓度C_A，使用峡谷街道扩散模型OSPM模型计算得到；线源2、4产生污染物浓度C_B由线源高斯模型计算得到；此时，

C＝C_b+C_A+C_B

当90°<θ<180°时，接受点M处污染物浓度为通过线源2、4在路口B内产生污染物以及线源3在路口C内污染物紊流迁移浓度的累积，其中线源2、4产生的污染物浓度线源3产生的污染物浓度均使用峡谷街道扩散模型OSPM模型计算获得；并分别引入地形修正系数α₁、α₂来修正假设污染物在路口B、C内层流迁移引起的误差，α₁、α₂的取值分别与路口B、C建筑物的高度、道路的宽度以及公园的长度和宽度相关；此时，

$C=C_b+{\mathrm{\&alpha;}}_1\&CenterDot;C_B^{*}+{\mathrm{\&alpha;}}_2\&CenterDot;C_C^{*}$

当180°<θ<270°时，接受点M处的污染物浓度为线源3在接受点处产生浓度以及线源2、4在路口D内产生污染物的层流迁移浓度值的叠加，其中线源3在接受点出产生浓度值C_C使用线源高斯模式计算得到；线源2、4在路口D内产生浓度值C_D使用峡谷街道扩散模型OSPM模式计算得到；则：

C＝C_b+C_C+C_D

当270°<θ<360°时，接受点M处的污染物浓度为线源1在路口A内产生浓度值C_A以及线源2、4在路口D内产生污染物浓度C_D的层流迁移浓度值的累积，此时C_A和C_D的计算方法同上；则

C＝C_b+C_A·cosθ+C_D·sinθ

当θ＝0°、90°、270°、360°时，接受点M处污染物浓度分别为C_A、C_B、C_C、C_D，计算方法同上；

步骤5.在交叉口一个信号周期内，各路口车流通过线源与排队虚拟线源会交替存在，但估算方法基本不变，只需进行一定参数替换；设一个周期T内，路口车流排队虚拟线源的存在时间为t₁，排队期间估算浓度值为C₁，正常通过期间估算浓度值为C₂，则接受点M处的浓度在该周期内的污染物浓度值C为

$C=\frac{C_1\&CenterDot;t_1+C_2\&CenterDot;\left(T-t_1\right)}{T}.$