城市道路机动车尾气污染物扩散模型研究概况

环境科学导刊http：//hjkxdk.yies.org.cn2012，31（1）CN53－1205/XISSN1673－9655

城市道路机动车尾气污染物扩散模型研究概况

迪，卢振兰

（吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春130118）

刘

要：介绍了国外几个主要城市道路机动车尾气污染物扩散模型，以及模型的分类、特点和发展过

程。同时，简要介绍了国内学者利用主要扩散模型对于城市道路机动车污染物的研究。

摘

关键词：城市道路；扩散模型；机动车尾气污染中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1673－9655（2012）01－0010－02在过去的“十一五”期间，我国经济得到迅猛发展，经济发展的同时，国家也加大了对大中型城市道路建设的投入，交通的便利带动了机动车数量的增长。公安部交管局发布的数据显示，我国机动车保有量已达1.99亿辆，其中，汽车8500多万辆，每年新增机动车2000多万辆，我国的机动车数量保持高速增长态势。然而随着机动车数量的增长，也带来了一定的环境问题，机动车尾气对于城市空气质量的影响日益严重。环保部发布的《中国机动车污染防治年报（2010年度）》中指出，2009年全国113个环保重点城市中，1/3的空气质量不达标，机动车尾汽排放已成为大中城市空气污染的主要来源，很多城市尤其是大中城市空气污染已经呈现出煤烟型和汽车尾气复合型污染的特点，加剧了大气污染治理的难度。

动车线源污染物扩散模型的研究可以为防治大气污染提供依据，也便于研究机动车尾气污染物的迁移规律，同时也是进行环评工作的重要工具。1国外市道路机动尾气染物扩散模型1.1

HIWAY

HIWAY模型［1］是美国环境保护局于1975年由Zimmerman，Thompson共同开发的第一个公路扩散模型。HIWAY模型基于最早的大气扩散模式—高斯模式，同时HIWAY模型也继承了高斯模式的优点与不足。一般来说对于开阔平坦的公路上的机动车排放污染物扩散能很好地进行预测，但是不适用于两侧高层建筑较密集的街道峡谷。而且，对于公路的边缘，大气稳定度较好，同时风速较小，风向与公路接近于平行，预测值会偏高。

收稿日期：2011－08－08

作者简介：刘迪（1986－），男，吉林农业大学在读研究生。研究方向：环境规划与管理。

通讯作者：卢振兰，女，吉林农业大学副教授。

1980年以纽约试验数据为基础，Petersen等人对于现有的HIWAY模型进行了修正，从而提出了HIWAY－2模型［2］。除了对于一些参数的修订外，HIWAY－2模型最大的特点就是，抛弃了原先采用的6类P－G扩散廓线，将大气稳定性分为不稳定、中性、稳定三个等级。同时HIWAY－2也为用户提供了同时模拟多条道路、多个时段的功能，对于较大区域内的线源污染物模拟以及敏感性分析提供有利条件。但是，HIWAY－2模型在模拟线源污染物的时候没有考虑到垂直方向上热力湍流的影响，而是仅仅考虑由车辆引起的热力湍流。1.2

CALINE

CALINE模型［3］最早是在20世纪70年代由美国的Beaton提出的，最初的CALINE模型主要是针对美国加州；在1975年基于最开始的CALINE模型，Ward又提出了CALINE模型的新一代模型CALINE－2模型［4］；在4a之后，也就是1979年基

［5］

于高斯烟羽线源模型式推出了CALINE－3模型；1984年推出了CALINE模型系列的最后一个版本，

［6］

也是至今为止最新的一个版本CALINE－4模型。经过十多年的版本更新，CALINE系列模型已经成

为世界上应用最为广泛的模型之一。

CALINE－4模型的基本思路是将道路划分成一系列线源单元（简称线元），分别计算各线元排放的污染物对接受点浓度的贡献，然后，再求和计

［7］

算整条道路流动源在接受点产生的污染浓度。同时，基于高斯模式和混合区域概念以及污染物沉

积、沉降速率的综合考虑，得到CALINE－4模型，因此CALINE－4模型需要更全面的考虑参数的设定；模型运行控制选项、污染源数据、气象数据和接受点位置坐标文件，这四项构成CALINE－4模型的主要输入文件，其中污染源数据文件主要包括数据信息有车流量数据、各类污染物的排放因子、

道路集合参数等；气象数据主要包括风速、风向、大气稳定度、扩散参数等。

有报道称，国外学者利用CALINE模型、CA-LINE－2模型和HIWAY模型两个线源模型进行对比研究，结果表明，在平行风的条件下，三种模型的预测值与实际监测相比都偏高，CALINE系列模型预测值要比HIWAY模型高；而在交叉风的条件下，三种模型预测值与实际监测相比都偏低，HI-WAY模型要比CALINE系列模型预测值高。1.3

ADMS

ADMS模型［8］是由剑桥环境研究公司（CERC）、英国气象局和Surrey大学等机构合作开发，是当今国际上较为成熟的一种大气预测模型。ADMS模型以大气边界层、大气扩散理论、Monin－Obukhov长度等最新的大气物理理论为基础，属于第二代大气扩散模型，在全世界应用广泛，很多国家都能看到ADMS模型的足迹。2008年，我国环境环保部颁布的《环境影响评价技术导则大气环境》也将ADMS模型列为推荐的大气预测模型。ADMS模型同时也加入了使用GRS机理化学反应模块，可以模拟NO、NO2、O3和一些具有挥发性有机化合物之间的化学反应。同时对于颗粒物的沉降速度、干沉降影响和湿沉降的计算分别考虑到大气表层穿过底层的阻力总和，阻力公式和下洗率的定义。2

国内研究现状李昭阳、汤洁等

［9］

城市道路机动车尾气污染物扩散模型研究概况刘迪

应用任意风向下的高斯线源扩散模式，对监测站监

测的常年的NOx日均浓度数据和某街道实测NOx数据进行计算机模拟分析，取得较好的验证结果。3结语

机动车污染物扩散问题的研究最早起始于20世纪30年代，在70年代以后逐渐成为研究热点，并且发展了很多用于模拟公路和城市街渠污染物扩

［12］

散的模式。国外对于机动车尾气污染物扩散模型的研究较为成熟，而我国学者的研究大多停留在结合国外较为成熟机动车尾气污染物模型对城市交通道路大气环境进行影响分析。然而，对于机动车尾气污染物扩散模型的研究，受到污染源的强度、气象条件、地理条件等多方面因素的影响，这也给机动车污染物扩散模型的建立增加了不少难度。

一个准确、稳定的机动车尾气污染物扩散模型有助于防止机动车线源污染，而我国建立自己的机动车尾气污染物扩散模型是十分必要的，对我国环境保护工作也会起到积极作用。

参考文献：

［1］ZimmermanJR，ThompsonRS．User’sguideforHIWAY，a

highwayairpollutionmodel［R］．USEPA－650/4－74－008，1975．

［2］PetersenWB．User’sguideforHIWAY－2，ahighwayairpol-lutionmodel［R］．USEPA－600/8－80－018，1980．［3］BeatonJL．Matheanaticalapproachtoestimatinghighwayimpact

onairquality，Washington［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1972．

［4］WardCE．CALINE－2：Animprovedmicro－scalemodelforthe

dispersionofairpollutantsfromalinesource［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1977．

［5］BeasonPE．CALINE－3：Aversatiledispersionmodelforpredic-tingairpollutantlevelsnearhighwaysandarterialroads［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1979．

［6］BeasonPE．CALINE－4：Adispersionmodelforpredictingair

pollttantlevelsnearroadways［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1989．

［7］王福川．土木工程材料［M］．北京：中国建材工业出版

社，2001．

［8］CambridgeEnvironmentalResearchConsultants．ADMS模式介绍

．CambridgeUnitedKingdom，2004．及技术说明［Z］

［9］李昭阳，汤洁．长春市城市道路交通CO污染的空间分布模拟

．环境科学研究，2005，18（1）．研究［J］

［10］施益强，王坚．基于GIS的厦门市区机动车尾气扩散模拟

［J］．集美大学学报（自然科学版），2010，15（6）．［11］凌玲，李湘南．汽车尾气扩散的计算机模拟与预测［J］．武

汉理工大学学报（信息与管理工程版），2001，23（3）．［12］彭军，张明，王体健．公路和城市街渠机动车大气污染物扩

．南京气象学院学报，2005，28（3）．散模式发展综述［J］

利用对长春市内的12个具有

代表性检验受体点位进行模拟，结合长春市环境监测中心站的监测数据验证了CALINE－4模型。通过模拟值与监测相关性的验证，得出0.99的相关系数，证明CALINE－4模型基本适用于长春地区的条件，预测长春市机动车线源污染物较为准确。施益强、王坚等通过计算道路线源污染源强，利用HIWAY2、CALINE－4模型结合GIS技术对于厦门市区机动车尾气NOX、PM10的扩散进行模拟、验证和分析。通过实地检测与模拟认为，厦门当地NOX、PM10质量浓度总体上随风速增加而呈下降趋势，当风速＞7m/s时，PM10随着风速的增加质量浓度反而下降。厦门市区NOX、PM10出现高污染特征，主要在W至NNW风向时，污染物质量浓度出现低污染特征，主要在SSE至S风向时。

［11］

凌玲、李湘南等利用武昌监测站提供的长年监测数据，以及武汉气象台提供的气象资料，同时分析NOx扩散的各种影响因素，在此基础上，

［10］

（下转第23页）

增长。3小结

要提高认识，把发展低碳经济建设生态化文明环保城市作为落实科学发展观的重要内容，这是可持续发展的内在要求。要统筹规划、综合考虑、超前部署、统筹大局。要实现管理创新，建立推进低碳经济的制度和措施。要实现技术创新，建设发展低碳经济的技术支撑体系。推动能源科技发展，建立能源科技储备。建立低碳经济政策研究机构，为未来低碳经济发展做好法律与市场两个准备。把政

发展低碳经济建设生态环保城市王鲁湘

策激励与企业自身发展动力相结合，顺应世界技术变革潮流，形成先进能源工业体系，提升企业自主创新能力和国际竞争力。加快技术进步，增强低碳技术的自主创新能力。加大投入，加快自主研发和产业化进程。提高社会公众的全球环境意识，鼓励公众自觉参与节能减排活动，引导社会消费模式的转变。积极开展国内和区域间的合作，统筹协调，推进城市低碳经济和生态化建设的试点。为全面发展城市低碳经济和建设生态环保文明城市奠定一条长盛不衰之路。

ConstructionofEcologicallyandEnvironmentallyFriendlyCity

byDevelopingLow－CarbonEconomy

WANGLu－xiang

（YunnanInstituteofEnvironmentalScience，KunmingYunnan650034China）

Abstract：Itisnecessaryfortheecologicallyandenvironmentallyfriendlycitytodevelopthelow－carbonecono-my．Itmeansdevelopmentoftheecologicalandenvironmentalindustries，phasingoutthehigh－carbonindustriesandimprovementoftheawarenessofurbanecologicalandenvironmentalprotection．Keywords：low－carboneconomy；ecology；environmentalprotection；development

櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅

（上接第11页）

ASurveyofVehicleExhaustPollutantDispersionModelsofUrbanRoads

LIUDi，LUZhen－lan

（CollegeofResourcesandEnvironment，JilinAgriculturalUniversity，ChangchunJilin130118China）Abstract：Anintroductionofseveralmajormodelsofvehicleexhaustpollutantdispersiononurbanroadsisgiveninthisarticle，includingtheirclassifications，characteristicsanddevelopment．Theapplicationsofthesemodelsbythedomesticscientistsintheirresearchesofthevehiclepollutantontheurbanroadsarealsobrieflypresentedinthear-ticle．

Keywords：urbanroad；dispersionmodel；vehicleexhaustpollution

环境科学导刊http：//hjkxdk.yies.org.cn2012，31（1）CN53－1205/XISSN1673－9655

城市道路机动车尾气污染物扩散模型研究概况

迪，卢振兰

（吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春130118）

刘

要：介绍了国外几个主要城市道路机动车尾气污染物扩散模型，以及模型的分类、特点和发展过

程。同时，简要介绍了国内学者利用主要扩散模型对于城市道路机动车污染物的研究。

摘

关键词：城市道路；扩散模型；机动车尾气污染中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1673－9655（2012）01－0010－02在过去的“十一五”期间，我国经济得到迅猛发展，经济发展的同时，国家也加大了对大中型城市道路建设的投入，交通的便利带动了机动车数量的增长。公安部交管局发布的数据显示，我国机动车保有量已达1.99亿辆，其中，汽车8500多万辆，每年新增机动车2000多万辆，我国的机动车数量保持高速增长态势。然而随着机动车数量的增长，也带来了一定的环境问题，机动车尾气对于城市空气质量的影响日益严重。环保部发布的《中国机动车污染防治年报（2010年度）》中指出，2009年全国113个环保重点城市中，1/3的空气质量不达标，机动车尾汽排放已成为大中城市空气污染的主要来源，很多城市尤其是大中城市空气污染已经呈现出煤烟型和汽车尾气复合型污染的特点，加剧了大气污染治理的难度。

动车线源污染物扩散模型的研究可以为防治大气污染提供依据，也便于研究机动车尾气污染物的迁移规律，同时也是进行环评工作的重要工具。1国外市道路机动尾气染物扩散模型1.1

HIWAY

HIWAY模型［1］是美国环境保护局于1975年由Zimmerman，Thompson共同开发的第一个公路扩散模型。HIWAY模型基于最早的大气扩散模式—高斯模式，同时HIWAY模型也继承了高斯模式的优点与不足。一般来说对于开阔平坦的公路上的机动车排放污染物扩散能很好地进行预测，但是不适用于两侧高层建筑较密集的街道峡谷。而且，对于公路的边缘，大气稳定度较好，同时风速较小，风向与公路接近于平行，预测值会偏高。

收稿日期：2011－08－08

作者简介：刘迪（1986－），男，吉林农业大学在读研究生。研究方向：环境规划与管理。

通讯作者：卢振兰，女，吉林农业大学副教授。

1980年以纽约试验数据为基础，Petersen等人对于现有的HIWAY模型进行了修正，从而提出了HIWAY－2模型［2］。除了对于一些参数的修订外，HIWAY－2模型最大的特点就是，抛弃了原先采用的6类P－G扩散廓线，将大气稳定性分为不稳定、中性、稳定三个等级。同时HIWAY－2也为用户提供了同时模拟多条道路、多个时段的功能，对于较大区域内的线源污染物模拟以及敏感性分析提供有利条件。但是，HIWAY－2模型在模拟线源污染物的时候没有考虑到垂直方向上热力湍流的影响，而是仅仅考虑由车辆引起的热力湍流。1.2

CALINE

CALINE模型［3］最早是在20世纪70年代由美国的Beaton提出的，最初的CALINE模型主要是针对美国加州；在1975年基于最开始的CALINE模型，Ward又提出了CALINE模型的新一代模型CALINE－2模型［4］；在4a之后，也就是1979年基

［5］

于高斯烟羽线源模型式推出了CALINE－3模型；1984年推出了CALINE模型系列的最后一个版本，

［6］

也是至今为止最新的一个版本CALINE－4模型。经过十多年的版本更新，CALINE系列模型已经成

为世界上应用最为广泛的模型之一。

CALINE－4模型的基本思路是将道路划分成一系列线源单元（简称线元），分别计算各线元排放的污染物对接受点浓度的贡献，然后，再求和计

［7］

算整条道路流动源在接受点产生的污染浓度。同时，基于高斯模式和混合区域概念以及污染物沉

积、沉降速率的综合考虑，得到CALINE－4模型，因此CALINE－4模型需要更全面的考虑参数的设定；模型运行控制选项、污染源数据、气象数据和接受点位置坐标文件，这四项构成CALINE－4模型的主要输入文件，其中污染源数据文件主要包括数据信息有车流量数据、各类污染物的排放因子、

道路集合参数等；气象数据主要包括风速、风向、大气稳定度、扩散参数等。

有报道称，国外学者利用CALINE模型、CA-LINE－2模型和HIWAY模型两个线源模型进行对比研究，结果表明，在平行风的条件下，三种模型的预测值与实际监测相比都偏高，CALINE系列模型预测值要比HIWAY模型高；而在交叉风的条件下，三种模型预测值与实际监测相比都偏低，HI-WAY模型要比CALINE系列模型预测值高。1.3

ADMS

ADMS模型［8］是由剑桥环境研究公司（CERC）、英国气象局和Surrey大学等机构合作开发，是当今国际上较为成熟的一种大气预测模型。ADMS模型以大气边界层、大气扩散理论、Monin－Obukhov长度等最新的大气物理理论为基础，属于第二代大气扩散模型，在全世界应用广泛，很多国家都能看到ADMS模型的足迹。2008年，我国环境环保部颁布的《环境影响评价技术导则大气环境》也将ADMS模型列为推荐的大气预测模型。ADMS模型同时也加入了使用GRS机理化学反应模块，可以模拟NO、NO2、O3和一些具有挥发性有机化合物之间的化学反应。同时对于颗粒物的沉降速度、干沉降影响和湿沉降的计算分别考虑到大气表层穿过底层的阻力总和，阻力公式和下洗率的定义。2

国内研究现状李昭阳、汤洁等

［9］

城市道路机动车尾气污染物扩散模型研究概况刘迪

应用任意风向下的高斯线源扩散模式，对监测站监

测的常年的NOx日均浓度数据和某街道实测NOx数据进行计算机模拟分析，取得较好的验证结果。3结语

机动车污染物扩散问题的研究最早起始于20世纪30年代，在70年代以后逐渐成为研究热点，并且发展了很多用于模拟公路和城市街渠污染物扩

［12］

散的模式。国外对于机动车尾气污染物扩散模型的研究较为成熟，而我国学者的研究大多停留在结合国外较为成熟机动车尾气污染物模型对城市交通道路大气环境进行影响分析。然而，对于机动车尾气污染物扩散模型的研究，受到污染源的强度、气象条件、地理条件等多方面因素的影响，这也给机动车污染物扩散模型的建立增加了不少难度。

一个准确、稳定的机动车尾气污染物扩散模型有助于防止机动车线源污染，而我国建立自己的机动车尾气污染物扩散模型是十分必要的，对我国环境保护工作也会起到积极作用。

参考文献：

［1］ZimmermanJR，ThompsonRS．User’sguideforHIWAY，a

highwayairpollutionmodel［R］．USEPA－650/4－74－008，1975．

［2］PetersenWB．User’sguideforHIWAY－2，ahighwayairpol-lutionmodel［R］．USEPA－600/8－80－018，1980．［3］BeatonJL．Matheanaticalapproachtoestimatinghighwayimpact

onairquality，Washington［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1972．

［4］WardCE．CALINE－2：Animprovedmicro－scalemodelforthe

dispersionofairpollutantsfromalinesource［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1977．

［5］BeasonPE．CALINE－3：Aversatiledispersionmodelforpredic-tingairpollutantlevelsnearhighwaysandarterialroads［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1979．

［6］BeasonPE．CALINE－4：Adispersionmodelforpredictingair

pollttantlevelsnearroadways［R］．Washington：Fed．HighwayAdministration，1989．

［7］王福川．土木工程材料［M］．北京：中国建材工业出版

社，2001．

［8］CambridgeEnvironmentalResearchConsultants．ADMS模式介绍

．CambridgeUnitedKingdom，2004．及技术说明［Z］

［9］李昭阳，汤洁．长春市城市道路交通CO污染的空间分布模拟

．环境科学研究，2005，18（1）．研究［J］

［10］施益强，王坚．基于GIS的厦门市区机动车尾气扩散模拟

［J］．集美大学学报（自然科学版），2010，15（6）．［11］凌玲，李湘南．汽车尾气扩散的计算机模拟与预测［J］．武

汉理工大学学报（信息与管理工程版），2001，23（3）．［12］彭军，张明，王体健．公路和城市街渠机动车大气污染物扩

．南京气象学院学报，2005，28（3）．散模式发展综述［J］

利用对长春市内的12个具有

代表性检验受体点位进行模拟，结合长春市环境监测中心站的监测数据验证了CALINE－4模型。通过模拟值与监测相关性的验证，得出0.99的相关系数，证明CALINE－4模型基本适用于长春地区的条件，预测长春市机动车线源污染物较为准确。施益强、王坚等通过计算道路线源污染源强，利用HIWAY2、CALINE－4模型结合GIS技术对于厦门市区机动车尾气NOX、PM10的扩散进行模拟、验证和分析。通过实地检测与模拟认为，厦门当地NOX、PM10质量浓度总体上随风速增加而呈下降趋势，当风速＞7m/s时，PM10随着风速的增加质量浓度反而下降。厦门市区NOX、PM10出现高污染特征，主要在W至NNW风向时，污染物质量浓度出现低污染特征，主要在SSE至S风向时。

［11］

凌玲、李湘南等利用武昌监测站提供的长年监测数据，以及武汉气象台提供的气象资料，同时分析NOx扩散的各种影响因素，在此基础上，

［10］

（下转第23页）

增长。3小结

要提高认识，把发展低碳经济建设生态化文明环保城市作为落实科学发展观的重要内容，这是可持续发展的内在要求。要统筹规划、综合考虑、超前部署、统筹大局。要实现管理创新，建立推进低碳经济的制度和措施。要实现技术创新，建设发展低碳经济的技术支撑体系。推动能源科技发展，建立能源科技储备。建立低碳经济政策研究机构，为未来低碳经济发展做好法律与市场两个准备。把政

发展低碳经济建设生态环保城市王鲁湘

策激励与企业自身发展动力相结合，顺应世界技术变革潮流，形成先进能源工业体系，提升企业自主创新能力和国际竞争力。加快技术进步，增强低碳技术的自主创新能力。加大投入，加快自主研发和产业化进程。提高社会公众的全球环境意识，鼓励公众自觉参与节能减排活动，引导社会消费模式的转变。积极开展国内和区域间的合作，统筹协调，推进城市低碳经济和生态化建设的试点。为全面发展城市低碳经济和建设生态环保文明城市奠定一条长盛不衰之路。

ConstructionofEcologicallyandEnvironmentallyFriendlyCity

byDevelopingLow－CarbonEconomy

WANGLu－xiang

（YunnanInstituteofEnvironmentalScience，KunmingYunnan650034China）

Abstract：Itisnecessaryfortheecologicallyandenvironmentallyfriendlycitytodevelopthelow－carbonecono-my．Itmeansdevelopmentoftheecologicalandenvironmentalindustries，phasingoutthehigh－carbonindustriesandimprovementoftheawarenessofurbanecologicalandenvironmentalprotection．Keywords：low－carboneconomy；ecology；environmentalprotection；development

櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅

（上接第11页）

ASurveyofVehicleExhaustPollutantDispersionModelsofUrbanRoads

LIUDi，LUZhen－lan

（CollegeofResourcesandEnvironment，JilinAgriculturalUniversity，ChangchunJilin130118China）Abstract：Anintroductionofseveralmajormodelsofvehicleexhaustpollutantdispersiononurbanroadsisgiveninthisarticle，includingtheirclassifications，characteristicsanddevelopment．Theapplicationsofthesemodelsbythedomesticscientistsintheirresearchesofthevehiclepollutantontheurbanroadsarealsobrieflypresentedinthear-ticle．

Keywords：urbanroad；dispersionmodel；vehicleexhaustpollution