王小霞，韓 霜，盧建鋒，尹應梅

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

路網(wǎng)大氣環(huán)境容量指在滿足大氣環(huán)境目標值前提下，城市路網(wǎng)大氣環(huán)境所能夠容納污染物的最大能力。如果某一城市大氣污染物數(shù)量超過該城市路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的閾值，大氣環(huán)境將不能發(fā)揮其正常功能，生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)、人類健康，以及物質(zhì)財產(chǎn)、生物生長等都將受到損害。路網(wǎng)大氣環(huán)境容量是確定路網(wǎng)交通環(huán)境容量的重要依據(jù)。

1 路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的計算方法

路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的計算主要是根據(jù)污染物的濃度控制目標來反推其排放總量的限值。路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計算的常用方法有線性規(guī)劃優(yōu)化法、A-P值法、模擬法和箱式法 4 種。

1.1 線性規(guī)劃優(yōu)化法

線性規(guī)劃優(yōu)化法[1]是以城市 ( 或區(qū)域 ) 污染物排放總量最大為目標函數(shù)，以滿足城市 ( 或區(qū)域 ) 大氣環(huán)境質(zhì)量目標及各污染源的可能排放強度范圍作為約束條件進行的優(yōu)化規(guī)劃。其目標函數(shù)為

式中：K為環(huán)境質(zhì)量控制點總數(shù)；fij為第i污染源對j環(huán)境質(zhì)量控制點的濃度貢獻率；Caj為j環(huán)境質(zhì)量控制點的污染區(qū)域濃度貢獻；Csj為j環(huán)境質(zhì)量控制點的環(huán)境質(zhì)量標準。

排放量上下界約束條件為

式中：Qi，min，Qi，max分別為根據(jù)社會經(jīng)濟因素及各污染源的削減潛力、排放標準確定的各污染源最小排放強度和最大排放強度。

由于線性規(guī)劃優(yōu)化法涉及的因素較多，計算比較煩瑣，早期的應用受到一定限制。

1.2 A-P 值法

A-P 值法[2-3]以大氣環(huán)境質(zhì)量標準為控制目

式中：Z為所有污染源的排放總量；Np為重點污染源總數(shù)；ei為各污染源的權(quán)重因子；Qpi為第i重點污染源的排放強度；Qa為污染區(qū)域的排放總量。

環(huán)境質(zhì)量約束條件為標，在掌握大氣污染物的擴散稀釋規(guī)律的基礎上，使用控制區(qū)排放總量允許限值計算路網(wǎng)大氣環(huán)境容量。A-P 值法確定路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的步驟為：①根據(jù)所在城市 ( 或區(qū)域 ) 的地理位置，按照《 制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法 》( GB/T 13201-91 ) 中的表 1，查總量控制系數(shù)A值；②確定第i個環(huán)境功能分區(qū)的污染物的控制濃度 ( 或標準濃度限值 )Ci；③確定各個環(huán)境功能分區(qū)的總量控制系數(shù)Ai值：Ai=A×Ci；④確定各個環(huán)境功能分區(qū)的污染物允許排放總量：⑤計算總量控制區(qū)的污染物允許排放總量：

A-P 值法一般適用于城市(或區(qū)域)規(guī)劃階段的環(huán)境條件分析。雖然 A-P 值法的運用比較普遍，但是其目標針對性和定量考察性不強[4]。

1.3 模擬法

模擬法[4-5]是利用環(huán)境空氣質(zhì)量計算方法模擬城市 ( 或區(qū)域 ) 排放的污染物引起的環(huán)境質(zhì)量變化是否會導致環(huán)境空氣質(zhì)量超標。如果超標，可以按等比例或按對環(huán)境質(zhì)量的貢獻率進行相關(guān)污染源的排放量削減，以滿足環(huán)境質(zhì)量標準的要求，其計算公式為

式中：Q為路網(wǎng)大氣環(huán)境容量，t/a；Cs為污染物的大氣環(huán)境質(zhì)量標準，mg/m3；C本底為污染物的背景濃度，mg/m3；C關(guān)心點為預測關(guān)心點的年平均濃度值，mg/m3；Q預測為預測的城市(或區(qū)域)污染物源強，t/a。

模擬法往往適用于 2 類路網(wǎng)大氣環(huán)境容量估算，一類是規(guī)模較大、具有復雜環(huán)境功能的新建城市 ( 或區(qū)域 )，另一類是即將進行環(huán)境污染治理與技術(shù)改造的現(xiàn)有城市 ( 或區(qū)域 )。

1.4 箱式法

箱式法[6]是假設城市 ( 或區(qū)域 ) 形成一個氣團或箱子，假設箱子內(nèi)污染物主要由自身污染排放引起，忽略箱體外面的污染物排放，假設箱子內(nèi)污染物混合均勻，則箱內(nèi)污染物濃度的變化表示如下。

式中：Ci為箱子內(nèi)第i污染物的濃度， mg/m3；Qi為箱子內(nèi)第i污染物單位面積源強，mg/(m2· s)；H為混合層高度，m；為平均風速，m/s；X為研究區(qū)域面積的等價直徑，m。

箱式法抓住了大氣環(huán)境污染系統(tǒng)的主要輸入、輸出關(guān)系，適用性強，通過參數(shù)確定，可以計算得到與實際情況比較符合的結(jié)果[7]，故至今仍然被廣泛采用。箱式法往往適用于宏觀區(qū)域范圍內(nèi)的空氣整體質(zhì)量及大氣環(huán)境總?cè)萘康难芯俊０凑障渥拥臄?shù)量，箱式法又可以分為單箱法和多箱法。

1.5 路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計算的改進方法

上述 4 種路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計算方法的特點分析表明箱式法更適合路網(wǎng)交通環(huán)境容量的研究，因而采用改進的單箱法推導路網(wǎng)大氣環(huán)境容量。改進的單箱法是在污染濃度控制目標已經(jīng)確定的條件下，利用改進的單箱法反推研究區(qū)域污染物允許排放總量的方法。由改進的單箱法確定的路網(wǎng)大氣環(huán)境容量可以表示為式中：Q為路網(wǎng)大氣環(huán)境容量，t/a；C為大氣污染物的濃度目標值，mg/m3；Vd為大氣污染物的干沉降速度，m/s；Vw為大氣污染物的濕沉降速度，m/s；Kc為大氣污染物的化學轉(zhuǎn)化率，s-1；為平均風速，m/s；C0為大氣環(huán)境本底值，mg/m3；H為混合層高度，m；ΔX為箱體順風方向長度，m；S為研究區(qū)域的面積，km2；T為研究時間，d。

簡化公式⑹的部分參數(shù)，將箱體順風方向的長度看作研究區(qū)域總面積S的等效直徑，因而可以用S來表示 ΔX，得到ΔX= 2 (S/π)1/2；由于計算大氣污染物濃度時，時間一般取 1 年，所以公式⑹中的研究時間T取為 365 d。將 ΔX的簡化值及T的實際值代入公式⑹，可以得到簡化后的路網(wǎng)大氣環(huán)境容量計算公式為

2 路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計算

2.1 路網(wǎng)交通環(huán)境容量模型

路網(wǎng)交通環(huán)境容量是指在一定時期、一定的交通狀況和一定的環(huán)境質(zhì)量標準約束下，在城市 ( 或區(qū)域 ) 的實際氣象地理條件下，在保證人類的生存和生態(tài)環(huán)境不受損害的前提下，環(huán)境所能容納的機動車污染物排放量的最大負荷。路網(wǎng)交通環(huán)境容量作為路網(wǎng)大氣環(huán)境容量的一個構(gòu)成部分，兩者之間的關(guān)系可以利用機動車尾氣污染物排放分擔率線性表示為

式中：Qd是路網(wǎng)交通環(huán)境容量，t/a；η是機動車尾氣污染物排放分擔率，%。

由于道路交通系統(tǒng)排放的大氣污染物可以分為2 類：一類為氣態(tài)污染物，如 CO、HC 和 NOx等；另一類為固態(tài)顆粒物，如粒徑小于等于 10μm 的可吸入顆粒物 ( Particulate Matter，PM10) 及總懸浮顆粒物 ( Total Suspended Particle，TSP ) 等。2 類污染物的特性和容量影響因素均不相同，所以在計算路網(wǎng)交通環(huán)境容量時可以將公式⑻分別轉(zhuǎn)化為公式⑼和公式⑽。

氣態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計算公式可以表示為

式中：Qg為氣態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量，t/a。

固態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計算公式可以表示為

式中：Qs為固態(tài)污染物路網(wǎng)交通環(huán)境容量，t/a；α為城市綠化率，%；β為裸地揚塵率，%。

2.2 路網(wǎng)交通環(huán)境容量模型參數(shù)的選取

（1）機動車尾氣污染物排放分擔率η。機動車排放分擔率即用交通流動源中的機動車污染物排放總量除以所研究城市 ( 或區(qū)域 ) 內(nèi)的全部污染源的總排放量，其中全部污染源的總排放量一般包括流動源、工業(yè)源、生活源及其他天然排放源在內(nèi)的所有污染源的排放總量。根據(jù)具體的調(diào)查、研究和計算，取 CO 排放的分擔率η為80%；取 NOx排放的分擔率η為 40%；取 HC 排放的分擔率η為 49%；取PM10排放的分擔率η為 2.9%。

（2）大氣污染物的濃度目標值C?！?環(huán)境空氣質(zhì)量標準 》( GB 3095—2012 ) 將環(huán)境空氣質(zhì)量分為2 個等級，并且規(guī)定了各等級環(huán)境空氣質(zhì)量中各項污染物不允許超過的濃度限值。由于遼寧省、四川省、北京市等我國大部份省市的空氣質(zhì)量在 2015 年將達到或優(yōu)于國家二級標準[8]，因而可以將 2015 年的我國大氣環(huán)境質(zhì)量目標定為國家二級標準，得到 NOx的目標濃度值C為 0.05 mg/m3，PM10的目標濃度值C為 0.07 mg/m3。國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準中沒有 CO 和 HC 的年平均值說明，根據(jù)年平均值一般為日平均值一半的國標規(guī)律，定義CO 日均值的一半為其目標濃度值，得到 CO 的目標濃度值C為 2.00 mg/m3；根據(jù)《 輕型汽車污染物排放限值及測量方法 ( Ⅲ、Ⅳ ) 》 ( GB 18352.3—200X )中的各車型氣態(tài)物質(zhì)排放限值，得到 HC 的排放限值一般為 CO 排放限值的 1/10，推算得出 HC 的目標濃度值C為 0.20 mg/m3。

（3）研究區(qū)域的面積S?！?中國統(tǒng)計年鑒 2013 》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國國土面積 959.69 萬 km2，得到S值為 9 596 900 km2。

（4）大氣污染物的干沉降速度Vd。干沉降速度是指污染物在大氣中物理沉降的速度。NOx的干沉降速度可以取 NO 和 NO2的干沉降速度之和，得到 NOx的干沉降速度Vd為 7.01 × 10-4m/s；CO 和HC 的干沉降速度Vd為 0 m/s；PM10的干沉降速度Vd為 44 × 10-4m/s[9]。

（5）大氣污染物的濕沉降速度Vw。濕沉降是指污染物隨雨、雪、冰雹等大氣降水沉降到地面的過程。濕沉降由于是由降水形式引起的，所以其往往具有集中沉降的特點。根據(jù)有關(guān)資料，NOx的濕沉降速度Vw為 1.9 × 10-4m/s；CO、HC 和 PM10的濕沉降速度Vw為 0 m/s[10]。

（6）大氣污染物的化學轉(zhuǎn)化率Kc。大氣污染物的化學轉(zhuǎn)化率是指在大氣污染物中，轉(zhuǎn)化的或參與反應的污染物質(zhì)量占污染物總質(zhì)量的比例。NOx的化學轉(zhuǎn)化速率Kc可以取8.3×10-6s-1[11-12]。由于 CO和 HC 的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以 CO 和 HC 的化學轉(zhuǎn)化率Kc取 0 s-1。與固態(tài)顆粒物的干濕沉降作用相比，固態(tài)顆粒物的化學轉(zhuǎn)化微乎其微，因而PM10的化學轉(zhuǎn)化作用可以忽略不計，其化學轉(zhuǎn)化率Kc取 0 s-1。

（8）混合層高度H?；旌蠈痈叨葧艿娇諝鉁囟取⒖諝鉂穸?、大氣壓力、太陽輻射值、風速等諸多氣象條件的影響，不同城市的混合層高度也會不同。根據(jù)我國的常年氣象統(tǒng)計資料，可以得出國內(nèi)多個城市的H平均值為 365 m[13]。

（9）大氣環(huán)境本底值C0。大氣環(huán)境本底值是指在沒有人為污染的情況下，大氣中有害物質(zhì)的濃度。因為 CO、NOx等在大氣環(huán)境中的天然本底濃度很低，大氣環(huán)境本底值一般近似為 0，因而取它們的大氣環(huán)境本底值C0為 0 mg/m3。

（10）城市綠化率α。綠化率是指規(guī)劃建設用地范圍內(nèi)的綠地面積與規(guī)劃建設用地總面積的比值。根據(jù)有關(guān)資料，我國的城市建成區(qū)綠化率α為30.2%[14]。

（11）裸地揚塵率β。隨著機動車保有量及道路長度、面積的迅速增加，交通揚塵尤其是施工車輛揚塵已經(jīng)成為裸地揚塵的主要來源，根據(jù)有關(guān)資料，我國的裸地揚塵率β一般取 25.7%[14]。

2.3 路網(wǎng)交通環(huán)境容量的計算結(jié)果及其結(jié)論

根據(jù)選取的模型參數(shù)值和公式⑼，計算得出2015 年 CO 的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為 12 642.6 萬 t；HC 的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為 774.3 萬 t；NOx的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為1 200.1 萬 t。

根據(jù)公式⑽，計算得出 2015 年 PM10的路網(wǎng)交通環(huán)境容量為 235.1 萬 t。

利用線性回歸預測、灰色預測和組合預測等方法預測得到 2015 年的機動車尾氣污染物排放量[10]，將其與 2015 年的路網(wǎng)交通環(huán)境容量進行對比，如表 1 所示。

由表 1 可以看出，NOx的排放數(shù)量更加接近路網(wǎng)交通環(huán)境所能夠容納的機動車污染物排放量最大負荷，根據(jù)環(huán)境系統(tǒng)最小因子限制定律，為了控制路網(wǎng)交通環(huán)境容量，應當重點控制機動車NOx的排放量。

表1 2015年路網(wǎng)交通環(huán)境容量與機動車尾氣污染物預測值對比

3 結(jié)束語

路網(wǎng)大氣環(huán)境容量是確定路網(wǎng)交通環(huán)境容量的重要依據(jù)，其計算方法有多種，包括線性規(guī)劃優(yōu)化法、A-P 值法、模擬法和箱式法等。由于箱式法更加適用于宏觀區(qū)域范圍內(nèi)的大氣環(huán)境總?cè)萘垦芯浚蚨捎酶倪M的單箱法建立路網(wǎng)交通環(huán)境容量模型，通過查閱相關(guān)資料對模型中各參數(shù)賦值，計算得到 2015 年 CO、HC、NOx、PM10的路網(wǎng)交通環(huán)境容量值，經(jīng)過與 2015 年尾氣污染物預測值的比較可知，控制路網(wǎng)交通環(huán)境容量應當重點控制機動車 NOx的排放量。

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