城市高架道路污染模式研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.09MB 59 页 15积分

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摘要

虽然我国城市建设迅速发展，但车量增加的速度更快。随之而来的问题是通

行速度越来越慢，通行效率很低，即浪费燃料和时间，又对大气造成污染，目前

交通污染已成为城市主要的空气污染来源。近年来，我国很多大城市为提高通行

效率而建设了高架快速道路，这些道路以其交叉少，通行量大给我们带来方便。

但日益增加的车辆也使高架道路经常堵塞，如果规划管理不当，这些高架道路也

会成为空中停车场。本文的研究涉及两方面内容：通行效率和道路空气污染。

目前研究道路上污染排放的文章较少，多数为机动车排放因子的计算。对高

架道路的研究就更少，而研究交通污染扩散模式的文献较多。但因城市道路网错

综复杂，找出污染物扩散的规律很难，而高架道路上的情况相对简单，可以进行

一些理想化处理，实测和计算结果相对地面道路都较为简单且准确。

本文首先通过现场观察和采样，提出上海市高架道路的最大车流量所对应的

最佳车速，并用道路上车辆密度与车速、流量及污染物浓度的关系，建立了充分

利用现有交通运能，适当规划分布高架上车流量的管理方法，对提高车辆的速度

和整个城市的工作效率都有重要的意义。通过对高架道路上的一氧化碳、甲烷、

总烃等污染物进行分析，讨论了高架道路上污染物浓度与车辆密度的关系，从中

找出其之间的数量关系，建立了高架道路污染模型。本文通过对上海市高架道路

上车辆的车速、流量实测统计，计算出最大的车流量和最佳车速，并对高架路上

的空气污染物进行测量分析，研究了车辆密度与流量、车速和污染物之间的关系，

建立了相关的高架道路污染模型，对道路排堵保畅及减少空气污染都有重要意义。

关键词：高架道路空气污染车辆密度污染模型

Abstract

According to the development of city construction, the quantity of the mobile cars

increased quickly, but the velocity becomes lower and lower. It wastes fuel and time,

meanwhile, it makes air pollution. The main resource of the air pollution comes from

the traffic pollutant. In recent years, many cities build Elevated Road to enhance the

efficiency of traffic, these roads have little crossing but huge ability of passing. But we

can see that with the increased cars, the elevated road is also jammed, if it is governed

improper, the elevated road will be the parking place in the air. So we need to solve

two problems: the efficiency of traffic and the air pollution.

People do so much research on the diffusion of traffic in the field of air pollution,

but according to the complex city road net, it is difficult to get the rule of the diffusion.

So now we do research on the elevated road, the traffic instance is much simple than

other roads, we can treat it idealization, so that the data we get is correct compare to

the ground road.

In this article, after sampling and observation, we bring forward the conception of

the largest quantity of cars with the best velocity, and according to the relationship

among the density, the quantity, the velocity and the concentration of pollutant, we set

up the method of marking out the quantity of cars properly by using the data of traffic

ability. It has a great meaning to improve the working efficiency. In addition, we

analyzed the concentration of CO, CH4, and HC, discussed the relationship between

the density, the velocity and the quatity of mobile cars with the concentration of

pollutant. It is meaningful to set up the Pollution Model of the Elevated Road.

Key words: Elevated Road，Air Pollution，Density of cars，

Pollution Model

中文摘要

Abstract

第一章绪论……………………………………………………………………… 1

§1.1 课题的提出……………………………………………………………… 1

§1.1.1 上海市交通现状…………………………………………………… 1

§1.1.2 上海市空气污染现状……………………………………………… 1

§1.1.3 研究方法…………………………………………………………… 3

§1.2 课题研究的意义………………………………………………………… 4

§1.2.1 合理规划道路，提高通行效率…………………………………… 4

§1.2.2 高架道路的污染模式……………………………………………… 5

§1.3 国内外研究概况………………………………………………………… 6

§1.3.1 美国EPA排放模型—MOBILE……………………………………… 6

§1.3.2 街道峡谷汽车污染扩散模式……………………………………… 7

§1.3.3 美国公路线源汽车污染扩散模式………………………………… 8

§1.3.4 中国排放模型……………………………………………………… 8

§1.3.5 污染模式比较……………………………………………………… 11

§1.4 课题的研究内容………………………………………………………… 11

§1.4.1 车流量、车速度与车密度………………………………………… 11

§1.4.2 高架道路…………………………………………………………… 12

§1.4.3 课题的创新………………………………………………………… 13

第二章实验部分………………………………………………………………… 14

§2.1 仪器与试剂……………………………………………………………… 14

§2.1.1 CO…………………………………………………………………… 14

§2.1.2 HC…………………………………………………………………… 14

§2.2 实验原理………………………………………………………………… 15

§2.2.1 CO 实验原理………………………………………………………… 15

§2.2.2 HC 实验原理………………………………………………………… 15

§2.3 采样……………………………………………………………………… 16

§2.3.1 采样仪器…………………………………………………………… 16

§2.3.2 污染物布点、采样………………………………………………… 16

§2.4 测量仪器………………………………………………………………… 16

第三章结果与讨论……………………………………………………………… 17

§3.1 车速与车流量之间的关系……………………………………………… 17

§3.2 空气污染物浓度与车流量和车速之间的关系………………………… 20

§3.2.1 车速与污染物浓度的关系………………………………………… 20

§3.2.2 车流量与污染物浓度的关系……………………………………… 21

§3.3 车速、车流量与污染物浓度三者之间的关系及存在的问题………… 23

§3.4 车密度…………………………………………………………………… 23

§3.4.1 车密度与车速和车流量的关系…………………………………… 25

§3.4.2 车密度与污染物浓度的关系……………………………………… 25

§3.5 交通参数与污染物浓度之间的关系…………………………………… 27

第四章模式建立………………………………………………………………… 28

§4.1 建立相关物理量………………………………………………………… 28

§4.1.1 最小车间距………………………………………………………… 28

§4.1.2 车道数……………………………………………………………… 28

§4.2 高架道路污染模式……………………………………………………… 28

§4.2.1 模式的建立………………………………………………………… 28

§4.2.2 浓度与车密度的模拟图…………………………………………… 32

§4.3 高架道路各交通因子之间的公式推导………………………………… 36

§4.3.1 车流量与车速度的关系…………………………………………… 36

§4.3.2 车密度与车流量、车速的关系…………………………………… 36

§4.3.3 车密度与车间距的关系…………………………………………… 36

§4.4 污染物浓度与车速度，车流量关系推导……………………………… 37

§4.4.1 CO浓度与车速度，车流量的关系模式…………………………… 38

§4.4.2 HC浓度与车速度，车流量的关系模式…………………………… 38

第五章模式验证………………………………………………………………… 39

§5.1 实测值与模拟值的比较………………………………………………… 39

§5.1.1 CO浓度实测值与模拟值的比较…………………………………… 39

§5.1.2 CO浓度实测值与模拟值的比较…………………………………… 39

§5.2 模式修正………………………………………………………………… 40

§5.2.1 CO模式修正………………………………………………………… 40

§5.2.2 HC模式修正………………………………………………………… 40

§5.3 小结……………………………………………………………………… 40

附录………………………………………………………………………………… 42

参考文献…………………………………………………………………………… 54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果………………………… 56

致谢………………………………………………………………………………… 57

第一章绪论

§1.1 课题的提出

§1.1.1 上海市交通现状

改革开放以来，我国的城市建设突飞猛进，环境日新月异，倍受世人瞩目。

随着经济的高速发展，机动车数量发展得更快，北京市目前汽车总量已突破 260

万辆。而上海近十几年中市机动车数量也增加的非常快，由 1990 年的 21 万辆增

加到 1996 年的 70 万辆，到 2003 年底，上海市汽车保有量已经达到 170 万辆[1]，

比九十年代增长了 6倍，而目前上海市的汽车保有量已超过 180 万辆。这个数量

还是在极力控制的前提下形成的，但还是远大于道路的增加速度。在上下班高峰

时段，所见之路到处车满为患，不塞车的道路几乎没有。车辆数的迅猛增加，导

致了车辆通行速度慢，给上海城市交通道路的通行状况带来了极大的压力，造成

整个社会的工作效率降低，同时还加重了空气污染，已经成为制约城市发展的重

要因素。

§1.1.2 上海市空气污染现状

随着城市规划与建设的科学性，已将绝大部分大型工业污染生产厂家集中迁

至城市郊区，从而减少了对城市中心地带的空气污染。但是，根据调查研究表明，

城市中心大气质量并未得到很好地改善，原因在于：由于汽车数量的迅猛增长，

城市交通网络的不断拓展，汽车所排放的尾气已经成为城市中心大气污染的主要

来源[2]，据国家环保总局有关负责人表示：目前我国的环境污染已经从原来的煤烟

污染型转为燃煤与机动车污染型，机动车污染已经成为北京、上海、广州等大城

市的主要污染源。防治和遏制机动车的污染已成为各大城市环保工作的一项重要

内容。

汽车的污染物种类多，其中我们熟悉的NOX，CO，HC等有害污染物对环境影

响较大，危害着人类的健康。据统计，城市大气中的一氧化碳（CO）的74%、碳

氢化合物（HC）的63%、氮氧化物（NOX）的22%均来自汽车尾气[3]。据上海市环

境科学研究院的研究表明，上海市1995年机动车CO排放量与80年代末期相比增加

了2.3倍，NMHC增加了0.95倍，机动车在中心城区内的CO排放量约占全市机动车

CO排放量的48%，NMHC约占40%。1997年机动车每年排放的CO增加道38万t，

NMHC排放量上升至10.0万t。

机动车排放造成的污染对城市低空大气环境和人体健康危害较大。其污染物

主要有CO、HC、NOx、CO2、臭氧(O3)、醛类(Cn-1H2n-1CHO)、SO2、铅(Pb)、碳烟

城市高架道路污染模式研究

微粒等[4]，它们对大气环境的影响主要通过产生光化学烟雾、酸雨、温室效应等表

现出来。酸雨是由SO2、NOx(主要是NO2)在大气中引起雨水pH值的减少；光化学

烟雾是指废气中的HC、

NOx在阳光作用下发生光化学反应生成臭氧(O3)，而大气变

暖，可能会带来气候的灾难性变化。

（1）一氧化碳

一氧化碳是不完全燃烧的产物，是一种无色带刺激性的有毒气体，能阻止血

红蛋白向人体组织输送氧气，使体内缺氧，麻痹中枢神经系统，造成感觉、反应、

理解、记忆力等机能障碍，重者能停止血液循环而死亡。长期处于低浓度的一氧

化碳污染状态下，可患动脉硬化、脑溢血和末梢神经炎等疾病，对胎儿和幼儿的

生长发育有很大影响[5]。

（2）碳氢化合物

汽车排出的废气中含有多种碳氢化合物，现已分析出200多种，在这么多种碳

氢化合物中,每种成份对人的影响也各不相同。一般在低浓度时看不出直接的影

响，当浓度达到数百ppm时，可能使人发生中毒症状。如有些人闻到汽油蒸发气味

时产生头晕恶心等症状。在上述分析出的200多种碳氢化合物中，至少有32种多环

芳烃，其中包括3,4苯并芘等9种致癌物质，它们对人体健康有直接影响。近几年来

的研究表明，碳氢化合物会导致骨髓功能逐渐减弱，减少红血球数量(贫血症)，

减少白血球或在周围血液中产生血小板减少症。碳氢化合物还有刺激眼和鼻、降

低鼻的机能等破坏作用。碳氢化合物中的乙烯等不饱和烃对一些观赏性的植物在

150ppm浓度时即造成危害。碳氢化合物参与光化学反应，产生二次污染物，伤害

人体机能，破坏植物组织。

（3）氮氧化物

氮氧化物是由空气在燃烧室的高温高压下，由氮和氧化合而成。汽车排出的

氮氧化合物，5%以上为一氧化氮，氧化氮只占3%～4%。但一氧化氮排入大气后，

逐步转变为二氧化氮。二氧化氮是一种毒性很强的棕色气体，人的眼睛、口腔、

呼吸道及肺容易造成危害，人咳嗽、流鼻涕。二氧化氮被吸入肺部后，与肺部的

水份结合形成可溶性硝酸，严重时会引起肺气肿。氮氧化物对各种纺织染料、纤

维、塑料、橡胶、电子材料等也有不良影响，尤其是二氧化氮与二氧化硫同时产

生时，影响更为严重。氮氧化物也是参与光化学反应的物质之一。由于氮氧化物

在大气中几天之内就能扩散，下雨时又能溶解于雨水中,其积累浓度不会太高，因

此氮氧化物对环境和人体的影响不像一氧化碳那样严重[7]。

（4）光化学烟雾

光化学烟雾是一种有强刺激作用的浅蓝色气体，其主要成份为臭氧(O3)、各

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摘要：

摘要虽然我国城市建设迅速发展，但车量增加的速度更快。随之而来的问题是通行速度越来越慢，通行效率很低，即浪费燃料和时间，又对大气造成污染，目前交通污染已成为城市主要的空气污染来源。近年来，我国很多大城市为提高通行效率而建设了高架快速道路，这些道路以其交叉少，通行量大给我们带来方便。但日益增加的车辆也使高架道路经常堵塞，如果规划管理不当，这些高架道路也会成为空中停车场。本文的研究涉及两方面内容：通行效率和道路空气污染。目前研究道路上污染排放的文章较少，多数为机动车排放因子的计算。对高架道路的研究就更少，而研究交通污染扩散模式的文献较多。但因城市道路网错综复杂，找出污染物扩散的规律很难，而高架道路上...

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