CALINE4模式在貴州省安順至紫云高速公路機(jī)動(dòng)車尾氣污染環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

付甫剛，馬旭東，周曉娟

（貴州省交通科學(xué)研究院，貴陽550008）

1 貴州省高速公路網(wǎng)簡介及安順至紫云高速公路工程概況

1.1 貴州省高速公路網(wǎng)簡介

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路建設(shè)進(jìn)入到一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，在此背景下，針對(duì)貴州交通發(fā)展現(xiàn)狀及問題，貴州省人民政府對(duì)我省的高速公路發(fā)展進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃，貴州省高速公路網(wǎng)可以歸納為“6橫7縱8聯(lián)”及4個(gè)城市環(huán)線，總規(guī)模4 519km，規(guī)劃目標(biāo)是建立與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)，與城鎮(zhèn)布局、產(chǎn)業(yè)布局相協(xié)調(diào)，功能明確、結(jié)構(gòu)合理、布局完善、服務(wù)高效得高速公路網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)貴州省經(jīng)濟(jì)社會(huì)歷史性跨越和生態(tài)文明建設(shè)的需要。安順至紫云段為貴州省高速公路網(wǎng)中的第五縱的中段。

1.2 安順至紫云高速公路工程概況

安順至紫云高速公路正線起于安順市東面的貓貓洞，與普定至安順高速公路安順北環(huán)線徑向相接，之后設(shè)橋分別跨過貴昆鐵路和滬昆客運(yùn)專線長沙至昆明段鐵路，之后經(jīng)石龍灣、馬槽龍?zhí)?，到達(dá)猴場(chǎng)，在此設(shè)單喇叭互通接云峰至舊州的道路，出互通后設(shè)隧道下穿九龍山至郭家寨，之后繼續(xù)南行，從鵝項(xiàng)水庫下游1.5km處通過至下隴灰，在此預(yù)留今后與“六聯(lián)”相接的樞紐互通，之后向南經(jīng)小屯、小毛棋堡、上馬牛至高堡，在此設(shè)互通式立交，以提供雙堡、雞場(chǎng)、林哨等地的車輛上下高速公路，之后向南經(jīng)新海子、魚場(chǎng)、沙鍋泥、麻爛洞、爛壩、大糧屯、小糧屯，繼續(xù)南行經(jīng)胡壩、羅家院、上院、下院、水淹壩、樓梯關(guān)，到達(dá)打扒河，在此設(shè)互通式立體交叉，以提供紫云縣貓營鎮(zhèn)、格老寨、打扒河等村寨的車輛上下本高速公路，出互通后，繼續(xù)南行，經(jīng)櫻桃井、座馬河，到達(dá)終點(diǎn)沙子哨，接上惠水至興仁高速公路，路線全長55.886km。

安順至紫云高速公路基本情況見表1。

表1 安順至紫云高速公路基本情況一覽表

2 高速公路機(jī)動(dòng)車尾氣污染源排放特征及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)目的

2.1 高速公路機(jī)動(dòng)車尾氣污染源排放特征

按照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》中的規(guī)定，營運(yùn)期機(jī)動(dòng)車輛排放的尾氣屬于線源，具體特征是：尾氣排放沿高速公路走向呈線性排放，隨著高速公路上各路段通行機(jī)動(dòng)車輛的不斷變化，各路段排放的污染源強(qiáng)隨著交通量的改變而有所不同，同一路段近、中、遠(yuǎn)期污染物排放源強(qiáng)也會(huì)隨著機(jī)動(dòng)車輛的變化而不同，因此在高速公路機(jī)動(dòng)車尾氣排放污染應(yīng)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中，必須針對(duì)各路段、各時(shí)期的具體情況進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

2.2 機(jī)動(dòng)車尾氣預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)目的

高速公路的迅速發(fā)展對(duì)我省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用，但機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)公路沿線大氣環(huán)境質(zhì)量的影響也日益凸顯出來，因此，對(duì)高速公路機(jī)動(dòng)車尾氣污染進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)預(yù)防和減輕其污染損害具有重要意義。

機(jī)動(dòng)車尾氣污染物通過大氣傳輸，在傳輸過程中發(fā)生稀釋擴(kuò)散現(xiàn)象，其濃度變化具有時(shí)間及空間變化特征［1］，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng)車排放污染物在大氣中的傳輸擴(kuò)散情況是制定機(jī)動(dòng)車排放污染控制對(duì)策的基礎(chǔ)［2］，但是，機(jī)動(dòng)車尾氣污染狀況影響因素眾多，除了機(jī)動(dòng)車本身尾氣污染物控制措施外，還與車速、交通量、近地面氣象條件、附近構(gòu)筑物影響等有關(guān)。近年來，CALINE4模型被廣泛應(yīng)用于公路機(jī)動(dòng)車尾氣污染物的空間分布預(yù)測(cè)［3－4］，預(yù)測(cè)結(jié)果符合NO2在空氣中的擴(kuò)散衰減規(guī)模，同時(shí)通過預(yù)測(cè)與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可知，CALINE4模型對(duì)公路機(jī)動(dòng)車輛線性污染源排放的NO2預(yù)測(cè)結(jié)果滿足環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的需要，為此應(yīng)用該模型來預(yù)測(cè)貴州省安順至紫云高速公路沿線大氣中汽車尾氣的空間分布情況，探索其應(yīng)用于高速公路汽車尾氣排放預(yù)測(cè)的可行性和實(shí)用性。

3 安順到紫云高速公路交通量及各路段污染物源強(qiáng)

3.1 交通量及車型比

根據(jù)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》提出的方法，參照貴州省安順至紫云公路公路安順貓貓洞至紫云沙子哨互通段環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告書（第24～25頁），交通量預(yù)測(cè)特征年分別為2013年、2019年和2027年，本項(xiàng)目未來各特征年平均交通量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2，未來年份車型構(gòu)成預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。晝間系數(shù)取0.827。

表2 安順至紫云高速公路特征年各路段預(yù)測(cè)交通量折算成小客車：pcu·d－1

表3 未來年份車型構(gòu)成預(yù)測(cè)結(jié)果 %

3.2 各路段污染物源強(qiáng)

根據(jù)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》提出的方法，參照貴州省安順至紫云高速公路可行性報(bào)告以及各路段的車流量，各路段機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放源強(qiáng)見表4。

表4 安順至紫云高速公路各路段污染物NO2排放源強(qiáng) mg·m－1·s－1

4 機(jī)動(dòng)車尾氣預(yù)測(cè)模式、預(yù)測(cè)內(nèi)容及預(yù)測(cè)氣象

4.1 預(yù)測(cè)模式簡介

美國加利福尼亞交通部于20世紀(jì)后葉開發(fā)了道路大氣擴(kuò)散模型CALROADS模型，包括CALINE4、CAL3QHC和CAL3QHCR 3個(gè)模塊，CALINE4是CAINE系列的最后一個(gè)版本，它基于高斯擴(kuò)散方程，應(yīng)用混合層的概念來描述道路上機(jī)動(dòng)車尾氣排放的污染物的擴(kuò)散［5］。CALINE4模式的基本思路是將道路劃分成一系列線源單元（簡稱線元），分別計(jì)算各線元排放的污染物對(duì)接受點(diǎn)濃度的貢獻(xiàn)，然后再求和計(jì)算整條道路流動(dòng)源在接受點(diǎn)產(chǎn)生的污染濃度［6］。線元的劃分方法見圖1。

把劃分后的每一個(gè)線元看作一個(gè)通過線元中心、方向與風(fēng)向垂直、長度為該線元在垂直風(fēng)向（y軸方向）投影的有限線源 .以接受點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，上風(fēng)向?yàn)檎齲軸，則線元對(duì)接受點(diǎn)污染的貢獻(xiàn)值可按下式計(jì)算：

式中：Cn為第n個(gè)線元對(duì)接受點(diǎn)的貢獻(xiàn)（mg／m3）；C為濃度分布（mg／m3）；QL為線源源強(qiáng)［mg／（m· s）］；u為近地面風(fēng)速（m／s）；H為源高（m）；σy為橫向的擴(kuò)散參數(shù)；σz為垂直向的擴(kuò)散參數(shù)；y1、y2為有限線源兩端點(diǎn)的縱坐標(biāo)（y2＞y1）。

應(yīng)用CALINE4模式預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng)車尾氣污染，需要事先確定模型運(yùn)行控制選項(xiàng)、污染源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)。其中污染源數(shù)據(jù)包括道路的車流量數(shù)據(jù)、各類污染物的排放因子、道路的幾何參數(shù)（位置坐標(biāo)、幾何尺寸、路況類別等）；氣象數(shù)據(jù)主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度、擴(kuò)散參數(shù)等。

4.2 預(yù)測(cè)內(nèi)容

公路建成運(yùn)營后，不同路段、不同時(shí)期內(nèi)的車流量不同，產(chǎn)生機(jī)動(dòng)車尾氣排放量和排放濃度也不同，要對(duì)不同路段、不同時(shí)間過往機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須選擇一種合適的預(yù)測(cè)模式來預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境的影響。本研究選用CALINE4模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，為機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境的影響評(píng)價(jià)提供依據(jù)。預(yù)測(cè)內(nèi)容如下：

圖1 線源劃分示意圖

（1）預(yù)測(cè)因子：預(yù)測(cè)通車后，建設(shè)項(xiàng)目日均小時(shí)和高峰小時(shí)車流量時(shí)，機(jī)動(dòng)車排放的主要污染物NO2在下風(fēng)向的濃度分布。

（2）預(yù)測(cè)時(shí)段：近期2013年、中期2019年及遠(yuǎn)期2027年，道路下風(fēng)向日均小時(shí)和高峰小時(shí)交通量時(shí)的污染物濃度分布。

（3）預(yù)測(cè)路段：依據(jù)工程分析，評(píng)價(jià)路段主要?jiǎng)澐譃?段，分別為安順貓貓洞－猴場(chǎng)互通、猴場(chǎng)互通－下隴灰互通、下隴灰互通－洗馬塘互通、洗馬塘互通－楊武互通、楊武互通－打扒河互通、打扒河互通－紫云沙子哨互通。

（4）預(yù)測(cè)范圍：據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)范圍，預(yù)測(cè)從道路中線線算起，水平方向距離分別為10，20，30，40，50，60，80，100，150，200m，高度為1.2m處的尾氣污染物的濃度分布。

4.3 預(yù)測(cè)氣象

1、風(fēng)向 根據(jù)安順到紫云報(bào)告書中的氣象資料，本項(xiàng)目沿線的安順和紫云風(fēng)玫瑰圖見圖2。

由圖2可知，安順市和紫云縣的主導(dǎo)風(fēng)向均為為NE。

圖2 擬建公路沿線區(qū)域風(fēng)向玫瑰圖

2、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度

根據(jù)貴州省安順到紫云高速公路環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中的資料，在地區(qū)冬季以靜小風(fēng)為主，夏季以2.0～4.0m／s的中檔風(fēng)速出現(xiàn)頻率最高。大氣穩(wěn)定度以最不利條件D類及E類來進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

5 預(yù)測(cè)結(jié)果及其分析

將各參數(shù)代入CALINE4模型，就可以得到各路段機(jī)動(dòng)車尾氣（NO2）濃度增值分布情況，根據(jù)GB3095－1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，進(jìn)而對(duì)近期（2013）、中期（2019）和遠(yuǎn)期（2027）各路段的環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。安順貓貓洞－猴場(chǎng)互通段機(jī)動(dòng)車尾氣（NO2）濃度增值分布如表5和表6所示，其它不再列出。

表5 公路沿線NO2日均濃度預(yù)測(cè)表（D類穩(wěn)定度） mg·m－3

表6 公路沿線NO2高峰小時(shí)濃度預(yù)測(cè)表（E類穩(wěn)定度） mg·m－3

由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，公路沿線NO2的日均濃度（D類穩(wěn)定度）在距離中心線20m左右達(dá)到濃度最大值，隨著距離增加或減少，NO2的日均濃度逐漸降低。同時(shí)隨著交通量增加，尾氣排放量增大，道路沿線空氣中NO2的日均濃度有所增加。

在E類穩(wěn)定度情況下，公路沿線NO2的高峰小時(shí)濃度在距離中心線20m左右達(dá)到濃度最大值，隨著距離增加或減少NO2的日均濃度逐漸降低。同時(shí)隨著交通量增加，尾氣排放量增大，道路沿線空氣中NO2的日均濃度有所增加。

6 結(jié) 論

1、由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，道路沿線空氣中NO2的濃度一般在道路中心線兩側(cè)20m左右出現(xiàn)濃度最大值，隨著距離增加或減少，道路沿線空氣中NO2的濃度呈現(xiàn)一種遞減模式。高速公路機(jī)動(dòng)車輛排放的NO2尾氣符合高斯分布特征。

2、CALINE4模型可以用來預(yù)測(cè)高速公路機(jī)動(dòng)車排放的日均小時(shí)及高峰小時(shí)污染物濃度，評(píng)價(jià)靠近公路兩側(cè)200m范圍內(nèi)的微尺度區(qū)域空氣質(zhì)量的變化。本文研究表明，CALINE4模式應(yīng)用于高速公路環(huán)評(píng)大氣污染預(yù)測(cè)是可行的。

［1］ 李 莉，陳長虹，黃 成，等.CALRoads模式在上海市典型道路CO擴(kuò)散預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2006，18（4）：7－11.

［2］ 董常暉，徐燕.公路環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究進(jìn)展.交通環(huán)保，2004，25（1）：44－47.

［3］ 陳紅梅，陳崇成，汪小欽.應(yīng)用CALINE4模式模擬機(jī)動(dòng)車排氣污染的時(shí)空分布—以廈門市主干道路為例［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（2）：257－260.

［4］ 謝紹東，張遠(yuǎn)航，唐孝炎.機(jī)動(dòng)車排氣污染物擴(kuò)散模式.環(huán)境科學(xué)，1999，20（1）：104－1092.

［5］ BENSON P E.CAL INE24Adispersion model for p redic2ting air pollution concentrations near roadways［R］.Cali2fornia Department of Transportation，2003.

［6］ 劉志強(qiáng)，梅德純，張曉娜.鎮(zhèn)江市機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散模擬分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26（6）：480－483.