機(jī)動(dòng)車尾氣擴(kuò)散模型探析2800字

1 1 2 6通過前文CVEM排放模型可以測(cè)算獲得排放源強(qiáng)度，在機(jī)動(dòng)車排放污染物之后，便是污染物擴(kuò)散過程。本文假設(shè)路段上每一輛車即為一個(gè)排放源，排出的尾氣會(huì)以一定方式運(yùn)動(dòng)在空氣中擴(kuò)散，模擬該種擴(kuò)散過程常用到的是1994年Turner150提出的高斯煙羽模型，以及Benson等511提出的加利福尼亞 (CALINE4)。下面會(huì)對(duì)兩種模型以及對(duì)本文所采用的建模過程進(jìn)行介紹。1.1基礎(chǔ)模型介紹1.1.1基于點(diǎn)源的高斯煙羽模型Turner150提出的高斯煙羽模型，見公式(2-5,是一種計(jì)算連續(xù)平均點(diǎn)源的擴(kuò)散模型。該模型假定空氣污染物擴(kuò)散是符合高斯分布的，也就意味著污染物濃度分布是服從正態(tài)概率分布的。具體的假設(shè)條件包括五方面：(1)地表是平坦的； (2)風(fēng)速在整個(gè)擴(kuò)散空間中是均勻不變的；(3)煙氣到達(dá)地面全部反射，沒有化學(xué)反應(yīng)和沉降產(chǎn)生，即污染物質(zhì)量在整個(gè)擴(kuò)散過程是不會(huì)改變的；(4)污染物源強(qiáng)是連續(xù)且均勻的；(5)污染物濃度在y、z軸是服從正態(tài)高斯分布的。高斯煙羽模型被廣泛用來估計(jì)來自地面或高架源的連續(xù)浮力空氣污染羽流的分布。c(x,y,z)——接收點(diǎn)(x,y,z)的平均排放濃度(單位mg/s);o——原點(diǎn)為排放點(diǎn)所在位置；x——x軸正向?yàn)轱L(fēng)速方向，為排放點(diǎn)沿風(fēng)向上任一點(diǎn)的距離(m);y——y軸垂直于水平面xoz,為排放中心軸在直角水平方向上任一點(diǎn)的距離(m);z——z軸垂直于水平面xoy,為距離地表任一點(diǎn)的高度(m);H?——排放點(diǎn)所在距離地面的高度；o,、o?——水平和垂直分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，與大氣穩(wěn)定性、x的位置以及其他因素圖2-1高斯煙羽模型【見譚宇姐】1.1.2加利福尼亞線源擴(kuò)散模型上述中的高斯煙羽模型經(jīng)過推廣，可擴(kuò)展為線源模型，Benson等5將該模型命名為加利福尼亞線源擴(kuò)散模型(CALINE4)。CALINE4模型是基于高斯煙羽模型和混合區(qū)域概念以及污染物沉積沉降速率綜合考慮得到的一種線源擴(kuò)散模型】。該模型是依照當(dāng)?shù)貧庀髼l件，根據(jù)交通流量數(shù)據(jù)、接受污染片區(qū)的幾何形狀預(yù)測(cè)經(jīng)一定擴(kuò)散后，一定區(qū)域空氣中的污染物濃度。它主要用于預(yù)測(cè)、模擬擴(kuò)散顆粒物、CO、NO2等污染物濃度。在所有建模過程的基礎(chǔ)之上，Benson等研發(fā)出了一套可供相關(guān)科研人員使用的CALINE4軟件。該軟件可用于模擬污染物的排放過程，需要的輸入數(shù)據(jù)包括以下幾個(gè)部分：(1)路段的地理狀態(tài)：路段類型，每條路段的長(zhǎng)度；(2)路段的機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)：每個(gè)路段的排放因子以及交通量；(3)氣象條件：風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差、大氣穩(wěn)定度、混合層高度、環(huán)境溫度、背景污染物濃度等。(4)接受點(diǎn)位置：輸入各測(cè)量點(diǎn)具體坐標(biāo)。在輸入給定數(shù)據(jù)之后，CALINE4軟件能夠模擬污染物排放的過程，估算出在研究區(qū)域給定接收點(diǎn)的排放濃度。因軟件來源不可得，本文并不使用CALINE4軟件，而是主要對(duì)CALINE4模型的具體建模過程進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)，并對(duì)該模型進(jìn)行合理且適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化，以估算擴(kuò)散后至接收點(diǎn)的污染物濃度。CALINE4模型的基本思路是首先將道路看成一系列的線源單元，再依次計(jì)算各線源單元所排放的污染物濃度，經(jīng)過一系列的擴(kuò)散過程，到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生對(duì)該接收點(diǎn)的污染濃度貢獻(xiàn)，最后求和所有線源單元對(duì)該接收點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)521,便可以得到選定測(cè)量點(diǎn)的總污染擴(kuò)散濃度，如圖2-2所示。EY測(cè)量點(diǎn)距離D的大小等于測(cè)量點(diǎn)到路段中心線的垂線段長(zhǎng)度的大小。第一個(gè)元素ε。成為與路段寬度相等的正方形，它的位置取決于路段與風(fēng)向的夾角PHI.若PHI≥45°,第一個(gè)元素的中心便位于測(cè)量點(diǎn)的逆風(fēng)向位置。若PHI<45°,那么第一個(gè)元素8。的位置保持不變且與其在PHI=45°時(shí)的位置相同。ε。的位置調(diào)整有助于實(shí)現(xiàn)非常接近路段的測(cè)量點(diǎn)的平滑模型響應(yīng)。后續(xù)元素的位置和長(zhǎng)度由式2-6和2-7確定：ELBASE=1.1+PH3/(2.5×10?)W——路段寬度；NE-元素編號(hào)；BASE-元素增長(zhǎng)系數(shù)；PHI-路段與風(fēng)向夾角(角度)。通過建模，每個(gè)元素被等價(jià)為一個(gè)垂直于風(fēng)向且中心與元素中心相同的有限線源(FLSe),如圖2-3所示。對(duì)每一個(gè)元素而言，建立了以元素中心為坐標(biāo)原點(diǎn)且與風(fēng)向?qū)R的局部坐標(biāo)系。發(fā)生在每一個(gè)元素內(nèi)的排放被認(rèn)為是代表對(duì)應(yīng)元素的有限線源FLS的釋放。排放從元素順風(fēng)擴(kuò)散假定為是服從高斯分布，且線源強(qiáng)度被認(rèn)為是均勻的。每個(gè)有限線源FLSe的長(zhǎng)度和方向是元素大小和路段與風(fēng)向夾角的函數(shù)，如圖2-3所把每一個(gè)有限線源FLS劃分為無數(shù)個(gè)無限小的的部分dy,每一個(gè)dy對(duì)測(cè)量點(diǎn)排放濃度的貢獻(xiàn)(增量濃度)為dC,dC可利用基于點(diǎn)源的高斯模型來進(jìn)行計(jì)算，如圖2-5所示，且有公式(2-8)。dC——增量污染擴(kuò)散濃度；u——風(fēng)速；Hp——污染源處的煙羽高度；σy和σ?-水平和垂直分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于σ?對(duì)于dy來說是常數(shù)，便令：對(duì)線源FLS內(nèi)的所有無限小的dy進(jìn)行積分，有：值得注意的是，σ,和σ?是x而不是Y的函數(shù)。進(jìn)行如下替換(p=y/σy,dp=dy/σy)后則有：很顯然，我們可以發(fā)現(xiàn)，PD是符合正態(tài)概率密度函數(shù)的。1.2出行污染排放-擴(kuò)散建?；谇懊鎸?duì)兩個(gè)模型的介紹，我們做了一些簡(jiǎn)化來適用于本文的交通排放暴露一體化建模過程。由于高斯煙羽模型的參數(shù)不在本文的研究范圍以內(nèi)，故使用公式(2-13a)和(2-13b)將擴(kuò)散參數(shù)表示為x的函數(shù)，認(rèn)為大氣環(huán)境是穩(wěn)定的。在本文中，由于只關(guān)注局部范圍內(nèi)近地面的車輛尾氣排放量和排放濃度，故做如下假設(shè)：z=0,H,=0.因此，基于點(diǎn)源的高斯煙羽模型能夠簡(jiǎn)化為以下公式。對(duì)于任意順風(fēng)向位置(也就是說x≥0時(shí))有2-7a,而對(duì)于任意逆風(fēng)向位置 (即x<0時(shí)),認(rèn)為排放濃度c(x,y,z)=0。接著，根據(jù)CALINE4模型的相關(guān)建模思路，我們將基于點(diǎn)源的排放擴(kuò)散濃度推廣到基于線源(路段)的排放擴(kuò)散濃度。首先，我們忽略路段的寬度，并將單個(gè)路段分解成大量的長(zhǎng)度相等的小元素，每個(gè)小元素被等價(jià)為一個(gè)有垂直于風(fēng)向的有限線源(FLS),且有限線源的中心就是小元素的中心。由于每個(gè)有限線源上的點(diǎn)具有相同的橫坐標(biāo)，它們具有相同的擴(kuò)散參數(shù)σ,和σ2,因此，由某一有限線源FLSe引起的排放擴(kuò)散濃度C(x,y)可通過對(duì)FLSe長(zhǎng)度上的連續(xù)點(diǎn)源積分計(jì)算得到，見公式(2-15)。請(qǐng)注意，y1和y2表示等價(jià)有限線源FLSe兩端點(diǎn)的Y坐標(biāo)，可根據(jù)被劃分的單個(gè)小元素的長(zhǎng)度()和小元素與風(fēng)向的夾角(φe)來確定，見公式(2-16)和(2-17):,那么由單個(gè)有限線造成的排放擴(kuò)散濃度可表示為公式φ(.)表示服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積概率密度函數(shù)。在上述建模過程中，測(cè)量點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)的確定依據(jù)的是以有限線源FLSe的中心為原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系，x軸表示風(fēng)向，y軸表示垂直于風(fēng)向的方向。因此，當(dāng)把測(cè)量點(diǎn)(X,Y)和單個(gè)有限線源FLSe(中心為(x,Y))放在全局坐標(biāo)系中(交通網(wǎng)絡(luò))考慮時(shí)，認(rèn)為X軸與風(fēng)向的夾角(逆時(shí)針方向測(cè)量)是γ,下面的公式(2-19)和公式(2-20)就可被用來進(jìn)行全局坐標(biāo)(X,Y)到局部坐標(biāo)(x,