《機動車尾氣擴散模型分析》2800字（論文）

機動車尾氣擴散模型分析目錄TOC\o"1-2"\h\u27017機動車尾氣擴散模型分析 1115721.1基礎模型介紹 152001.1.1基于點源的高斯煙羽模型 124571.1.2加利福尼亞線源擴散模型 2100041.2出行污染排放-擴散建模 7通過前文CVEM排放模型可以測算獲得排放源強度，在機動車排放污染物之后，便是污染物擴散過程。本文假設路段上每一輛車即為一個排放源，排出的尾氣會以一定方式運動在空氣中擴散，模擬該種擴散過程常用到的是1994年Turner[50]提出的高斯煙羽模型，以及Benson等[51]提出的加利福尼亞線源擴散模型（CALINE4）。下面會對兩種模型以及對本文所采用的建模過程進行介紹。1.1基礎模型介紹1.1.1基于點源的高斯煙羽模型Turner[50]提出的高斯煙羽模型，見公式（2-5，是一種計算連續(xù)平均點源的擴散模型。該模型假定空氣污染物擴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。具體的假設條件包括五方面：（1）地表是平坦的；（2）風速在整個擴散空間中是均勻不變的；（3）煙氣到達地面全部反射，沒有化學反應和沉降產生，即污染物質量在整個擴散過程是不會改變的；（4）污染物源強是連續(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來自地面或高架源的連續(xù)浮力空氣污染羽流的分布。（2-5）其中：c(x,y,z)——接收點的平均排放濃度（單位）；o——原點為排放點所在位置；x——x軸正向為風速方向，為排放點沿風向上任一點的距離（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的距離（m）；z——z軸垂直于水平面xoy，為距離地表任一點的高度（m）；μ——平均風速（m/s）；——排放點的排放強度（單位）;Hp——排放點所在距離地面的高度；——水平和垂直分布的標準偏差，與大氣穩(wěn)定性、x的位置以及其他因素有關。圖2-1高斯煙羽模型【見譚宇姐】1.1.2加利福尼亞線源擴散模型上述中的高斯煙羽模型經過推廣，可擴展為線源模型，Benson等[51]將該模型命名為加利福尼亞線源擴散模型（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散模型【】。該模型是依照當地氣象條件，根據交通流量數據、接受污染片區(qū)的幾何形狀預測經一定擴散后，一定區(qū)域空氣中的污染物濃度。它主要用于預測、模擬擴散顆粒物、CO、NO2等污染物濃度。在所有建模過程的基礎之上，Benson等研發(fā)出了一套可供相關科研人員使用的CALINE4軟件。該軟件可用于模擬污染物的排放過程，需要的輸入數據包括以下幾個部分：（1）路段的地理狀態(tài)：路段類型，每條路段的長度；（2）路段的機動車運行狀態(tài)：每個路段的排放因子以及交通量；（3）氣象條件：風速、風向、風向標準差、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）接受點位置：輸入各測量點具體坐標。在輸入給定數據之后，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CALINE4模型的具體建模過程進行重點學習，并對該模型進行合理且適當地簡化，以估算擴散后至接收點的污染物濃度。CALINE4模型的基本思路是首先將道路看成一系列的線源單元，再依次計算各線源單元所排放的污染物濃度，經過一系列的擴散過程，到達接收點時產生對該接收點的污染濃度貢獻，最后求和所有線源單元對該接收點的濃度貢獻[52]，便可以得到選定測量點的總污染擴散濃度，如圖2-2所示。圖2-2CALINE4使用的元素系列測量點距離D的大小等于測量點到路段中心線的垂線段長度的大小。第一個元素成為與路段寬度相等的正方形，它的位置取決于路段與風向的夾角.若PHI≥45°，第一個元素的中心便位于測量點的逆風向位置。若，那么第一個元素的位置保持不變且與其在PHI=45°時的位置相同。的位置調整有助于實現非常接近路段的測量點的平滑模型響應。后續(xù)元素的位置和長度由式2-6和2-7確定：（2-6）（2-7）其中：EL——元素長度；W——路段寬度；NE-元素編號；BASE-元素增長系數；PHI-路段與風向夾角（角度）。通過建模，每個元素被等價為一個垂直于風向且中心與元素中心相同的有限線源（e），如圖2-3所示。圖2-3線源建模 對每一個元素而言，建立了以元素中心為坐標原點且與風向對齊的局部坐標系。發(fā)生在每一個元素內的排放被認為是代表對應元素的有限線源的釋放。排放從元素順風擴散假定為是服從高斯分布，且線源強度被認為是均勻的。每個有限線源FLSe的長度和方向是元素大小和路段與風向夾角的函數，如圖2-3所示。圖2-4在不同大小風角和元素下的有限線源把每一個有限線源劃分為無數個無限小的的部分，每一個對測量點排放濃度的貢獻（增量濃度）為，可利用基于點源的高斯模型來進行計算，如圖2-5所示，且有公式（2-8）。圖2-5劃分計算示意(2-8)其中：dC——增量污染擴散濃度；u——風速；q——污染源的排放強度；Hp——污染源處的煙羽高度；和-水平和垂直分布的標準偏差。由于對于來說是常數，便令：(2-9)對線源內的所有無限小的進行積分，有：(2-10)值得注意的是，和是而不是的函數。進行如下替換（，）后則有：(2-11)還原A和則有：(2-12)(2-13)很顯然，我們可以發(fā)現，是符合正態(tài)概率密度函數的。1.2出行污染排放-擴散建?；谇懊鎸蓚€模型的介紹，我們做了一些簡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不在本文的研究范圍以內，故使用公式（2-13a）和（2-13b）將擴散參數表示為的函數，認為大氣環(huán)境是穩(wěn)定的。關于高斯參數的更多細節(jié)可以參見Hanna等[52]和Liu等[53]。(2-14)(2-15)在本文中，由于只關注局部范圍內近地面的車輛尾氣排放量和排放濃度，故做如下假設：因此，基于點源的高斯煙羽模型能夠簡化為以下公式。對于任意順風向位置（也就是說時）有2-7a，而對于任意逆風向位置（即時），認為排放濃度。(2-16)接著，根據CALINE4模型的相關建模思路，我們將基于點源的排放擴散濃度推廣到基于線源（路段）的排放擴散濃度。首先，我們忽略路段的寬度，并將單個路段分解成大量的長度相等的小元素，每個小元素被等價為一個有垂直于風向的有限線源（FLS），且有限線源的中心就是小元素的中心。由于每個有限線源上的點具有相同的橫坐標，它們具有相同的擴散參數和，因此，由某一有限線源FLSe引起的排放擴散濃度可通過對FLSe長度上的連續(xù)點源積分計算得到，見公式（2-15）。請注意，和表示等價有限線源FLSe兩端點的坐標，可根據被劃分的單個小元素的長度（）和小元素與風向的夾角（）來確定，見公式（2-16）和（2-17）：(2-17)(2-18)(2-19) 設，那么由單個有限線造成的排放擴散濃度可表示為公式（2-18），表示服從標準正態(tài)分布的累積概率密度函數。(2-20)在上述建模過程中，測量點橫、縱坐標的確定依據的是以有限線源FLSe的中心為原點的局部坐標系，x軸表示風向，y軸表示垂直于風向的方向。因此，當把測量點和單個有限線源FLSe（中心為）放在全局坐標系中（交通網絡）考慮時，認為軸與風向的夾角（逆時針方向測量）是，下面的公式（2-19）和公式