CALINE4模式在贵州省安顺至紫云高速公路机动车尾气污染环境影响评价中的应用

付甫刚，马旭东，周晓娟

（贵州省交通科学研究院，贵阳550008）

1 贵州省高速公路网简介及安顺至紫云高速公路工程概况

1.1 贵州省高速公路网简介

随着我国经济的高速发展，公路建设进入到一个高速发展时期，在此背景下，针对贵州交通发展现状及问题，贵州省人民政府对我省的高速公路发展进行了统一规划，贵州省高速公路网可以归纳为“6横7纵8联”及4个城市环线，总规模4 519km，规划目标是建立与经济社会发展相适应，与城镇布局、产业布局相协调，功能明确、结构合理、布局完善、服务高效得高速公路网络，适应贵州省经济社会历史性跨越和生态文明建设的需要。安顺至紫云段为贵州省高速公路网中的第五纵的中段。

1.2 安顺至紫云高速公路工程概况

安顺至紫云高速公路正线起于安顺市东面的猫猫洞，与普定至安顺高速公路安顺北环线径向相接，之后设桥分别跨过贵昆铁路和沪昆客运专线长沙至昆明段铁路，之后经石龙湾、马槽龙潭，到达猴场，在此设单喇叭互通接云峰至旧州的道路，出互通后设隧道下穿九龙山至郭家寨，之后继续南行，从鹅项水库下游1.5km处通过至下陇灰，在此预留今后与“六联”相接的枢纽互通，之后向南经小屯、小毛棋堡、上马牛至高堡，在此设互通式立交，以提供双堡、鸡场、林哨等地的车辆上下高速公路，之后向南经新海子、鱼场、沙锅泥、麻烂洞、烂坝、大粮屯、小粮屯，继续南行经胡坝、罗家院、上院、下院、水淹坝、楼梯关，到达打扒河，在此设互通式立体交叉，以提供紫云县猫营镇、格老寨、打扒河等村寨的车辆上下本高速公路，出互通后，继续南行，经樱桃井、座马河，到达终点沙子哨，接上惠水至兴仁高速公路，路线全长55.886km。

安顺至紫云高速公路基本情况见表1。

表1 安顺至紫云高速公路基本情况一览表

2 高速公路机动车尾气污染源排放特征及预测评价目的

2.1 高速公路机动车尾气污染源排放特征

按照《环境影响评价技术导则 大气环境》中的规定，营运期机动车辆排放的尾气属于线源，具体特征是：尾气排放沿高速公路走向呈线性排放，随着高速公路上各路段通行机动车辆的不断变化，各路段排放的污染源强随着交通量的改变而有所不同，同一路段近、中、远期污染物排放源强也会随着机动车辆的变化而不同，因此在高速公路机动车尾气排放污染应预测评价中，必须针对各路段、各时期的具体情况进行预测评价。

2.2 机动车尾气预测评价目的

高速公路的迅速发展对我省社会经济发展起着重要的推动作用，但机动车尾气对公路沿线大气环境质量的影响也日益凸显出来，因此，对高速公路机动车尾气污染进行准确预测对预防和减轻其污染损害具有重要意义。

机动车尾气污染物通过大气传输，在传输过程中发生稀释扩散现象，其浓度变化具有时间及空间变化特征［1］，准确预测机动车排放污染物在大气中的传输扩散情况是制定机动车排放污染控制对策的基础［2］，但是，机动车尾气污染状况影响因素众多，除了机动车本身尾气污染物控制措施外，还与车速、交通量、近地面气象条件、附近构筑物影响等有关。近年来，CALINE4模型被广泛应用于公路机动车尾气污染物的空间分布预测［3－4］，预测结果符合NO2在空气中的扩散衰减规模，同时通过预测与实际监测结果对比分析可知，CALINE4模型对公路机动车辆线性污染源排放的NO2预测结果满足环境影响预测评价的需要，为此应用该模型来预测贵州省安顺至紫云高速公路沿线大气中汽车尾气的空间分布情况，探索其应用于高速公路汽车尾气排放预测的可行性和实用性。

3 安顺到紫云高速公路交通量及各路段污染物源强

3.1 交通量及车型比

根据《公路建设项目环境影响评价规范》提出的方法，参照贵州省安顺至紫云公路公路安顺猫猫洞至紫云沙子哨互通段环境影响评价报告书（第24～25页），交通量预测特征年分别为2013年、2019年和2027年，本项目未来各特征年平均交通量预测结果见表2，未来年份车型构成预测结果见表3。昼间系数取0.827。

表2 安顺至紫云高速公路特征年各路段预测交通量折算成小客车：pcu·d－1

表3 未来年份车型构成预测结果 %

3.2 各路段污染物源强

根据《公路建设项目环境影响评价规范》提出的方法，参照贵州省安顺至紫云高速公路可行性报告以及各路段的车流量，各路段机动车尾气污染物排放源强见表4。

表4 安顺至紫云高速公路各路段污染物NO2排放源强 mg·m－1·s－1

4 机动车尾气预测模式、预测内容及预测气象

4.1 预测模式简介

美国加利福尼亚交通部于20世纪后叶开发了道路大气扩散模型CALROADS模型，包括CALINE4、CAL3QHC和CAL3QHCR 3个模块，CALINE4是CAINE系列的最后一个版本，它基于高斯扩散方程，应用混合层的概念来描述道路上机动车尾气排放的污染物的扩散［5］。CALINE4模式的基本思路是将道路划分成一系列线源单元（简称线元），分别计算各线元排放的污染物对接受点浓度的贡献，然后再求和计算整条道路流动源在接受点产生的污染浓度［6］。线元的划分方法见图1。

把划分后的每一个线元看作一个通过线元中心、方向与风向垂直、长度为该线元在垂直风向（y轴方向）投影的有限线源 .以接受点为坐标原点，上风向为正x轴，则线元对接受点污染的贡献值可按下式计算：

式中：Cn为第n个线元对接受点的贡献（mg／m3）；C为浓度分布（mg／m3）；QL为线源源强［mg／（m· s）］；u为近地面风速（m／s）；H为源高（m）；σy为横向的扩散参数；σz为垂直向的扩散参数；y1、y2为有限线源两端点的纵坐标（y2＞y1）。

应用CALINE4模式预测机动车尾气污染，需要事先确定模型运行控制选项、污染源数据、气象数据和预测点位置坐标。其中污染源数据包括道路的车流量数据、各类污染物的排放因子、道路的几何参数（位置坐标、几何尺寸、路况类别等）；气象数据主要包括风速、风向、大气稳定度、扩散参数等。

4.2 预测内容

公路建成运营后，不同路段、不同时期内的车流量不同，产生机动车尾气排放量和排放浓度也不同，要对不同路段、不同时间过往机动车尾气对环境影响进行评价，必须选择一种合适的预测模式来预测机动车尾气排放对环境的影响。本研究选用CALINE4模型进行预测，为机动车尾气排放对环境的影响评价提供依据。预测内容如下：

图1 线源划分示意图

（1）预测因子：预测通车后，建设项目日均小时和高峰小时车流量时，机动车排放的主要污染物NO2在下风向的浓度分布。

（2）预测时段：近期2013年、中期2019年及远期2027年，道路下风向日均小时和高峰小时交通量时的污染物浓度分布。

（3）预测路段：依据工程分析，评价路段主要划分为6段，分别为安顺猫猫洞－猴场互通、猴场互通－下陇灰互通、下陇灰互通－洗马塘互通、洗马塘互通－杨武互通、杨武互通－打扒河互通、打扒河互通－紫云沙子哨互通。

（4）预测范围：据环境空气质量评价范围，预测从道路中线线算起，水平方向距离分别为10，20，30，40，50，60，80，100，150，200m，高度为1.2m处的尾气污染物的浓度分布。

4.3 预测气象

1、风向 根据安顺到紫云报告书中的气象资料，本项目沿线的安顺和紫云风玫瑰图见图2。

由图2可知，安顺市和紫云县的主导风向均为为NE。

图2 拟建公路沿线区域风向玫瑰图

2、风速、大气稳定度

根据贵州省安顺到紫云高速公路环境影响评价报告中的资料，在地区冬季以静小风为主，夏季以2.0～4.0m／s的中档风速出现频率最高。大气稳定度以最不利条件D类及E类来进行预测分析。

5 预测结果及其分析

将各参数代入CALINE4模型，就可以得到各路段机动车尾气（NO2）浓度增值分布情况，根据GB3095－1996《环境空气质量标准》的规定，进而对近期（2013）、中期（2019）和远期（2027）各路段的环境空气质量进行评价。安顺猫猫洞－猴场互通段机动车尾气（NO2）浓度增值分布如表5和表6所示，其它不再列出。

表5 公路沿线NO2日均浓度预测表（D类稳定度） mg·m－3

表6 公路沿线NO2高峰小时浓度预测表（E类稳定度） mg·m－3

由预测结果可知，公路沿线NO2的日均浓度（D类稳定度）在距离中心线20m左右达到浓度最大值，随着距离增加或减少，NO2的日均浓度逐渐降低。同时随着交通量增加，尾气排放量增大，道路沿线空气中NO2的日均浓度有所增加。

在E类稳定度情况下，公路沿线NO2的高峰小时浓度在距离中心线20m左右达到浓度最大值，随着距离增加或减少NO2的日均浓度逐渐降低。同时随着交通量增加，尾气排放量增大，道路沿线空气中NO2的日均浓度有所增加。

6 结 论

1、由预测结果可知，道路沿线空气中NO2的浓度一般在道路中心线两侧20m左右出现浓度最大值，随着距离增加或减少，道路沿线空气中NO2的浓度呈现一种递减模式。高速公路机动车辆排放的NO2尾气符合高斯分布特征。

2、CALINE4模型可以用来预测高速公路机动车排放的日均小时及高峰小时污染物浓度，评价靠近公路两侧200m范围内的微尺度区域空气质量的变化。本文研究表明，CALINE4模式应用于高速公路环评大气污染预测是可行的。

［1］ 李 莉，陈长虹，黄 成，等.CALRoads模式在上海市典型道路CO扩散预测中的应用［J］.环境监测管理与技术，2006，18（4）：7－11.

［2］ 董常晖，徐燕.公路环境影响评价研究进展.交通环保，2004，25（1）：44－47.

［3］ 陈红梅，陈崇成，汪小钦.应用CALINE4模式模拟机动车排气污染的时空分布—以厦门市主干道路为例［J］.福州大学学报：自然科学版，2004，32（2）：257－260.

［4］ 谢绍东，张远航，唐孝炎.机动车排气污染物扩散模式.环境科学，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］ 刘志强，梅德纯，张晓娜.镇江市机动车污染物扩散模拟分析［J］.江苏大学学报：自然科学版，2005，26（6）：480－483.