基于HDM4的路面养护与汽车尾气排放影响分析

张梦冉

（西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048）

近年来，气候变化在短时间内急剧上升为重大的环境问题，原因之一是因为随着社会经济的快速发展，汽车的普及使用在给人们生活带来便利的同时也带来了负面效应，即大量的温室气体，尤其是二氧化碳 （CO2） （GHG）的排放，［1］。因此，如何在公路工程中减少汽车尾气的排放量显得尤为重要。HDM4模型可以在分析过程中预测汽车尾气的排放，对于不同的公路质量，汽车尾气的排放量是不同的。通过使用HDM4模型，分析比较不同公路质量下的汽车尾气排放情况，即可得到公路养护如何影响汽车尾气排放量及其之间的关系。

HDM4（Highway Development and Management System）是世界银行主持开发的道路路面管理与分析系统，中文译名为 “公路发展与管理系统”，在公路改良及养护工程中作为规划软件广泛被使用。HDM4计算机模型可在分析中根据使用者指定的方案模拟公路的物理状态和经济条件［2］，该模型大致被分为两个部分：公路状态恶化及性能影响（Road Deterioration＆Works Effects）模型和公路使用者影响 （Road User Effect）模型。RDWE（Road Deterioration＆Works Effects）模型主要包括路面损坏模型，而RUE（Road User Effect）模型囊括了行驶时间模型、发生事故模型和尾气排放影响模型［3-6］。

本研究主要使用汽车尾气排放影响模型，该模型中模拟了汽车尾气排放情况，其包含7种排放废气，分别为碳氢化合物 （HC）、一氧化碳 （CO）、氮氧化物 （NOx）、二氧化硫 （SO2）、二氧化碳（CO2）、悬浮微粒 （PM）以及铅 （Pb）［7-9］。对应的特征量包括交通量及其构成、公路断面类型及几何形状、车辆行驶速度、燃料类型和汽车使用寿命，旨在寻求公路养护等级和汽车尾气排放量之间的对应关系，为大气环境保护提供依据。

1 模型测试

为执行HDM4汽车尾气排放模型，需要确定一系列输入指标：车辆总数、配置、路段类型及其几何形状、交通量及其构成、养护标准，以及项目模型。

1.1 车辆信息

车辆信息选定为系统已确定的英格兰地区车辆信息 （England Vehicle Fleet），该数据已被输入到HDM4模型的车辆信息文件夹之下。车辆信息数据中包括了上文所介绍的汽车尾气排放预测中的尾气排放模型参数值。

1.2 配置

在确定路段信息之前，若无相关信息，需给定车道类型和交通流模式，本研究中，车道类型为双车道，交通流模式为自由流。此外，本模拟的公路配置如表1所示。

表1 公路配置设定Table 1 RD calibration set

1.3 路段类型及其几何形状

通过两种不同的方式确定样本路段以说明道路养护如何影响汽车尾气的排放，其一是确定实际道路路段的真实数据用以分析，其二是假设代表性典型路段的数据以表示和比较不同养护等级对于汽车尾气排放的影响［10-12］。尽管后者无法得到真实道路的汽车尾气排放情况，但其结果突出强调了一系列典型路段的道路养护影响比较，并且该影响仍会表现在实际道路网中，基于此，本研究将会采用后者来分析。典型路段数据设定如表2所示。

表2 典型路段数据设定Table 2 Input data for typical road section

1.4 交通量

根据已给定的英格兰地区车辆信息，该地区具有10种类型的车辆，且每种类型车辆的数量不会逐年增长。各类车辆典型的年平均日交通量（AADT）见表3。

1.5 养护标准

输入典型路段基本数据之后，为说明道路养护如何影响汽车尾气的排放，还需确定道路养护标准。本模拟过程中，设定了3种养护标准，分别代表了良好养护标准、普通养护标准以及不良养护标准。不良养护的工程项目仅包括补坑 （patching）、裂缝修补 （crack sealing）及再封缝（resealing）；普通养护的工程项目包括路缘修复（edge repair）、补坑（patching）、裂缝修补（crack sealing）及路表整修 （surface dressing）；良好养护的工程项目包括日常路缘修复 （routine edge repair）、日程补坑 （routine patching）、裂缝修补 （crack sealing）以及薄层加铺 （thin overlay）［13-15］。此外，良好养护工程项目的干预等级最高，而不良养护工程的干预等级最低。

表3 年平均日交通量数据设定Table 3 AADT input for low medium and high traffic

1.6 项目模型

模拟工作的最后阶段是通过将养护标准添加于典型路段来建立相应的模型项目，由于此项目是用以比较不同路段下的汽车尾气排放输出数据，因此应使用 “基于路段分析”。选择HDM4中的 “尾气排放模型” （Emission Model）并运行模型软件，汽车尾气的排放数据可以被系统模拟预测得到。

图1 项目模型结构Figure 1 Structure of the modeling Project

2 测试结果

通过模型分析，HDM4系统生成了关于交通、公路状态恶化及性能影响、公路使用者影响、环境影响、成本流与经济评价等方面的输出报告，对于本研究项目 “路面养护与汽车尾气排放影响分析”，关于公路状态恶化及性能影响和公路使用者影响方面的输出数据可以用来分析公路养护程度如何影响汽车尾气的排放。HDM4软件生成的在分析中需要用到的报告：①公路状态恶化及性能影响：基于项目的平均粗糙度 （图）、基于路段的平均粗糙度 （图）、道路工程总结报告 （基于路段）；②环境影响：尾气排放总结报告。

2.1 道路养护及路面状况

正如上文中所提到的，已设定3种养护标准分别代表良好养护、普通养护和不良养护，不同的公路养护等级直接影响了路面状况，其进一步通过行驶速度、行驶时间、启停循环或其他因素影响油耗量，使汽车产生不同的尾气排放量。20 a间典型路段的平均粗糙度如图2所示。

图2 典型路段的平均粗糙度 （低流量路段）Figure 2 Average roughness（IRIav）for typical road section

由图2可知，所有养护标准下的典型路段粗糙度逐年增长，这也说明了所有养护标准下的典型路段性能在之后的20 a间都会恶化。不良养护、正常养护及良好养护下的路段粗糙度在2015—2023年之间是完全相同的，然而2024年后，不同养护标准下的路段恶化程度不尽相同。根据平均粗糙度图4可知，不良养护标准在这3种养护标准中具有最低的干预等级和最少的工程项目，这将导致该标准下的路段恶化最为严重，粗糙度从2015年的4.0IRI升至2034年的15.2IRI。对于良好养护标准下的路段来说，其状态恶化得最少，仅从2015年的4.0IRI增加到2034年的8.8IRI，另外，良好养护标准下的路段平均粗糙度产生较大起伏波动，这是由于每5 a所进行的薄层加铺 （thin overlay）工程影响。普通养护标准的干预等级在良好养护和不良养护之间，粗糙度从2015年的4.0IRI升至2034年的13.3IRI。

2.2 汽车尾气排放

根据尾气排放总结报告，HDM4模拟已预测出每年的汽车尾气排放量 （以t计）。在该报告中，包含了上文所提到的7种尾气，基于报告所给出的数据，典型路段的具体汽车尾气量变化如图3。

图3 不同养护标准下典型路段汽车尾气排放量变化Figure 3 Vehicle emissions for typical road section under poor

由图3可知，几乎所有类型的尾气 （除铅Pb之外）这20 a间在不良养护、正常养护和良好养护标准下其排放量均逐年下降。二氧化碳 （CO2）占据了尾气排放总量的95%之多，其次是一氧化碳 （CO），仅占尾气排放总量的3%，在所有类型的排放尾气中，铅排放量占据的比重是最少的。这同样也证明了气候变化及全球变暖成为严重环境问题的原因之一就是汽车行驶排放的大量二氧化碳（CO2）尾气。

除此之外，每一种尾气排放量的变化趋势都是相似的，因此，汽车尾气排放总量的变化趋势可以代表任一尾气的变化趋势。通过Excel的计算可以得到每年的尾气排放总量，并且其变化趋势见图4。

由图4可得，不良养护、正常养护和良好养护下的尾气排放总量在2015年—2024年间是完全相同的，然而2024年之后各养护状态下的尾气排放总量及其变化趋势不尽相同，这种现象与分析周期内的道路粗糙度变化趋势相似。此外，还可发现在在分析周期的结尾，即2034年，良好养护下的尾气排放总量是最小的，而不良养护下的尾气排放总量是最大的且正常养护下的该值介于这两者之间。

图4 不同养护标准下典型路段汽车尾气排放总量Figure 4 The amount of＂total emissions＂for typical road section under poor，good and fair maintenance

尽管良好养护下公路上行驶车辆在2034年或之后产生最少的尾气排放量，但当考虑到分析周期内所有年限的汽车尾气排放量之和，情况就不同了。在这3种养护标准 （不良、正常和良好养护）下的20 a内尾气排放总量分别为7 892.70、7 844.66、7 988.89 t。良好养护下的公路上行驶车辆反而会产生最多的尾气排放量，而正常养护的年限内尾气排放总量最少，不良养护下的该值介于二者之间，这与2034年的尾气排放总量情况完全不同。

对比图4与图2可知，对于良好养护，当粗糙度在2025—2030年间急剧下降时，尾气排放量明显上升，这是因为粗糙度同时也会影响车辆的行驶速度，低粗糙度伴随高行驶速度会产生更多的尾气排放量。然而对于不良养护和正常养护来说，当粗糙度大于10.2 IRI（2028年）时，尽管高粗糙度会导致较低的行驶速度，但由于粗糙度对于油耗的影响，汽车尾气排放量仍会轻微上涨。

3 结语

更大的粗糙度伴随着更多的汽车尾气排放量，此外，行驶速度和汽车尾气排放量正相关，这两个因素都受到养护工程的影响。良好养护大大减少了粗糙度，然而由于低粗糙度，汽车行驶速度会更快。不良养护在一段时间之后会导致高粗糙度，尽管行驶速度慢，粗糙度足够大仍会导致其尾气排放量较大。综合考虑到速度和粗糙度的影响，正常养护对于控制汽车尾气排放量是最佳的。

此外，值得注意的是，对于正常养护尾气排放量的最低点为10.2 IRI（2028年）处，我们可以将其设为受粗糙度和行驶速率影响的 “平衡点”，可以认为理想的养护标准是将粗糙度维持在 “平衡点”附近。减少交通量、限速，也可降低尾气的排放量。