吳亦政，張樂琦

（北京交通大學(xué)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大背景下，移動(dòng)源污染問題日益突出，尤其是在人口以及機(jī)動(dòng)車污染高度集中且高度重合的中國(guó)城市區(qū)域內(nèi)。根據(jù)《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)2018》，我國(guó)部分城市的機(jī)動(dòng)車排放已成為PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑不超過2.5 μm的顆粒物）的首要來(lái)源，例如北京、上海、杭州等［1］。因此，在環(huán)境保護(hù)工作中，針對(duì)機(jī)動(dòng)車的排放污染控制顯得尤為重要。而合理地測(cè)算機(jī)動(dòng)車大氣污染物濃度，精確描述擴(kuò)散特征，是制定排放控制策略的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

大氣污染物擴(kuò)散模型（AERMOD）是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（U.S.EPA）指定的法規(guī)擴(kuò)散模型，可用于交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)［2］。AERMOD 模型是高斯穩(wěn)態(tài)煙羽模型，以擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)理論，假設(shè)大氣污染物的濃度分布服從高斯正態(tài)分布［3］。AERMOD 可應(yīng)用于多種排放源的擴(kuò)散濃度計(jì)算，包括點(diǎn)源、面源以及體源，因此最初為工業(yè)污染源設(shè)計(jì)的AERMOD 也可應(yīng)用于模擬其他各種交通源污染模型，例如公路以及停車場(chǎng)等。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也已開展各種使用AERMOD 進(jìn)行擴(kuò)散模擬的研究。王珮瑋等［4］基于本地化排放清單，采用AERMOD對(duì)北京市六環(huán)區(qū)域進(jìn)行線源擴(kuò)散模擬，并評(píng)估了亞太經(jīng)濟(jì)合作組織（APEC）峰會(huì)期間的交通管控措施對(duì)環(huán)境的影響。嚴(yán)晗等［5］應(yīng)用北京市機(jī)動(dòng)車排放因子模型以及AERMOD模型對(duì)道路黑碳進(jìn)行了擴(kuò)散模擬，結(jié)果日間與夜間的機(jī)動(dòng)車排放對(duì)道路邊黑碳的模擬濃度存在顯著差異。邱兆文等［6］應(yīng)用AERMOD 模型評(píng)估了我國(guó)某高速公路沿線的PM2.5濃度分布水平，表明評(píng)估結(jié)果對(duì)道路規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有重要參考價(jià)值。但總體而言，在我國(guó)AERMOD 的相關(guān)研究集中在環(huán)境工程領(lǐng)域，在交通工程上的應(yīng)用相對(duì)較少，也并沒有對(duì)AERMOD模擬道路污染源的機(jī)理進(jìn)行深入剖析。

在實(shí)際模擬過程中，AERMOD的參數(shù)設(shè)置十分復(fù)雜，極易發(fā)生測(cè)算錯(cuò)誤。其中，兩個(gè)關(guān)鍵的問題包括合理分析在AERMOD中不同模擬方式（體源、面源、點(diǎn)源等）進(jìn)行路段排放建模時(shí)的計(jì)算差異，以及如何選擇合適的虛擬受體布設(shè)方案以刻畫污染物擴(kuò)散特征。現(xiàn)有交通環(huán)境領(lǐng)域的研究并沒有對(duì)上述模型應(yīng)用的易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行深入探究。本研究將針對(duì)道路交通污染源在AERMOD中采用面源模擬和體源模擬進(jìn)行對(duì)比研究。并在此基礎(chǔ)上，分析體源模擬中存在的仿真隔離區(qū)（exclusion zone）的計(jì)算機(jī)制，并且設(shè)計(jì)避免仿真隔離區(qū)導(dǎo)致測(cè)算誤差的方法。此外，本研究還將開展受體低分辨率和高分辨率布設(shè)方案的對(duì)比研究。

1 問題描述與建模

本文的研究重點(diǎn)是對(duì)比分析AERMOD 建模過程中體源與面源進(jìn)行道路源模擬以及低分辨率受體布設(shè)與高分辨率受體布設(shè)的測(cè)算結(jié)果差異。由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段難以獲取較為完整的氣象數(shù)據(jù)，本研究從美國(guó)得克薩斯州的環(huán)保局獲取當(dāng)?shù)谻orpus Christi市的5年AERMET氣象公開數(shù)據(jù)，包含風(fēng)速和風(fēng)向信息的風(fēng)玫瑰圖如圖1 所示。建模過程中，為了探究質(zhì)量濃度結(jié)果在不同設(shè)置場(chǎng)景下的特征，本研究采用一條虛擬的三車道公路（長(zhǎng)度120 m，寬度12 m）進(jìn)行擴(kuò)散模型構(gòu)建，并且設(shè)置公路的排放強(qiáng)度為1.0×10-5g·s-1·m-2。表 1 為本研究中 AERMOD建模采用的其余輸入?yún)?shù)。

2 污染源建模類型對(duì)比分析

在AERMOD 的移動(dòng)源污染物擴(kuò)散建模過程中，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局允許用戶在模型中使用體源或者面源來(lái)模擬公路以及道路交叉口。

2.1 體源模擬

根據(jù)AERMOD用戶手冊(cè)的定義［7］，體源是模擬排放源產(chǎn)生的三維空間單位。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局Haul Road工作組的報(bào)告［8］，運(yùn)用體源進(jìn)行模擬的優(yōu)點(diǎn)包括：體源模擬了一個(gè)初始的、混合良好的煙羽，并且包含一個(gè)曲流算法，可以降低在長(zhǎng)時(shí)間模擬后出現(xiàn)干擾煙羽的可能性。其次，體源模擬比面源的運(yùn)行時(shí)間更快。

在體源模擬中值得注意的是計(jì)算隔離區(qū)的存在。由于AERMOD 是穩(wěn)態(tài)高斯煙羽模型，其存在高估離排放源極近位置質(zhì)量濃度的問題［9］。由于該原因，AERMOD在體源周圍存在一個(gè)未進(jìn)行質(zhì)量濃度建模的區(qū)域，也就是計(jì)算隔離區(qū)。這表示如果一個(gè)受體位于體源的計(jì)算隔離區(qū)，那么該體源的污染物擴(kuò)散不會(huì)對(duì)此受體產(chǎn)生任何影響，從而導(dǎo)致計(jì)算誤差。計(jì)算隔離區(qū)的定義是從體源中心開始一定半徑范圍內(nèi)的區(qū)域。該半徑計(jì)算公式為

式中：R表示計(jì)算隔離區(qū)半徑；Syin表示體源長(zhǎng)度除以2.15；Ls表示體源的邊長(zhǎng)。

由于高斯穩(wěn)態(tài)煙羽模型的計(jì)算機(jī)制，受體布設(shè)不能被放置在計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)。但根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的指導(dǎo)手冊(cè)［2］，最近的受體需要布設(shè)在離排放源5 m的位置。假設(shè)最近的受體（距離排放源5 m）位于計(jì)算隔離區(qū)邊緣（如圖2所示，黑點(diǎn)表示該受體，實(shí)線方框表示體源，虛線范圍表示計(jì)算隔離區(qū)）。如式（2）與式（3）所示，受體為了避免被定位到計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)，體源的邊長(zhǎng)必須小于8 m。

由于典型的高速公路車道寬度為3.75 m，三車道高速公路的寬度至少為11.25 m，超過了最短體源邊長(zhǎng)8 m。因此，對(duì)于任何三車道及以上道路設(shè)施的建模，只能采用面源或者多個(gè)單車道體源對(duì)近污染源的受體進(jìn)行模擬，不能采用單一體源模擬整個(gè)行車道。

圖2 單個(gè)體源的計(jì)算隔離區(qū)示意（單位：m）Fig.2 Illustration of exclusion zone for single volume source(unit:m)

圖3 表明在三車道高速公路建模（假設(shè)車道總寬為12 m）時(shí)，計(jì)算隔離區(qū)是如何導(dǎo)致受體計(jì)算無(wú)效的。設(shè)置三個(gè)邊長(zhǎng)為12 m 的體源（方框區(qū)域）模擬高速公路行車段。受體距離公路邊緣5 m。在本場(chǎng)景中，計(jì)算隔離區(qū)半徑為13 m（12 m+1 m）。根據(jù)圖3 中三角形的基本幾何運(yùn)算，小于5.53 m 范圍內(nèi)的所有受體都會(huì)落入計(jì)算隔離區(qū)。因此，無(wú)法采用該種方式測(cè)算近源受體的質(zhì)量濃度水平。

圖3 三車道公路模型的計(jì)算隔離區(qū)示意圖（單位：m）Fig.3 Exclusion zone for modeling three-lane highway(unit:m)

2.2 面源模擬

根據(jù)定義，面源是模擬二維平面產(chǎn)生的排放。在X和Y坐標(biāo)系中，利用面源構(gòu)建道路模型相對(duì)更簡(jiǎn)單，而且它能夠模擬道路源的均勻排放，相對(duì)其他類型排放源，更接近實(shí)際。面源的排放率單位不同于其他類型的排放源，是g·s-1·m-2（體源和點(diǎn)源使用的單位是g·s-1）。AERMOD 中面源的顯著缺點(diǎn)是沒有曲流算法，而且運(yùn)行時(shí)間通常比其他方法長(zhǎng)。

2.3 比較檢驗(yàn)結(jié)果

本研究對(duì)比了三種不同模擬方案，以說明排放源類型之間的差異。圖4展示了三車道公路行車段（長(zhǎng)120 m，寬12 m）的三種不同類型的排放源建模：

①10個(gè)大型體源，邊長(zhǎng)12 m；

②90 個(gè)邊長(zhǎng)4 m 的小型體源（為了避免計(jì)算隔離區(qū)的影響）；

③1個(gè)面源，長(zhǎng)120 m，寬12 m。

圖4 三車道公路行車段及三種不同類型的排放源建模Fig.4 Three-lane link and three different modeling source types

本研究中，各方案的總排放率保持相同，均為1.0×10-5g·s-1·m-2。因此，在圖4b場(chǎng)景①中，每個(gè)大型體源的排放率為144×10-5g·s-1，在圖4c 場(chǎng)景②中，每個(gè)小型體源的排放率為16×10-5g·s-1。在圖 4d 場(chǎng)景③中，面源的排放率為1.0×10-5g·s-1·m-2。其他參數(shù)在每個(gè)方案中均保持一致。受體的布設(shè)間距在近距離位置為10 m，在遠(yuǎn)距離位置在50 m。

測(cè)算的質(zhì)量濃度結(jié)果如圖5所示。質(zhì)量濃度峰值分別為 2.900 ，4.819 和 6.011 μg·m-3。由詳細(xì)質(zhì)量濃度示意圖可以得出，由于濃度峰值位于公路排放源附近，在圖5a場(chǎng)景①中，濃度峰值遠(yuǎn)小于其他場(chǎng)景的主要原因是距離高速公路5 m的受體落在計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)相符。

本研究進(jìn)一步放大每個(gè)場(chǎng)景中排放源附近的濃度結(jié)果來(lái)詳細(xì)說明計(jì)算隔離區(qū)的運(yùn)作機(jī)制。圖中數(shù)字表示質(zhì)量濃度結(jié)果。

在圖5 a的大型體積源場(chǎng)景中，結(jié)果顯示在道路源中線位置有一個(gè)低濃度區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的受體質(zhì)量濃度比附近受體低，只有1.77 μg·m-3。原因是這兩個(gè)受體位于兩個(gè)體源的計(jì)算隔離區(qū)重疊位置。附近兩個(gè)體源的排放并沒有對(duì)這兩個(gè)受體產(chǎn)生任何影響。因此，即使附近的受體也處于計(jì)算隔離區(qū)，這兩個(gè)低值受體由于未對(duì)兩個(gè)體源排放進(jìn)行計(jì)算，所以它們的值明顯低于附近只對(duì)一個(gè)體源排放進(jìn)行隔離的受體。

與圖 5b 相比，圖 5a 中，在排放源 5 m 處的兩排受體的模擬平均質(zhì)量濃度僅為2.5 μg·m-3，比小型體源場(chǎng)景中的平均質(zhì)量濃度5.6 μg·m-3低。這是因?yàn)樵趫D5b中，計(jì)算隔離區(qū)的半徑只有5 m（在距離排放源3 m 位置），因此，小型體源避免了計(jì)算隔離區(qū)對(duì)最近受體的影響，使低濃度區(qū)消失且濃度峰值位于受體5 m 之外的平分線上。此外，圖5a 中計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)的所有受體濃度均大于零，因此計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)的受體只隔離自身體源的影響，但同時(shí)也接收來(lái)自其他體源的擴(kuò)散濃度。

綜合對(duì)比三個(gè)場(chǎng)景，由于相同的排放總量和排放源類型選擇，場(chǎng)景①和場(chǎng)景②的影響范圍幾乎相同。但是，場(chǎng)景③的面源在這三個(gè)場(chǎng)景中影響范圍最大。

從圖5a和圖5b可以觀察到，每個(gè)場(chǎng)景中道路兩側(cè)的濃度各自對(duì)稱。然而，圖5c面源的濃度是向盛行風(fēng)順風(fēng)方向（如圖1風(fēng)玫瑰圖所示）延伸。根據(jù)開發(fā)文檔［3］，AERMOD使用虛擬點(diǎn)源算法模擬體源的排放，也就是采用位于體源上風(fēng)向固定距離的虛擬點(diǎn)源來(lái)估算體源煙羽的初始大小。對(duì)于穩(wěn)態(tài)高斯煙

圖5 不同類型排放源的質(zhì)量濃度測(cè)算結(jié)果Fig.5 Concentration results with different modeling source types

式中：C為污染物小時(shí)濃度；Q為污染源排放率；K為將計(jì)算濃度換算成所需單位的比例系數(shù)；V為垂直系數(shù)；D為衰減系數(shù)；us為釋放高度的平均風(fēng)速；σy，σz為橫向和縱向濃度分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

每個(gè)參數(shù)的詳細(xì)定義可以在模型開發(fā)手冊(cè)［3］中獲取。基于式（4），質(zhì)量濃度的計(jì)算考慮了風(fēng)速、順風(fēng)距離和側(cè)風(fēng)距離的影響。本研究中來(lái)自體源的濃度結(jié)果在道路兩側(cè)是對(duì)稱的，這表明它們可能不受風(fēng)的影響，或者其他因素抵消了風(fēng)的影響。在使用體源時(shí)，需要進(jìn)一步的研究來(lái)理解風(fēng)和濃度之間的關(guān)系。

為了更好地理解計(jì)算隔離區(qū)的影響，本文分析在道路源垂直平分線上的質(zhì)量濃度分布（圖6）。對(duì)于場(chǎng)景①的大型體源，最高濃度位于中位線的15 m之外，這是由于位于5 m 的受體落在計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)（隔離區(qū)半徑為13 m），因此濃度小于15 m外受體的濃度。在場(chǎng)景②的小型體源，因?yàn)橛?jì)算隔離區(qū)半徑只有5 m，即使是最接近的受體，也位于隔離區(qū)之外，不會(huì)受到影響。從圖6中，還可以觀察到，在使用體源的場(chǎng)景中，道路兩側(cè)的濃度是對(duì)稱的，但在面源的場(chǎng)景中則并不對(duì)稱。羽模型，下風(fēng)向距離x（m）和側(cè)風(fēng)距離y（m）位置的小時(shí)濃度如式（4）所示：

圖6 道路源垂直方向質(zhì)量濃度分布Fig.6 Concentration distribution on perpendicular bisector

綜上，在使用體源時(shí)，需要進(jìn)一步研究質(zhì)量濃度與風(fēng)力之間的潛在關(guān)系。此外，與體源相比，面源更容易進(jìn)行道路源模擬：在本次對(duì)比試驗(yàn)中，面源場(chǎng)景下，測(cè)試路段只需要通過一個(gè)面源來(lái)進(jìn)行模擬，而體源場(chǎng)景則需要多達(dá)90 個(gè)小型體源來(lái)避免計(jì)算隔離區(qū)的影響。

3 受體布設(shè)方案對(duì)比分析

AERMOD 中的受體用于收集特定位置的質(zhì)量濃度結(jié)果。在進(jìn)行交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，受體一般位于交通項(xiàng)目的影響區(qū)域，通過空氣質(zhì)量模型來(lái)估算未來(lái)年的PM2.5濃度。通常，這些地區(qū)會(huì)是人口的聚集區(qū)域（如學(xué)校，醫(yī)院，居民區(qū)等）。

排放源附近（本文以道路源為例）的受體間距應(yīng)具有足夠大的分辨率，以獲取質(zhì)量濃度峰值位置周圍的分布特征。高速公路或交通項(xiàng)目大部分的排放發(fā)生在若干米之內(nèi)的范圍，濃度值在近地排放源附近的達(dá)到峰值［2］。在交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，受體應(yīng)布設(shè)在排放源（例如行車道的邊緣）附近5 m 位置。而且它們?cè)诳拷欧旁次恢脩?yīng)分布以較小的間距（例如25 m），在相對(duì)較遠(yuǎn)位置應(yīng)分布以較寬的間距（例如100 m）。

本文通過對(duì)不同受體布設(shè)分辨率的對(duì)比試驗(yàn)，研究利用AERMOD進(jìn)行交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)的道路建模配置策略。實(shí)驗(yàn)設(shè)置與上述試驗(yàn)相同的路段用以模擬排放源，排放率為1.0×10-5g·s-1·m-2。其他輸入?yún)?shù)如表1所示。本次測(cè)試采用單一面源進(jìn)行模擬，且受體網(wǎng)格從排放源邊緣5 m處開始布設(shè)。

本研究進(jìn)行了兩種受體布設(shè)策略的對(duì)比：一種設(shè)置為低分辨率受體布設(shè)方案（100 m間距），另一種為高分辨率受體布設(shè)方案（在100 m 范圍內(nèi)是10 m間距，更遠(yuǎn)的是50 m間距），如圖7所示。為獲取排放源周邊濃度，受體網(wǎng)格向四測(cè)延伸至400 m。

濃度估計(jì)值的對(duì)比如圖8所示。不同的受體布設(shè)方案輸出不同的濃度圖。與預(yù)計(jì)相同，在同一的排放源影響下，相同位置的受體測(cè)得相同的濃度值。然而，由于低分辨率受體的布設(shè)難以獲取足夠的濃度數(shù)據(jù)，導(dǎo)致濃度等高線的輪廓不準(zhǔn)確。相反，高分辨率的受體布設(shè)可以獲取足夠的濃度信息用以輸出準(zhǔn)確的濃度等高線輪廓。

此外，從圖8 中可以發(fā)現(xiàn)，在高分辨率場(chǎng)景中，受體間距為10 m，使得足夠多的受體能夠捕獲濃度信息，生成平滑的濃度圖。但對(duì)于低分辨率的布設(shè)場(chǎng)景，100 m 的間距過大，使得受體之間濃度水平的特征細(xì)節(jié)難以獲取。

這些結(jié)果表明使用高分辨率網(wǎng)格或較小的受體間距來(lái)生成精確濃度圖的重要性，特別是對(duì)于那些離排放源較近的濃度峰值位置。圖9為濃度隨離排放源距離的分布。100 m 的距離內(nèi)，質(zhì)量濃度從4.82 μg·m-3降低到 0.21 μg·m-3。然而，從 100 m到 400 m，質(zhì)量濃度只從 0.1 降到0.02 μg·m-3。因此，質(zhì)量濃度的變化主要發(fā)生在靠近排放源的地方，這也支持了在排放源附近需要布設(shè)高密度的受體網(wǎng)格的結(jié)論。

圖7 不同受體布設(shè)方案對(duì)比Fig.7 Comparison of different strategies for receptor placement

圖8 濃度結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of concentration result

圖9 濃度隨距離的分布Fig.9 Concentration distribution with distance

模型性能與特定的案例關(guān)系較大，很難基于一個(gè)（假設(shè)的）案例研究來(lái)概括所有模型性能。因此，在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步研究排放范圍與其他因素（風(fēng)、表面特征、排放源等）之間的關(guān)系，分析濃度隨排放源距離的變化范圍。

4 結(jié)論

在交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，AERMOD建模過程較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)較大的分析誤差。其中，較為關(guān)鍵的兩個(gè)問題包括：選擇用于建模道路模擬的不同方式，以及受體的布設(shè)方案。

本文對(duì)AERMOD 不同的配置策略進(jìn)行了比較研究，探討了面源和體源的差異，以及受體放置的高分辨率和低分辨率。在體積源建模過程中，還分析了體源應(yīng)用中計(jì)算隔離區(qū)的機(jī)理以及避免方法。本研究的主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）在使用體源進(jìn)行道路排放擴(kuò)散模擬時(shí)存在計(jì)算隔離區(qū)。計(jì)算隔離區(qū)內(nèi)的濃度不會(huì)被計(jì)算。根據(jù)計(jì)算隔離區(qū)的定義，體源的寬度應(yīng)小于8 m。典型的高速公路車道寬度一般為3.75 m，所以三車道高速公路的寬度將超過8 m。因此，對(duì)任何三車道或車道數(shù)更多的公路進(jìn)行建模時(shí)，應(yīng)采用小型體源或者使用面源進(jìn)行模擬。

（2）對(duì)于排放源類型的選擇，本研究對(duì)三個(gè)不同場(chǎng)景進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試：10 個(gè)大型體源、90 個(gè)小型體源和1 個(gè)面源。質(zhì)量濃度峰值分別是2.900 ，4.819 和 6.011 μg·m-3。由于濃度峰值位于高速公路附近，在大型體源場(chǎng)景下，距離高速公路5 m的受體落入計(jì)算隔離區(qū)，使其峰值濃度出現(xiàn)異常。

（3）使用體源的兩種場(chǎng)景，擴(kuò)散范圍幾乎相同。但，面源模擬表現(xiàn)出不同的擴(kuò)散范圍，為三種情況中區(qū)域面積最大。在體源場(chǎng)景中，道路兩側(cè)的濃度結(jié)果對(duì)稱。但面源場(chǎng)景，濃度向盛行風(fēng)的順風(fēng)方向延伸。在使用體源進(jìn)行模擬時(shí)，需要進(jìn)一步研究濃度與風(fēng)力之間的潛在關(guān)系。

（4）對(duì)于受體的布設(shè)，本文進(jìn)行了高分辨率和低分辨率布設(shè)方案的對(duì)比。由于采用相同的排放源，兩種情況下同一受體的濃度值相同。但，由于低分辨率受體無(wú)法獲得足夠的濃度數(shù)據(jù)，使其分辨率不足，導(dǎo)致濃度輪廓不準(zhǔn)確。相反，高分辨率的受體網(wǎng)格能夠獲取到足夠的濃度信息來(lái)輸出準(zhǔn)確的擴(kuò)散濃度輪廓。

本研究存在一些局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)。對(duì)于體源模擬，需要分析風(fēng)力與濃度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在新版本的AERMOD 中，線源也可以用來(lái)模擬道路。線源特性的分析還需要進(jìn)一步的研究。