城市交通环境的监测与分析

第一章、绪论
1.1、研究背景
随着城市交通的日益发展，城市交通和环境的冲突日益明显，随之可持续发展的城市交通系统的实行提上了日程。可持续发展的城市交通系统，是集土地能源、能源、环境与居民出行等友好交通模式的城市综合交通系统。可持续发展的城市交通系统包含三方面的内容：经济的可持续性——即要求交通服务供给的高效率和基础设施使用的高效率；社会的可持续性——即满足社会各阶层人群对交通便利和可达性的需求，保障交通利用夫人社会公平性和可选择性；环境的可持续性——即要求在发展的过程中注意环境承载力，保障对环境利用的可持续性。在三方面中，环境的可持续性是前提和根本，离开环境的可持续性发展，经济与社会的可持续发展是没法实现的。
随着我国城市化进程的加快，城市规模的逐渐扩大，机动化水平的不断挺高，机动车的拥有量迅猛增加，城市交通的需求也随之持续增长。据统计，截止2012年底。我国机动车保有量已达2.4亿辆，机动车驾驶人达2.6亿人。汽车总保有量现在超越日本，居全球第二，美国仍然排第一。随之而来，城市交通日益紧张，严重加剧了交通拥挤，由此带来的噪声及汽车尾气污染也严重困扰着城市居民的工作和生活，恶化着城市的生态环境，已成为现代城市交通发展中的普遍性矛盾，城市交通对环境影响的问题以成为世界各国城市发展过程中面临的一个共同话题。
据统计，在全球因燃烧矿物燃料而产生的CO、HC、NOx排放量中，机动车排放量约占50%。在一些城市空气中，CO含量的90%~95%、NOx和HC含量的80%~90%以及大部分颗粒物来自行驶的机动车，可以说机动车产生的污染已经构成城市人群健康的最大威胁之一。机动车的排放物是一种十分复杂的混合物，其成分在140种以上。这些有害物质成分非常复杂，主要包括CO、NOX、O3、碳氢化合物和苯系物等以及颗粒物等对人体及生存环境构成了严重的威胁，包括人体健康、农业、森林资源、建筑材料以及温室效应。此外，汽车在大量排放有害尾气的同时，也排放大量的热能，大大加强了城市的热岛效应。[1]
1.2、国内外研究现状与进展
1.2.1、城市汽车排放检测方法
一、直接取样系统
直接取样法：将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵连续抽取一定量的气体不经稀释直接送入系统进行分析。直接取样法设备简单，操作方便，由此被广泛应用于许多国家和地区各种用途发动机的排放测量中。
二、稀释取样系统
测量重型车那个用柴油机的微粒排放测试时，用稀释取样系统取样，分为两种取样取样系统：全流稀释取样系统（Full now Dilution Samplillg System,FFDSS）和分流稀释取样系统（Pattial Flow Dilution Sampling System,PFDSS）。
三、定容取样系统
目前，世界各国的排放法大多规定对汽车的排放先用干净空气进行稀释，然后用定容取样（Constant Volume Sampling,CVS）系统取样。除取样袋收集的气体外，大部分排气被排出取样器，有测量器测量排出气体的总流量。测量总流量的常用方法有两种，分别是用容积泵（Positive Displacement Pump,PDP），用临界流量文丘里管（Critical Flow Venturi,CFV）。具体关于这两种系统内容，可以参考相关资料，这里不加以描述[2]。
1.2.2、道路污染排放监测研究成果
对于不同的道路类型和道路两旁不同的建筑物结构，采用的环境空气质量预测模型是有所不同的。目前在应用中的道路两旁的污染物浓度预测模型很多是基于高斯线源模型发展而来的，其中比较突出的是OSPM模型、GM模型、HIWAY模型、CALINE模型等。
（1）OSPM模型 在城市街道峡谷空气质量预测评价中应用最多的就是Operational Street Pollution Model(OSPM)模型。具体由来是Ruwim Berkowicz利用该模型对哥本哈根三条峡谷街道NOx浓度进行了模拟预测，并将其应用到城市空气质量评价中。
（2）CALINE模型 对于开阔道路空气质量预测评价，应用最多的是CALINE模型。具体应用：M.Chiara Metallo建立了针对罗马人口密集、大理石建筑为主的老城镇中心的空气质量预测模型，该模型中应用的线源污染物扩散即运用了CALINE模型。
（3）BP神经网络 BP神经网络是采用了Widrow-Hoff学习算法和非线性可微转移函数的多层结构，通常有一个或多个隐层，隐层中的神经元采用Sigmoild型传递函数，输出层的神经元采用线性传递函数。BP神经网路越来越多的应用于城市空气质量评价，在污染物浓度预测方面有着不错的进展。
其他模型在这里就不一一阐述,具体可以去参考资料参阅。[3]
1.2.3、交通信息参数采集研究成果
传统中为了取得基础的交通信息参数所采取的方法主要是借助于固定式检波器，其中有技术较成熟的线圈检波器，还有近期新兴的微波检测、视频检测、红外检测。而且现在多种检测手段已经越来越多的应用于各级公路和城市道路的建设中。
同时为了弥补固定式检测器安装和维修的成本高，覆盖范围小，仅仅能检测固定位置的数据的一系列的不足，受人力、资金等因素的制约的缺陷，从20世纪80年代开始，有着需求的美国、日本、德国、荷兰的国家相继开展了针对浮动车采集方式的研究和应用。随着GPS、GIS和无线通信技术的广泛应用，由安装GPS和无线通信设备的浮动车采集交通信息，已经成为一种新的信息采集方式。
目前，在城市交通中应用的交通信息参数采集方式大体有环形线圈检测器、压电检测器和橡胶气压管检测器、微波车辆检测、视频车辆检测器、红外线车辆检测器和基于GPS的浮动车采集数据等几种。这些采集方式由于自身的优缺点被应用于各种类型和需求的城市交通中。[4]
1.3、研究的内容和目的
本文通过交通参数检测和机动车产生污染物浓度预测两方面理论出发，注重道路交通环境负荷预测本身的独立性，由此讨论城市环境负荷和周围的环境要素之间的紧密关联性。
研究目的：通过一系列的环境理论依据，为在指定各项控制措施时提供一种量化的参考指标，更好的促进城市环境建设，约束机动车有害气体的排放。
第二章、城市道路交通环境污染概述
2.1、城市交通道路污染物现状
2.1.1、城市大气污染的发展
目前，我国的一些重大城市的空气污染情况日益严重。随着经济建设的不断发展，人民的生活水平不断提高，城市人口密集、工业集中，大量的消耗化石燃料错，高密集的建筑群又不利于污染物的扩散，大气污染日益严重。我国正处于城市化发展的高峰期，城市环境污染问题日益突出。20世纪70年代期间的煤烟型污染排放成为中国工业城市的特点；80年代，许多南方城市遭受严重的酸雨危害；近年来，汽车尾气排放的NOx、CO及随后形成的光化学烟雾，使得许多大城市的空气质量严重恶化。
世界卫生组织根据对全球53个国家中的272个城市大气中的总悬浮颗粒物、二氧化硫、二氧化氮三种完全污染物的浓度进行测定，将我国的首都列为全球环境污染最严重的十大城市之一。同时，在参与全球环境检测系统（gems）的五大城市：北京、上海、沈阳、西安、广州的检测结果显示，五大城市的SO2均值、总悬浮颗粒物平均值大大超过世界卫生组织（1ML）标准。我国广州、武汉、兰州、重庆五个城市空气中对人体危害极大的可吸入颗粒物浓度是美国新标准的2到8倍。时至现在，大气污染的危害程度居于其他环境污染之首。而近些年来，随着我国的私人车辆数量急剧增多，交通运输的发展，其尾气排放中的CO对人体的危害极大，排放的尾气中夹杂着的大量的可吸入颗粒物，更加是导致疾病的重要因素。
2.1.2、城市交通大气污染中的组成
调查表明，城市大气污染超标严重的区域往往集中于人口稠密、道路覆盖网密集、交通繁忙的地区，这反应了城市大气污染与机动车排放的尾气具有较高的相关性。具体事例，广州市对20世纪80年代以来的城去内机动车保有量和污染物浓度变化进行了相关性的统计。结果表明，城市大气污染中NOX浓度和机动车保有量增长呈明显的正相关，想关系数为0.973，同CO的相关系数为0.702，这说明机动车的排放直接导致了城市污染物的浓度的增加，是造成城市环境质量恶化的主要因素。[5]
要统计清楚各种污染物的排放的分担率是一个重要而又十分复杂的问题，其中需要大量细致的调查和研究。在20世纪70年代初，美国对大气污染物的来源进行了分类统计，其结果表明，城市大气污染物中的CO的77.3%，NOX的50.9%和总悬浮颗粒的3.7%（以上百分比均指体积分数）来自于汽车排放，这一系列的数据说明汽车排放已成为城市环境的主要污染源。下图2.1是各个污染源排放污染物的分担率。图2.2则表明了现在城市居民对机动车排放尾气污染物的担忧。
图2.1

图2.2
2.2、城市交通汽车尾气污染物的成分组成
汽车排气中的有害物质是燃烧过程中产生的，主要的成分有CO、NOX和HC（包含酚、醛、酸、过氧化物等），还有一小部分是在排气时产生的少量的硫、磷、铅的污染。在所有污染物中，汽车尾气污染占机动车污染物总排量的65%~99%，曲轴箱通风、汽油箱通风、化油器的蒸发和泄露也排放不同数量的污染物，其相对排放的数量见表2.1。
排放源 相对排放量（占该污染物总排放量的百分比，%）
CO NOX HC
尾气管 98~99 98~99 55~65
曲轴箱 1~2 1~2 25
汽油箱、化油器 0 0 10~20
表2.1
发动机所排出的污染物量和空燃比是直接相关的，贫燃时燃料燃烧效率高，排放的HC和CO浓度相对较低；富燃时HC燃烧不完全，排放的HC和CO的量较高。NOX的排放量在接近理论空燃比时最高，与燃烧温度无关。
科学分析表明，汽车尾气中所含有的化合物多达上百种，其中的污染物有着固体悬浮颗粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氧化合物、氮氧化合物、铅以及硫氧化合物。一辆汽车在一年的时间里排放的有害气体比自身的重量大三倍。英国的空气洁净和环境保护协会曾发表了一篇研究报告称，于交通事故遇难者相比，在英国每年死于空气污染的人要多出10倍。汽车尾气排放对空气污染有着很大的影响关系，同时也对各种的人和物造成各种各样的影响，汽车尾气的排放，是一些人类的疾病的发病率大大的增加；对植被的生长有着许多的限制；促进酸雨的形成，使得一些建筑物、雕塑加快了氧化的过程，为其需要投入许多资金；全球性的温室效应……
图2.3这是国际组织WWF在中国做的一个实验，在很短的时间内气球被汽车尾气充满，当时气球的高度是七米。在城市的建设中，汽车的数量仍在快速的增加，由此可以想象每年向大气排放的污染物的总量是多么一个惊人数目。图2.4是2010年首次发布的关于2009年全国汽车尾气排放的数量。当看到这些数据是是否有种触目惊心的感觉，对于机动车尾气中的污染物的控制已经刻不容缓，我们期盼的不是灰蒙蒙的天空，充满污染物的空气，而是那曾经的充满生机的城市。
图2.3
图2.4

第三章、城市交通流参数检测及环境污染物浓度预测
3.1、城市交通流参数检测技术
3.1.1、城市交通流参数的采集技术和发展
城市交通流参数检测，是以摄像和计算机图像处理作为基础的交通视频检测技术，其工作的目的是替代传统的检测方法并且提供原检测方法所无法完成的更多的车辆和车辆流的状态参数。交通流参数的研究的重点是提高图像识别的实时性和准确性。交通视频车辆检测技术近年来一直是国内外的研究的重点，由此为先进的交通控制系统和智能车路系统的发展及实用性打下良好的基础。
目前，国内外实用成熟的采集技术有环形检测器、超声波检测器、磁性检测器、红外线检测器、微波检测性、视频图像处理技术等等。各种检测技术因为它们各自的优点和缺点被应用于