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基于路网的珠江三角洲道路上移动源排放空间分配及其与人口方法的比较
郑俊宇，车文玮，王雪梅，彼得·路易＆钟六菊
郑俊宇和车文伟
华南理工大学环境科学与工程学院，中国广州
王雪梅
中山大学环境科学与工程学院，中国广州
彼得·路易
香港环境保护署，香港湾仔
钟六菊
中国广东省广东环境监测中心
摘 要
网格化的空气污染物排放清单是使用空气质量模型评估空气污染控制策略和预测空气质量的先决条件。预先划分的排放清单将有助于提高空气质量模拟的准确性。移动源排放是造成臭氧形成的前体挥发性有机化合物（VOC）和氮氧化物（NOx）污染物的主要因素之一。但是，由于道路网络的复杂性以及不同道路类型和位置的交通流量变化，从移动源到网格的排放物在空间上的分配具有挑战性。本文提出了一种新的方法框架，称为“基于路网的方法”，用于空间分配区域移动源排放清单。新方法利用基于地理信息系统（GIS）的路网信息和基于道路类型的交通流量数据，为分配珠江三角洲（PRD）区域提供空间替代移动源排放清单。结果表明，该新方法提供了合理的移动源排放空间分布，并且与珠三角地区道路排放线源具有良好的一致性。比较了使用基于人口的方法和基于新路网的方法。空气质量建模结果表明，该新方法可以显着改善模型预测，并提高移动源排放分配的准确性。讨论了选择适当方法在空间上分配区域移动源排放量的方法。
含义
区域排放清单在网格单元中的空间分配在空气质量建模和管理中很重要，因为它不仅为空气质量模型提供了必要的输入，而且还有助于识别关键排放区域，在这些区域可能需要采取特殊措施来减少污染。本文提出了一种适用于中国区域移动源排放清单空间分配的新方法论方法。事实证明，这种新方法有望减少区域移动源排放的空间分配偏差，并改善空气质量建模仿真和预测结果。
引言
过去几十年来，得益于中国的改革开放政策，位于中国南部的珠江三角洲（PRD）一直是世界上发展最快的经济区之一。这种快速的经济发展已导致机动车数量的急剧增加，这些车辆是造成臭氧形成的前体挥发性有机化合物（VOC）和氮氧化物（NOx）排放的主要因素。 最近的研究还表明，公路上的移动源对珠三角地区的一氧化碳（CO），氮氧化物和碳氢化合物（HC）排放有重大贡献。 该地区道路机动车辆的污染物排放量估计为NOx的45％至60％，CO的40％至65％和HC的40％至50％1,2。区域内复杂，复杂和区域性的光化学烟雾和霾污染问题。3-5
网格化空气污染物排放清单是使用空气质量模型制定适当有效的污染控制策略的前提。近年来，已经进行了几项研究，以使用各种方法来开发PRD区域机动车排放清单。1,7但是，这些清单中的大多数都是区域规模的年度总排放量估算值，并未在空间上分配给网格单元。因此，这些排放清单尚未准备好用于光化学模型，例如社区多尺度空气质量模型（CMAQ）或带有在线化学模型（WRF-Chem）的天气研究预测，以评估区域空气污染控制策略并预测空气质量。8–10
区域排放清单在网格单元中的空间分配在空气质量建模和管理中很重要，因为它不仅为空气质量模型提供了必要的输入，而且还帮助确定了可能需要采取特殊措施减少污染的主要排放区域。排放物的空间分配更加准确，有望改善浓度模型和基于测量的观测值之间的一致性，从而提高确定空气污染控制策略有效性的可靠性。11排放物的空间处理一直是关键的研究主题之一。12-15例如，Dai和Rocke15提出了一种基于地理信息系统（GIS）的方法，用于将溶剂排放物空间分配到网格单元中。Houyoux等人16在稀疏矩阵算子内核排放（SMOKE）17模型中介绍了来自各种源的排放的空间处理。 Kinnee等人18提出了一种修改过的方法，该方法通过对TIGER（拓扑集成地理编码和参考）文件和1990年人口普查农村地块数据中的道路的Arc / Info覆盖范围进行重新分类，从而为建模目的分配了高速公路移动源排放量。 Hellsten等人14开发并分析了各种排放源氨排放的空间分布。 Brandmeyer等人19讨论了改善美国道路移动源空间分配的方法学方法。在各种排放源中，由于确定合适的空间替代方案存在挑战，因此在公路上移动源排放的空间分配上通常需要付出更多的努力。
有多种方法可用于为建模目的在空间上分配道路移动源发射。这些方法包括（1）基于链接的方法，（2）仅基于TIGER的方法和（3）基于人口的方法。18尽管基于链接的排放清单通常被用于建立移动源排放清单，但是基于链接的方法目前仅适用于城市规模的道路排放建模，并且在区域空气质量建模中通常不保持这种水平的空间分辨率11。
仅限TIGER的方法通过将替代项与与县级排放或活动相关的设施类别进行匹配来分配TIGER数据库中的排放量。18由于在中国目前尚没有类似于TIGER的数据库，因此在珠三角地区不可行。基于人口的方法可能是一种易于实施的方法，其中使用基于网格单元的人口密度作为空间替代物来分配排放量。19,20然而，这种方法的局限性在于，无论人口稠密的地区，大多数车辆排放的污染物他们的实际运输网络，从而导致排放分配存在空间偏差18。
这项研究的目标是：（1）利用基于GIS的道路运输网络和交通流量数据，开发一种新的基于GIS的系统框架，称为“基于道路网络的方法”，以允许区域道路移动源排放在空间上进行分配；（2）将新方法应用于分辨率分别为3*3 km和12*12 km的PRD区域移动源排放的空间分布建模；（3）讨论和比较基于人口的方法和新方法的空间结果；（4）使用空气质量模型评估新方法的效果。
数据与方法
研究领域和数据源
本研究的空间范围由位于珠三角地区的9个城市组成，如图1所示，分别是广州，深圳，珠海，东莞，中山，佛山，江门，惠州的部分地区（惠城，惠阳，惠东和博罗）和肇庆（端州，鼎湖，高要和四会）。车辆人口数据是从政府年度统计报告中建立的。21交通流量数据是从各种来源获得的，包括地方政府机构，高速公路收费站发布的交通流量报告和实地调查。22,23行驶的公里数（VKT）和其他用于机动车排放估算的数据是从实地调查中收集的1,2,7基于GIS的珠三角2005年区域公路网数据如图1，a和c所示，由广东省基础信息中心提供。
（a）. 12 * 12km路网分布 （b）. 12 * 12km人口分布
（a）. 3 * 3km路网分布 （b）. 3 * 3km人口分布
图1.珠三角地区的研究领域，道路网络系统和人口分布：（a）12公里乘12公里的路网分布，（b）12公里乘12公里的人口分布，（c）3公里乘3公里的路网分布，以及（d）3公里乘3公里的人口分布
珠三角地区道路估算方法
移动源排放
本研究采用了经过修改的MOBILE 5b模型，该模型使用了本地基本排放率，排放标准，环境条件和其他信息，以估算PRD地区2006年基于车队的车用排放因子。美国开发了MOBILE模型。环境保护署（EPA）估算各种条件下公路机动车的排放量，最新版本是2002年发布的MOBILE6.2。24选择MOBILE 5b而不是使用最新版本的原因在本研究中，MOBILE 6.2是，MOBILE 5b中的汽车分类与中国使用的相似。在北京和深圳，MOBILE 5b已被用于估算移动源排放量。25-27Zheng等7使用MOBILE 5b模型估算不同机动车类别的PRD区域排放因子的细节，表1列出了不同车辆的平均排放因子和VKT。用于估算珠三角地区移动源排放的类型。利用估计的平均排放因子，可以使用以下公式计算珠三角地区某城市的机动车每年排放量：
(1)
其中是第i个城市（t）的某种污染物（例如，NOx）的机动车排放总量，是第i个城市的汽车人口数和第j个车辆类型（车辆），是每年 第i个城市和第j种车辆类型（公里/辆）的单个车辆的平均电动机VKT，而EFj是根据第j种车辆类型（g / km车辆）的本地MOBILE 5b模型估算的平均排放因子。
基于路网的空间分配方法
在这项研究中，详细介绍了一种新的基于路网的空间分配方法，其中，基于GIS的路网信息和实际交通流量统计被用作空间替代物来分配移动源排放。该方法基于以下假设：网格单元中来自移动源的排放与排放量成正比。该网格单元内道路上机动车的总流量。
在中国，机动车道路通常分为五类：公路，一级，二级，三级和四级。第四类是指乡村道路，通常交通流量较小，因此通常不包含在交通流量统计报告中。在城市地区，道路系统通常分为高速公路，城市高速公路，干线道路和社区街道道路。通常，不同的道路类型和位置在统计上具有不同的交通流量。尽管每种道路类型均具有根据国家法规设计的交通流量，但实际上，特定道路类型的平均交通流量可能会因所在的经济水平和人口密度而在位置（例如城市，郊区或农村地区）之间有所差异。道路网络系统的复杂性和变异性内部流量统计在不同位置，导致难以将汽车排放物在空间上分配到网格单元中。
表1.珠三角地区基于车辆类型的平均排放因子（g / km）和VKT（10,000 km）
|
项目 |
LDGV |
LDGT |
LDDT |
HDDV |
HDGV |
HDDT |
MC |
|
VOC |
2.9 |
5.76 |
0.44 |
2.72 |
4.63 |
1.1 |
4.08 |
|
NOX |
1.4 |
3.57 |
3.78 |
9.42 |
3.2 |
13.77 |
0.21 |
|
PM10 |
0.04 |
0.07 |
1.49 |
4.34 |
0.4 |
4.82 |
0.21 |
|
VKT |
2.59 |
2.23 |
3.23 |
4 |
4 |
4.4 |
0.99 |
注意：LDGV=轻型汽油车，LDGT=轻型汽油车，LDDT=轻型柴油车，HDDV=重型柴油车，HDGV=重型汽油车，HDDT=重型柴油车， MC=摩托车。
图2.使用基于路网的方法对区域移动源排放进行空间分配的流程图
为了解决这一难题，并使区域移动源排放的空间分配更容易实现，在这项研究中，作者提出了一种“标准道路长度”转换系统，以帮助计算基于不同道路类型分配移动排放的空间替代量和在不同位置的流量。转换系统包括两个基本概念：标准道路长度和道路转换系数。标准道路长度是指假设存在虚拟道路，其单位长度被视为“标准”单位长度，其交通流量被定义为标准交通流量（以标准车辆为单位，可以将不同的车辆转换为具有相同排放量的标准车辆）。通过这些概念，可以通过分配适当的转换系数将不同道路类型的长度转换为标准道路长度。当前，机动车人口，交通流量以及相关的统计数据通常在中国的城市一级进行。因此，在这项研究中，区域移动源排放的空间分配是在城市的基础上进行的。假设按照流量大小将城市分为两部分（即城市或郊区），则可以计算出不同位置的不同道路类型的道路转换系数：
(2)
i指的是第i个城市；k代表第k条道路类型；是第i个城市市区内第k条道路类型的道路转换系数。是市区内第k个道路类型在第i个城市道路类型（标准车辆）中的交通流量； STF是标准交通流量（在标准车辆中），由用户定义不变； 是位于第i个城市郊区的第k条道路类型的道路转换系数。是郊区第k个城市道路类型在第i个城市道路类型（标准车辆中）的交通流量。
图2中说明了使用替代方法将移动源排放物空间分配到网格单元中的过程。如图2所示，借助ArcInfo等GIS软件工具，研究范围，分辨率大小和网格单元首先确定，然后对研究范围内不同道路类型图层的信息进行特征化。其次，根据城市中的交通流量数据，计算基于城市级别的道路转换系数，从而可以借助GIS道路图层的信息确定城市的总标准道路长度。第三，通过使用基于城市级别的移动源排放清单和计算出的总道路长度，确定基于城市级别的标准排放强度（每标准公里t）。第四，根据网格单元内的GIS道路层信息和基于城市水平的道路转换系数，计算网格单元内的标准道路长度。利用信息和基于城市级别的标准排放强度
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