超大型城市的大气环境治理策略优化与新技术研究.pdf
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1、 年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:张艳娟(),女,博士,讲师,主要从事建筑机械装备设计和智能磁性材料的制备与应用研究.超超大大型型城城市市的的大大气气环环境境治治理理策策略略优优化化与与新新技技术术研研究究张艳娟,魏北辰(北京建筑大学 机电与车辆工程学院,北京 )摘要:总结了国内外城市大气环境治理的通行策略、方法及措施,研究揭示了北京地区近十年来的城市道路交通拥堵与总体大气环境质量等统计数据之间所呈现的一致性关联.通过对超大型城市大气环境治理策略实施的现状及效果评估
2、,针对汽车“怠速”行驶工况下尾气排放的环境特征分析,提出并论证了基于道路基础设施智能化升级改造,构建绿色环保、“可呼吸”的新型城市路网的治理策略优化建议及其可行性.比较了种具有汽车尾气净化功能的系统及护栏产品及其相关新技术,并对其应用前景进行了展望.关键词:大气环境;汽车尾气;污染治理;道路护栏中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()O p t i m i z a t i o no fA t m o s p h e r i cE n v i r o n m e n tM a n a g e m e n tS t r a t e g ya n dN e wT e c h n o l o g
3、y i nS u p e r L a r g eC i t i e sZ h a n gY a n j u a n,W e iB e i c h e n(S c h o o l o fM e c h a n i c a le l e c t r o n i c a n dV e h i c l eE n g i n e e r i n g,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r
4、a c t:T h i sp a p e rs u mm a r i z e st h ep r e v a i l i n gs t r a t e g i e s,m e t h o d sa n dm e a s u r e so fu r b a na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t a th o m ea n da b r o a d;T h es t u d yr e v e a l st h ec o n s i s t e n tc o r r e l a t i o nb e t w e
5、e nt h eu r b a nr o a dt r a f f i cc o n g e s t i o na n dt h eo v e r a l l a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tq u a l i t yi nB e i j i n gi nt h ep a s td e c a d e;B a s e do nt h ea s s e s s m e n to ft h ei m p l e m e n t a t i o ns t a t u sa n de f f e c to ft h ea t m o s p h e
6、r i ce n v i r o n m e n tg o v e r n a n c e s t r a t e g y i ns u p e r l a r g e c i t i e s a n d t h e a n a l y s i s o f t h e e n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c s o f e x h a u s t e m i s s i o n su n d e r t h e i d l i n g d r i v i n gc o n d i t i o no fv e h i c l e
7、 s,t h i sp a p e rp r o p o s e sa n dd e m o n s t r a t e s t h eo p t i m i z a t i o ns u g g e s t i o n sa n df e a s i b i l i t yo ft h eg o v e r n a n c es t r a t e g yt ob u i l dag r e e n,e n v i r o n m e n t f r i e n d l ya n d b r e a t h a b l e n e wu r b a nr o a dn e t w o r k
8、b a s e do nt h ei n t e l l i g e n tu p g r a d i n go fr o a di n f r a s t r u c t u r e I tm a i n l y i n t r o d u c e sa n dc o m p a r e st w os y s t e m sa n dg u a r d r a i lp r o d u c t sa n dr e l a t e dn e wt e c h n o l o g i e s T h ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sa r ea n
9、 a l y z e da n dd i s c u s s e d K e yw o r d s:a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t;a u t o m o b i l ee x h a u s t;p o l l u t i o na b a t e m e n t;r o a dg u a r d r a i l 引言当前,城市空气污染日益严重,尤其对于千万人口以上级别的超大型城市而言,城市环境空气治理已成为了全球范围内最重要的环境问题之一.为破解这一难题,环保领域的学者和科研人员从城市空气污染物的聚类分型特征、主要成因、时空分布、态势演
10、化及其影响因素等多方面开展研究,为城市大气环境治理策略、方法及整治措施提供理论依据.城市大气环境污染问题具有显著的时空特征,需要具体分析.刘丹等结合气象资料和污染源排放清单,选用WR FC AM x模型模拟分析京津冀地区本地源污染贡献情况,对本地源污染贡献进行分型;李娜则认为京津冀及周边城市群大气污染存在一定的区域内集聚效应,并尝试构建了以城市为节点,城市之间的PM 浓度相关性为边的城市群 复 杂 网 络 模 型;马 康 等基 于HY S P L I T、年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o
11、g y)第 期P S C F、CWT模型,系统分析了 年供暖期间我国北方多个核心城市大气污染物的污染特征、传 输 路 径 和 潜 在 源 区,得 出 了PM、PM、NO是供暖期间北方核心城市主要污染物的结论;任博、陈艺晏等、税攀恒等分别对长三角、黄河流域、川东北等不同地域典型城市的大气污染物时空分布、异质特征、污染态势及其主要成因做了深入的研究;涂佩玥等基于中国 个大气污染防治重点城市 年的种污染物浓度监测数据,利用MAK E S E N S模型和综合风险指数(A R I),定量分析全国及大城市群的大气污染总健康风险的时空分布特征,研究表明:中国重点城市PM 污染最严重,仅 的城市PM 浓度年
12、均值达到了国家二级标准,NO次之,的城市NO浓度年均值达到了国家二级标准,京津冀和汾渭平原城市群空气污染最严重,PM、S O、C O和NO浓度年均值高于其他城市群.此外,诸多学者亦对城市大气环境治理的策略、方 法 及 措 施 进 行 了 不 同 层 面 的 探 讨.姚 健廷、易鑫、刘海俊、亓玉军等、李军艳等 先后提出以控制污染物排放和利用大气环境自净能力为主的城市大气环境治理策略;赵莹莹等 学者则认为,交通污染逐渐成为城市空气污染的重要来源,在一些繁忙的交通微环境,如公路隧道、街道峡谷、交叉路口和高架桥边等地点,机动车尾气排放导致的C O浓度较高,对人体的健康危害不容小觑,应积极应对;孙豪宇等
13、 研发的城市街区大气污染扩散仿真软件(P S D S),为城市街区大气污染扩散模拟提供简单易用的研究工具;黄鑫、胡梅侠 在对城市大气环境的氮氧化物污染及治理相关研究均重点提及,城市高层建筑数量增多所形成的“城市街道峡谷”,严重限制了机动车尾气的扩散;朱妍 提出了城市大气污染防治应走向精准化,主张“功课”前移,对污染物“精准溯源”;谭英 则论及智慧城市建设对大气污染的影响,从智慧交通、智慧产业与经济发展的角度深入剖析智慧城市建设对大气污染防治的作用机制.部分学者已经开始注意到了以PM、C O、碳氢化合物、氮氧化物和S O等为主的城市交通污染对大气环境质量的影响权重日益加大.但是,城市交通污染与大
14、气环境质量的关联机制并不清晰,大气环境治理的策略未作相应的及时调整和优化,与之相关的汽车尾气治理新技术亦有待普及和推广.近十年北京地区大气环境质量变化趋势根据“十四五”规划和 年远景目标纲要的要求,未来北京市还将继续加强大气治理,推进绿色发展.然而,规划期内城市大气环境质量持续改善的总体趋势能否延续?显然是必须要面对和思考的问题.作为研究的基础,首先应对过去 年间北京地区大气环境质量变化趋势有一个总体的量化认知,于是选取了“中度以上空气污染天数/年”这一项指标,尝试作为评价北京市大气环境质量变化趋势的依据(图),结果与个体感受和预期竟然不甚相同.图 年北京地区中(重)度空气污染天数的变化趋势图
15、为 年这 年间的中(重)度空气污染天数的变化趋势.图显示:从 年,每年的中(重)度空气污染天数基本稳定在 d左右;并在 年触及低点,仅有d;其后年则仍略低于前期均值,但到了 年,该项指标陡然上升至 d,较前年均值增长了 ,此张艳娟,等:超大型城市的大气环境治理策略优化与新技术研究环境与安全等幅度的剧变显然是异常的.究其原因,似乎很难从政策法规变化、极端恶劣气象条件、经济发展活跃度等方面找到支撑该项指标数据突变的依据.城市交通拥堵与大气环境污染存在高度正关联早在 年,条公开信息就曾引起过笔者的注意:年初,北京市环保局发布的 年全年空气质量报告显示:全年重污染日比 年减少 d;而同期北京市交通委宣
16、称:年北京中度拥堵以上天数减少 d.个“d”的巧合似乎提示:交通拥堵与重污染天气可能存在某种密切联系.于是,收集整理了 年的北京地区中(重)度拥堵天数的一组数据,并将其与图合并形成了图.图 年北京地区中(重)度空气污染交通拥堵天数的变化趋势图明确显示:年间,北京地区中(重)度空气污染交通拥堵天数的变化趋势基本一致:两组数据均在 、年次触及低点;年则同步陡升,其中交通拥堵数据较前年均值的增长幅度更大,达到了 .至此,得出初步结论:城市道路的交通拥堵与大气环境污染存在高度的正关联.年北京地区中(重)度空气污染天数急剧增加的主要原因之一应该是特殊时期,公交、地铁等公共交通方式受限,车辆限行政策阶段性
17、调整,自驾车出行增多;与之后期社会经济生产活动逐步恢复等因素的叠加效应,导致城市道路的交通拥堵程度加重造成的.进一步地,可以预测:年之后,城市道路的交通拥堵与大气环境污染指标将逐渐回落至 年前正常年份的平均水平.城市大气环境治理策略的实施现状 现行城市大气环境治理的基本策略当前,国内外城市大气环境治理的通行策略、方法及措施包括多个层次的内容,具体包括:()减少污染物排放量:改革能源结构,减少燃煤使用和工业生产污染,推广无污染能源(如太阳能、风能、水力发电)和低污染能源(如天然气).()改革生产工艺:对燃料进行预处理;改进燃烧技术;使用除尘消烟技术、冷凝技术、液体吸收技术、回收处理技术等治理废气
18、.()加强监管,控制排放:加大监管执法力度,充分利用大气自净能力,制定合理政策法规应对不同气象条件、不同地区、不同时段的污染物排放.()合理规划工业区与非工业区:厂址选择、烟囱设计、城区与工业区规划等要合理,不要排放大气过度集中,不要造成重复叠加污染,避免局部地区严重污染事件发生.()绿化造林和扬尘控制:倡导绿化造林,抑制扬尘;加强建筑工地管理,推广绿色施工技术;加强道路清扫,有效控制污染.国内城市大气环境治理的实施现状国内城市空气污染治理一般强调从多个方面入手,综合施策,包括政策法规、技术创新、公众参与等.政策法规是城市空气污染治理的重要保障,技术创新是城市空气污染治理的重要动力,公众参与是
19、城市空气污染治理的重要推动力.持续探讨和研究城市空气污染治理的新观念、新方法和新路径;普及推广更先进的新技术、新设备、新工艺,以提高和巩固综合治理效果,构建可持续改善的城市大气环境治理体系.以北京市为例,最近十几年,北京市在城市大气治理方面采取了一系列科学有力的措施,包括推 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期进能源清洁化战略、加快产业结构调整、实施清洁能源改造、加强扬尘治理等方面.包括完成 万蒸t燃煤锅炉清洁能源改造和近 万户居民“煤改清洁能源”,实现全市基本无燃煤锅炉、平原
20、地区基本“无煤化”.此外,北京市还加快产业结构调整,推进清洁生产,鼓励企业使用清洁能源和原材料,加强扬尘治理,实施清洁能源改造,加强大气监测和预警,推进空气质量持续改善.根据北京市环保局发布的数据,年,北京市PM 年均浓度降至 g/m,比 年下降了 ,被联合国环境规划署誉为“北京奇迹”.此外,北京市还在 和 年连续年实现了重污染天气发生频率、峰值浓度、持续时间均明显下降的目标.燃油机动车“怠速”工况下尾气排放的环境特征机动车尾气排放是城市空气污染的主要来源之一,是大中型城市地区重污染天气(如雾霾等)形成的首要因素.为了减少机动车尾气排放,各国政府采取了多种措施:限制机动车使用、加强道路维护、鼓
21、励使用电动汽车等措施是最常用的.此类措施在一定程度上减少了机动车尾气排放导致的空气污染.相对于正常行驶,燃油机动车在道路拥堵时一般为怠速(k m/h)行驶.根据测算,怠速行驶时汽车尾气中的污染物排放量是正常行驶时倍,进一步加剧了空气污染的强度和频次.汽车尾气的主要成分包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、铅和一些颗粒物.其中一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和二氧化硫是主要的污染物,他们的排放量占总排放量的比例分别为 、和.进一步研究显示,怠速状态下,汽车尾气排放的颗粒物含量会显著增加.这是由于在怠速状态下,发动机的转速较低,进气量相对较少,同时排气门的开度也较小,使得颗粒物无法
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