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1引言

研究城市道路交通環境負荷的發生源分布，是實現城市與環境共同可持續發展的重要組成部分，其關系到能否有效地識別影響道路交通環境負荷的關鍵區域和實施有針對性的區域規劃、改造和布局調整等措施來降低道路交通環境負荷。

當前，大部分針對城市道路交通環境負荷的研究是以整個城市為研究對象，將路段分配流量與路段長度以及該路段的尾氣排放系數相乘表示為道路交通環境負荷。此方法可計算出城市全路網和各路段的道路交通環境負荷，但很難估計這些環境負荷的發生源情況。本文以交通小區為研究對象，基于交通規劃四階段理論，提出了交通小區的道路交通環境負荷的計算方法，并據此分析了全路網道路交通環境負荷的發生源分布情況。交通小區的道路交通環境負荷計算流程如圖1所示。

圖1的基本輸入是根據居民調查得到的各小區發生量和吸引量及在此基礎上展開的小區OD估計。

已知基本輸入，本文采用增量分配法在已知的全路網拓撲上進行路段交通流分配，得到路網各路段的交通流量。

此外，通過路段排放因子估計模型可得到各路段冬季和夏季的尾氣排放因子。該尾氣排放因子表示單位周轉量，如車公里的氣體排放量。故通過系列計算可估計出路網各路段、各交通小區和整個城市路網的各種尾氣排放。

2路段交通流分配

進行路段交通流分配之前，首先需要對交通路網進行拓撲，得到路段編號與路段端點編號，之后計算以行駛時間為阻抗的路阻函數，最后再進行交通流分配。

2.1路阻函數

BPR函數是交通界廣泛使用的路阻函數，它是美國公路局對大量路段進行交通調查后，通過回歸分析得到的函數。該函數反映了路段行駛時間和路段流量的關系。具體的函數形式如下[1]：

式中，tk為路段k的旅行時間，即阻抗值；Qk為路段k的交通量；ck為路段k的通行能力；α和β均為阻抗參數，美國公路局一般推薦使用α=0.15和β=4這兩個值；t0k為交通量為零時的路段行駛時間，即暢通運行時間：(2)式中，lk為路段k長度；vf為自由流速度。

2.2增量分配法

增量分配法[2]是一種近似的均衡分配方法。該方法是在全有全無分配方法的基礎上，考慮了路段流量對阻抗的影響，進而根據道路阻抗的變化來調整路網交通量的分配，是一種“變化路阻”的交通量分配方法。增量分配法有容量限制-增量分配和容量限制-迭代平衡分配兩種形式。本文主要采用前者，即容量-限制增量分配法，首先需要將交通小區間的OD表均勻分解成N個分表（N個分層），然后分N次使用最短路分配方法，每次分配一個OD分表，并且每分配一次，路阻就根據路阻函數修正一次，直到把N個OD分表全部分配到路網上為止。計算步驟如下：

（1）初始化。將交通小區i到小區j的OD交通量pij均勻分割為N等份，每一等份的交通量為，n={1,…,N},式中n表示等分額序號。令n=1,qk0=0,式中qk0表示路段k的初始交通量。

（2）更新各路段的路阻。根據BPR函數，路段k經過n次分配后的阻抗為：(3)(4)

（3）全有全無分配：用全有全無分配法將第n個分割OD交通量Pnij分配給小區i到小區j的最短路徑SPath(i,j,n)。如果路段k包含于該最短路徑中，則分配相應的流量g(i,j,n,k)，反之不分配流量。在整個分配過程中，對于路段k有可能存在多個小區間的OD對經過該路段，故最終的路段流量應是所有小區間OD對配流產生的流量g(i,j,n,k)的加和，即：

（4）終止判斷。如果n=N，則計算結束，反之，令n=n+1并返回步驟2。

3路段尾氣排放因子計算

路段尾氣排放因子是指路段上行駛的機動車每行駛單位公里的平均道路交通環境負荷排放量，單位為克（/輛公里）。目前國內的研究多采用美國的尾氣排放模型MOBILE或MOVES[3]來計算此指標，但是，這兩個模型對輸入參數要求非常高，有很多數據無法獲得。因此，本文采用已有研究中提出的基于速度的尾氣排放因子擬合模型，即通過路段速度來計算該路段的尾氣排放因子。李鐵柱[4]對南京市的汽油轎車、微型車、中型車、吉普車、重型汽油車、重型柴油車以及摩托車在夏季和冬季的CO、HC和NOx三種尾氣的排放因子與速度進行了擬合，得到這些車型的排放因子計算公式。本文主要采用汽油轎車的三種尾氣排放因子擬合模型來計算，具體公式如下：上式中，V表示路段平均速度，由于缺乏路段平均速度的實際觀測值，所以本文通過擁擠程度來選取對應的平均速度值。于躍和唐夕茹[5]研究了不同交通擁堵等級下vc比和平均速度對應表，見表2。本文將引用該表的結果來估計路段的平均速度。

4道路交通環境負荷計算

在獲取上文計算的數據后，需要先計算各交通小區的道路交通環境負荷，再將所有小區的道路交通環境負荷加和，最終得到全路網城市的道路交通環境負荷，具體計算步驟如下：

（1）計算路網上每個路段的總流量，計算公式為：(9)其中，Qk表示路段k上交通總流量，Qkn表示第n次分割分配在路段k上的交通量；

（2）計算路段k的vc比，具體公式為：(10)

（3）根據路段k的vc比，確定路段的平均速度，對應公

（4）根據步驟（3）所求得的路段平均速度，可通過式（7）或式（8）計算路段k的CO、HC和NOx三種尾氣的排放因子αkCO、αkHC和αkNOx。

（5）計算路段三種尾氣排放量，具體公式如下：其中，EijkCO、EijkHC和EijkNOx分別表示小區i到小區j交通分布量中分配在路段k上的交通量產生的CO、HC和NOx三種尾氣排放量，lk表示路段長度。

（6）計算各交通小區的三種尾氣排放量，具體公式如下：其中，EiCO、EiHC、EiNOx分別表示小區i的CO、HC和NOx三種尾氣排放量。

（7）計算城市全路網的道路交通環境負荷，具體公式如其中，ECO、EHC和ENOx分別表示CO、HC和NOx三種尾氣排放總量，E代表城市全路網道路交通環境負荷。

5實例

以大連市2004年的交通出行調查數據為基礎進行實例分析。整個大連市有4個主城區，中山區、沙河口區、甘井子區和西崗區,這些城區可進一步劃分為170個交通小區。其交通路網拓撲結構如圖2所示。

5.1交通流分配

首先應用雙約束重力模型估計出各小區間的OD矩陣對，并通過路網拓撲，可得到該路網中所有的路段編號、路段長度以及路段端點編號。根據BPR函數計算公式，可計算出任意路段k尚未分配時的初始阻抗值，即零流量阻抗t0k。將交通分布量平均分成30份，即N=30，利用容量限制-增量分配法依次更新路阻函數，將30份小區OD量分配到路網上，得到路網中各路段最終的交通流分配結果，即各路段上的總交通量。

5.2路段尾氣排放因子計算

考慮路網各路段的差異性，本文將路網中的所有路段分成四種類型，并賦予了不同的通行能力，具體見表3。通過路段總交通量與對應路段通行能力的比值，可計算各路段的擁擠程度，再根據表2的對應關系，可估計出各路段的平均速度，并進一步利用尾氣排放因子公式計算尾氣排放因子。

由于實例中交通調查是在11、12月進行，因此，路段尾氣排放因子的計算時采用冬季的CO、HC和NOx三種尾氣的排放因子公式，即式（8）。

5.3道路交通環境負荷計算

首先，根據式（12）計算小區i到小區j交通量分配中在路段k上的交通量產生的CO、HC和NOx三種尾氣排放量。

其次，依次根據式（13）和式（14），分別對應加和得出小區i和小區j在高峰小時的三種氣體排放量和城市整體的三種氣體排放總量。此處計算量大，主要通過VBA程序完成。

最終，得到各小區高峰小時的道路交通環境負荷和城市全路網的道路交通環境負荷，據此可在網絡拓撲上標注出城市全路網的道路交通環境負荷的發生源分布情況，如圖3所示大連市各交通小區的道路交通環境負荷相對比較分散，其中有幾個交通小區排放比較大，如泡崖街道，桂林街道和甘井子街道等。這些高負荷的街道區多半是有較多的居住小區和人口，交通需求量較大。

進一步將相應的交通小區的總排放加和，得到各行政區域的總排放，如圖4所示。甘井子區的尾氣排放最大，主要是由于該城區占地面積大，包含了約33%的交通小區，內部的運輸空間幅度比較大。造成了較大的尾氣排放；西崗區和沙河口區屬于中心城區，但沙河口區的人口密度和土地面積比西崗區大，所以尾氣排放更大；中山區內有大連港和大連火車站這些重要交通樞紐，還是旅游、觀光、度假和療養勝地，其交通活動頻繁，車輛行駛距離遠，也產生較高的尾氣排放；西崗區的人口密度和土地面積較沙河口區小，故其尾氣排放較小。

6結論

本文提出了一種新的基于交通規劃四階段理論的，以交通小區為基本單元的，以尾氣排放因子為核心的道路交通環境負荷估計框架。該估計框架可清晰地輸出城市道路交通環境負荷的發生源。大連市的實例驗證了本文提出方法的有效性和在識別道路交通環境負荷的發生源分布中的重要意義。在后續的研究中將進一步研究發生源分布與土地利用特征的關系。