多點進出城市地下道路污染物擴散特性研究進展

李瓊+陳超+袁浩庭+王陸瑤

摘 要：該文基于“復(fù)雜結(jié)構(gòu)城市地下道路污染物排放與擴散特性及其建模理論研究”國家自然科學(xué)基金的研究成果，基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的交通通風(fēng)力的污染物擴散機理，提出一套城市地下道路機動車污染物擴散建模求解方法，為我國城市地下道路通風(fēng)設(shè)計與安全運營、建設(shè)項目環(huán)境影響評價提供技術(shù)方法支撐。

關(guān)鍵詞：多點進出城市地下道路 實測 污染物擴散模型 濃度分布 工程應(yīng)用

中圖分類號：TU751 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0101-03

與一般公路隧道不同的是，城市地下道路位于城市中心區(qū)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，坡道多、岔道多、轉(zhuǎn)彎路段多、出入口多，甚至出現(xiàn)地下立交。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和道路功能特點，使隧道內(nèi)交通特征（車型比例、平均車速、交通流量等）發(fā)生了很大變化[1]，由此引發(fā)了機動車排放特性、交通通風(fēng)力的變化，進而影響了隧道內(nèi)機動車排放污染物的擴散與分布特性，這些變化都是直接影響并關(guān)聯(lián)隧道內(nèi)污染物濃度通風(fēng)控制方式以及通風(fēng)工程設(shè)計方法確定的關(guān)鍵因素。

1 污染物排放現(xiàn)狀

該項目參與的課題組2011年10月至2015年7月先后多次對北京、上海、長沙等城市的城市地下道路交通通風(fēng)力和污染物濃度水平在交通高峰時段進行了大量的現(xiàn)場實測調(diào)查[2，3]。比較長沙市營盤路湘江隧道（多點進出隧道）和上海市延安東路隧道（直隧道）實測結(jié)果（圖1）可發(fā)現(xiàn)，受交通通風(fēng)力、合流匝道帶入隧道外空氣量、分流匝道帶出污染物等綜合作用的影響，長沙多點進出隧道主隧道內(nèi)污染物濃度分布特性已不再是類似上海直隧道的呈單值上升規(guī)律，特別是分流匝道后主隧道污染物濃度出現(xiàn)明顯下降。

另外，以輕型汽油車為主的城市地下道路，主要控制污染物為CO，但是CO濃度水平已遠(yuǎn)低于《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-02-2014）[4]的100 ppm限值，也顯著低于世界道路協(xié)會（PIRAC） 2012報告[5]的70 ppm限值，實測出口CO平均值約為20.3 ppm。

2 多口進出城市地下道路污染物擴散與預(yù)測模型

多口進出城市地下道路污染物擴散模型（圖2）。污染物擴散方程在直隧道內(nèi)主要應(yīng)用為一維穩(wěn)態(tài)對流傳質(zhì)方程[6]，方程包括對流項和機動車排放源項。式（2）等號左邊為對流傳質(zhì)項，等號右邊第1項為機動車排放源項，第2項為i條合流匝道帶入污染物源項，第3項為j條分流匝道帶出污染物匯項。通過實測和模型實驗研究[7]，已知隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)、交通風(fēng)速、主隧道和匝道入口污染物濃度、匝道分流比例C1-3j，由方程（1）可得多點進出隧道污染物濃度分布。由方程（1）可預(yù)測長沙隧道污染物濃度分布為式（2）。

按照式（2）計算出通過分流匝道后主隧道污染物濃度分布，模型計算結(jié)果與實測結(jié)果比較，如圖3所示。模型與實測結(jié)果之間的平均誤差為6.65%。模型計算值與實測結(jié)果之間的平均相關(guān)系數(shù)為0.941 9。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

前海城市地下道為城市主干道，雙洞單向，主線隧道長約4.639 km。前海隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與周邊地塊及交通樞紐有許多相連的匝道，進出地面匝道的出入口有12個，進出地下匝道的出入口有5個。前海主隧道設(shè)計車型比例為：大客車5%，小客車95%，主車道設(shè)計行車速度為50 km/h，出入匝道為20 km/h。

3.2 成果應(yīng)用

該文以2007年實測排放因子按年限進行修正，得到近期工況（2040年）CO及NO2排放因子，并以此計算隧道內(nèi)污染物濃度分布。計算結(jié)果表明，設(shè)計工況及預(yù)測工況下隧道內(nèi)污染物濃度未超標(biāo)；阻塞工況（圖4）下車輛行駛速度較低，產(chǎn)生的交通通風(fēng)力有限，同時由于隧道107段長度較長，污染物在該段內(nèi)不易擴散出去造成濃度堆積，使該段內(nèi)的污染物濃度超標(biāo)，需要采取機械通風(fēng)手段降低該段污染物濃度。

4 下一步研究計劃與建議

當(dāng)污染物濃度超標(biāo)時，如果簡單全線開啟風(fēng)機，將導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)能耗無謂增大。所以如何合理有效地控制城市地下道路的通風(fēng)系統(tǒng)，對污染物超標(biāo)點進行針對性控制，使地下道路內(nèi)污染物濃度滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，成為重點的研究問題之一。

參考文獻

[1] 李瓊，陳超，李俊梅，等.基于城市地下道路污染物排放特性的交通特征調(diào)研[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2012，34（5）：456-460.

[2] Li Q，Chen C，Deng Y，et al.Influence of traffic force on pollutant dispersion of CO，NO and particle matter（PM 2.5）measured in an urban tunnel in Changsha，China[J].Tunnelling & Underground Space Technology，2015（49）：400-407.

[3] Deng Y，Chen C，Li Q，et al.Measurements of real-world vehicle CO and NOx fleet average emissions in urban tunnels of two cities in China[J].Atmospheric Environment，2015（122）：417-426.

[4] 中華人民共和國交通部.JTG/T D70/2-20-2014，公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[5] PIARC-World Road Association， PIARC technical committee on road tunnels operation （C5）.Road tunnels： Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation[R]. France，2012.

[6] Bellasio R.Modeling traffic air pollution in road tunnels[J].Atmos.Environ.，1997，31（10）：1539-1551.

[7] 孟偉.雪峰山隧道通風(fēng)系統(tǒng)模型試驗[D].華中科技大學(xué)，2004.