景區公路隧道洞口及洞外污染物分布數值模擬研究

楊學成

摘要：景區公路隧道洞口污染物影響景區空氣質量，隧道洞口及洞外污染物的分布有利于指導景區空氣環境治理。文章依托臺州祥和隧道，建立了計算流體力學（CFD）模型，在有洞口橫風，數值模擬了祥和隧道高交通流量情況下洞口及洞外污染物的分布情況。根據污染物的分布提出了環境敏感點的位置。要治理洞口及洞外的空氣環境，可以在環境敏感點布設空氣凈化設備或除塵設備。

Abstract： The pollutants at the entrance of the highway tunnel in the scenic area affect the air quality in the scenic area. The distribution of pollutants at the entrance of the tunnel and outside the tunnel is helpful to guide the air environment treatment in the scenic area. Relying on the Taizhou Xianghe Tunnel， a computational fluid dynamics （CFD） model was established to numerically simulate the distribution of pollutants at the entrance and outside the tunnel under the condition of high traffic flow in the tunnel. The location of environmentally sensitive points is proposed based on the distribution of pollutants. To treat the air environment at the entrance and outside of the cave， air purification equipment or dust removal equipment can be arranged at environmentally sensitive points.

關鍵詞：景區公路隧道;洞口污染物分布;數值模擬;環境敏感點

0? 引言

2018年7月31日，生態環境部部審議并原則通過《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）修改單。標準規定了環境空氣功能區分類、標準分級、污染物項目、平均時間及濃度限值、監測方法、數據統計的有效性規定及實施與監督等內容。景區環境空氣的污染物分布成為了研究熱點。

2018年，哈孜亞·包浪提將[1]依托新疆喀納斯5A 級景，采用磁測和統計方法對道路灰塵進行磁學特征、空間變異特征及環境意義研究。2019年，武智暉[2]依托五臺山景區，對采樣點的SO2、NO2、總懸浮顆粒物（TSP）、PM10進行采樣分析，研究了污染物的時空分布特征。此外，眾多專家對較高空氣質量標準的公路隧道的污染物分布規律做了研究。2019年，王明年[3]依托翔安海底隧道，分別在交通高峰期和非高峰期兩個時段對隧道內氣壓、溫濕度、風速、CO、NO2和 PM 濃度展開了測試，并結合一維擴散理論研究了污染物隨交通流的分布規律。2019年，彭余華[4]研究了毗鄰隧道洞口CO在洞外自然風作用下的擴散情況。

但是，景區公路隧道洞口及洞外污染物的分布規律以及治理研究較少。文章利用數值模擬研究了祥和隧道洞口及洞外污染物分布規律，根據污染物的分布位置提出了環境敏感點的位置。要治理洞口及洞外的空氣環境，可以在環境敏感點布設空氣凈化設備或除塵設備。

1? 依托工程

祥和隧道處于風景名勝區，車輛排放污染物標準應高于一般公路隧道標準，按照環境空氣功能區分類為一類：一類區為自然保護區、風景名勝區和其他需要特殊保護的區域，其環境空氣功能區質量要求適用于一級濃度限10ppm。

2? 數值模擬和邊界條件

2.1 隧道物理模型

模型具體如圖1所示，洞外流體計算空間設計為六面體形，其沿隧道長度方向上尺寸為185m，沿隧道橫截面方向上為200m，高度為20m。

2.2 控制方程

根據本文章研究對象，基于Fluent數值模擬軟件，可將流動視為不可壓縮的三維穩態流動，數學模型采用不可壓縮恒定流的k-？著方程、SIMPLE算法，并選擇組分運輸模型。質量守恒方程如式（1），式中，？籽為密度;t為時間;u為速度;■為拉普拉斯算子。

動量守恒方程如式（2），式中，g為重力加速度;f為外部施加的力矢量;t為粘性力張量;p為壓力。

能量守恒方程如式（3），式中，h為焓;qr為熱輻射通量;T為溫度。

組分質量守恒方程如式（4），式中，Ri為單位時間內，每單位體積的流體因化學反應消耗或產生的某種物質組分的凈生產（或消耗）率。Si為其他組分產生方式或者自定義的質量源項。

2.3 污染物的設定

以CO為例，根據《公路隧道通風照明設計規范》（JTG T D70 2-01-2014），設置模型“出口隧道”截面設置為均勻的CO散發面源，濃度為150ppm，約為空氣的質量分數的0.015%。ppm與mg/m3之間的換算式可表示為：

2.4 邊界條件

入口邊界：隧道洞口（進），出口邊界 隧道洞口（排），壁面邊界 隧道界限，入口邊界類型 速度入口，出口邊界類型自由出流，操作溫度300K。

3? 數值模擬結果

3.1 工況劃分

高交通量狀態下，隧道洞口的排（進）風速Vo（Vi）為3.0m/s;根據景區的氣象數據，設置洞口橫風VC：洞口橫風風向由南向北VC1;0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s;洞口橫風風向由北向南VC2：0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s。由隧道洞口的排（進）風速Vo（Vi）和洞口橫風Vc組合產生9中工況。

3.2 無洞口橫風情況下，隧道洞口及洞外的CO分布研究

圖2展示了無洞口橫風時，高交通流量時隧道洞口及洞外CO質量分數分布云圖。在云圖上建立坐標系，圖中點位坐標含義為（x軸坐標，y軸坐標，CO濃度）。

3.3 有洞口橫風情況下，隧道洞口及洞外的CO分布研究

以高交通流量為例，此時隧道洞口的排（進）風速

Vo（Vi）為3.0m/s，不同洞口橫風情Vc況下，隧道洞口及洞外CO分布云圖如圖3所示。

3.4 隧道洞口及洞外環境敏感點

要對隧道洞外及洞口空氣進行治理，推薦在環境敏感點布設空氣凈化設備或除塵設備。環境敏感點指及對景區的某類污染因子或者生態影響因子特別敏感的區域。根據隧道洞口及洞外CO分布，隧道洞口及洞外環境敏感點如圖4所示。

4? 結論

文章利用數值模擬研究了祥和隧道洞口及洞外污染物分布規律，根據污染物的分布位置提出了環境敏感點的位置，環境敏感點的分布如圖4所示，環境敏感點主要分布在隧道洞口兩側以及隧道洞外兩側。要治理洞口及洞外的空氣環境，可以在環境敏感點布設空氣凈化設備或除塵設備。

參考文獻：

[1]哈孜亞·包浪提將，陳學剛.新疆喀納斯景區道路灰塵的磁學特征及環境意義[J].地球與環境，2018，46（06）：542-550.

[2]武智暉，樊文華，劉奮武，段青倩，王坤，劉霞霞.五臺山景區空氣質量及其時空變化特征分析[J].環境污染與防治，2015，37（06）：63-68.

[3]王明年，王旭，于麗，鄧濤.翔安海底隧道運營環境及污染物分布規律研究[J].西南交通大學學報：1-10[2019-12-11].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.u.20190320.1053.004.html.

[4]彭余華，傅向祥，陸昕，李璇.毗鄰隧道洞口遮陽棚光環境及二次污染數值模擬[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2019，38（01）：23-29.

[5]徐湃，蔣樹屏，邢榮軍，陳建忠.公路隧道防洞口竄流治理研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2014，33（06）：40-44.

[6]沈勇，朱凱，李鵬世，方建華，吳珂.近接隧道污染物竄流特性與通風能耗分析[J].地下空間與工程學報，2017，13（S1）：404-408.