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(kuò)散特性及其建模理論研究”國(guó)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(kuò)散機(jī)理，提出一套城市地下道路機(jī)動(dòng)車(chē)污染物擴(kuò)散建模求解方法，為我國(guó)城市地下道路通風(fēng)設(shè)計(jì)與安全運(yùn)營(yíng)、建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)方法支撐。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路 實(shí)測(cè) 污染物擴(kuò)散模型 濃度分布 工程應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TU751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)，使隧道內(nèi)交通特征（車(chē)型比例、平均車(chē)速、交通流量等）發(fā)生了很大變化[1]，由此引發(fā)了機(jī)動(dòng)車(chē)排放特性、交通通風(fēng)力的變化，進(jìn)而影響了隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物的擴(kuò)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(jì)方法確定的關(guān)鍵因素。

1 污染物排放現(xiàn)狀

該項(xiàng)目參與的課題組2011年10月至2015年7月先后多次對(duì)北京、上海、長(zhǎng)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(shí)段進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)查[2，3]。比較長(zhǎng)沙市營(yíng)盤(pán)路湘江隧道（多點(diǎn)進(jìn)出隧道）和上海市延安東路隧道（直隧道）實(shí)測(cè)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(zhǎng)沙多點(diǎn)進(jìn)出隧道主隧道內(nèi)污染物濃度分布特性已不再是類(lèi)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(chē)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(jì)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(huì)（PIRAC） 2012報(bào)告[5]的70 ppm限值，實(shí)測(cè)出口CO平均值約為20.3 ppm。

2 多口進(jìn)出城市地下道路污染物擴(kuò)散與預(yù)測(cè)模型

多口進(jìn)出城市地下道路污染物擴(kuò)散模型（圖2）。污染物擴(kuò)散方程在直隧道內(nèi)主要應(yīng)用為一維穩(wěn)態(tài)對(duì)流傳質(zhì)方程[6]，方程包括對(duì)流項(xiàng)和機(jī)動(dòng)車(chē)排放源項(xiàng)。式（2）等號(hào)左邊為對(duì)流傳質(zhì)項(xiàng)，等號(hào)右邊第1項(xiàng)為機(jī)動(dòng)車(chē)排放源項(xiàng)，第2項(xiàng)為i條合流匝道帶入污染物源項(xiàng)，第3項(xiàng)為j條分流匝道帶出污染物匯項(xiàng)。通過(guò)實(shí)測(cè)和模型實(shí)驗(yàn)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(diǎn)進(jìn)出隧道污染物濃度分布。由方程（1）可預(yù)測(cè)長(zhǎng)沙隧道污染物濃度分布為式（2）。

按照式（2）計(jì)算出通過(guò)分流匝道后主隧道污染物濃度分布，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，如圖3所示。模型與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的平均誤差為6.65%。模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(xiàn)隧道長(zhǎng)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(jìn)出地面匝道的出入口有12個(gè)，進(jìn)出地下匝道的出入口有5個(gè)。前海主隧道設(shè)計(jì)車(chē)型比例為：大客車(chē)5%，小客車(chē)95%，主車(chē)道設(shè)計(jì)行車(chē)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(shí)測(cè)排放因子按年限進(jìn)行修正，得到近期工況（2040年）CO及NO2排放因子，并以此計(jì)算隧道內(nèi)污染物濃度分布。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)工況及預(yù)測(cè)工況下隧道內(nèi)污染物濃度未超標(biāo)；阻塞工況（圖4）下車(chē)輛行駛速度較低，產(chǎn)生的交通通風(fēng)力有限，同時(shí)由于隧道107段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，污染物在該段內(nèi)不易擴(kuò)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(jī)械通風(fēng)手段降低該段污染物濃度。

4 下一步研究計(jì)劃與建議

當(dāng)污染物濃度超標(biāo)時(shí)，如果簡(jiǎn)單全線(xiàn)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，將導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)能耗無(wú)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(duì)污染物超標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性控制，使地下道路內(nèi)污染物濃度滿(mǎn)足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，成為重點(diǎn)的研究問(wèn)題之一。

參考文獻(xiàn)

[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(bào)，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(guó)交通部.JTG/T D70/2-20-2014，公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

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[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(yàn)[D].華中科技大學(xué)，2004.