牟瑞芳 陳 渤 黃 艷 張文居

(1.西南交通大學(xué)，成都 610000；2.四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，成都 610000)

隨著國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)的飛速發(fā)展，我國(guó)已成為世界上公路隧道數(shù)量最多的國(guó)家。而隧道作為交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，具有半封閉的管狀結(jié)構(gòu)特征，這將導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣污染物難以擴(kuò)散。隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放的污染物、隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)作業(yè)產(chǎn)生的粉塵和氣體、車輛攜帶的揚(yáng)塵、車輛漏油產(chǎn)生的油氣、以及隧道事故導(dǎo)致的火災(zāi)等都會(huì)導(dǎo)致隧道空氣質(zhì)量差，造成隧道能見度降低，從而干擾駕駛員正常的視覺認(rèn)知任務(wù)。有關(guān)研究表明，視覺感知占駕駛員信息感知的90%[1]，低能見度條件下駕駛員視距、視野都會(huì)下降，從而導(dǎo)致安全車距不夠，極易誘發(fā)隧道追尾事故和二次事故。因此分析隧道能見度的影響因素，研究公路隧道空氣質(zhì)量與能見度的相關(guān)性，并建立一定的數(shù)值關(guān)系，這對(duì)改善隧道空氣質(zhì)量和提高隧道行車安全都具有十分重大的意義。

目前針對(duì)能見度的研究主要側(cè)重氣象觀測(cè)角度，即通過(guò)對(duì)個(gè)別地區(qū)或案例的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究不同粒徑顆粒物濃度、氣象因子與能見度的相關(guān)性。但對(duì)于隧道空氣質(zhì)量與能見度相關(guān)性研究較少，代表性的成果有：歐洲通過(guò)隧道內(nèi)消光系數(shù)和顆粒物濃度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，構(gòu)建了不同粒徑顆粒物濃度與能見度的相關(guān)模型[2]，且該模型已寫入PIARC標(biāo)準(zhǔn)中。我國(guó)關(guān)于隧道能見度方面也進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究：王瑋等[3-4]通過(guò)對(duì)譚裕溝隧道和梧桐山隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了PM2.5濃度、車流量和能見度三者之間的變化規(guī)律；分析了隧道內(nèi)顆粒物濃度和粒徑的分布規(guī)律，明確粒徑為0.7～0.8 μm的顆粒物對(duì)能見度構(gòu)成嚴(yán)重影響；朱春等[5]通過(guò)公路隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，明確了不同粒徑的顆粒物以及NO2等空氣污染物對(duì)隧道能見度的影響水平，并提出隧道內(nèi)消光系數(shù)的線性計(jì)算式。

可見，目前針對(duì)隧道能見度的研究多通過(guò)隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，存在普適性差、需要與隧道管理者(甚至交通管理部門)協(xié)調(diào)且成本較高等不足。而室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)芨玫乜刂圃囼?yàn)參數(shù)，節(jié)約試驗(yàn)成本。因此，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，建立隧道空氣質(zhì)量與能見度的關(guān)聯(lián)式，為改善公路隧道空氣質(zhì)量和提高隧道行車安全提供一定參考。

1 能見度基礎(chǔ)

能見度(Visibility)是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)，已有研究中的能見度通常指氣象光學(xué)距離(MOR)，即白熾燈發(fā)出的平行光束(2700K色溫)的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)度，它是單純反映光在介質(zhì)中透射能力或大氣消光能力的指標(biāo)，與環(huán)境照度(白天或黑夜)無(wú)關(guān)，可由能見度儀直接測(cè)量獲得[6]。

關(guān)于能見度的研究提出了很多理論，其中最為基礎(chǔ)的是Lambert-Beer定律，即光在大氣介質(zhì)傳播的過(guò)程中不斷衰減，其中包括大氣分子、氣溶膠粒子的吸收和散射。設(shè)吸收、散射系數(shù)分別為a、s，大氣分子和氣溶膠粒子分別用g、p表示，則大氣的消光系數(shù)μ可表示為：

μ=ag+sg+ap+sp

(1)

Koschmieder提出白天大氣環(huán)境下的水平能見度理論，指觀察者透過(guò)大氣介質(zhì)以一個(gè)足夠大視角辨識(shí)目標(biāo)物時(shí)，觀察者要把它從背景中識(shí)別出來(lái)，需視亮度對(duì)比度Cx大于觀察者的對(duì)比度閾值ε，即要滿足：

(2)

式中Lm——觀察者與目標(biāo)物相距m時(shí)覺察到的目標(biāo)物亮度，cd/m2；

Lbm——觀察者與目標(biāo)物相距m時(shí)覺察到的環(huán)境背景亮度，cd/m2；

ε——視覺對(duì)比度閾值。

當(dāng)背景為天空，目標(biāo)物為黑體時(shí)，推導(dǎo)出能見度計(jì)算公式如下所示：

(3)

V為能見度；μ為消光系數(shù)。大氣學(xué)科中常使用0.02或0.05作為視覺對(duì)比度閾值。

2 隧道能見度影響因素分析

基于能見度基礎(chǔ)，能見度作為一個(gè)復(fù)雜的物理量，最主要的影響因子有三個(gè)：一是有直接影響的大氣透明度，包括大氣污染物和氣象條件等；二是背景與目標(biāo)物的亮度對(duì)比度C，包括目標(biāo)物的物理特性，如色彩、亮度、大小和形狀等，以及背景的物理特性，如照明條件等；三是人眼的視覺對(duì)比度閾值ε，主要受觀測(cè)者的視力和視場(chǎng)角的影響。本文忽略其他因素，主要研究大氣透明度對(duì)能見度的影響。結(jié)合公路隧道內(nèi)運(yùn)營(yíng)環(huán)境基本特征，公路隧道內(nèi)能見度的影響因素主要有隧道空氣污染物和氣象條件兩方面。

2.1 隧道空氣污染物

車輛揚(yáng)塵和汽車尾氣排放是公路隧道內(nèi)空氣污染物的主要來(lái)源。而機(jī)動(dòng)車尾氣成分十分復(fù)雜，其中的有害氣體成分主要包含顆粒物和氣體污染物(CO、NOx、SO2及HC)[7]。隧道內(nèi)的氣體污染物主要造成環(huán)境污染和人體健康損害，對(duì)能見度的影響較小，而唯一能吸收可見光譜的氣體是NO2[5]，但隧道內(nèi)NO2濃度較低，故隧道內(nèi)顆粒物才是影響能見度大小的主要因素。

隧道顆粒物的粒徑通常為0.1～40 μm[8]，而粒徑在2.5～10 μm顆粒物占隧道顆粒物質(zhì)量濃度的94%[9]。且研究發(fā)現(xiàn)細(xì)粒子是導(dǎo)致隧道內(nèi)能見度下降的主要原因，因此本文主要分析PM2.5和PM10對(duì)隧道能見度的影響。

2.2 氣象條件

研究發(fā)現(xiàn)溫度、縱向風(fēng)速、氣壓和相對(duì)濕度是影響隧道能見度的主要?dú)庀髼l件[10]：

(1)溫度通過(guò)影響隧道內(nèi)大氣垂直對(duì)流程度和相對(duì)濕度，從而影響隧道能見度。當(dāng)溫度升高時(shí)，大氣垂直對(duì)流加強(qiáng)，隧道環(huán)境內(nèi)的相對(duì)濕度降低，則有利于空氣中水汽和污染物等微粒的擴(kuò)散，使得能見度增加；

(2)縱向風(fēng)速通過(guò)影響隧道空氣中水汽、顆粒物的擴(kuò)散，從而影響隧道能見度。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，水汽和空氣污染物等的擴(kuò)散能力加強(qiáng)，濃度降低，能見度升高；

(3)氣壓通過(guò)影響隧道內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度從而影響隧道能見度。當(dāng)氣壓較高時(shí)，氣溫高，大氣垂直對(duì)流加強(qiáng)，污染物易于擴(kuò)散，故能見度升高；

(4)相對(duì)濕度(RH)與能見度的關(guān)系則較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在影響細(xì)顆粒物的吸濕特性，造成顆粒物粒徑增大到可見光波段(0.3～0.6 μm)，導(dǎo)致能見度降低。另一方面，當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，空氣中易形成水汽和霧滴，其本身會(huì)對(duì)光進(jìn)行吸收和散射，從而導(dǎo)致能見度降低。

通過(guò)剖析以上4類氣象因子對(duì)能見度的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)溫度、縱向風(fēng)速和氣壓主要通過(guò)影響隧道顆粒物濃度和相對(duì)濕度從而影響能見度，同時(shí)基于隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境基本特征，相對(duì)濕度與其他3類氣象因子相比，在隧道內(nèi)波動(dòng)范圍較大，對(duì)隧道能見度的影響更為突出。由此可見，相對(duì)濕度是影響隧道能見度關(guān)鍵氣象因子。

綜上所述，隧道能見度影響因素結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)圖如圖1所示：

圖1 隧道能見度影響因素結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)圖

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法及參數(shù)設(shè)置

為更好地反映隧道空氣質(zhì)量與能見度的關(guān)系，根據(jù)隧道能見度影響因素分析，本文選取顆粒物PM2.5、PM10和相對(duì)濕度(RH)作為公路隧道能見度的影響因子。試驗(yàn)通過(guò)加濕器和除濕器控制密閉實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)的相對(duì)濕度，利用粉塵發(fā)生器噴射滑石粉模擬隧道煙霧，待實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)滑石粉濃厚且分布均勻。開始每間隔1 min檢測(cè)此條件下箱體內(nèi)顆粒物PM2.5、PM10濃度和能見度，以此研究不同空氣質(zhì)量狀況下的能見度。為避免試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)重復(fù)多次。

為更好模擬隧道環(huán)境，本次試驗(yàn)設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù)主要包括：滑石粉粒徑分布和相對(duì)濕度。通過(guò)對(duì)隧道顆粒物現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[11]，發(fā)現(xiàn)<2.5 μm的粒子的占比約為30%，2.5～10 μm的粒子的占比約為60%，>10 μm的粒子占比約為10%，基于此，滑石粉的粒徑分布如表1所示。

表1 滑石粉的粒徑分布

公路隧道內(nèi)相對(duì)濕度普遍較高，故將相對(duì)濕度(RH)設(shè)置為四個(gè)區(qū)段，分別為：20%≤RH<40%、40%≤RH<60%、60%≤RH<80%、80%≤RH<100%。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

目前環(huán)境空氣質(zhì)量對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)主要采用重量法、β射線吸收法和激光散射法，其中PTM600-5復(fù)合型氣體分析儀對(duì)隧道內(nèi)顆粒物的檢測(cè)方法為激光散射法。同時(shí)由于復(fù)合型氣體分析儀還具有體積小、測(cè)量速度快、智能化程度高等多方面的優(yōu)勢(shì)，因此，本試驗(yàn)選用復(fù)合型氣體分析儀檢測(cè)顆粒物濃度。

根據(jù)試驗(yàn)需求，所需試驗(yàn)設(shè)備及功能如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及功能

3.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)分為四個(gè)步驟：試驗(yàn)前準(zhǔn)備-相對(duì)濕度調(diào)節(jié)-污染物模擬-試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)(圖2)。

圖2 試驗(yàn)步驟示意圖

(1)連接試驗(yàn)設(shè)備，封閉實(shí)驗(yàn)箱體。開啟、預(yù)熱并標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)備后放入實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)，然后連接好各個(gè)試驗(yàn)設(shè)備，封閉實(shí)驗(yàn)箱，檢測(cè)并記錄實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)濕度；

(2)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)濕度(RH)，從20%調(diào)節(jié)至100%。在第一步的狀態(tài)下，通過(guò)加濕器或除濕器控制實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)濕度，依次調(diào)節(jié)相對(duì)濕度<40%、40%～60%、60%～80%、≥80%，待加濕器或除濕器的數(shù)值穩(wěn)定；

(3)模擬隧道煙霧，同時(shí)檢測(cè)顆粒物PM2.5、PM10濃度和能見度，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。開啟粉塵發(fā)生器模擬隧道煙霧，待箱體內(nèi)顆粒物濃厚且散布均勻時(shí)，開始每間隔1 min，使用復(fù)合氣體分析儀和能見度測(cè)量?jī)x檢測(cè)此條件下實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)顆粒物PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度和能見度，直至箱體內(nèi)粉塵散盡；

(4)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)濕度至下一區(qū)段，再重復(fù)步驟3的“污染物模擬-試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)”操作，直至試驗(yàn)全部完成。

4 隧道空氣質(zhì)量與能見度相關(guān)性研究

4.1 不同粒徑顆粒物濃度與能見度相關(guān)性分析

為了更好地反映箱體內(nèi)粉塵擴(kuò)散、沉降、消散的全過(guò)程。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用5分鐘滑動(dòng)平均來(lái)分析能見度隨不同粒徑顆粒物濃度的變化規(guī)律。由圖3可知，PM2.5、PM2.5-PM10和PM10與能見度均有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

a)能見度<1 000 m b)1 000 m≤能見度<5 000 m

4.1.1 不同粒徑顆粒物濃度與能見度的線性關(guān)系分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析能見度與顆粒物濃度(PM2.5、PM2.5-PM10及PM10)的相關(guān)性，找出最佳影響因子。Noll等[12]認(rèn)為研究顆粒物濃度與能見度的相關(guān)性時(shí)，需考慮相對(duì)濕度的影響，即滿足環(huán)境相對(duì)濕度低于70%，以去除顆粒物吸濕造成的影響。因此本文在相對(duì)干燥的條件下，即相對(duì)濕度<40%時(shí)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)關(guān)系分析(圖4)，線性相關(guān)系數(shù)如表3所示。

圖4 能見度(V<1 000 m/1 000≤V<5 000 m)與不同粒徑顆粒物濃度線性擬合

表3 能見度與不同粒徑顆粒物濃度線性相關(guān)系數(shù)

根據(jù)表3可知，在不同能見度水平下，使用PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度建立能見度的線性相關(guān)關(guān)系具有更好的相關(guān)性，其中使用PM2.5最優(yōu)。

4.1.2 不同粒徑顆粒物濃度與能見度的非線性關(guān)系分析

相關(guān)研究表明，能見度隨PM2.5濃度的變化通常存在一個(gè)明顯的敏感閾值，在該閾值兩邊的變化速率有顯著差異。另外，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，也發(fā)現(xiàn)能見度與顆粒物濃度不只是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。本文應(yīng)用Origin軟件的回歸分析功能進(jìn)行曲線的函數(shù)擬合，并發(fā)現(xiàn)其以冪函數(shù)或以e為底的指數(shù)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合具有較好的收斂性。其中冪函數(shù)公式為：

y=axb

(4)

指數(shù)函數(shù)公式為：

(5)

(1)能見度<1 000 m

在相對(duì)干燥的情況下，即相對(duì)濕度<40%時(shí)，PM2.5擬合優(yōu)度更優(yōu)，其中冪函數(shù)擬合優(yōu)度R2=0.9798，指數(shù)函數(shù)的擬合優(yōu)度R2=0.9955。由此可見，在較低能見度水平下，建立基于PM2.5濃度與能見度的指數(shù)函數(shù)回歸模型具有更好的相關(guān)性，見圖5。

圖5 能見度(V<1000m)與不同粒徑顆粒物濃度非線性擬合

(2)1 000 m≤能見度<5 000 m

在相對(duì)干燥的情況下，即相對(duì)濕度<40%時(shí)，同樣PM2.5擬合優(yōu)度更優(yōu)，其中冪函數(shù)擬合優(yōu)度R2=0.9696，指數(shù)函數(shù)的擬合優(yōu)度R2=0.98。由此可見，在較高能見度水平下，同樣建立基于PM2.5濃度與能見度的指數(shù)函數(shù)回歸模型具有更好的相關(guān)性，見圖6。

圖6 能見度(1000≤V<5000m)與不同粒徑顆粒物濃度非線性擬合

4.2 相對(duì)濕度對(duì)能見度影響分析

為使隧道空氣質(zhì)量與能見度的相關(guān)性模型更精確，則必須研究相對(duì)濕度對(duì)能見度的影響。本文總結(jié)和借鑒他人的寶貴經(jīng)驗(yàn)，將相對(duì)濕度分為不同的區(qū)段，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。

通過(guò)以上不同粒徑顆粒物濃度對(duì)能見度的線性和非線性分析，明確選擇PM2.5的數(shù)據(jù)與能見度建立基于指數(shù)函數(shù)關(guān)系的回歸模型，具有更好的相關(guān)性。本試驗(yàn)將RH分成四個(gè)區(qū)段，在不同區(qū)段內(nèi)均使用PM2.5的數(shù)據(jù)與能見度進(jìn)行基于指數(shù)函數(shù)的非線性擬合。見圖7。

由圖7可以看出，當(dāng)RH≥80%大多數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布在下方(V<1000m)；而RH<40%時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布相對(duì)均勻，說(shuō)明隨著相對(duì)濕度增加，平均能見度逐漸減?。涣硗猓S著相對(duì)濕度的增加，PM2.5濃度的敏感閾值減小，更易造成低能見度環(huán)境。綜上所述說(shuō)明相對(duì)濕度對(duì)能見度影響顯著，且高相對(duì)濕度明顯降低了能見度。

圖7 不同相對(duì)濕度下能見度與PM2.5濃度的關(guān)系

4.3 隧道空氣質(zhì)量與能見度相關(guān)性模型構(gòu)建

通過(guò)隧道能見度的影響因素及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，本文忽略其他氣象要素的干擾，只考慮PM2.5、PM10和相對(duì)濕度對(duì)能見度的影響，并應(yīng)用Origin軟件對(duì)能見度與PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行基于指數(shù)函數(shù)的非線性擬合，構(gòu)建了隧道空氣質(zhì)量與能見度的相關(guān)模型：

(6)

式中：V——能見度，m；

[PM2.5]——PM2.5的質(zhì)量濃度，μg/m3；

a，b，c——系數(shù)。

各相對(duì)濕度區(qū)間的擬合公式系數(shù)及擬合優(yōu)度如表4所示。

表4 各相對(duì)濕度區(qū)間能見度與PM2.5濃度擬合系數(shù)及擬合優(yōu)度表

根據(jù)隧道半封閉性的結(jié)構(gòu)特征，隧道顆粒物濃度與車流量和隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等有關(guān)。因此為便于模型的推廣使用，可根據(jù)隧道內(nèi)的車流量、車型比例和通風(fēng)方式來(lái)獲取PM2.5質(zhì)量濃度，再通過(guò)隧道空氣質(zhì)量與能見度相關(guān)性模型計(jì)算出隧道能見度。

5 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方法，研究了隧道空氣質(zhì)量與能見度的相關(guān)性，取得的主要研究結(jié)論如下：

(1)闡述能見度概念，并對(duì)隧道能見度的影響因素及其影響機(jī)理進(jìn)行分析，明確了影響隧道能見度的主要因子包括：細(xì)粒子(PM2.5、PM10)和相對(duì)濕度。

(2)制定了可行的室內(nèi)試驗(yàn)方案，并對(duì)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，明確選擇PM2.5的數(shù)據(jù)與能見度建立基于指數(shù)函數(shù)關(guān)系的回歸模型，具有更好的相關(guān)性。并發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度對(duì)能見度影響顯著，高相對(duì)濕度將明顯降低能見度。

(3)構(gòu)建了隧道空氣質(zhì)量與能見度相關(guān)性模型，即PM2.5、相對(duì)濕度與能見度的相關(guān)性模型。