鄭詩霖，李 瓊，陳 緯，薛宏旺

(華北科技學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

根據(jù)《2021年移動源環(huán)境管理年報》[1]顯示，2020年全國機動車保有量達到3.74億輛，北京作為特大城市的代表，機動車保有量超過600萬輛。城市隧道以輕型汽油車為主，排放主要污染物為CO和NOx，2012年前隧道通風工程設計只對CO需風量進行控制，隨著世界各國對空氣環(huán)境問題的日益重視和關注，世界道路協(xié)會(PIARC)2012年報告開始將隧道內(nèi)NO2(根據(jù)隧道內(nèi)NO濃度值換算后的NO2濃度值)短時間內(nèi)的平均濃度1.0 ppm納入設計標準[2]。

目前我國對隧道需風量計算有了比較系統(tǒng)的研究，對NOx排放的重要程度也有了逐步的認識。向操[3]根據(jù)PIARC計算某隧道中NO2的設計風量并不明顯小于設計風量。鄧奕雯等[4]對上海市延安東路隧道進行實測確定CO、NOx的綜合排放因子遠小于公路隧道相關規(guī)范，得出確定隧道中污染物排放因子，要考慮隧道的結構、交通特征。張夢琪等[5]以某隧道為例，預測三個特征年隧道CO需風量，得出洞口的CO濃度變化會影響后續(xù)計算。王東偉[6]在對南昌紅谷隧道通風計算NOx相較于CO來說空氣限值更容易超標成為通風計算的控制因素。李瓊等[7]在對長沙市營盤路隧道實測計算模型推演中表明，機動車的污染物排放因子為動態(tài)參數(shù)直接影響到污染物濃度的計算。蔡果等[8]在對長沙交通安全研究中表明建設城市地下道路保證城鎮(zhèn)隧道內(nèi)的空氣質量也可大大減少交通事故。

為此，本文以北京運通隧道為研究對象，基于預測交通量和排放因子動態(tài)更新；分析城市隧道CO、NOx排放特性；依據(jù)運通隧道機動車排放污染物濃度擴散計算模型，預測2021年、2030年和2040年近期、中期、遠期隧道內(nèi)污染物排放源強和濃度分布，獲得設計需風量計算方法，為長直城市隧道智能化通風節(jié)能控制和環(huán)境評價提供數(shù)據(jù)支撐。

1 隧道概況

北京運通隧道位于北京市副中心，2021年1月正式通車。 隧道全線下穿，設計速度為80 km/h，車道為雙向六條車道，外側車道為大容量公交專用道。隧道封閉段長度為6310 m，隧道橫斷面積為82.3 m2，隧道高度為6.8 m，隧道寬度12.25 m，路面最大路段坡度為+3.5%，最長路段為993 m，坡度為+0.17%。

2021年7月，研究團隊對運通隧道開展實測，實測內(nèi)容包括：交通流量、交通風速、隧道內(nèi)CO濃度、車型比例，由于測試時間處于隧道試運營時期，數(shù)據(jù)完整性欠缺僅作為參考，后期會對實測數(shù)據(jù)進行補充。實測測得，平均交通流量為850輛/h，平均CO濃度為5.8 ppm。

根據(jù)交通部門計算預測近、中、遠期交通流量分別為1600、2098、2940輛/h。由于該隧道位于城市中心區(qū)域，隧道通風系統(tǒng)未采用豎井高空稀釋排放污染物，隧道出口周圍環(huán)境要求污染物排放限值滿足無組織排放要求[9]。

2 機動車排放特性

單車排放因子是指交通流中單位機動車在單位里程內(nèi)污染物的平均排放量，它能綜合地評價交通流中單位機動車的排放狀況，更加直觀地分析交通特征對污染物排放特性的影響，對隧道內(nèi)污染物排放量、需風量等計算起決定性作用。

2.1 機動車排放標準更新

我國機動車排放標準與歐洲機動車排放標準基本一致，只是每種標準起始年代不同。自2000年我國全面實施了國Ⅰ標準，通過10年的時間，我們實現(xiàn)了從國Ⅰ標準到國Ⅳ標準的升級，北京作為率先完成碳達峰的城市，在2020年1月起注冊機動車實施國Ⅵ標準，同年7月在全國范圍內(nèi)實施。目前我國排放限值已與歐洲相一致。隨著排放標準的嚴格執(zhí)行，污染物排放量大幅度消減。北京市實施了進一步促進高排放老舊車淘汰更新方案(2020-2021年)，目前北京市國Ⅴ標準以上車輛占比達70%。

根據(jù)《2019年移動源環(huán)境管理年報》和PIRAC2019報告[10]，可以將我國不同排放標準機動車比例與世界道路協(xié)會PIRAC 2019報告中的數(shù)據(jù)進行對比，如圖1所示。圖1表明，PIRAC 2019報告中歐Ⅳ標準以上的車輛占90.9%，中國國Ⅳ以上車輛比例73.4%。北京機動車排放標準2008年開始執(zhí)行國Ⅳ標準，比全國早4年。依據(jù)小汽車使用年限10～15年推算，本研究預測隧道內(nèi)污染物排放量計算時，預測近期機動車主要車型為國Ⅳ；預測中期機動車主要車型為國Ⅴ；預測遠期機動車主要車型為國Ⅵ。

圖1 不同排放標準比例對比

2.2 單車排放因子與車速、坡度關系

世界道路協(xié)會PIARC2019報告[9]針對不同機動車給出了不同排放標準、不同坡度、不同車速下的機動車一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)基準排放因子。根據(jù)PIARC2019報告中汽油車歐4、5、6排放因子，預測近期、中期和遠期CO、NOx排放因子與車速、坡度的關系，如圖2所示。相同車速條件下，坡度越大單車排放因子越高，相同坡度條件下，車速越高單車排放因子越大；遠期情況下，CO、NOx排放因子都明顯降低，遠期NOx排放因子平均降低約為近期的1/3， NOx平均排放因子從2.6 g/h降為1.0 g/h。

圖2 近中遠期單車排放因子與車速、坡度關系

3 計算方法

3.1 隧道內(nèi)污染物濃度

機動車流排放的污染物主要受主隧道空氣交通風速的影響，沿機動車行駛方向在隧道內(nèi)進行對流傳質，主隧道x方向處污染物濃度由式(1)進行計算。

(1)

式中，C(x)為主隧道x方向處污染物濃度，mg·m-3；A為地下道路斷面面積，m2；N為機動車交通量，veh/h；qex(v,i)為A類區(qū)域小型車CO、NOx的單車排放因子與車速和道路坡度相關；v為機動車車速；Cinr為匝道入口污染物濃度，mg·m-3；x為距洞口距離，m；Vr為隧道內(nèi)平均交通風速，m·s-1。

其中，交通風速Vr根據(jù)文獻[4]中風速模型進行求解，它與隧道結構、交通流量、平均車速等相關。小汽車排放CO、NOx污染物單車排放因子qex(v,i)根據(jù)2.2節(jié)中的圖2中的數(shù)據(jù)確定。

3.2 污染物排放量

PIARC2019版本針對機動車污染物單車排放量給出了計算公式，由于本隧道汽車類型單一，根據(jù)實際路況進行簡化得出式(2)。

Q=qex(v,i)·fh·ft·fe

(2)

式中，Q為CO、NOx的單車排放量，g/(h)；qex(v,i)為A類區(qū)域小型車CO、NOx的單車排放因子與車速和道路坡度相關，為圖2中所示的單車排放因子，g/(h)；fh為海拔修正系數(shù)，北京地區(qū)取1；ft為年度修正系數(shù)，見表1；fe為其他技術標準影響因素，針對運通隧道計算取1。

表1 小型汽車時間修正系數(shù)

3.3 需風量

根據(jù)PIARC2019報告給出計算公式進行需風量計算，由于本隧道汽車類型單一，根據(jù)實際路況進行簡化得出式(3)和式(4)。

CO需風量計算如下：

(3)

NOx需風量計算如下：

(4)

單車排放因子為隧道內(nèi)污染物濃度計算的關鍵參數(shù)，由PIARC2019報告中給出在不同車速、坡度下各排量的機動車單車排放因子，對隧道內(nèi)污染物濃度分布進行預測，再由污染物排放量公式(2)算出隧道內(nèi)機動車排放量，最后由需風量計算公式算出稀釋污染物所需需風量。

4 計算結果分析

4.1 濃度分布

根據(jù)3.1節(jié)中的公式(1)可以計算不同工況條件下的濃度分布。阻塞工況(平均車速10 km/h)計算結果如圖3和4所示。圖3為隧道內(nèi)CO在近期、中期、遠期的濃度分布情況，遠期洞口CO濃度最大。濃度累計因素三個特征年污染物濃度與距洞口距離成正比，在出口處濃度累計至最高值。機動車單車排放因子隨機動車更新降低，機動車保有量升高，隧道三個時期污染物排放總量相比沒有明顯變化。隧道內(nèi)CO濃度最高值出現(xiàn)在遠期阻塞工況，其值為7.5 mg/m3，高于文獻[9]中無組織排放CO濃度限值3 mg/m3的2.5倍。

圖3 CO濃度預測(阻塞工況)

圖4所示為NOx近期、中期、遠期三個特征年份在隧道內(nèi)阻塞工況的濃度分布情況，濃度分布趨勢大體與CO相同，區(qū)別在于NOx濃度最高值出現(xiàn)在近期阻塞工況。原因為國Ⅳ排放標準的機動車NOx排放因子高于國Ⅴ、國Ⅵ的排放因子，阻塞工況下國Ⅳ類型的機動車NOx排放因子是國Ⅵ排放因子2.5倍，其峰值為0.83 mg/m3，高于文獻[9]中無組織NOx要求的0.12 mg/m3濃度限值6.9倍。阻塞工況NOx濃度主要影響因素是污染物NOx排放量，NOx濃度控制成為需風量確定的重點。

圖4 NOx濃度預測(阻塞工況)

4.2 設計需風量

根據(jù)公式(3)和(4)分段需風量計算如圖5、圖6所示。分段計算根據(jù)每段不同的車流量、污染物濃度、坡度等來確定各段排放污染物所需風量，指導各段風機的開啟運行。

由圖5、圖6可看出，CO與NOx排放所需風量變化規(guī)律相似。三個時期隧道排放CO、NOx所需風量預測結果顯示，阻塞工況下近期所需需風量高于中期、遠期需風量。近期排放CO需風量是遠期排放CO需風量的2.1倍、近期排放NOx需風量是遠期排放NOx需風量的2.0倍。對比圖5、圖6可知，在隧道5000 m處，NOx最大需風量為近期的46755 m3/s，CO最大需風量為近期的22260 m3/s，NOx最大需風量是CO需風量的2.25倍。由圖5、圖6還可以清楚比較出無論近期、中期、遠期排放NOx所需風量高于排放CO所需風量，可見稀釋NOx需風量為今后隧道通風設計的重點。

圖5 不同排量阻塞工況CO需風量計算

圖6 不同排量阻塞工況NOx需風量計算

不同于以往機動車保有量增加設計風量要對應增加的理念，通過本次預測結果看出近期NOx的需風量為最不利工況，風機風量布置可根據(jù)近期NOx需風量進行設計。對于運通隧道而言，風機段2、3分布路線較長，因此稀釋污染物所需風量較高，在通風控制時要作為重點控制對象。

5 結論

(1) 機動車更新受排放限值減小影響下單車排放因子不斷減小，雖然機動車保有量逐年增加但將近期、中期、遠期三個特征年份的污染物排放因子相比較，遠期的排放因子顯著降低，CO平均排放因子從近期的30 g/h降到15 g/h，NOx平均排放因子2.6 g/h降低1.0 g/h，排放因子的動態(tài)更新等基礎數(shù)據(jù)直接影響‘污染物濃度預測準確性’與‘風機選型’。

(2) 對北京運通隧道近期、中期、遠期進行污染物濃度分布預測，最不利工況及阻塞工況下NOx需風量約為CO需風量的2.1倍，對于運營隧道風機開啟與未建成隧道的風機選擇應將排放NOx所需風量作為考慮重點。

(3) 隧道監(jiān)控中心對風機管控缺少明確規(guī)定，避免風機亂開造成能源浪費要通過隧道風機的合理運行。北京運通隧道在試運營階段交通流量、污染物濃度遠小于預測值與限定濃度，對風機管控可不嚴格執(zhí)行，待交通流量上漲后可結合預測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，以預測需風量為基礎數(shù)據(jù)支持對風機制定合理管控規(guī)劃，實現(xiàn)隧道節(jié)能控制。