基于城市地下道路污染物排放特性的交通特征調(diào)研

李 瓊， 陳 超， 李俊梅， 潘 嵩， 李 雁，任明亮， 鄧奕雯， 嚴(yán) 樂

（1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 101601；3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院 第五設(shè)計(jì)所，北京 100082）

交通流量大的城市地下道路在運(yùn)營過程中，隧道內(nèi)的污染物濃度有效控制問題直接影響它的安全與高效運(yùn)行，隧道內(nèi)污染物主要來自機(jī)動(dòng)車的排放物.當(dāng)前，我國機(jī)動(dòng)車保有量高速增長，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010年汽車產(chǎn)銷量雙雙突破1 800萬輛，我國已成為世界汽車產(chǎn)銷量第一大國.機(jī)動(dòng)車污染物排放帶來了嚴(yán)重的大氣污染問題.然而，縱觀國內(nèi)外研究成果，城市地下道路污染物排放與控制問題的相關(guān)研究并不多見.我國還沒有一個(gè)相應(yīng)完善的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范，目前只能參照以山嶺隧道為主要對象來編制的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1—1999》［1］.但是，城市地下道路有許多不同于山嶺隧道的特點(diǎn)，如交通流量大、車型比例復(fù)雜、車行速度低及道路狀況復(fù)雜等.機(jī)動(dòng)車污染物排放量不能簡單照搬已有的公路設(shè)計(jì)規(guī)范，有必要對其進(jìn)行研究.因此，作者針對城市地下道路交通特征和污染物排放進(jìn)行了大量調(diào)查，重點(diǎn)分析交通特征對污染物排放因子的影響.

1 研究背景與現(xiàn)狀分析

1.1 城市地下道路建設(shè)與發(fā)展?fàn)顩r

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，為完善城市道路路網(wǎng)、緩解城區(qū)道路的交通擁堵，國內(nèi)各城市地下道路建設(shè)正在迅速發(fā)展.我國修建地下道路最多的城市為上海，到目前已建成及在建的多達(dá)16條.此外，北京、南京、杭州、武漢、寧波、南寧等城市均有已建成或在建的地下道路.地下道路工程絕大部分位于市中心區(qū)域，路線以穿越江河打通阻隔的形式為主，或穿越大量既有地下建筑物和構(gòu)筑物.在城市中心區(qū)建設(shè)大規(guī)模的地下道路系統(tǒng)目前只是在工程規(guī)劃層面進(jìn)行了相關(guān)研究，關(guān)于城市地下道路環(huán)境控制方面的基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行管理方面的研究都非常缺乏.

1.2 城市地下道路污染物排放現(xiàn)狀

地下道路內(nèi)空氣污染物主要來自隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車的排放，地下道路中運(yùn)行車輛所排放的氣體中，含有大量的一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）等對人體有害的成分.當(dāng)?shù)叵碌缆穬?nèi)車輛不斷來往時(shí)，如果不及時(shí)通風(fēng)，所排尾氣就會(huì)污染整個(gè)隧道.其中，機(jī)動(dòng)車排放顆粒物煙霧會(huì)影響行車的可見度.當(dāng)隧道內(nèi)污染物濃度超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不但會(huì)影響隧道內(nèi)的空氣品質(zhì)，還會(huì)影響行車的安全性.據(jù)清華大學(xué)測算，2010年底北京空氣中的一氧化碳85.9%來自于機(jī)動(dòng)車尾氣，空氣中的氮氧化合物則有56.9%來自機(jī)動(dòng)車尾氣，機(jī)動(dòng)車排放污染物已經(jīng)成為城市大氣污染的主要來源.

國外隧道污染物排放研究從20世紀(jì)中后期開始.美國、加拿大、日本、前蘇聯(lián)以及法國等國家相繼對隧道空氣污染等方面開展了大量研究，研究方向主要集中在有害物質(zhì)的濃度和范圍、隧道內(nèi)空氣污染的影響因素、有害氣體對人體健康的影響以及改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量的措施等［2－3］.我國對隧道環(huán)境中有害氣體污染方面的研究始于20世紀(jì)60年代，研究對象主要是公路隧道和越江隧道，其內(nèi)污染物主要包括CO、NOx和PM.CO排放方面的研究較為成熟，目前長安大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等研究主要集中在污染物對能見度的影響、細(xì)顆粒物及超細(xì)顆粒物排放特性等.

1.3 城市地下道路交通特征與污染物排放特性的關(guān)系

城市地下道路污染物排放特性不但涉及事物的數(shù)量大，且類型眾多，關(guān)系復(fù)雜，特別是交通特征與一般的公路隧道有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)為：

a.機(jī)動(dòng)車車型以汽油車為主，不同城市汽油車和柴油車車型比例不同；另外，不同城市機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行年份不同，且不同排放標(biāo)準(zhǔn)車型對城市大氣環(huán)境的污染程度不同.

b.交通流量大、行車速度多低于設(shè)計(jì)值，上下班高峰時(shí)段，更是容易發(fā)生堵塞情況.

c.為解決交通斷頭路，常需在地下、出入口設(shè)置匝道或連接立交橋.

d.同時(shí)，由于城市地下道路穿越城區(qū)，可能有多個(gè)低點(diǎn)，所以岔道、彎道、坡道多，出入口復(fù)雜，行車線型復(fù)雜.

綜上所述，城市地下道路交通特征主要體現(xiàn)在交通組成、交通狀況和道路狀況3個(gè)方面.交通組成取決于機(jī)動(dòng)車保有量和車型結(jié)構(gòu)比例；交通狀況表現(xiàn)為交通流量和行車速度的大小；道路狀況重點(diǎn)關(guān)注隧道坡度和長度.

在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同城市交通特征，對城市地下道路污染物綜合排放因子進(jìn)行計(jì)算.機(jī)動(dòng)車綜合排放因子是指交通流中單位機(jī)動(dòng)車在單位里程內(nèi)污染物的平均排放量，它能綜合地評價(jià)交通流中單位機(jī)動(dòng)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.

不同城市地下道路內(nèi)實(shí)際交通組成、交通狀況、排放因子和城市隧道模型等因素決定了城市地下道路內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染物排放系統(tǒng)的復(fù)雜性.各種因素之間的關(guān)系如圖1所示.由圖1可知交通組成、交通狀況、排放因子和隧道模型綜合在一起影響污染物排放量.如果要確定城市隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染物排放特性和污染物排放量，必須先對不同城市隧道的實(shí)際交通狀況進(jìn)行調(diào)查，進(jìn)而從污染物排放特性方面推薦城市隧道適合通行的機(jī)動(dòng)車種類.

圖1 城市地下道路交通特征與污染物排放特性關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of the urban underground road traffic and emission characteristics

2 城市地下道路與公路隧道機(jī)動(dòng)車污染物排放特性比較

城市地下道路與公路隧道在車型結(jié)構(gòu)比例、機(jī)動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行狀況等方面存在很大差異，這使得城市地下道路內(nèi)機(jī)動(dòng)車實(shí)際排放特性及污染物的擴(kuò)散規(guī)律等方面與公路隧道存在顯著差別.這些交通特征使得城市地下道路的空氣環(huán)境控制無法簡單地沿用或照搬已有的公路隧道的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn).

2.1 公路隧道污染物排放特性

公路隧道污染物排放量與機(jī)動(dòng)車車型、排放標(biāo)準(zhǔn)、污染物基準(zhǔn)排放量以及設(shè)計(jì)交通流量有關(guān).《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1－1999》［1］給出的CO排放量和煙霧排放量計(jì)算公式主要依據(jù)公路隧道特點(diǎn)和影響因素，其中CO排放量計(jì)算公式如下

式中，Qco為機(jī)動(dòng)車基準(zhǔn)排放量，單位為 m3／（輛·km）；Nm為機(jī)動(dòng)車設(shè)計(jì)交通量，單位為輛／h；fa為車況系數(shù)；fd為車密度系數(shù)；fh為海拔高度系數(shù)；fiv為車輛縱坡－車速系數(shù)；fm為車型系數(shù)；L為隧道長度；n為車型類別數(shù).

我國公路隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)限定了CO濃度和煙霧消光系數(shù)，公路隧道多為城市遠(yuǎn)郊或山嶺隧道，機(jī)動(dòng)車排放的污染物直接被大氣稀釋，對大氣環(huán)境的影響不顯著.所以，公路隧道污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)較為寬松.

2.2 城市地下道路與公路隧道污染物排放特性的區(qū)別

不同燃料類型和不同排放標(biāo)準(zhǔn)車型，機(jī)動(dòng)車排放因子差別較大，這使得不同城市的交通組成對機(jī)動(dòng)車污染物排放量影響很大.城市地下道路與公路隧道污染物排放特性的區(qū)別主要集中在以下幾個(gè)方面：

a.公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中僅僅用車型系數(shù)fm來反映交通組成的區(qū)別，不能全面表達(dá)城市隧道交通系統(tǒng)的復(fù)雜性.城市隧道通常比一般公路隧道交通量大，行車堵塞概率也大，并且存在每日的交通高峰和低谷期，直接影響隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理.

b.城市地下道路一般為一級道路，且位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，車況系數(shù)fa和海拔高度系數(shù)fh均取值為1，所以可以忽略車況系數(shù)fa和海拔高度系數(shù)fh對污染物排放的影響.依據(jù)城市地下道路特點(diǎn)主要考慮隧道坡度和長度對污染物排放的影響.

c.公路隧道與城市地下道路污染物限制濃度不同.公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中污染物基準(zhǔn)排放量取常數(shù)逐年遞減不合理.相對于外界大氣環(huán)境，城市地下道路污染物通過通風(fēng)稀釋，機(jī)動(dòng)車污染物直接排放到城區(qū)環(huán)境.在文獻(xiàn)［1］中，我國CO的基準(zhǔn)排放量取值0.01m3／輛·km偏高，城市地下道路污染物濃度控制將更加嚴(yán)格.

因此，不同城市實(shí)際道路交通特征直接影響污染物排放特性.對于城市地下道路，需結(jié)合城市交通特征進(jìn)行污染物排放量計(jì)算.

3 不同城市實(shí)際交通特征調(diào)研

通過文獻(xiàn)資料查閱、現(xiàn)場調(diào)查、部門走訪等方式，統(tǒng)計(jì)出不同城市交通組成，并收集了不同城市道路實(shí)際交通狀況等大量數(shù)據(jù).以北京、上海作為一類代表城市，武漢、南京、廣州作為二類代表城市，對其實(shí)際道路和隧道交通特征進(jìn)行分析.

3.1 不同城市交通組成

3.1.1 車型比例、車型分類

不同城市機(jī)動(dòng)車每年保有量不同，車型比例也有較大區(qū)別，車型比例可以根據(jù)各個(gè)城市交通發(fā)展年報(bào)統(tǒng)計(jì)調(diào)查得到.2010年不同城市機(jī)動(dòng)車車型比例調(diào)查結(jié)果如表1所示.這些數(shù)據(jù)將進(jìn)一步幫助區(qū)分不同車型污染物的不同排放量.

從防火安全方面考慮，國內(nèi)外現(xiàn)有隧道內(nèi)允許通行的機(jī)動(dòng)車種類中熱釋放率超過30MW的重型貨車一般不允許通行［4］，從污染物控制方面來看目前還沒有這方面的規(guī)定.下面將對現(xiàn)有城市地下道路允許通行的車輛種類作進(jìn)一步調(diào)查研究.

表1 不同城市機(jī)動(dòng)車車型比例（2010年）Tab.1 The proportion of motor vehicle models in different cities（2010） %

3.1.2 按照燃料類型劃分機(jī)動(dòng)車組成

一、二類代表城市重點(diǎn)關(guān)注汽車保有量，按照燃料類型，汽車可以分為汽油車、柴油車和燃?xì)廛嚕鞘械叵碌缆分饕云蛙嚭筒裼蛙嚍橹?汽油車包括小型載客汽車、轎車和摩托車，柴油車包括中大型載客汽車和載貨汽車.根據(jù)不同城市機(jī)動(dòng)車車型比例以及汽油車和柴油車的分類，不同城市按照燃料類型劃分的汽車的比例結(jié)構(gòu)如表2所示.除北京、廣州以外，不同城市汽油車、柴油車總比例變化不大，與全國平均水平相當(dāng).

表2 不同城市按照燃料類型劃分的機(jī)動(dòng)車比例Tab.2 The proportion of fuel type vehicle in different cities %

3.1.3 按照排放標(biāo)準(zhǔn)劃分機(jī)動(dòng)車組成

我國機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)與歐洲機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)歐1～5基本一致，只是每種標(biāo)準(zhǔn)起始年代不同.從2000年以來我國開始實(shí)施國Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)，通過10年的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了從國Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)到國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的升級.不同城市執(zhí)行各級排放標(biāo)準(zhǔn)的起始年代不同（如表3所示），不同排放標(biāo)準(zhǔn)的車型比例對污染物排放量的影響較大.2009年廣州市國Ⅰ前、國Ⅰ、國Ⅱ和國Ⅲ排放控制水平的輕型汽油車（不包括摩托車）比例分別為6.2%，29.9%，12.5% 和51.3%［5］.其它不同城市按照排放標(biāo)準(zhǔn)劃分的車型比例數(shù)據(jù)目前正在調(diào)研中，需要根據(jù)不同城市機(jī)動(dòng)車登記年份分布和老舊機(jī)動(dòng)車淘汰狀況統(tǒng)計(jì).近年來，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格執(zhí)行，污染物排放量大幅度消減.

表3 機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施年份Tab.3 Motor vehicle emission standards for the implementation of year

3.2 不同城市實(shí)際隧道交通狀況

與郊外隧道交通流量不同，一般城市隧道的交通流量N（輛／h）較大，城市隧道從運(yùn)營開始，很快就能達(dá)到其設(shè)計(jì)交通流量.不同城市由于機(jī)動(dòng)車保有量和道路狀況的不同，交通流量區(qū)別較大.北京市路面交通流量53 514輛／h，平均速度26.5km／h［6］.其它城市隧道實(shí)際交通流量和平均速度如表4所示.在車速60km／h時(shí)，理論推薦通行能力為2 050輛／h［7］.城市地下道路實(shí)際交通流量一般在隧道開始運(yùn)營就能達(dá)到隧道設(shè)計(jì)通行能力.城市地下車道內(nèi)實(shí)際行車速度通常較慢，建議取20km／h時(shí)進(jìn)行污染物排放特性分析［8］.

3.3 交通特征對污染物排放因子的影響

基于世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2004年報(bào)告［11］中排放因子數(shù)據(jù)，在水平道路（坡度為0）條件下，以CO為例，分析不同車速v對汽油車和柴油車污染物排放因子EFCO的影響.

由圖2可知，歐1～4標(biāo)準(zhǔn)與前歐洲標(biāo)準(zhǔn)相比，CO排放因子大幅度減小.但是，歐1～4標(biāo)準(zhǔn)中CO排放因子減幅變緩.歐1～4排放標(biāo)準(zhǔn)中，汽油車CO排放因子范圍在4～63g／h，平均為34.2g／h.柴油車CO排 放 因 子 范 圍 在 8.5～117.8g／h，平 均 為37.0g／h.汽油車在車速20～60km／h范圍內(nèi)CO排放因子相對較小，柴油車隨車速增加，CO排放因子有增大趨勢.城市地下道路污染物排放濃度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)不同城市的具體交通特征和排放因子而定.

圖2 車速對CO排放因子的影響Fig.2 The impact of speed on the CO emission factor

交通特征和污染物排放特性的調(diào)查研究是開展城市地下道路空氣環(huán)境控制的第一步，它將為進(jìn)一步確定污染物排放量提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為選擇通風(fēng)方案提供依據(jù)，為城市隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營奠定基礎(chǔ).

4 結(jié) 論

a.城市地下道路交通不同于一般公路隧道的主要特征是：汽油車比例大、交通流量大、車行速度低、道路狀況復(fù)雜、受隧道坡度和長度影響大.

b.以北京、上海作為一類代表城市，武漢、南京、廣州作為二類代表城市，通過調(diào)查研究，得到大部分城市汽油車比例占70%以上；大部分代表城市實(shí)施排放標(biāo)準(zhǔn)年份超前于全國水平；城市隧道實(shí)際交通流量從運(yùn)營開始，很快就能達(dá)到其設(shè)計(jì)交通流量；平均車速實(shí)際低于設(shè)計(jì)車速60km／h.

c.歐1～4標(biāo)準(zhǔn)與前歐洲標(biāo)準(zhǔn)相比，CO排放因子大幅度減小，但是，歐1～4標(biāo)準(zhǔn)中CO排放因子減幅變緩.一般汽油車在車速20～60km／h范圍內(nèi)CO排放因子相對較小，柴油車隨車速增加，CO排放因子有增大趨勢.城市地下道路污染物排放因子控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)不同城市的具體交通特征而定.

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