隧道內(nèi)不同行駛工況下CO濃度分布及預測模式研究

戚月昆，林楚娟，，莊毅璇

(1.重慶市環(huán)境保護工程設計研究院有限公司，重慶 401100;2.深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術股份有限公司，深圳 518055)

隨著城市交通量的不斷增長，建設隧道已經(jīng)不僅是穿山過海的需要，而且已成為緩解城市交通的一種手段［1］，不僅隧道數(shù)量不斷增加，隧道長度也是越來越長，隧道營運通風越來越成為公路建設者所關心的問題［2］，隧道通風目的就是使車輛排放的污染物及時地運移出隧道使得隧道內(nèi)的污染物濃度不超標，從而保證穿越隧道車輛駕駛人員的正常行駛。鑒于我國現(xiàn)在還沒有專門用來指導城市地下道路通風設計的標準，目前所修建城市地下道路基本采用野外隧道通風設計思路［3］，隨著城市地下隧道的不斷涌現(xiàn)，有必要對隧道內(nèi)的污染物濃度分布及源強進行研究，為城市地下隧道的通風設計提供借鑒。杜峰等［4］認為對隧道污染物的分布尤其是CO的分布情況進行實際測量對隧道通風防排煙的設計具有一定的指導意義，而對于尚處于規(guī)劃階段的隧道來說，只能通過預測其污染物濃度及源強來指導其通風設計。

1 隧道基本情況

深圳市福龍路橫龍山隧道于2007年貫通，是深圳市“一橫八縱”交通路網(wǎng)之一，南北向分布，左線南行隧道全長2330 m，北行隧道全長2275 m，最大跨度29.17 m，凈空8 m，雙洞三車道，單向行車。在兩條主隧道上各開了一條匝道隧道，形成左線、右線各一個“Y”型喇叭口。隧道采用全射流縱向通風，主通風方向與行車方向一致，左線設置6組18臺風機，右線設置8組24臺風機，匝道出入口各設置1組3臺風機。圖1為隧道平面布置情況示意圖。

圖1 隧道內(nèi)平面布置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the tunnel layout

2 隧道內(nèi)CO濃度監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

由于南行和北行隧道設計車流量及結構相同，隨機選取左線隧道作為研究對象，在隧道內(nèi)設置3個監(jiān)測點，S1位于隧道主入口內(nèi)側370 m處 (主要是由于匝道口距離隧道主入口270 m，為了避開車流量及匝道入口處氣流的影響，選取內(nèi)側370 m作為隧道入口監(jiān)測點)，S2位于隧道中部 (距入口1470 m)，S3位于隧道內(nèi)距出口10 m處。具體測點位置見圖1的S1、S2和S3。測點距隧道內(nèi)地面高度為1.0 m，測量的污染物為CO。選擇無雨日監(jiān)測5天，測量時間為每天的7:00～8:00(第一天8:00～9:00測試時堵車，因此改為7:00～8:00)、2:00 ～3:00、14:00 ～ 15:00、20:00～21:00。監(jiān)測時的隧道通風量由隧道管理部門提供，監(jiān)測結果同時記錄采樣日期、采樣時間、采樣時段內(nèi)的分車型 (小型車、中型車、大型車)車流量、隧道內(nèi)風速及車行狀況。

2.2 分析儀器方法

分析儀器為紅外氣體分析儀，采用非分散紅外法對樣品進行分析，儀器檢出限為0.3 mg/m3。

2.3 監(jiān)測結果

監(jiān)測結果見表1。

表1 隧道內(nèi)CO濃度監(jiān)測結果Tab.1 Monitoring results of CO concentration inside the tunnel

續(xù)表1

由監(jiān)測結果可看出，隧道內(nèi)CO的濃度從進口到出口逐漸增加，堵車時隧道內(nèi)CO濃度顯著升高，是正常行駛時的2倍以上，緩行時隧道內(nèi)CO濃度較正常情況略有升高。

3 隧道內(nèi)CO濃度預測

3.1 預測模式

在公路上行駛的機動車排出的空氣污染物的擴散主要受到環(huán)境風的平流和大氣湍流擴散的影響［5］，機動車排人隧道內(nèi)的污染物會在隧道的橫截面上快速擴散［6］，因此可以認為污染物在這兩個方向上濃勻，即污染物濃度和y及z軸坐標無關，只是時間t和隧道縱向位置x的函數(shù)［7］，根據(jù)蒿鳳延［8］的研究成果，取隧道口平行氣流方向為x軸向，氣體進入隧道的入口為x軸的起點，z軸向上與x軸垂直，在不考慮空氣污染物的沉積作用的情況下，縱向通風隧道空氣質量模式的解析解為:

式中:ci(x)為x處的i污染物濃度，mg/m3;

qi為在隧道內(nèi)單位體積機動車i污染物排放源強，mg/(m3·s);

ci0為x=0處i污染物濃度，mg/m3;

u0為隧道內(nèi)的自然風速(包括進入隧道車流引起的活塞風效應)。

本文中C0取表1中S1的平均值，u0取監(jiān)測時隧道內(nèi)風速的平均值。

qi的計算公式如下:

式中:S為隧道橫截面積，m2;

Kij為j類型機動車排放i污染物單車排放因子，mg/m·veh，j=1，2，3分別表示輕型車、中型車和重型車;

λij(v)為j類單車i污染物排放因子的車速系數(shù);

Aij為j類型機動車的交通量，vehs/h。

本文中Kij采用環(huán)保部機動車排污監(jiān)控中心關于在用車綜合排放因子的研究成果中第3階段汽車尾氣排放標準，見表2，車速系數(shù)正常情況下取1，堵車和緩行情況下車速系數(shù)根據(jù)已有隧道監(jiān)測結果獲得，具體方法為各類型車在各工況下與正常行駛工況下濃度的比值及車流量的反比的乘積，具體數(shù)值見表3，Aij取表1中的平均值。

表2 機動車尾氣中CO排放因子KijTab.2 Motor vehicle exhaust CO emission factor Kij

表3 機動車不同行駛工況下的車速系數(shù)λij(v)Tab.3 Motor vehicle speed coefficient of different driving cycles λij(v)

3.2 預測結果

預測結果見表4及圖2～圖4。

表4 隧道內(nèi)CO濃度預測結果Tab.4 Forecasted results of CO concentration inside the tunnel

由預測結果可知，堵車及緩行情況下，隧道中部CO預測濃度值偏高，正常行駛情況下隧道中部CO預測濃度值偏低，各種工況下隧道出口CO預測濃度值均偏低。誤差范圍在20%以內(nèi)。由于隧道內(nèi)車流行駛及氣流情況復雜，各斷面CO濃度及洞內(nèi)風速均在不穩(wěn)定，文章中用各斷面平均風速來進行計算是導致誤差產(chǎn)生的主要原因。

4 結論

4.1 隧道內(nèi)CO濃度分布情況。在堵車、緩行及正常情況下，縱向射流通風隧道內(nèi)的CO濃度從進口到出口呈逐漸增加的趨勢。

4.2 隧道內(nèi)CO濃度預測模式。單車排放因子選取環(huán)保部機動車排污監(jiān)控中心關于在用車綜合排放因子的研究成果中第3階段汽車尾氣排放標準，車速系數(shù)用實測相關數(shù)據(jù)進行計算，預測模式選用一維縱向空氣質量擴散方程是合適的。

4.3 隧道進口處CO濃度的確定。本文預測選用的是隧道進口濃度為既有隧道口的實測濃度，對于尚未建設的隧道內(nèi)CO濃度預測，其隧道進口處濃度的確定方法需要進一步研究。

4.4 不同行駛工況下的CO濃度比較。在堵車、緩行及正常行駛情況下，堵車時隧道內(nèi)CO濃度最高，正常行駛時的濃度最低，因此，做好交通管理與交通疏導，保證隧道內(nèi)交通通暢可減少CO的排放，改善隧道內(nèi)的環(huán)境。

4.5 不足之處。本研究堵車情況只有一組數(shù)據(jù)，因此堵車時的CO濃度分布有待于進一步研究。

［1］王 軍，張 旭，張榮鵬.城市長大隧道集中排放的環(huán)境影響分析［J］. 地下空間與工程學報，2009，5(1):196-200.

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