長大公路隧道污染物濃度分布模型研究

樓輝波 林 亨 林魯斌 張曹杰

(1.奉化市交通投資公司，浙江奉化 315500;2.寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波 315211)

0 引言

公路隧道是交通運輸線路上一個相對封閉的特殊路段，尤其對于長大隧道(長度大于1 km)而言，汽車在隧道內(nèi)行駛時排出的汽車尾氣會妨礙車輛的安全行駛，危害駕駛員的身體健康，因此需要增加通風(fēng)設(shè)備對長大隧道進(jìn)行通風(fēng)。

隧道通風(fēng)控制是通過對隧道內(nèi)的有害氣體和污染物質(zhì)濃度進(jìn)行稀釋，使隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。對長大隧道而言，通常采用前饋式通風(fēng)系統(tǒng)，所謂前饋式控制是基于前時段進(jìn)入隧道的檢測的交通量，結(jié)合一定的計算方法，預(yù)測下一時段的交通量，進(jìn)而獲得下一個時刻VI和CO濃度增量，結(jié)合下一時刻的實測濃度檢測量和控制標(biāo)準(zhǔn)，通過計算獲得下一時刻風(fēng)機開啟的增減量［1，2］。因此，掌握隧道內(nèi)的有害氣體和污染物的產(chǎn)生、分布、運移規(guī)律成為長大隧道前饋式通風(fēng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

車輛產(chǎn)生的污染物主要包括:發(fā)動機排放的煙霧(VI)，CO以及行駛過程中揚起的塵埃等，目前在通風(fēng)計算中主要考慮的是CO，VI濃度［2］。車輛在穿越隧道行駛過程中排放的污染物首先與隧道內(nèi)的空氣相混合，然后在隧道內(nèi)不斷擴(kuò)散移動或衰減轉(zhuǎn)化。然而，作為一種流體污染物在隧道風(fēng)流中的擴(kuò)散十分復(fù)雜，它不僅取決于污染物和空氣的物理力學(xué)性質(zhì)，而且還與隧道內(nèi)的風(fēng)速、交通量、車速等因素密切相關(guān)［3-7］。

于是，本文在污染物一維擴(kuò)散方程的基礎(chǔ)上，提出污染物擴(kuò)散模型的簡化形式，建立長大公路隧道污染物濃度線性分布模型，并通過實測數(shù)據(jù)驗證了該模型的可行性。

1 污染物擴(kuò)散模型的簡化

基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交通流預(yù)測值為控制周期內(nèi)的平均值(在控制周期內(nèi)污染源為常量，與位置和時間無關(guān))，故在污染物擴(kuò)散模型中也假定一個控制周期內(nèi)的污染物濃度不隨時間變化。在一維情況下通用的污染物擴(kuò)散方程如下［8］:

其中，c為污染物的質(zhì)量濃度，kg/m3;g為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;q為污染物產(chǎn)生率，kg/(m3·s);v為隧道內(nèi)的風(fēng)速，m/s;qf為由于風(fēng)機引起的污染物運移率，kg/(m3·s)。

假定在風(fēng)機的一個控制周期內(nèi)污染物濃度分布不隨時間改變，并忽略風(fēng)機對污染物的影響，于是有:

于是式(1)可簡化為:

通常情況下污染物擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于風(fēng)速，于是有:

在隧道入口處的污染物濃度一般與外界空氣一致，即:

于是式(4)可轉(zhuǎn)化為:

2 算例

寧波奉化某隧道長3.27 km，選用一體式的AQM型CO/VI檢測器4套(沿縱向隧道布置見圖1)，它能自動檢測隧道內(nèi)的CO濃度值及煙霧透過率。該CO/VI測量儀由發(fā)射/接收頭和反射頭組成，通過測量特定紅外波和光波的衰減分別測量CO濃度和能見度值。在默認(rèn)情況下，CO檢測器的測量范圍為0 ppm～300 ppm，精度為±1 ppm，VI檢測器的測量范圍為0 m－1～0.015 m－1，精度為±0.000 2 m－1。隧道內(nèi)CO/VI檢測器布置見圖1，CO/VI檢測器布設(shè)在行車方向右側(cè)壁人行道上方3.5 m處，檢測頭收、發(fā)之間的間距為10 m。采用CODEL公司的AFM型風(fēng)速測試儀(共4臺)，它采用超聲波技術(shù)來測量空氣流速，測量范圍為－20 m/s～+20 m/s，精度為±0.1 m/s。該設(shè)備也安裝于隧道側(cè)壁上，并具有防水、防潮、防塵功能。

圖1 檢測儀器安裝位置示意圖（單位：mm）

圖2 隧道各典型斷面CO濃度（工況1）

現(xiàn)采用本文污染物濃度計算模型對各監(jiān)測斷面(Ⅰ～Ⅳ)的CO濃度進(jìn)行預(yù)測，計算參數(shù)和計算結(jié)果見圖2，圖3。

由圖2，圖3可知:

1)實測污染物濃度(CO)在隧道入口處較小，隨著進(jìn)入隧道距離的增加，污染物濃度逐漸增大;

2)本文污染物簡化模型的預(yù)測值與實際值比較接近，最大相對誤差為15.54%，計算精度基本滿足工程需要。

圖3 隧道各典型斷面CO濃度（工況2）

3 結(jié)語

作為前饋式隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，公路隧道污染物(CO和VI)濃度的大小及分布形式的準(zhǔn)確預(yù)測在實際工程中至關(guān)重要。本文對污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行了簡化，提出了長大公路隧道污染物濃度的線性預(yù)測模型，結(jié)合實測結(jié)果對線性預(yù)測模型進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明污染物濃度線性模型對污染濃度的分布形式預(yù)測結(jié)果與實際一致，且計算精度基本滿足工程需要。

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