上海越江隧道機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放特征

魏　欣，　寇英衛(wèi)，　柏育材

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

上海越江隧道機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放特征

魏欣，寇英衛(wèi)，柏育材

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

摘要:為得到真實(shí)道路交通狀態(tài)下城市越江隧道機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放的特征，選取上海市兩條典型小型車越江隧道(上中路隧道和延安東路隧道)進(jìn)行機(jī)動(dòng)車尾氣污染物(CO,NOx)、PM10濃度以及隧道內(nèi)的風(fēng)量、交通量和車速等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道風(fēng)塔和峒口污染物排放的特征進(jìn)行計(jì)算和分析。測(cè)試結(jié)果表明：上中路隧道和延安東路隧道的實(shí)測(cè)排放因子低于車流排放因子估算值，實(shí)際通過(guò)這兩條隧道的大、中型車輛的總體排放水平可能低于利用環(huán)保部所提供方法得到的估算值。

關(guān)鍵詞:尾氣污染物；排放；上海；隧道

0引言

隧道廢氣是由汽車尾氣和空氣混合而成的一種大氣污染物，隧道風(fēng)塔是用來(lái)排放隧道內(nèi)廢氣的設(shè)施，可緩解隧道廢氣從隧道洞口排放所帶來(lái)的空氣污染，目前被廣泛用于國(guó)內(nèi)外的城市隧道。但是，隧道風(fēng)塔廢氣中主要污染物的濃度高于環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且排放量較大，因此必然會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。雖然這種污染總體上被認(rèn)為范圍較小，影響程度較低，但是隧道地處城市區(qū)域，周邊相關(guān)群體對(duì)該狀況的反響往往比較強(qiáng)烈，投訴較多。

所謂隧道風(fēng)塔排放廢氣是指通過(guò)隧道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)施將隧道內(nèi)的混合氣體通過(guò)風(fēng)塔排放出來(lái)。風(fēng)塔廢氣所含的主要污染物與汽車尾氣相同，主要是CO，NOx，顆粒物及THC等。由于隧道內(nèi)的交通量、車型、通行情況、通風(fēng)工況等是不斷變化，使得隧道風(fēng)塔廢氣源強(qiáng)的不確定性較大。針對(duì)廢氣源強(qiáng)的確定問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展很多監(jiān)測(cè)研究：鄧順熙等[1]在成渝高速公路龍泉山隧道內(nèi)對(duì)進(jìn)入隧道的汽車排出污染物(CO，THC，NOx)開(kāi)展了監(jiān)測(cè)；鄧順熙等[2]在西安城市交通隧道內(nèi)設(shè)置了3個(gè)空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)通過(guò)隧道的機(jī)動(dòng)車排放的氣體形成的污染物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；胡偉等[3]在南京城市隧道開(kāi)展了機(jī)動(dòng)車PM10排放因子的監(jiān)測(cè)研究。此外，還有很多研究[4-7]通過(guò)模型和實(shí)測(cè)等方法來(lái)確定城市道路上機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放因子。風(fēng)塔廢氣排放源強(qiáng)是風(fēng)塔設(shè)計(jì)和風(fēng)塔廢氣排放環(huán)境影響評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素。2005年環(huán)保部機(jī)動(dòng)車研究中心推出了《在用車綜合排放因子》，用于估算環(huán)境影響評(píng)價(jià)中機(jī)動(dòng)車尾氣排放源強(qiáng)。該方法目前已被廣泛應(yīng)用于環(huán)評(píng)工作中，但有關(guān)其估算的風(fēng)塔廢氣源強(qiáng)與實(shí)際隧道風(fēng)塔源強(qiáng)的一致性的實(shí)證研究還比較缺乏。

對(duì)此，選擇上海典型的小型車越江隧道開(kāi)展污染物CO和NOx排放監(jiān)測(cè)。以此研究，比較道路實(shí)測(cè)源強(qiáng)與運(yùn)用環(huán)保部提供的方法估算的源強(qiáng)的一致性，為大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)的機(jī)動(dòng)車排放源強(qiáng)的確定提供依據(jù)。

1監(jiān)測(cè)方案

1.1監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

上海市目前已建成的越江隧道有13條，根據(jù)各條隧道的現(xiàn)狀流量水平和監(jiān)測(cè)條件，選擇車流量較大的延安東路隧道和上中路隧道作為研究對(duì)象。這兩條隧道都是以小型車為主，全天禁止貨車通行。此外，延安東路隧道位于市中心，由南北兩條隧道組成，每條隧道各為單向雙車道，其設(shè)計(jì)車速為40 km/h，現(xiàn)狀車流量高達(dá)9萬(wàn)veh/d，高峰小時(shí)流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量的2倍以上，晝間長(zhǎng)時(shí)間擁堵、車速緩慢，沒(méi)有顯著的交通量潮汐波動(dòng)；上中路隧道位于中心城區(qū)較南端，是中環(huán)線的越江通道，為雙層雙向8車道的城市快速路越江隧道，其設(shè)計(jì)車速為80 km/h，現(xiàn)狀車流量約為7萬(wàn)veh/d，現(xiàn)狀交通量潮汐波動(dòng)較大，可涵蓋小流量隧道的情況。

對(duì)此，選擇延安東路隧道南線(以下簡(jiǎn)稱延安東路隧道)以及上中路隧道北線下層(以下簡(jiǎn)稱上中路隧道)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，測(cè)試對(duì)象均采用射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)縱向通風(fēng)的排風(fēng)方式。

1.2監(jiān)測(cè)方案

上中路隧道的監(jiān)測(cè)于2011-11-30/2012-01-05進(jìn)行，共采集到37天的有效數(shù)據(jù)；延安東路隧道的監(jiān)測(cè)于2012-04-06/2012-05-12進(jìn)行，共獲得37天的有效檢測(cè)數(shù)據(jù)。

采用兩套42i型化學(xué)發(fā)光NO-NO2-NOx分析儀、EC9830B型CO分析儀和FH62C14β射線顆粒物連續(xù)監(jiān)測(cè)儀，在隧道風(fēng)塔的風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)和隧道出峒口處同時(shí)開(kāi)展污染物濃度監(jiān)測(cè)。污染物濃度數(shù)據(jù)采集頻率為每5 min獲取一組數(shù)據(jù)，每天24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。

采用KANOMAX多通道熱線風(fēng)速儀和Agilent風(fēng)速自動(dòng)采集器分別采集隧道內(nèi)和風(fēng)塔內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)速數(shù)據(jù)采集頻率為每2 min獲取一組數(shù)據(jù)，每天24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。每條隧道連續(xù)采集2周的風(fēng)速數(shù)據(jù)，用于檢驗(yàn)校正，隧道內(nèi)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果。風(fēng)塔內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)各采樣2次，每次采樣1 h，用于校正軸流風(fēng)機(jī)實(shí)際功率與額定功率之間的差異。

1.3監(jiān)測(cè)過(guò)程的質(zhì)量控制

表1　污染物監(jiān)測(cè)儀器平行比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

所有儀器均采用標(biāo)氣(樣)校準(zhǔn)，可滿足真實(shí)反應(yīng)污染物濃度的需求。對(duì)兩套污染物監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行平行對(duì)比試驗(yàn)，即將儀器安裝在同一采樣口，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)考察儀器間的測(cè)量平行性。經(jīng)過(guò)近2個(gè)月(2010-12-20/2011-02-14)的實(shí)驗(yàn)室比對(duì)試驗(yàn)，得到表1所示的儀器設(shè)備的比對(duì)結(jié)果。由表1可知，2臺(tái)NOx試儀和2臺(tái)CO測(cè)試儀的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 3和0.997 2，平均相對(duì)偏差分別為2.7%和3.5%，均<5%，可認(rèn)為兩套設(shè)備的平行性和相關(guān)性都能滿足測(cè)試要求。

2監(jiān)測(cè)結(jié)果與討論

2.1監(jiān)測(cè)期間交通狀況

上中路隧道的日交通量在1.5萬(wàn)~2萬(wàn)veh/d，其中:工作日平均交通量約為1.8萬(wàn)veh/d，呈現(xiàn)出明顯的潮汐特征，日均小時(shí)交通量約為770 veh/h，早高峰峰值平均為1 280 veh/h，晚高峰峰值平均為1 420 veh/h;休息日交通量約為1.53萬(wàn)veh/d,晝間交通量相對(duì)平穩(wěn)，高峰時(shí)段約為9:00~19:00，日均小時(shí)交通量約為630 veh/h，早高峰峰值平均為1 000 veh/h，晚高峰峰值平均為1 100 veh/h(見(jiàn)圖2(a))。

(a) 上中路隧道

(b) 延安東路隧道

延安東路隧道工作日平均交通量約為4.9萬(wàn)veh/d，在7:00~23:00基本保持穩(wěn)定，日均小時(shí)交通量約為2 050 veh/h，而7:00~23:00交通量均值約為2 750 veh/h。休息日交通約為4.45萬(wàn)veh/h,高峰時(shí)段約為12:00~23:00，日均小時(shí)交通量約為1 850 veh/h，高峰流量平均為2 600 veh/h。

上中路隧道以中、小型車為主，占95.8%~99.7%，其中，小型車通行比例在76.3%~90.0%變化，中型車通行比例在9.4%~19.5%變化；大型車通行比例較小，約在0.3%~4.2%變化。延安東路隧道的小型車通行比例基本穩(wěn)定約為98.0%，中型車和大型車的通行比例約各占1%。

上中路隧道監(jiān)測(cè)期間車輛行駛基本通暢，日平均時(shí)速為70 km/h，晚高峰通行速度略低，工作日通行最慢時(shí)約為52 km/h，體息日通行最慢時(shí)約為64 km/h(見(jiàn)圖3(a))。延安東路隧道交通高峰時(shí)段(工作日7:00~23:00，休息日12:00~23:00)車輛行駛緩慢，平均車速低于20 km/h；其余時(shí)段平均通行車速為40~50 km/h(見(jiàn)圖3(b))。

(a) 上中路隧道

(b) 延安路隧道

2.2廢氣污染物平均排放濃度

實(shí)測(cè)得到的兩條隧道風(fēng)道內(nèi)的污染物濃度低于峒口處排放濃度(見(jiàn)表2)。軸流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)段內(nèi)，風(fēng)道內(nèi)污染物濃度都低于峒口處污染物濃度：上中路隧道風(fēng)道內(nèi)CO濃度約為峒口的80%，而PM和NOx的濃度分別僅為峒口的48%和25%；延安東路隧道風(fēng)道內(nèi)CO濃度約為峒口的51%，而PM和NOx的濃度分別僅為峒口的39%和40%。

實(shí)測(cè)的去風(fēng)塔的污染物濃度大大低于峒口處的污染物濃度，主要原因在于:

(1) 軸流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)，隧道內(nèi)大量廢氣從風(fēng)塔排出(上中路隧道38%~46%，延安東路隧道33%~57%)，峒口處的風(fēng)量大大減少，同時(shí)從風(fēng)塔風(fēng)道至峒口段的機(jī)動(dòng)車尾氣污染物都經(jīng)由峒口排出，因此造成峒口污染物濃度高于風(fēng)塔內(nèi)污染物濃度。

(2) 隧道內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的不均勻性也可能有一定的影響。

表2　廢氣污染物晝間小時(shí)平均排放濃度　mg/m3

對(duì)于采用縱向通風(fēng)的隧道，射流風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，其向前噴出的氣體推動(dòng)力較大，故在風(fēng)機(jī)前方形成正壓區(qū)。由于前方氣體沿隧道流動(dòng)的阻力較大，很難以足夠大的速度向前流動(dòng)，因此可能導(dǎo)致部分氣體沿隧道下部向后流動(dòng)形成回流，從而在風(fēng)機(jī)下方形成漩渦。風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，風(fēng)機(jī)下漩渦的長(zhǎng)度加長(zhǎng)，最終將氣體從隧道上游峒口吸入、從下游峒口推出，形成穩(wěn)定的定向流動(dòng)[8]。隧道內(nèi)風(fēng)速的分布是不均勻的,在射流風(fēng)機(jī)的作用下，隧道上部靠近風(fēng)機(jī)區(qū)域的風(fēng)速大于底部，同時(shí)隧道內(nèi)橫向風(fēng)速也表現(xiàn)為射流風(fēng)機(jī)附近高、風(fēng)速隨著橫向距離的增大而減小的特征[9]。隧道內(nèi)的廢氣污染物排放后在活塞風(fēng)或射流風(fēng)機(jī)的作用下沿縱向方向往峒口輸送，由于底部有持續(xù)的尾氣污染物排放，因此隧道底部污染物濃度往往高于隧道上部。氣流流經(jīng)風(fēng)塔抽風(fēng)口時(shí)，位于側(cè)墻(上中路隧道)或頂部(延安東路隧道)的抽風(fēng)口附近區(qū)域的污染物濃度總體低于隧道底部的污染物濃度，隧道底部的污染物在活塞風(fēng)的帶動(dòng)下可能更易被輸送至峒口。

2.3廢氣排放源強(qiáng)

將上中路隧道和延安東路隧道廢氣污染物的排放因子實(shí)測(cè)值與基于環(huán)保部方法得到的車流平均排放因子估算值進(jìn)行比較(見(jiàn)表3)。基于環(huán)保部方法估算時(shí)，采用上海市2010年登記在冊(cè)的執(zhí)行不同排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛比例。由于實(shí)測(cè)的顆粒物來(lái)源包括尾氣排放和揚(yáng)塵，與環(huán)保部公布的尾氣顆粒物指標(biāo)含義不一致，因此不對(duì)這兩種顆粒物排放因子進(jìn)行比較。表4列出了基于環(huán)保部方法的上海市全市車輛的平均排放因子。

由于上中路隧道和延安東路隧道通行的車輛均以小車為主，因此其排放因子實(shí)測(cè)值接近全市小車排放因子估算值。實(shí)測(cè)的兩條隧道CO排放因子為全市小車CO排放因子的63%~82%，為全市中車CO排放因子的70%~83%，同時(shí)比全市大車CO排放因子低60%~69%。實(shí)測(cè)的兩條隧道NOx排放因子為全市小車NOx排放因子的104%~162%，為全市中車NOx排放因子的7%~11%，為全市大車排放因子的3%~5%。

表3　隧道實(shí)測(cè)排放因子和估算排放因子

表4　上海市車輛尾氣污染物排放因子(環(huán)保部方法)

上中路隧道和延安東路隧道實(shí)測(cè)的CO排放因子低于車流排放因子估算值，分別約為估算值的74%和81%。由上述分析可知，兩條隧道實(shí)測(cè)CO排放因子小于上海市各類車輛排放因子的估算值，由此造成了表3中實(shí)測(cè)值和估算值的差異。由于環(huán)保部排放因子是綜合考慮各類行駛工況而確定的綜合排放因子，而實(shí)測(cè)隧道內(nèi)交通比較暢通，因此實(shí)測(cè)CO排放水平略低于環(huán)保部的綜合排放因子是合理的。

上中路隧道實(shí)測(cè)NOx排放因子約為估算值的48%，延安東路隧道通暢時(shí)段的實(shí)測(cè)NOx排放因子與估算值相近。由兩條隧道估算值的差異可知，大、中型車輛比例對(duì)NOx排放因子估算值的影響較大。由于環(huán)

保部方法中，大、中型車輛的單車排放水平遠(yuǎn)高于小型車輛，因此上中路隧道NOx排放因子估算值大大高于實(shí)測(cè)值；相應(yīng)地，延安東路隧道大中型車輛的比例較小，因而其排放因子估算與實(shí)測(cè)值更為接近。由此也反映出實(shí)際通過(guò)這兩條隧道的大、中型車輛的總體排放水平低于運(yùn)用環(huán)保部方法得到的估算值。

3結(jié)語(yǔ)

(1) 隧道風(fēng)道內(nèi)的污染物濃度低于峒口處的污染物濃度，可能是風(fēng)道與峒口之間的尾氣排放及隧道內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布不均勻等原因造成的；

(2) 上中路隧道和延安東路隧道的實(shí)測(cè)CO排放因子低于車流排放因子估算值，分別約為估算值的74%和81%；

(3) 上中路隧道實(shí)測(cè)NOx排放因子約為估算值的48%，延安東路隧道通暢時(shí)段的實(shí)測(cè)NOx排放因子與估算值相近，實(shí)際通過(guò)這兩條隧道的大、中型車輛的總體排放水平可能低于運(yùn)用環(huán)保部方法得到的估算值。

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張秀鳳(1972—)，女，遼寧蓋縣人，教授，碩士生導(dǎo)師， 主要研究方向?yàn)榇安倏v與運(yùn)動(dòng)控制。

中圖分類號(hào)：X831

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

收稿日期：2015-07-01 2015-05-05

作者簡(jiǎn)介：李磊(1987—)，男，江蘇人，助理工程師，主要從事船舶設(shè)計(jì)和生產(chǎn)原理工作。 徐東星(1989—)，男，安徽亳州人，碩士，主要研究方向?yàn)楹胶?dòng)態(tài)仿真與控制。

文章編號(hào)：1674-5949(2015)03-025-04 1674-5949(2015)03-015-05

基金項(xiàng)目：交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329225370)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201505017-4)

Typical Characteristics of Motor Vehicle Pollutant
Emission in River-crossing Tunnels of Shanghai

WeiXin，KouYingwei,BaiYucai

(China Shipping Environment Technology (Shanghai) Co.,Ltd, Shanghai 200135, China)

Abstract:Two typical crossing-river tunnels, the Shangzhong Road Tunnel and the East Yanang Road Tunnel, are monitored to collect data, which covers the concentrations of CO, NOx, and PM10 as well as tunnel airflow, traffic volume and speed. The characteristics of the pollutant emission at the tunnel ventilation towers and the tunnel entrances are calculated and analyzed according to the measured data. The research concludes that the measured emission factors of the two tunnels are lower than the estimated traffic emission factors and the method recommended by ministry of environment protection may give conservative results if it is used to estimate the overall emission from large and medium-sized vehicles through the tunnels.

Key words:exhaust pollutants; emission; shanghai; tunnel