高速公路霧、霾凈化技術(shù)研究

劉桂麗，黃文博，陳培文，薛紹華

(青島理工大學(xué)　汽車(chē)與交通學(xué)院，山東　青島　266520)

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高速公路霧、霾凈化技術(shù)研究

劉桂麗，黃文博，陳培文，薛紹華

(青島理工大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，山東青島266520)

摘要：對(duì)霧、霾產(chǎn)生原因及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，將高速公路地上、地下設(shè)施與除濕、過(guò)濾裝置相結(jié)合，研究了高速公路霧、霾凈化技術(shù)。凈化方案提出了新型防護(hù)欄設(shè)計(jì), 使其兼?zhèn)淇諝鈬姟⑽鼩鈱?dǎo)管作用，地下空間設(shè)置除霧、過(guò)濾裝置并與上部管道相連接。利用吸氣導(dǎo)管吸入安全行車(chē)視距空間內(nèi)的空氣，通過(guò)除濕、過(guò)濾裝置對(duì)道路上空霧、霾進(jìn)行凈化處理，將霧水及微小顆粒引入排水管線，處理后的干燥氣體經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)加壓后由噴氣導(dǎo)管?chē)娤虻缆飞峡找詢(xún)艋諝? 以滿足高速公路霧、霾天氣下的能見(jiàn)度要求, 提高道路通行能力，降低交通事故率。在新型邊坡防護(hù)措施中增加了太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)能裝置，降低了造價(jià)，提高了適用性。

0引言

高速公路的安全運(yùn)營(yíng)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事，隨著汽車(chē)保有量的日益增長(zhǎng)，煙塵懸浮物和汽車(chē)尾氣等污染物排放的不斷增加，致使高速公路及周邊區(qū)域的大氣污染日益加劇，交通運(yùn)營(yíng)環(huán)境日益惡化。據(jù)權(quán)威部門(mén)統(tǒng)計(jì)，近幾年來(lái)，全國(guó)高速公路每年發(fā)生交通事故約43 257起，死亡6 269人，受傷18 867人，根據(jù)對(duì)交通事故因素的分析，惡劣天氣造成事故約占總數(shù)的50%，其中，因霧、霾天氣導(dǎo)致的交通事故比例高達(dá)30.8%[1]。除此之外，霧、霾天氣還造成高速公路封閉、通行能力下降、車(chē)輛擁堵等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著交通的安全運(yùn)營(yíng)和人民的正常生活。

霧是近地面層空氣中水汽凝結(jié)或凝華的產(chǎn)物，是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)。霾是由大量煙、塵等微粒懸浮而形成的渾濁現(xiàn)象，其核心物質(zhì)是空氣中懸浮的灰塵顆粒，氣象學(xué)上稱(chēng)之為氣溶膠顆粒[2-3]。霧、霾的形成需具備3個(gè)基本條件：空氣濕度、環(huán)境溫度和微顆粒含量。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大霧天氣條件下高速公路的管理基本上采用控制行車(chē)的措施，如交警現(xiàn)場(chǎng)指揮交通、封閉路段、限制車(chē)速、采用除霧車(chē)流動(dòng)除霧等[4-5]，上述方法均未能從根本上改變霧、霾天氣下的行車(chē)安全問(wèn)題，且存在投資高、成效低、水滴在路面沉積造成濕滑和冬季噴灑防凍劑解凍等問(wèn)題。因此，如何及時(shí)高效地改善霧、霾天氣條件下高速公路的交通運(yùn)行環(huán)境成為亟待解決的問(wèn)題。

本文從道路安全行車(chē)所需的視距空間具有局域性的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的空氣除濕、過(guò)濾技術(shù)，且充分考慮對(duì)原有道路設(shè)施的改造，對(duì)高速公路霧、霾凈化技術(shù)進(jìn)行研究，凈化處理道路上空駕駛員安全視線內(nèi)的霧、霾氣體，以改善高速公路交通運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)霧、霾天氣條件下高速公路安全、高效運(yùn)行的目的。

1總體設(shè)計(jì)

1.1問(wèn)題分析

霧、霾天氣使空氣能見(jiàn)度降低，從而導(dǎo)致駕駛員的視距急劇變短，使駕駛員觀察能力和判斷能力下降，無(wú)法做出正確判斷；高速公路車(chē)輛行駛速度降低，嚴(yán)重時(shí)高速公路封閉，通行能力降低，導(dǎo)致高速公路的運(yùn)營(yíng)效益和服務(wù)水平下降；霧天導(dǎo)致高速公路的附著系數(shù)減小，使車(chē)輛制動(dòng)距離增長(zhǎng)，易造成高速公路連環(huán)追尾或特大交通事故的發(fā)生，導(dǎo)致巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)破壞霧、霾形成條件可實(shí)現(xiàn)霧、霾的凈化處理。霧、霾的形成往往面積大、范圍廣，如果要將空中的霧氣全部消除，從方法、成本、效率等方面來(lái)說(shuō)都不具備可行性。由于道路安全行車(chē)所需的視距空間具有局域性，因此，只要能保證駕駛員視距空間范圍內(nèi)有良好的能見(jiàn)度，霧、霾天氣條件下車(chē)輛就能達(dá)到高速、安全行駛。基于此條件，本方案提出技術(shù)控制措施，將霧氣處理空間控制在道路上空駕駛員安全視線范圍內(nèi)，從而減少霧氣的處理總量，降低能源消耗，且充分考慮對(duì)原有道路設(shè)施進(jìn)行改造，以減少新增設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)霧、霾凈化和降低資金投入的雙重目的。

1.2設(shè)計(jì)思路

充分利用現(xiàn)有的信息控制、氣象檢測(cè)、空氣除濕和過(guò)濾技術(shù)，在高速公路上引入霧、霾凈化技術(shù)方案，破壞霧、霾形成條件，對(duì)高速公路上空局部空間進(jìn)行消霧。新型防護(hù)欄兼?zhèn)涞厣蠂?、吸氣?dǎo)管的作用，與置于地下的除濕、過(guò)濾裝置連接，吸氣導(dǎo)管吸入霧氣并引入地下除濕、過(guò)濾裝置進(jìn)行處理，處理后的干燥、潔凈氣體經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓后由噴氣管道排入道路上空；具有一定壓力和溫度的潔凈氣流形成氣幕阻隔霧氣的進(jìn)一步侵入，從而確保設(shè)定的除霧范圍；處理后形成的水滴和微塵引入高速公路地下排水管線直接排除；新型邊坡防護(hù)設(shè)施與太陽(yáng)能電池板相結(jié)合，充分利用太陽(yáng)能發(fā)電裝置為霧、霾凈化提供所需能量，以減少能源消耗。

1.3技術(shù)方案

高速公路上存在霧的路段有局域性特點(diǎn)，全路段可設(shè)計(jì)為由多個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元和控制中心組成。單位里程(1 km)內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)單元依次編號(hào)，相互之間無(wú)關(guān)聯(lián)，以便于控制中心對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)單元工作狀態(tài)分別進(jìn)行控制。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元由地上和地下兩部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1　技術(shù)方案效果圖Fig.1　Impression drawing of technic scheme

地上主要為新型防護(hù)欄結(jié)構(gòu)，由數(shù)根豎向鋼管和兩根橫向鋼管組成，橫管上按一定距離和角度安裝噴氣頭和吸氣頭，在滿足自身原有防護(hù)功能的基礎(chǔ)上兼?zhèn)浼夹g(shù)方案中噴、吸氣管道的作用。布置在高速公路中央分隔帶和兩側(cè)路肩處(詳細(xì)布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)管線模塊)。每個(gè)獨(dú)立單元在吸氣口附近安裝氣象指標(biāo)檢測(cè)裝置，檢測(cè)空氣濕度、能見(jiàn)度、微顆粒含量等氣象信息，處理后的氣象信息數(shù)據(jù)傳送至控制中心以控制地下除濕、過(guò)濾裝置的工作狀態(tài)。

路下結(jié)構(gòu)是技術(shù)方案中的核心構(gòu)件——初效過(guò)濾器、除濕器、深效過(guò)濾器(霾過(guò)濾裝置)和鼓風(fēng)機(jī)。由于霧、霾氣體中通常會(huì)夾雜粒徑較大的固體顆粒，為了防止固體顆粒進(jìn)入除濕器，影響其正常工作而降低其使用壽命。首先將吸入的霧、霾氣體通過(guò)初級(jí)過(guò)濾器，然后再進(jìn)入除濕器和深效過(guò)濾器進(jìn)行凈化處理，最后經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓后排出。因此新型防護(hù)欄與地下初效過(guò)濾器入口端相連，初效過(guò)濾器出口端依次連接除濕器、深效過(guò)濾器和鼓風(fēng)機(jī)，除濕器與過(guò)濾器均與地下排水管道連接，凈化處理后形成的水及微塵引入地下排水管線。

1.4工作流程

總體工作流程如圖2所示。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣濕度、能見(jiàn)度、微顆粒含量等大氣指標(biāo)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給控制中心，由控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷。當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制中心接通能源模塊，相應(yīng)路段的霧、霾凈化裝置啟動(dòng)，各個(gè)組件進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)防護(hù)欄的吸氣導(dǎo)管吸入霧、霾氣體，經(jīng)過(guò)初效過(guò)濾器過(guò)濾后傳送到除濕器進(jìn)行干燥處理，然后經(jīng)深效過(guò)濾器進(jìn)行霾顆粒的凈化處理，處理后產(chǎn)生的水分和微顆粒雜質(zhì)引入高速公路地下排水管道中；對(duì)處理后的干燥潔凈氣體經(jīng)鼓風(fēng)裝置進(jìn)行加壓后，再經(jīng)防護(hù)欄的噴氣導(dǎo)管按一定角度噴向高速公路上空，形成的氣幕起到阻隔或減緩霧氣進(jìn)一步下降的作用。以此循環(huán)，直至檢測(cè)到的大氣數(shù)據(jù)滿足預(yù)定指標(biāo)。本方案利用電能輔助太陽(yáng)能的模式為組件提供能源，太陽(yáng)能電池板實(shí)時(shí)吸收太陽(yáng)能并存入儲(chǔ)能裝置。當(dāng)儲(chǔ)能裝置電量充滿，可開(kāi)啟變電裝置為沿線線路供電，霧、霾處理裝置啟動(dòng)后，先由儲(chǔ)能裝置提供能源；當(dāng)電量不足時(shí)，控制中心接通道路沿線供電系統(tǒng)，繼續(xù)為凈化裝置提供能源。

圖2　技術(shù)方案工作流程圖Fig.2　Working process of technic scheme

2模塊設(shè)計(jì)

高速公路霧、霾凈化技術(shù)方案的每個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元均由核心模塊(初效過(guò)濾器、除濕器、深效過(guò)濾器和鼓風(fēng)機(jī))、控制模塊(檢測(cè)裝置、控制中心)、能源模塊(太陽(yáng)能電池板、儲(chǔ)能裝置、變電裝置、沿線的供電設(shè)施)、管線模塊(噴、吸氣導(dǎo)管、排水管道)組成。

2.1核心模塊

(1)核心模塊的構(gòu)成組件和工作流程

本技術(shù)方案按固體顆粒大小分為粗、中、細(xì)3級(jí)過(guò)濾。防護(hù)欄吸氣口處設(shè)置濾網(wǎng)，過(guò)濾路面揚(yáng)塵、柳絮等粗顆粒，然后經(jīng)初效過(guò)濾器進(jìn)行 5 μm 以上細(xì)顆粒的2級(jí)過(guò)濾，最后由深效過(guò)濾器進(jìn)行2.5 μm 以下霾顆粒的深效過(guò)濾。

初效過(guò)濾器見(jiàn)圖3，從壓縮機(jī)出來(lái)的壓縮空氣被引進(jìn)導(dǎo)流板，導(dǎo)流板上有均勻分布的類(lèi)似風(fēng)扇扇葉的斜齒，迫使高速流動(dòng)的壓縮空氣沿齒的切線方向產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，混雜在空氣中的液態(tài)水和雜質(zhì)在強(qiáng)大的離心力作用下分離出來(lái)，甩到水杯的內(nèi)壁上，流到水杯的底部[6]，然后從出口輸出除去液態(tài)水和雜質(zhì)的壓縮空氣。傘形擋水板將水杯分隔成上、下兩部分，下部保持壓力靜區(qū)，可以防止高速旋轉(zhuǎn)的氣流吸起杯底的水。聚集在杯底的水從排水閥排入高速公路的排水管道。排水閥的開(kāi)關(guān)由安裝在杯底的重力傳感器控制，當(dāng)過(guò)濾的雜物重量達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)，重力傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳遞到控制中心，控制中心控制排水閥打開(kāi)，將雜物排入管道，若管道關(guān)閉期間因吸氣口處閥門(mén)損壞等原因使得雨、雪水或微塵進(jìn)入管道，亦可由此排水閥排出。

1—金屬保護(hù)外殼；2—固定軸；3—球形初效過(guò)濾器；4—傘形擋水板；5—隔板；6—自動(dòng)排水閥；7—過(guò)濾填充介質(zhì)；8—進(jìn)氣道濾網(wǎng)；9—空氣壓縮器；10—球形過(guò)濾器濾網(wǎng)層圖3　初效過(guò)濾裝置Fig.3　Primary efficient filtering device

除濕裝置見(jiàn)圖4，由中效過(guò)濾器、熱交換器、風(fēng)扇、電機(jī)、機(jī)殼、加熱器等組成。是本技術(shù)方案路下結(jié)構(gòu)部分中的核心消霧構(gòu)件。經(jīng)過(guò)中效過(guò)濾(過(guò)濾 5～2.5 μm微顆粒)后的霧氣，由轉(zhuǎn)動(dòng)軸系帶動(dòng)風(fēng)扇抽入中效過(guò)濾器進(jìn)一步過(guò)濾，然后進(jìn)入熱交換器，經(jīng)由內(nèi)部結(jié)構(gòu)管道和網(wǎng)芯使空氣中的水分冷凝成水珠[7]，然后從出水口排入地下排水導(dǎo)管，產(chǎn)生出干燥空氣經(jīng)過(guò)電熱管加熱后進(jìn)入深效過(guò)濾器。

1—轉(zhuǎn)動(dòng)軸系；2—保溫外層；3—排氣管道；4—金屬加熱網(wǎng)；5—電熱管；6—硅膠干燥劑；7—緩沖濾網(wǎng)；8—內(nèi)部結(jié)構(gòu)管道；9—網(wǎng)芯；10—中效過(guò)濾器；11—進(jìn)氣管道圖4　除濕裝置Fig.4　Dehumidification device

深效過(guò)濾器是本方案路下結(jié)構(gòu)部分中 2.5 μm 以下霾顆粒的處理裝置。安裝在除濕器與鼓風(fēng)機(jī)之間，利用裝置內(nèi)部的銅線圈通電制造靜電場(chǎng)，借助線圈產(chǎn)生的靜電場(chǎng)來(lái)吸附氣體中的懸浮顆粒物，實(shí)現(xiàn)道路除霾的目的。最后將吸附的微塵排入排水管道中。

為保證排出的潔凈氣體具有一定的壓力，在深效過(guò)濾器后設(shè)計(jì)鼓風(fēng)機(jī)，以形成穩(wěn)定氣幕阻隔霧、霾氣流下降，最終實(shí)現(xiàn)限定的除霧范圍(駕駛員安全行車(chē)所需的視線空間)。

(2)核心結(jié)構(gòu)連接與布置

為了便于各組件的后期維護(hù)，初級(jí)過(guò)濾器、除濕器、深效過(guò)濾器和鼓風(fēng)機(jī)順序平行連接，安裝在道路兩側(cè)路肩和中央分隔帶下側(cè)。除濕器、初效過(guò)濾器和深效過(guò)濾器底部均與地下排水管道相接，為了防止排水管道中的水倒流進(jìn)入核心部件內(nèi)，需在管道與地下排水管道連接位置安裝單向閥門(mén)(見(jiàn)圖5)，鼓風(fēng)機(jī)與噴氣口之間同樣安裝單向閥門(mén)，以防止異物從噴氣口進(jìn)入連接管道，影響凈化裝置的正常運(yùn)行。

1—進(jìn)氣管道；2—初效過(guò)濾器；3—冷卻器；4—溝槽連接管件；5—單向止回閥；6—排水管道；7—卡箍和緊鎖螺栓；8—連接管道；9—加熱器；10—深效過(guò)濾器；11—鼓風(fēng)機(jī)；12—排氣導(dǎo)管圖5　地下核心部件連接Fig.5　Connection of underground key parts

2.2管線模塊

(1)新型防護(hù)欄設(shè)計(jì)

技術(shù)方案創(chuàng)新性地將噴、吸氣導(dǎo)管與防護(hù)欄進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，防護(hù)欄在完成自身功能的同時(shí)，兼?zhèn)鋰?、吸氣?dǎo)管的作用，這種新型防護(hù)欄間隔一定距離設(shè)為一個(gè)獨(dú)立單元，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)不同路段的控制。

新型防護(hù)欄由豎向鋼管和上、下兩根平行橫鋼管組成(見(jiàn)圖6)。豎向鋼管為支撐和連接桿件，與地面剛性連接；距離地面1 m的上橫管為噴氣管道，與地下鼓風(fēng)裝置連接；距離地面0.5 m的下橫管為吸氣管道，與地下初效過(guò)濾器連接；兩橫管之間設(shè)置防護(hù)擋板，固定于管壁外側(cè)以增強(qiáng)新型防護(hù)欄的防護(hù)功能，防護(hù)擋板亦可阻止道路行車(chē)道外側(cè)氣流進(jìn)入，確保氣幕的形成，實(shí)現(xiàn)限定的除霧范圍；噴、吸氣橫管上每間隔3 m安有噴、吸氣頭，上、下彼此交錯(cuò)，避免噴、吸氣相互干擾。為了防止凈化裝置關(guān)閉期間雨、雪、霜或空中雜物從噴、吸氣口進(jìn)入管道損壞凈化裝置，每個(gè)噴吸氣口均安裝一個(gè)由控制中心控制開(kāi)關(guān)的蓋板。凈化裝置啟動(dòng)期間蓋板打開(kāi)，否則，蓋板關(guān)閉。

圖6　新型防護(hù)欄效果圖Fig.6　Impression drawing of new type of guardrail

(2)管線結(jié)構(gòu)連接

圖7　管線連接效果圖Fig.7　Impression drawing of connected pipeline

如圖7所示,地上新型防護(hù)欄與路面采用剛性連接，以確保其防護(hù)功能，考慮到防護(hù)欄受到運(yùn)行車(chē)輛等外力撞擊時(shí)發(fā)生的變形和位移會(huì)對(duì)地下設(shè)施造成連帶破壞，方案設(shè)計(jì)采用柔性接頭連接地上管線與地下設(shè)施，結(jié)合目前現(xiàn)有的柔性連接材料和工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可產(chǎn)生橫向、軸向、角向位移，避免管道不同心和法蘭不平行的限制[8]，滿足道路運(yùn)行環(huán)境的需要。為了后期維護(hù)和破壞后維修方便，地上管線之間采用拆裝靈活的法蘭聯(lián)接和承插聯(lián)接兩種連接方法，并在連接部位進(jìn)行柔性處理，在滿足防撞效果的同時(shí)，提高吸振能力，減少管線彼此之間的干擾。

(3)噴、吸氣頭角度設(shè)計(jì)

噴、吸氣頭角度是控制霧、霾凈化范圍(即滿足道路行車(chē)安全的視線范圍)的重要指標(biāo)。氣流運(yùn)動(dòng)需考慮氣、液、固3相運(yùn)動(dòng)的耦合作用，利用氣溶膠粒子運(yùn)動(dòng)理論建立數(shù)學(xué)模型，綜合空氣流動(dòng)、車(chē)速及車(chē)道寬度、氣流壓力等因素的影響，確定路上噴、吸氣導(dǎo)管端部角度、孔口高度等指標(biāo)，以控制氣流運(yùn)動(dòng)軌跡，形成的氣幕保障道路安全行車(chē)所需的消霧空間。以道路橫截面與防護(hù)欄軸線交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。利用上述原理確定噴氣口噴出熱氣軌跡方程，再利用導(dǎo)數(shù)和正切函數(shù)的性質(zhì)，求得噴氣導(dǎo)管和吸氣導(dǎo)管角度。

2.3控制模塊

控制模塊由檢測(cè)裝置和控制中心兩部分組成。檢測(cè)裝置為數(shù)據(jù)采集部件，間隔一定距離安裝在防護(hù)欄吸氣導(dǎo)管周邊，實(shí)時(shí)檢測(cè)氣象數(shù)據(jù)并傳送給控制中心。霧的能見(jiàn)度檢測(cè)器見(jiàn)圖8，利用紅外線散射技術(shù)測(cè)量經(jīng)過(guò)大粒子或小粒子中的散射光總數(shù)來(lái)測(cè)量能見(jiàn)度，傳感器通過(guò)測(cè)量微小懸浮顆粒和大顆粒計(jì)算大氣消光系數(shù)[9]，從大氣消光系數(shù)導(dǎo)出氣象光學(xué)視程和能見(jiàn)度，再將采集的數(shù)據(jù)傳送到控制中心?？刂浦行牡闹饕毮苁切畔⒔邮铡R集、統(tǒng)計(jì)、分析、判斷、確認(rèn)、指令發(fā)布等，除霧裝置的控制模塊程序流程圖見(jiàn)圖9。

圖8　能見(jiàn)度傳感器Fig.8　Visibility sensor

2.4能源模塊

能源模塊即霧、霾凈化技術(shù)方案采用電能輔助太陽(yáng)能的模式為各裝置提供能源。首先利用能量來(lái)源于太陽(yáng)能電池板的儲(chǔ)能裝置提供能量，該模塊由太陽(yáng)能電池板(見(jiàn)圖10)、充電控制器、儲(chǔ)能裝置、變電裝置、沿線的供電設(shè)施組成。太陽(yáng)能電池板安裝在高速公路邊坡，兼?zhèn)涓咚俟纷o(hù)坡的作用。系統(tǒng)關(guān)閉期間，當(dāng)儲(chǔ)能裝置能量存儲(chǔ)滿后，多余的能量由線路傳給變電裝置，再由變電裝置傳遞給沿線的用電設(shè)施。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)儲(chǔ)能裝置供電不足時(shí)，則直接由沿線的線路供電，保證除霧各裝置正常運(yùn)行。

圖10　太陽(yáng)能電池板Fig.10　Solar panel

3工程方案實(shí)效分析

3.1霧、霾凈化空間計(jì)算

以山東省內(nèi)的濟(jì)青高速公路(見(jiàn)圖11)為例進(jìn)行具體分析，其他高速公路可借鑒該模式及結(jié)果。

圖11　濟(jì)青高速公路Fig.11　Jinan-Qingdao expressway

根據(jù)交通運(yùn)輸部《超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》，重型、中型載貨汽車(chē)的高度從地面起不得超過(guò)4.0 m，載運(yùn)集裝箱車(chē)輛不得超過(guò)4.2 m[10]，且我國(guó)載運(yùn)汽車(chē)一般靠右行駛，故右側(cè)車(chē)道邊緣設(shè)為4.2 m；高速公路左側(cè)車(chē)道一般小轎車(chē)居多，駕駛員視線高度為1.5～2.0 m。為了快速消除駕駛員視線前的霧氣，方案將緊急車(chē)道右側(cè)上空霧氣高度設(shè)為2.0 m。

通過(guò)模擬氣流運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn)，噴出的干燥潔凈氣流按近似拋物線軌跡運(yùn)行。以高速公路橫截面與防護(hù)欄軸線交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系(見(jiàn)圖12)。設(shè)θ1為噴氣管頭角度，y1為空氣質(zhì)點(diǎn)距離路面的高度，x為空氣質(zhì)點(diǎn)距離防護(hù)欄的水平距離，已知A，B，C，D，E，F(xiàn)的坐標(biāo)以及拋物線的性質(zhì)，求得噴氣口噴出熱氣的運(yùn)行軌跡方程為：

y1=-102.9x2+1 312.5x+1 000。

(1)

圖12　霧、霾凈化空間計(jì)算示意圖(單位:mm)Fig.12　Schematic diagram of calculating fog and haze purification space (unit: mm)

利用導(dǎo)數(shù)及正切函數(shù)的性質(zhì)，計(jì)算可得噴氣導(dǎo)管角度θ1為41°，同理可得設(shè)計(jì)吸氣導(dǎo)管角度θ2為11°。綜合考慮空氣流動(dòng)、車(chē)道寬度和氣流壓力等因素的影響，最終確定噴氣口的角度取值范圍為35°～45°，吸氣口的角度取值范圍為8°～15°。

3.2能源裝置匹配

為了保證太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的能源，需根據(jù)各裝置的功率[11]合理布置太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池板以100 W為輸出功率，按每天平均有效工作5 h計(jì)算，平均每天輸出功率p1為500 W，考慮到充電效率和充電過(guò)程中的損耗，太陽(yáng)能電池板使用功率p2為0.3p1，即150 W。

假設(shè)每個(gè)單元需要設(shè)置n塊太陽(yáng)能電池板，則每個(gè)單獨(dú)除霧裝置每年需耗電量為：

Ps=p2×365×24×n。

(2)

初步統(tǒng)計(jì)本方案中各裝置功率總和∑pi、 濟(jì)青高速公路青島地區(qū)全年霧、霾出現(xiàn)的天數(shù)d(即各裝置工作時(shí)間)及每天系統(tǒng)有效工作時(shí)間h，則本方案每套裝置每年需耗電量為：

(3)

若要滿足用電需求，則需滿足Ps≥Pd，即可解得所需太陽(yáng)能電池板塊數(shù)n。

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　太陽(yáng)能電池板計(jì)算結(jié)果匯總

3.3實(shí)效分析

高速公路霧、霾凈化技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)效益分析需將霧天導(dǎo)致的損失與該裝置的建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較。經(jīng)濟(jì)損失包括兩部分，一是由于霧、霾直接或間接(起重要作用)造成的車(chē)禍所造成的經(jīng)濟(jì)損失，二是由于霧、霾導(dǎo)致封路所造成的經(jīng)濟(jì)損失。裝置花費(fèi)按市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格進(jìn)行估算。

(1)霧天導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失

①車(chē)禍損失y

車(chē)禍損失y包括大型貨車(chē)車(chē)禍導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p失和小型貨車(chē)損傷導(dǎo)致的輕微損失。從2006年至2013年12月，在濟(jì)青高速路段上，因?yàn)殪F、霾原因?qū)е掳l(fā)生了5次大型貨車(chē)車(chē)禍，造成184輛車(chē)追尾相撞，車(chē)輛損傷嚴(yán)重，6人死亡，多人受傷。由道路交通事故賠償標(biāo)準(zhǔn)[12]，估算這5次大型貨車(chē)車(chē)禍造成的直接經(jīng)濟(jì)損失大約為800萬(wàn)元，則平均每年損失為100萬(wàn)元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，霧、霾天氣導(dǎo)致的濟(jì)青高速公路的車(chē)輛剮擦、追尾等小型車(chē)輛損傷大約為每年500起[13]，每起車(chē)輛損傷的直接經(jīng)濟(jì)損失約為200元，則年均損失為10萬(wàn)元。

因此，由于車(chē)禍造成的直接經(jīng)濟(jì)損失y為110萬(wàn)元。

②霧天封路導(dǎo)致的路費(fèi)損失z

濟(jì)青高速公路南線貫穿山東9個(gè)市(縣、區(qū))，全線設(shè)立了22個(gè)收費(fèi)站，駕乘人員可以就近上、下高速公路。濟(jì)青高速公路南線總長(zhǎng)307 km，全程通行費(fèi)120元[14]。由于該線翻山越嶺，全線共有特大橋4座、隧道4條，全線的4條隧道將收取部分橋(隧)通行費(fèi)用。以小轎車(chē)型為代表的一類(lèi)車(chē)橋(隧)通行費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為每車(chē)次15元，二、三、四、五類(lèi)車(chē)型特大橋(隧道)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)在一類(lèi)車(chē)基礎(chǔ)上遞加5元[15]。

濟(jì)青高速公路青島地區(qū)年平均霧、霾日為51.5 d，濟(jì)南地區(qū)年平均霧天為20 d，霧、霾天氣導(dǎo)致的封路約為每年4 d左右。2012年至2013年，濟(jì)青高速公路北線日車(chē)流量達(dá)到過(guò)5萬(wàn)多輛。2013年1月至9月濟(jì)青高速公路的車(chē)流量同比增長(zhǎng)14%，日均車(chē)流量為39 297輛[16]。路費(fèi)收入同比也增長(zhǎng)9%，達(dá)17.15億元。

按照2013年收入額保守估計(jì)，在收入不計(jì)增長(zhǎng)量的情況下，2013年平均每天收入額z0為475萬(wàn)元。

因霧天關(guān)閉導(dǎo)致的路費(fèi)損失z即為1 900萬(wàn)元(按4 d計(jì)算)。霧天導(dǎo)致的損失總和W為上述兩者相加，即2 010 萬(wàn)元。

(2)裝置所需費(fèi)用

每套裝備所需費(fèi)用為3.3萬(wàn)元，加上每單元所需管線1 000 m(目前濟(jì)青高速公路為雙向六車(chē)道，寬度為33.5 m)，按市場(chǎng)價(jià)3元/m計(jì)算，每個(gè)單元管線所需費(fèi)用為3 000元，則每個(gè)單元所需費(fèi)用為3.6萬(wàn)元，按10 a的使用壽命計(jì)算，每年的投入約為0.36萬(wàn)元。濟(jì)青高速公路總長(zhǎng)318 km，則需布置636個(gè)單元，濟(jì)青高速公路上總需裝置費(fèi)用W0即為114.48萬(wàn)元。

因此，總裝置費(fèi)用W0遠(yuǎn)低于霧天導(dǎo)致的損失總和W，表明此方案在經(jīng)濟(jì)上具有良好的可行性。

4結(jié)論

(1)技術(shù)方案利用新型防護(hù)欄及邊坡防護(hù)等高速公路原有附屬設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了原有功能基礎(chǔ)上兼?zhèn)湮姎夤艿篮吞?yáng)能發(fā)電的功能；處理后具有一定壓力和溫度的潔凈氣流形成氣幕，阻隔霧氣的進(jìn)一步侵入，從而確保設(shè)定的除霧范圍，減少霧氣處理總量，降低能源消耗；儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)滿電后，多余的電能可用于沿線的供電設(shè)施。設(shè)計(jì)方案可減少新增設(shè)施投入和能源消耗，提高了適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)氣象數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反映天氣變化情況，適時(shí)開(kāi)啟凈化裝置進(jìn)行霧、霾凈化處理；吸入道路上空的潮濕霧、霾氣體，通過(guò)除濕、過(guò)濾裝置噴出干燥、潔凈的氣體，使高速公路視線空間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)氣體交換，霧、霾的消散比傳統(tǒng)模式更加及時(shí)、高效。

(3)方案由無(wú)數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元負(fù)責(zé)相應(yīng)路段，可獨(dú)立運(yùn)行，各部分構(gòu)造連接拆裝靈活方便，以便各裝置的后期維護(hù)和更新。各個(gè)結(jié)構(gòu)單元與沿線的供電線路相連接，實(shí)現(xiàn)電能輔助太陽(yáng)能的模式為組件運(yùn)行提供能源，因此方案具有良好的可控性。

(4)該凈化技術(shù)把除霧、霾產(chǎn)生的水和微塵直接排入地下排水管道中，和原有除霧方法相比，不會(huì)導(dǎo)致水在路面沉積而造成因路面附著系數(shù)減小而使車(chē)速降低、冬天路面結(jié)冰使車(chē)輛制動(dòng)距離增加等問(wèn)題，增加了行車(chē)安全性。

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關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；霧霾凈化；技術(shù)研究；高速公路；防護(hù)欄

Research of Fog and Haze Purification Technology for ExpresswayLIU Gui-li, HUANG Wen-bo, CHEN Pei-wen, XUE Shao-hua

(School of Automobile and Transportation, Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266520, China)

Abstract：The causes and characteristics of fog and haze are analyzed, combining the ground and underground facilities on expressway with dehumidification and filtration devices, the fog and haze purification technology for expressway is researched. In the purification scheme, a new type of guardrail is designed. The guardrail acts the function as both air spray pipe and air suction pipe, in the underground space of expressway, dehumidification and filtration devices are installed to connect with these pipes, inhaling the air within safely driving visual space from the suction pipes, and dehumidifying and filtering the fog and haze though dehumidification and filtration devices, the mist and small particles are leaded into the drainage pipeline, the processed dry gas pressurized by blower with high pressure and temperature is sprayed on the road through the spray pipes for air purification to meet the requirements of air visibility, improve traffic capacity and reduce accident rate on expressway in hazy and fog weather. In the new type of slope protection measure, a solar power generation and energy storage system is added to reduce the cost and improve the applicability of the technic scheme.

Key words：environment engineering; fog and haze purification; technology research; expressway; guardrail

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)02-0143-08

中圖分類(lèi)號(hào)：X513

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.022

作者簡(jiǎn)介：劉桂麗(1976-)，女，山東安丘人, 副教授. (1526976986@qq.com)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué) (51178231)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(八六三計(jì)劃)項(xiàng)目(2007AA11Z219)

收稿日期：2014-05-05