多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路CO排放特性實(shí)測(cè)研究

李 瓊，陳 超，袁浩庭，王陸瑤

(1. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601； 2. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路CO排放特性實(shí)測(cè)研究

李 瓊1，2，陳 超2，袁浩庭2，王陸瑤2

(1. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601； 2. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

輕型汽油車(chē)為主的城市地下道路，主要污染物為CO和NOx。多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路的隧道結(jié)構(gòu)特性影響主隧道污染物的排放與沿程累積遷移特性。本研究基于實(shí)際運(yùn)營(yíng)城市地下道路的實(shí)測(cè)結(jié)果，采用反問(wèn)題方法反演計(jì)算出對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程中的源項(xiàng)，重點(diǎn)定量分析分岔隧道結(jié)構(gòu)對(duì)CO擴(kuò)散特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，主隧道出口處CO總源項(xiàng)累積量平均值為0.37mg/m3s，合流匝道帶入CO占總源項(xiàng)的4.8%，分流匝道帶出的CO占總源項(xiàng)的5.9%。研究結(jié)果可為多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路通風(fēng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)及環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供方法參考。

多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路；CO污染物；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；傳質(zhì)擴(kuò)散方程；源項(xiàng)累積量

0 引言

多點(diǎn)進(jìn)出的城市地下道路，受隧道沿途分流岔道機(jī)動(dòng)車(chē)不斷分流駛出和合流岔道機(jī)動(dòng)車(chē)不斷駛?cè)胨淼赖亩鄠€(gè)出入口的影響，不但使得隧道內(nèi)交通特征更為復(fù)雜，同時(shí)還會(huì)影響交通風(fēng)力在隧道內(nèi)的分布特性與流動(dòng)特性，進(jìn)而影響主隧道污染物的排放與沿程累積遷移特性。目前我國(guó)城市地下道路工程通風(fēng)設(shè)計(jì)主要還是沿用發(fā)達(dá)國(guó)家或是公路隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，隨著機(jī)動(dòng)車(chē)逐年更新替代，新排放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)動(dòng)車(chē)比例勢(shì)必逐年增加，考慮新排放標(biāo)準(zhǔn)下的隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)顯著減少設(shè)計(jì)通風(fēng)量。較上個(gè)世紀(jì)90年代，機(jī)動(dòng)車(chē)的單車(chē)污染物排放量已明顯下降。目前CO濃度水平已遠(yuǎn)低于《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02-2014)[1]的100 ppm限值，也顯著低于世界道路協(xié)會(huì)(PIRAC)2012報(bào)告[2]的70 ppm限值。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放特性的研究主要是針對(duì)污染物排放模型和污染物排放因子的研究。隧道污染物濃度實(shí)測(cè)法20世紀(jì)90年代初在國(guó)外廣泛采用，主要測(cè)試對(duì)象為NOx、CO、VOC(或HC)、PM等污染物。較典型的如瑞典Soderleds隧道[3]和香港地區(qū)ShingMun隧道[4]。我國(guó)學(xué)者鄧順熙等[5]于1996年對(duì)西安市北線城市隧道的CO和NOx濃度進(jìn)行了測(cè)試；王伯光等[6]1999年對(duì)廣州珠江隧道的CO、NOx和PM10濃度進(jìn)行了測(cè)試。

本研究基于大量實(shí)際運(yùn)營(yíng)城市地下道路獲取的主要交通特征信息(交通流量、車(chē)速、車(chē)型比等參數(shù))以及隧道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放濃度分布實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)對(duì)流傳質(zhì)方程采用反問(wèn)題方法反演計(jì)算出對(duì)應(yīng)條件下的傳質(zhì)過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的源項(xiàng)，重點(diǎn)分析分岔隧道結(jié)構(gòu)對(duì)污染物CO排放特性的影響，研究結(jié)果能夠?yàn)槲覈?guó)多點(diǎn)進(jìn)出城市地下交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)于隧道環(huán)境污染物控制理論和需風(fēng)量方法提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)測(cè)隧道概況

項(xiàng)目組于2012年～2015年先后對(duì)長(zhǎng)沙市營(yíng)盤(pán)路湘江隧道的交通特征、交通風(fēng)速以及污染物濃度水平進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。長(zhǎng)沙隧道位于城市中心區(qū)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有分岔、還有地下立交。該隧道主線長(zhǎng)度2.7 km，主隧道限速50 km·h-1；主隧道斷面積為54.14 m2，匝道斷面積為45.82 m2(如圖1所示)。

圖1 隧道內(nèi)參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置和縱斷面示意圖

考慮到所測(cè)隧道交通組成主要為輕型汽油車(chē)，隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物最有代表性的是CO，故本研究重點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道內(nèi)交通流量、車(chē)速、交通風(fēng)速、以及CO濃度水平等參數(shù)。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，每條主隧道沿機(jī)動(dòng)車(chē)行進(jìn)方向設(shè)有22個(gè)測(cè)點(diǎn)(間距100 m)、每條岔道設(shè)有2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離地面高度2 m。相關(guān)具體實(shí)測(cè)方法詳參考文獻(xiàn)[7]。

1.2 傳質(zhì)方程的反問(wèn)題分析原理

合流匝道和分流匝道影響主隧道污染物的排放與沿程累積遷移的特性無(wú)法采用正問(wèn)題方法求解對(duì)流傳質(zhì)方程而獲得。但是，通過(guò)實(shí)測(cè)隧道方法得到交通流量、車(chē)型比例、機(jī)動(dòng)車(chē)行駛速度及其單車(chē)排放特性等參數(shù)，通過(guò)反問(wèn)題求解方法反演出總源項(xiàng)[8]，然后從總源項(xiàng)中減去機(jī)動(dòng)車(chē)本身排放量可以解析出匝道污染物源流。反問(wèn)題方法適合參數(shù)隨著行駛車(chē)輛交通狀況以及隧道結(jié)構(gòu)而動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

1.3 對(duì)流傳質(zhì)模型

污染物排放源項(xiàng)S包括隧道內(nèi)車(chē)輛本身排放量和通過(guò)匝道帶入和帶出的污染物量之和(如圖2所示)。 針對(duì)對(duì)流傳質(zhì)方程采用反問(wèn)題方法反演計(jì)算出對(duì)應(yīng)條件下的污染物排放源項(xiàng)S。隧道內(nèi)的污染物擴(kuò)散問(wèn)題可近似看作一維、穩(wěn)態(tài)過(guò)程，擴(kuò)散模型(見(jiàn)式(1))。

圖2 合流段傳質(zhì)機(jī)理

(1)

式中：

S=QEF±qtrans

(2)

(3)

(4)

qtrans=(uinCin-uoutCout)/Ar

(5)

(6)

(7)

式中，C為污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；u為隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，m/s；uin為合流匝道通風(fēng)系數(shù)，m2/s;uout為分流匝道通風(fēng)系數(shù)，m2/s;x為隧道內(nèi)距隧道入口的距離，m；K為沿隧道行車(chē)方向的CO擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Q為污染物排放源強(qiáng)，mg/(m3·s)；EF為污染物平均單車(chē)排放因子，g/km·輛；Ar為主隧道橫截面面積，m2；N為隧道內(nèi)交通流量，輛/s；ij(v)為i類(lèi)型機(jī)動(dòng)車(chē)排放j污染物排放因子的車(chē)速系數(shù)；v為機(jī)動(dòng)車(chē)平均車(chē)速，km/h；ci、cj為i,j測(cè)點(diǎn)處污染物平均濃度，mg/m3；xi、x為i,j測(cè)點(diǎn)距隧道入口的距離，m；QEF為機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放量，mg/(m3·s)；qtrans為匝道源項(xiàng)，mg/(m3·s)；Lin為合流匝道長(zhǎng)度，m；Lout為分流匝道長(zhǎng)度，m；Vrin為合流匝道風(fēng)速，m/s；Vrout為分流匝道風(fēng)速，m/s；Arin為合流匝道隧道橫截面面積，m2；Arout為分流匝道隧道橫截面面積，m2。

根據(jù)Chang等[10]提出的隧道內(nèi)污染物質(zhì)量模型，可構(gòu)建關(guān)于機(jī)動(dòng)車(chē)污染物平均單車(chē)排放因子關(guān)系式(4)。機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放量一方面受其自身排放特性影響，同時(shí)還與當(dāng)?shù)貓?zhí)行的機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，因此有必要對(duì)式(3)中機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放量Q進(jìn)行修正(式(8))[2]。

QEF=q(v,i)·fh·ft·fe

(8)

我國(guó)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則JTJ026.1-2014》[1]給出的CO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：

(9)

綜上所述，當(dāng)已知隧道結(jié)構(gòu)、實(shí)測(cè)隧道各段交通流量、交通風(fēng)速及污染物沿程濃度分布等參數(shù)，通過(guò)反問(wèn)題方法，根據(jù)公式(1)和(2)，可以反演計(jì)算出總源項(xiàng)S和沿隧道方向源項(xiàng)累積量。然后從總源項(xiàng)中減去機(jī)動(dòng)車(chē)本身排放量QEF可以解析出匝道污染物源流。第3節(jié)將根據(jù)具體案例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析合流匝道和分流匝道對(duì)污染物擴(kuò)散特性的影響規(guī)律。

2 計(jì)算案例分析

2.1 基本計(jì)算條件

通過(guò)反問(wèn)題方法反演計(jì)算總源項(xiàng)需要已知隧道結(jié)構(gòu)、隧道各段交通流量、交通風(fēng)速及污染物沿程濃度分布等參數(shù)。這些參數(shù)可以通過(guò)隧道實(shí)測(cè)法獲得。合流匝道和分流匝道帶入(出)污染物在總源項(xiàng)中的份額需要先根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)計(jì)算出機(jī)動(dòng)車(chē)污染物本身排放量。由于機(jī)動(dòng)車(chē)排入隧道內(nèi)的污染物在隧道橫截面上快速擴(kuò)散均勻[11]，為簡(jiǎn)化分析，對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)方程中擴(kuò)散系數(shù)K取值為0。

2.1.1 交通特征

由于長(zhǎng)沙隧道對(duì)大型貨車(chē)有限制，輕型汽油車(chē)比例高達(dá)97.3%；工作日早晚高峰時(shí)段隧道多處于擁堵?tīng)顩r，平均車(chē)速小于30 km/h，主隧道每車(chē)道平均小時(shí)交通流量為1394 pcu·h-1。由表1可見(jiàn)，主隧道各段(合流前、中間段、分流后)內(nèi)交通風(fēng)速為2.46～3 m·s-1，合流和分流匝道內(nèi)的交通風(fēng)速分別為1.37和1.08 m·s-1。由于主隧道交通流量大，主隧道各段內(nèi)平均交通風(fēng)速普遍大于匝道內(nèi)的交通風(fēng)速。

表1 實(shí)測(cè)隧道交通特征

2.1.2 實(shí)測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)自身排放量

不同燃料類(lèi)型和不同排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型，機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子區(qū)別較大，這使得不同城市的交通組成對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放量影響很大。上述公式(9)不能夠直接應(yīng)用于城市地下道路。如果直接應(yīng)用于城市地下道路設(shè)計(jì)，CO基準(zhǔn)排放量qco取常數(shù)逐年遞減不合理[12]。圖3比較結(jié)果表明，實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)低于根據(jù)中國(guó)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02-2014)計(jì)算結(jié)果，也低于PIRAC 2012的研究結(jié)果。本研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)測(cè)結(jié)果與PIARC2012關(guān)于中國(guó)地區(qū)的研究結(jié)果接近。由于機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物是“動(dòng)態(tài)”更新的，源項(xiàng)反演過(guò)程中機(jī)動(dòng)車(chē)本身排放量采用實(shí)測(cè)值更貼近目前隧道機(jī)動(dòng)車(chē)排放實(shí)際情況。

圖3 實(shí)測(cè)CO排放量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)排放量比較

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 排放源項(xiàng)反演計(jì)算結(jié)果

圖4為反演計(jì)算出實(shí)測(cè)3天的CO排放源項(xiàng)沿程累積計(jì)算結(jié)果和正問(wèn)題計(jì)算排放量的比較。計(jì)算結(jié)果表明，正問(wèn)題實(shí)測(cè)方法只能給出已知條件下機(jī)動(dòng)車(chē)排放量的分段綜合平均值，而應(yīng)用反問(wèn)題計(jì)算模型反演計(jì)算得到的污染物源項(xiàng)累積量，可以動(dòng)態(tài)的反映隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)特征及排放特性等因素的綜合影響。實(shí)測(cè)隧道沿行駛方向(x)機(jī)動(dòng)車(chē)先后經(jīng)歷了下坡段、平直段和上坡段的行駛過(guò)程，該過(guò)程中，交通流量呈現(xiàn)合流后明顯增大而分流后減小的規(guī)律。在交通風(fēng)量、合流匝道帶入風(fēng)量和分流匝道帶出污染物綜合作用下，實(shí)測(cè)工作日主隧道出口處的CO濃度平均值為20.3 ppm，反演CO總源項(xiàng)累積量平均值為0.37 mg/(m3·s)。

圖4 CO源項(xiàng)累積反演計(jì)算結(jié)果

2.2.2 匝道對(duì)CO反演源項(xiàng)的影響

圖5為5.30日反演計(jì)算出的CO排放源強(qiáng)與源項(xiàng)模型分析結(jié)果。圖示結(jié)果表明，在工作日早高峰交通較為擁堵的狀況下，合流匝道帶入主隧道的污染物，源項(xiàng)值在合流后主隧道上累積增大，但同時(shí)匝道帶入交通風(fēng)量，污染物源項(xiàng)并沒(méi)有大幅度增加，在主隧道平直段匝道帶入污染源占總源項(xiàng)的4.8%，下坡段累積污染物占總源項(xiàng)的16.3%，主隧道平直段主要CO累積量來(lái)自該段機(jī)動(dòng)車(chē)自身排放量。同理，分流匝道帶出的污染物源占總源項(xiàng)的5.9%，平直段和上坡段累積量分別占46.5%和38.0%。在合流匝道帶入主隧道的污染物源流和交通風(fēng)量的共同作用下，合流之后的主隧道排放源主要來(lái)自大量的機(jī)動(dòng)車(chē)自身排放污染物，而機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子是計(jì)算隧道內(nèi)車(chē)流污染物排放量的關(guān)鍵，它不但受機(jī)動(dòng)車(chē)自身性能影響，同時(shí)也與其在行駛過(guò)程中的行車(chē)狀況、燃料品質(zhì)、車(chē)速以及當(dāng)?shù)貓?zhí)行的機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)。由此可見(jiàn)，準(zhǔn)確給出實(shí)際運(yùn)營(yíng)隧道的機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)態(tài)排放因子是有效控制隧道內(nèi)污染物的關(guān)鍵。

圖5 主隧道各段CO反演源項(xiàng)解析

3 結(jié)論

基于大量實(shí)際運(yùn)營(yíng)城市地下道路實(shí)測(cè)結(jié)果，采用反問(wèn)題方法計(jì)算出對(duì)應(yīng)條件下的傳質(zhì)過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的源項(xiàng)，分析分岔隧道結(jié)構(gòu)對(duì)污染物排放特性的影響結(jié)果如下：

1) 應(yīng)用反問(wèn)題計(jì)算模型反演計(jì)算得到的排放源項(xiàng)，可以動(dòng)態(tài)的反映隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)特征、交通特征對(duì)排放特性等因素的綜合影響。機(jī)動(dòng)車(chē)沿主隧道的排放與擴(kuò)散特性不再是類(lèi)似直隧道那樣呈單值線性增加的規(guī)律，多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路源項(xiàng)S和污染物濃度會(huì)沿程緩慢上升。實(shí)測(cè)工作日主隧道出口處反演CO總源項(xiàng)累積量平均值為0.37 mg/(m3·s)。

2) 在工作日早高峰交通較為擁堵的狀況下，合流匝道在主隧道平直段帶入CO占總源項(xiàng)的4.8%，下坡段累積CO占總源項(xiàng)的16.3%，主隧道平直段主要CO累積量來(lái)自該段機(jī)動(dòng)車(chē)自身排放量。同理，分流匝道帶出的污染物源占總源項(xiàng)的5.9%，平直段和上坡段累積量分別占46.5%和38.0%。

因此，分岔隧道結(jié)構(gòu)可有效降低隧道污染物濃度累積量，從而大大降低設(shè)計(jì)需風(fēng)量和通風(fēng)能耗。同時(shí)通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演方法能夠準(zhǔn)確給出實(shí)際運(yùn)營(yíng)隧道的機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)態(tài)排放因子，這是有效控制隧道內(nèi)污染物的關(guān)鍵，也是課題組下一步主要研究?jī)?nèi)容。

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Experimental study on the emission characteristics of CO in urban bifurcate tunnel

LI Qiong1,2, CHEN Chao2, YUAN Hao-ting1, WANG Lu-yao1

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing, 101601,China； 2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Yanjiao, 100124,China)

The main pollutants in the urban tunnel are CO and NOx, which are emitted by light-duty gasoline vehicles. The structural characteristics of urban bifurcate tunnel affect the pollutant emission and migration in the main tunnel. Based on the measurement results, the source term in the process of circulation is calculated with the anti-problem method, the influence of the bifurcated tunnel structure on the CO diffusion properties is analyzed quantitatively and emphatically. The results show that the cumulative mean of CO source term is 0.37mg/(m3·s) at the exit of main tunnel. The CO brought in from confluence ramp accounts for 4.8% of total pollutants source, and that taken out of shunt ramp accounts for 5.9% of total pollutants source. The results provide a method reference for ventilation engineering optimization design and environmental impact assessment in urban bifurcate tunnel.

bifurcate tunnel; CO pollutant; field measurement; mass diffusion equation; cumulant of source item

2017-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378024)；北京自然科學(xué)基金(8162006)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142016036)；北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金(NR2015K06)

李瓊(1978-)，女，河北邯鄲人，博士，華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院講師，研究方向：隧道通風(fēng)。E-mail：hdliqiong@163.com

U453.5

A

1672-7169(2017)02-0066-06