景區(qū)公路隧道洞口及洞外污染物分布數(shù)值模擬研究

楊學(xué)成

摘要：景區(qū)公路隧道洞口污染物影響景區(qū)空氣質(zhì)量，隧道洞口及洞外污染物的分布有利于指導(dǎo)景區(qū)空氣環(huán)境治理。文章依托臺(tái)州祥和隧道，建立了計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，在有洞口橫風(fēng)，數(shù)值模擬了祥和隧道高交通流量情況下洞口及洞外污染物的分布情況。根據(jù)污染物的分布提出了環(huán)境敏感點(diǎn)的位置。要治理洞口及洞外的空氣環(huán)境，可以在環(huán)境敏感點(diǎn)布設(shè)空氣凈化設(shè)備或除塵設(shè)備。

Abstract： The pollutants at the entrance of the highway tunnel in the scenic area affect the air quality in the scenic area. The distribution of pollutants at the entrance of the tunnel and outside the tunnel is helpful to guide the air environment treatment in the scenic area. Relying on the Taizhou Xianghe Tunnel， a computational fluid dynamics （CFD） model was established to numerically simulate the distribution of pollutants at the entrance and outside the tunnel under the condition of high traffic flow in the tunnel. The location of environmentally sensitive points is proposed based on the distribution of pollutants. To treat the air environment at the entrance and outside of the cave， air purification equipment or dust removal equipment can be arranged at environmentally sensitive points.

關(guān)鍵詞：景區(qū)公路隧道;洞口污染物分布;數(shù)值模擬;環(huán)境敏感點(diǎn)

0? 引言

2018年7月31日，生態(tài)環(huán)境部部審議并原則通過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）修改單。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了環(huán)境空氣功能區(qū)分類、標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)、污染物項(xiàng)目、平均時(shí)間及濃度限值、監(jiān)測(cè)方法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性規(guī)定及實(shí)施與監(jiān)督等內(nèi)容。景區(qū)環(huán)境空氣的污染物分布成為了研究熱點(diǎn)。

2018年，哈孜亞·包浪提將[1]依托新疆喀納斯5A 級(jí)景，采用磁測(cè)和統(tǒng)計(jì)方法對(duì)道路灰塵進(jìn)行磁學(xué)特征、空間變異特征及環(huán)境意義研究。2019年，武智暉[2]依托五臺(tái)山景區(qū)，對(duì)采樣點(diǎn)的SO2、NO2、總懸浮顆粒物（TSP）、PM10進(jìn)行采樣分析，研究了污染物的時(shí)空分布特征。此外，眾多專家對(duì)較高空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的公路隧道的污染物分布規(guī)律做了研究。2019年，王明年[3]依托翔安海底隧道，分別在交通高峰期和非高峰期兩個(gè)時(shí)段對(duì)隧道內(nèi)氣壓、溫濕度、風(fēng)速、CO、NO2和 PM 濃度展開(kāi)了測(cè)試，并結(jié)合一維擴(kuò)散理論研究了污染物隨交通流的分布規(guī)律。2019年，彭余華[4]研究了毗鄰隧道洞口CO在洞外自然風(fēng)作用下的擴(kuò)散情況。

但是，景區(qū)公路隧道洞口及洞外污染物的分布規(guī)律以及治理研究較少。文章利用數(shù)值模擬研究了祥和隧道洞口及洞外污染物分布規(guī)律，根據(jù)污染物的分布位置提出了環(huán)境敏感點(diǎn)的位置。要治理洞口及洞外的空氣環(huán)境，可以在環(huán)境敏感點(diǎn)布設(shè)空氣凈化設(shè)備或除塵設(shè)備。

1? 依托工程

祥和隧道處于風(fēng)景名勝區(qū)，車輛排放污染物標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于一般公路隧道標(biāo)準(zhǔn)，按照環(huán)境空氣功能區(qū)分類為一類：一類區(qū)為自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和其他需要特殊保護(hù)的區(qū)域，其環(huán)境空氣功能區(qū)質(zhì)量要求適用于一級(jí)濃度限10ppm。

2? 數(shù)值模擬和邊界條件

2.1 隧道物理模型

模型具體如圖1所示，洞外流體計(jì)算空間設(shè)計(jì)為六面體形，其沿隧道長(zhǎng)度方向上尺寸為185m，沿隧道橫截面方向上為200m，高度為20m。

2.2 控制方程

根據(jù)本文章研究對(duì)象，基于Fluent數(shù)值模擬軟件，可將流動(dòng)視為不可壓縮的三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，數(shù)學(xué)模型采用不可壓縮恒定流的k-？著方程、SIMPLE算法，并選擇組分運(yùn)輸模型。質(zhì)量守恒方程如式（1），式中，？籽為密度;t為時(shí)間;u為速度;■為拉普拉斯算子。

動(dòng)量守恒方程如式（2），式中，g為重力加速度;f為外部施加的力矢量;t為粘性力張量;p為壓力。

能量守恒方程如式（3），式中，h為焓;qr為熱輻射通量;T為溫度。

組分質(zhì)量守恒方程如式（4），式中，Ri為單位時(shí)間內(nèi)，每單位體積的流體因化學(xué)反應(yīng)消耗或產(chǎn)生的某種物質(zhì)組分的凈生產(chǎn)（或消耗）率。Si為其他組分產(chǎn)生方式或者自定義的質(zhì)量源項(xiàng)。

2.3 污染物的設(shè)定

以CO為例，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG T D70 2-01-2014），設(shè)置模型“出口隧道”截面設(shè)置為均勻的CO散發(fā)面源，濃度為150ppm，約為空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.015%。ppm與mg/m3之間的換算式可表示為：

2.4 邊界條件

入口邊界：隧道洞口（進(jìn)），出口邊界 隧道洞口（排），壁面邊界 隧道界限，入口邊界類型 速度入口，出口邊界類型自由出流，操作溫度300K。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 工況劃分

高交通量狀態(tài)下，隧道洞口的排（進(jìn)）風(fēng)速Vo（Vi）為3.0m/s;根據(jù)景區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置洞口橫風(fēng)VC：洞口橫風(fēng)風(fēng)向由南向北VC1;0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s;洞口橫風(fēng)風(fēng)向由北向南VC2：0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s。由隧道洞口的排（進(jìn)）風(fēng)速Vo（Vi）和洞口橫風(fēng)Vc組合產(chǎn)生9中工況。

3.2 無(wú)洞口橫風(fēng)情況下，隧道洞口及洞外的CO分布研究

圖2展示了無(wú)洞口橫風(fēng)時(shí)，高交通流量時(shí)隧道洞口及洞外CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。在云圖上建立坐標(biāo)系，圖中點(diǎn)位坐標(biāo)含義為（x軸坐標(biāo)，y軸坐標(biāo)，CO濃度）。

3.3 有洞口橫風(fēng)情況下，隧道洞口及洞外的CO分布研究

以高交通流量為例，此時(shí)隧道洞口的排（進(jìn)）風(fēng)速

Vo（Vi）為3.0m/s，不同洞口橫風(fēng)情Vc況下，隧道洞口及洞外CO分布云圖如圖3所示。

3.4 隧道洞口及洞外環(huán)境敏感點(diǎn)

要對(duì)隧道洞外及洞口空氣進(jìn)行治理，推薦在環(huán)境敏感點(diǎn)布設(shè)空氣凈化設(shè)備或除塵設(shè)備。環(huán)境敏感點(diǎn)指及對(duì)景區(qū)的某類污染因子或者生態(tài)影響因子特別敏感的區(qū)域。根據(jù)隧道洞口及洞外CO分布，隧道洞口及洞外環(huán)境敏感點(diǎn)如圖4所示。

4? 結(jié)論

文章利用數(shù)值模擬研究了祥和隧道洞口及洞外污染物分布規(guī)律，根據(jù)污染物的分布位置提出了環(huán)境敏感點(diǎn)的位置，環(huán)境敏感點(diǎn)的分布如圖4所示，環(huán)境敏感點(diǎn)主要分布在隧道洞口兩側(cè)以及隧道洞外兩側(cè)。要治理洞口及洞外的空氣環(huán)境，可以在環(huán)境敏感點(diǎn)布設(shè)空氣凈化設(shè)備或除塵設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

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[2]武智暉，樊文華，劉奮武，段青倩，王坤，劉霞霞.五臺(tái)山景區(qū)空氣質(zhì)量及其時(shí)空變化特征分析[J].環(huán)境污染與防治，2015，37（06）：63-68.

[3]王明年，王旭，于麗，鄧濤.翔安海底隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境及污染物分布規(guī)律研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)：1-10[2019-12-11].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.u.20190320.1053.004.html.

[4]彭余華，傅向祥，陸昕，李璇.毗鄰隧道洞口遮陽(yáng)棚光環(huán)境及二次污染數(shù)值模擬[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（01）：23-29.

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