祥和隧道污染物分布規(guī)律研究

胡北

摘 要：在較為密閉的公路隧道中，其污染物來源于汽車尾氣的排放，分別為一氧化碳、氮級化物和顆粒物等。一氧化碳極易與人體的血紅蛋白結(jié)合，造成組織窒息，對人體全身細胞均有毒性作用。二氧化氮可增強哮喘受試者對非特異性藥物和過敏源的支氣管反應，這些均會對人體造成傷害。因此文章研究隧道內(nèi)污染物分布規(guī)律，得出隧道內(nèi)污染物分布情況，為降低隧道內(nèi)人員受污染程度提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：祥和隧道;污染物;數(shù)值模擬;車流工況劃分;交通風;計算流體力學

0 引言

祥和隧道為典型的雙洞分離式長隧道，其內(nèi)車流量較大，車輛排放較多尾氣嚴重影響隧道內(nèi)人員安全。為改善隧道運營期間空氣質(zhì)量，保障內(nèi)部人員安全，對祥和隧道進行污染物分布規(guī)律研究很有必要[1-3]。

國內(nèi)關(guān)于公路隧道污染物濃度分布方面的研究仍處于探索階段。胡宇峰等[4]研究了汽車隧道內(nèi)空氣流動及污染擴散問題，對隧道內(nèi)各種通風豎井進行簡化，建立了隧道內(nèi)空氣總的運動方程;重慶大學雷玉勇等[5]對公路隧道內(nèi)的空氣污染物來源進行了研究，認為CO，NO和顆粒物是隧道內(nèi)的主要污染物。本文根據(jù)依托項目對運營期間隧道污染物分布規(guī)律進行研究。

1? ? 工程概況

祥和隧道為雙洞分離式長隧道，其長度為1 792 m/1 654 m，地處杭紹臺高速南部，屬亞熱帶季風氣候，隧道內(nèi)車流量較大，車輛尾氣產(chǎn)生較多污染物，影響洞內(nèi)人員安全。

由于實際交通情況復雜多變，數(shù)值模擬根據(jù)交通擁堵狀態(tài)劃分交通流仿真工況。參考Skycomp的擁堵評價體系，劃分3種仿真工況，分別為自由流工況、輕度擁堵工況、中度擁堵工況。對應的行駛速度分別為85 km/h、60 km/h以及40 km/h。3種工況內(nèi)的平均車隊長度為420 m。3種交通流下，每條車道的平均車輛間距分別為85 m、55 m以及35 m。每一類交通流工況再根據(jù)車型占比不同細分3類，交通流全部工況如表1所示。工況5的車流模型如圖1所示（根據(jù)隧道左洞建立模型）。

2? ? 理論方法

文章采用數(shù)值模擬方法以得到隧道污染物在不同交通流下的分布情況，根據(jù)祥和隧道預測交通流組成，借用COPERT IV模型，建立起祥和隧道污染物排放模型，計算分析不同工況下不同污染物在祥和隧道內(nèi)的宏觀分布規(guī)律。

（1）建立祥和隧道模型（模型四周均為大氣壓力邊界條件，不考慮排出廢氣溫度與環(huán)境溫度差值），利用Fluent仿真軟件進行隧道污染物排放仿真：選取不同交通流量工況下對應的隧道洞口風速作為隧道洞口進排風速度，根據(jù)污染物質(zhì)量分數(shù)分布圖，分析祥和隧道不同進排風速度下污染物擴散的基本規(guī)律，確定污染物敏感點。

（2）該模型分為兩個區(qū)域：一個包含整個解決方案域的背景區(qū)域和幾個包含移動車輛的過高區(qū)域。對于背景區(qū)域，天花板、風扇、隧道內(nèi)外的地板以及垂直方向上的表面被視為處于防滑墻狀態(tài)。將隧道入口和除外部區(qū)域中的地板以外的所有表面設置為零靜壓力的壓力出口。其他表面設置為對稱平面。對于超車區(qū)域，假定轎廂表面處于防滑墻狀態(tài)。車輛排氣管被設置為速度出口。根據(jù)覆蓋網(wǎng)格方法，將其他曲面設置為覆蓋網(wǎng)格界面。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果得到不同位置和車速下CO濃度隨時間變化的分布情況，由于工況較多，故僅選取工況4進行展示，工況4污染物濃度分布情況如圖2所示（Z為隧道內(nèi)高度）。

車輛剛進入隧道由于尾氣排放隧道內(nèi)污染物濃度開始遞增，但在500 m左右，車輛行駛帶來的交通風使洞內(nèi)污染物逐漸擴散并趨于穩(wěn)定。

4? ? 結(jié)語

（1）沿隧道內(nèi)的交通方向污染物累積非常顯著，呼吸區(qū)（0.5～1.5 m高）的最大CO和NOx污染程度分別為暴露極限的7.74和5.01倍。即使車輛以中速（60 km/h）或高速（85 km/h）的速度移動，通風系統(tǒng)也應繼續(xù)工作以降低隧道內(nèi)的污染物濃度。

（2）在所有工況下，在呼吸區(qū)域中出現(xiàn)CO在Z=0.5 m時，在不同的車速下獲得了具有污染物濃度倒U形分布。然而除了在隧道內(nèi)車輛運動開始時，1.5 m平面內(nèi)污染物濃度隨時間的增加和減少是相當平滑的。在所有工況下，在隧道內(nèi)車輛運動期間，Z=1.5 m處的污染物濃度分布急劇增加。

（3）祥和隧道內(nèi)污染物濃度分布敏感點為距入口洞口500 m處，可增加適當除污設備。

[參考文獻]

[1]馬因韜，劉啟漢，雷國強，等.機動車排放模型的應用及其適用性比較[J].北京大學學報（自然科學版），2008（2）：308-316.

[2]程穎，于雷，王宏圖，等.基于PEMS的MOBILE與COPERT排放模型對比研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2011（3）：176-181.

[3]呂海明.機動車尾氣污染與防治措施研究[J].低碳世界，2015（15）：7-8.

[4]胡宇峰.汽車隧道內(nèi)氣流及污染問題研究[D].南京：南京航空航天大學，2003.

[5]雷玉勇，李曉紅，盧義玉，等.公路隧道空氣污染治理的研究進展[J].環(huán)境科學進展，1998（2）：41-45.

（編輯 王雪芬）