多点进出城市地下道路污染物扩散特性研究进展

李琼+陈超+袁浩庭+王陆瑶

摘 要：该文基于“复杂结构城市地下道路污染物排放与扩散特性及其建模理论研究”国家自然科学基金的研究成果，基于复杂结构特征的交通通风力的污染物扩散机理，提出一套城市地下道路机动车污染物扩散建模求解方法，为我国城市地下道路通风设计与安全运营、建设项目环境影响评价提供技术方法支撑。

关键词：多点进出城市地下道路 实测 污染物扩散模型 浓度分布 工程应用

中图分类号：TU751 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0101-03

与一般公路隧道不同的是，城市地下道路位于城市中心区且结构复杂，坡道多、岔道多、转弯路段多、出入口多，甚至出现地下立交。这种复杂的结构形式和道路功能特点，使隧道内交通特征（车型比例、平均车速、交通流量等）发生了很大变化[1]，由此引发了机动车排放特性、交通通风力的变化，进而影响了隧道内机动车排放污染物的扩散与分布特性，这些变化都是直接影响并关联隧道内污染物浓度通风控制方式以及通风工程设计方法确定的关键因素。

1 污染物排放现状

该项目参与的课题组2011年10月至2015年7月先后多次对北京、上海、长沙等城市的城市地下道路交通通风力和污染物浓度水平在交通高峰时段进行了大量的现场实测调查[2，3]。比较长沙市营盘路湘江隧道（多点进出隧道）和上海市延安东路隧道（直隧道）实测结果（图1）可发现，受交通通风力、合流匝道带入隧道外空气量、分流匝道带出污染物等综合作用的影响，长沙多点进出隧道主隧道内污染物浓度分布特性已不再是类似上海直隧道的呈单值上升规律，特别是分流匝道后主隧道污染物浓度出现明显下降。

另外，以轻型汽油车为主的城市地下道路，主要控制污染物为CO，但是CO浓度水平已远低于《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）[4]的100 ppm限值，也显著低于世界道路协会（PIRAC） 2012报告[5]的70 ppm限值，实测出口CO平均值约为20.3 ppm。

2 多口进出城市地下道路污染物扩散与预测模型

多口进出城市地下道路污染物扩散模型（图2）。污染物扩散方程在直隧道内主要应用为一维稳态对流传质方程[6]，方程包括对流项和机动车排放源项。式（2）等号左边为对流传质项，等号右边第1项为机动车排放源项，第2项为i条合流匝道带入污染物源项，第3项为j条分流匝道带出污染物汇项。通过实测和模型实验研究[7]，已知隧道结构参数、交通风速、主隧道和匝道入口污染物浓度、匝道分流比例C1-3j，由方程（1）可得多点进出隧道污染物浓度分布。由方程（1）可预测长沙隧道污染物浓度分布为式（2）。

按照式（2）计算出通过分流匝道后主隧道污染物浓度分布，模型计算结果与实测结果比较，如图3所示。模型与实测结果之间的平均误差为6.65%。模型计算值与实测结果之间的平均相关系数为0.941 9。

3 工程应用

3.1 工程概况

前海城市地下道为城市主干道，双洞单向，主线隧道长约4.639 km。前海隧道结构复杂，与周边地块及交通枢纽有许多相连的匝道，进出地面匝道的出入口有12个，进出地下匝道的出入口有5个。前海主隧道设计车型比例为：大客车5%，小客车95%，主车道设计行车速度为50 km/h，出入匝道为20 km/h。

3.2 成果应用

该文以2007年实测排放因子按年限进行修正，得到近期工况（2040年）CO及NO2排放因子，并以此计算隧道内污染物浓度分布。计算结果表明，设计工况及预测工况下隧道内污染物浓度未超标；阻塞工况（图4）下车辆行驶速度较低，产生的交通通风力有限，同时由于隧道107段长度较长，污染物在该段内不易扩散出去造成浓度堆积，使该段内的污染物浓度超标，需要采取机械通风手段降低该段污染物浓度。

4 下一步研究计划与建议

当污染物浓度超标时，如果简单全线开启风机，将导致通风系统能耗无谓增大。所以如何合理有效地控制城市地下道路的通风系统，对污染物超标点进行针对性控制，使地下道路内污染物浓度满足环境标准，成为重点的研究问题之一。

參考文献

[1] 李琼，陈超，李俊梅，等.基于城市地下道路污染物排放特性的交通特征调研[J].上海理工大学学报，2012，34（5）：456-460.

[2] Li Q，Chen C，Deng Y，et al.Influence of traffic force on pollutant dispersion of CO，NO and particle matter（PM 2.5）measured in an urban tunnel in Changsha，China[J].Tunnelling & Underground Space Technology，2015（49）：400-407.

[3] Deng Y，Chen C，Li Q，et al.Measurements of real-world vehicle CO and NOx fleet average emissions in urban tunnels of two cities in China[J].Atmospheric Environment，2015（122）：417-426.

[4] 中华人民共和国交通部.JTG/T D70/2-20-2014，公路隧道通风设计细则[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[5] PIARC-World Road Association， PIARC technical committee on road tunnels operation （C5）.Road tunnels： Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation[R]. France，2012.

[6] Bellasio R.Modeling traffic air pollution in road tunnels[J].Atmos.Environ.，1997，31（10）：1539-1551.

[7] 孟伟.雪峰山隧道通风系统模型试验[D].华中科技大学，2004.