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公路隧道空气质量模拟与控制 陈文艺( 环境工程) 导师：邓顺熙教授 摘要 公路隧道是一个相对封闭的空间，隧道内的大气扩散过程受到限制，机动车排放 的污染物在隧道内不断积聚，污染隧道空气环境，危害隧道安全。本论文以公路隧道 内的空气污染问题为研究对象，以确保人体健康和机动车行驶安全为公路隧道内空气 质量控制的主要目标，首先对公路隧道空气污染和污染物进行了介绍，接着研究了公 路隧道主要空气污染物浓度的控制限值、空气质量模式、模式中参数的灵敏度等问题。 在建立模式的基础上，以秦岭终南山公路隧道为实例，对隧道内的空气质量进行了数 值分析。 本研究从c o b u r n f o r s t e r - k a n e 方程出发，计算了人体血液中c o h b 浓度和暴露时 间及c o 浓度的关系，并以人体血液中碳氧血红蛋白浓度 c o h b 不高于2 o 为基准， 确定了不同通行时间下公路隧道内c o 浓度设计限值，结果表明秦岭终南山公路隧道 的通行车速为4 0 k m h 时，隧道内c o 浓度限值约为1 0 5 p p m 。 针对公路隧道的结构特点，本文从大气扩散方程出发，建立了公路隧道内空气质 量的一维模式，用有限体积方法对模式进行了数值求解，并对求解过程的稳定性进行 了讨论。为了了解各工程及环境条件对隧道内空气污染物浓度分布的影响，我们对模 式中输入参数对输出结果的影响进行了灵敏度分析。结果表明，隧道内的纵向风速、 机动车排放污染物的强度是影响隧道内污染物浓度及其分布的主要因素，初始浓度和 边界浓度对公路隧道内污染物浓度的影响相对较小，受隧道狭长空间结构的限制，大 气扩散过程对隧道内空气污染物浓度的影响几乎可以忽略。 秦岭终南山公路隧道作为世界最长的双向山岭公路隧道，其空气污染问题十分突 出。本文根据公路隧道空气质量模式对秦岭终南山公路隧道营运期的空气质量进行了 模拟。结果表明，秦岭终南山公路隧道内最主要的空气污染物是c o ，h c 和n o 。的 浓度要低得多。在隧道内纵向风速为2 5 m s 时，隧道营运近期( 2 0 1 0 年) 交通高峰 时段隧道出洞口附近的c o 浓度为1 5 7 p p m ，营运中期( 2 0 1 5 年) 交通高峰时段隧道 出洞1 3 附近的c o 浓度为2 0 4 p p m ，营运远期( 2 0 2 0 年2 0 2 5 年) 采用竖井通风后隧 道内的c o 浓度下降明显。 关键词：公路隧道；空气污染；空气质量模拟；灵敏度分析 t h es i m u l a t i o na n dc o n t r o lo f a i rq u a l i t yi n s i d er o a dt u n n e l c h e nw e n y i ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f d e n gs h u n x i a b s t r a c t h i g h w a yt u n n e li sar e l a t i v eo b t u r a t es p a c e ，s ot h ea t m o s p h e r i cd i f f u s i o np r o c e s si s l i m i t e da n dt h ea i rp o l l u t a n t se m i t t e db ym o t o rv e h i c l e sp a s s i n gt h et u n n e lc u m u l a t eu pt oa l l i g hl e v e li n s i d eh i g h w a yt u n n e l d e p r e s s i n gt h ea i rq u a l i t ya n de n d a n g e r i n gt h es a f e t yo f v e h i c l e sd r i v i n gt h r o u g ht h et u n n e l i nt h i sp a p e r , t h ef o c u si sp l a c e do nt h ep r o b l e mo fa i r p o l l u t i o ni nh i g h w a yt u n n e l ，a n dt h ep r i m ep u r p o s eo fh i g h w a yt u n n e l sa i rq u a l i t y p r o t e c t i o ni st om a k es u r et h a ti ti sh e a l t h yf o rh u m a na n ds a f ef o rv e h i c l e st op a s st h r o u g h a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , w eh a v ea ni n t r o d u c t i o no fa i rp o l l u t i o na n di t sh a r m f u l n e s s i n s i d eh i g h w a yt u n n e l ，t h e nt h ec o n c e n t r a t i o nl i m i tl e v e lo fc o ，t h ea i rq u a l i t ym o d e li n h i g h w a yt u n n e la n ds e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h em o d e l sp a r a m e t e r sa r ec o n d u c t e d o nt h e b a s i so ft h em o d e l ，t h ea i rp o l l u t i o n si nt h eq i n l i n gz h o n g n a n s h a nh i g h w a yt u n n e la r e s i m u l a t e d i nt h i sp a p e r , w ec a l c u l a t e dt h ef r a c t i o no fc o h bi nh u m a nb l o o da saf u n c t i o no f e x p o s u r e t i m ea n dc oc o n c e n t r a t i o ni nt h ea i rb r e a t h e do nt h eb a s i so ft h e c o b u r n - f o r s t e r - k a n ee q u a t i o n ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc oc o n c e n t r a t i o nu p p e r l i m i ta n dt h et i m et h ev e h i c l e sp a s s i n gt h r o u g ht h eh i g h w a yt u n n e li sb u i l tu pi no r d e rt o m a k es u r et h a tt h ef r a c t i o no f c o h bi nh u m a nb l o o dd o s en o te x c e e d2 0p e r c e n t t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ec oc o n c e n t r a t i o nu p p e rl i m i ti s10 5 p p mw h e nt h ev e h i c l e sp a s st h r o u g h t h eq i n l i n gz h o n g n a n s h a nh i g h w a yt u n n e la tt h es p e e do f 4 0 k m h a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g h w a yt u n n e l ，a no n e d i m e n s i o n n u m e r i c a lm o d e lf o rt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fa i rp o l l u t a n t si n s i d eh i g h w a yt u n n e l i se s t a b l i s h e db a s e do i lt h ee q u a t i o no fa t m o s p h e r i cd i f f u s i o n t h eo n e - d i m e n s i o ne q u a t i o n i ss o l v e du s i n gf i n i t e v o l u m em o d e l ，a n dt h es t a b i l i t yo fs o l u t i o np r o c e s si sa l s od i s c u s s e d i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fs o m es t r u c t u r a la n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so n p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n si n s i d et h et u n n e l ，t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h e p a r a m e t e r si nt h em o d e li sc a r r i e do u t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw i n ds p e e da l o n gt h et u n n e l a n dt h ep o l l u t a n te m i s s i o nr a t e sf r o mm o t o rv e h i c l e sa r et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a t a f f e c tt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n so ft h ep o l l u t a n t si nt h et u n n e l ，t h ee f f e c t so fi n i t i a l p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n sa n db o u n d a r yc o n c e n t r a t i o n sa r el e s si m p o r t a n tt h a nt h ew i n d s p e e da n dt h ep o l l u t a n te m i s s i o nr a t e s l i m i t e db yt h es p a c eo ft h et u n n e l ，t h ee f f e c to f a t m o s p h e r i cd i f f u s i o np r o c e s so nt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n si n s i d et h et u n n e l c a nb en e g l e c t t h ea i rp o l l u t i o ni n s i d et h eq i n l i n gz h o n g n a n s h a nh i g h w a yt u n n e l - - t h el o n g e s t t u n n e lp a s s i n gm o u n t a i ni nt h ew o r l d i sq u i t es e r i o u s t h ea i rq u a l i t yi n s i d et h et u n n e li n r u n n i n gp e r i o di ss i m u l a t e du s i n gt h em o d e le s t a b l i s h e di nt h ep a p e r , t h er e s u l ts u g g e s t s t h a tc oi st h ep r i m a r ya i rp o l l u t a n t si n s i d eh i g h w a yt u n n e l ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fh c a n dn o xa r el o w e rc o r r e s p o n d i n g l y u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ew i n ds p e e di n s i d et h e t u n n e li s2 5 m s ，t h ec oc o n c e n t r a t i o n sn e a rt h ee x i tp o r t a lo ft h et u n n e lw i l lb e15 7 p p m d u r i n gt h er u s hh o u ro f t r a f f i ci nt h en e a rf u t u r e ( 2 0 1 0y e a r ) i nt h em i d t e r m ( 2 01 5y e a r ) ， t h ec oc o n c e n t r a t i o nn e a rt h ee x p o r to ft h et u n n e lw i l li n c r e a s et o2 0 4 p p m i nt h e l o n g t e r m ( 2 0 2 0 2 0 2 5y e a r ) ，t h ea i rq u a l i t yi n s i d et h et u n n e lw i l ld e c r e a s eo b v i o u s l y w h e nt h es h a f t sa r eo p e r a t i n g k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ；a i rp o l l u t i o n ；a i rq u a l i t ys i m u l a t i o n ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 论支匏刨住声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 际生衫 形年6 月6 日 论支知识产仅仅属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等 权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或 成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：像蔓剖嗡辞6 月e ) 曰 导师签名：q ”l 乏弓础7 月g 日 第1 章前言 1 1 问题的提出 一 中国是一个多山的国家，山地和丘陵面积约占国土总面积的2 3 。近年来我国的公 路建设事业发展迅速，而公路通过山区和丘陵地区的方式有两种：一是采用盘山公路 的方式，另一种就是开挖公路隧道。由于采用公路隧道方式相比盘山公路具有节省公 路用地，减少生态破坏面积，缩短公路里程，提高运输效率等多方面的优势，已成为 公路通过山地和重丘地区的第一选择。 从2 0 世纪9 0 年代开始，我国的公路建设事业进入快速发展时期。与此同时，国 民经济的发展对公路运输提出了高速、快捷的要求，公路隧道的建设取得了长足的进 步。根据交通部最新的统计数据，截止2 0 0 4 年底，我国公路总里程达到了 1 8 7 0 7 x 1 0 4 k m ，公路隧道达2 4 9 5 处，总长达1 2 4 5 6 k m 。其中长度大于3 0 0 0 m 的特长 公路隧道3 3 处，总长达1 2 6 3 k m ，长度在1 0 0 0 m 3 0 0 0 m 的长隧道2 9 9 处，总长4 9 3 3 k m ， 我国已成为世界上拥有公路隧道数量最多的国家，见表1 - 1 。 表1 - 1我国公路隧道统计分析表( 2 0 0 4 年) 分类数量处长度g m所占比例 特长隧道( l 一 3 0 0 0 m )3 31 2 631 0 1 4 长隧道( 3 0 0 0 m l 1 0 0 0 m ) 2 9 94 9 3 33 9 6 0 中隧道( 1 0 0 0 m l 5 0 0 m ) 4 2 8 2 9 7 82 3 9 1 短隧道( l 7 0 o 不吸烟者的生理标准 体弱者心脏功能下降；血流量发生改变；同时，经过长期暴露红血 球浓度发生变化 视力减弱，警觉性7 f 降，最大工作能力受到限制 吸烟者的常规值。为此，吸烟者通过比不吸烟者产生更多的红血球 来作为补偿，就像高海拔地区的人群对低压环境作出补偿一样 轻度头痛，无精打采，呼吸困难，皮肤中的血球张大，视觉异常， 对胎儿有潜在危害 重度头痛，恶心，肢体动作异常 四肢无力，恶心，呕吐，视觉模糊，重度头痛，易怒，判断力下降 昏厥，痉挛，昏迷 昏迷，心跳和呼吸受到抑制，有时会致命 致命 注：表中c o h b 浓度是指m 液中c o h b 占血红蛋白的百分比。 2 氮氧化物( n o 。) 机动车排放的尾气中含有大量的氮氧化物( n o 、) ，主要为n o 和n 0 2 ，其中n o 占 机动车排放的总氮氧化物的9 0 以上。n o 能够与0 2 发生化学反应生成n 0 2 ，其反应 速度与n o 的浓度有关”6 2 ”。 n o 。能和血液中的血红蛋白结合生成亚硝基血红蛋白，使血液中的高铁血红蛋白 含量上升。，导致红细胞携带氧气的能力下降，引起人体缺氧。n o 。和c o 在对人体 健康的毒害机理上具有相似性，但是n o ，和血红蛋白的结合能力的相关常数尚缺乏具 体报道。 3 隧道颗粒物 大气颗粒物对人体健康的危害程度受颗粒物粒径的影响很大，颗粒物粒径越小， 其对人体健康的影响就越大。空气动力学直径 1 0 i _ u n 的颗粒物般不会被人吸入肺的 深部，对健康的影响较小；空气动力学直径。 ) ，光在经过污染空气时被颗粒物反射或吸收，但粒径大的颗粒物相对容易 沉降到地面；当颗粒物的粒径过小时( d ) ，光可以从颗粒之间穿过，不被吸收， 也不被散射；颗粒物的粒径和波长相近时( d 一五) ，光经过污染空气时发生散射作用， 透过率降低，导致能见度下降。 颗粒物对光的传播过程的影响机理见图2 2 所示。 眼睛 光被散射光直接穿过空气到眼睛 匿) 光经过多次反射到眼睛( 弓光被吸收 图2 2 颗粒物对光传播过程的影响示意图 可见，光在被颗粒物污染的空气中的传播过程的途径：部分光线被颗粒物散射， 到达接收器( 眼睛) 的光线强度减弱；部分光线经过颗粒物的多次反射到达接受器 ( 眼睛) ；光线直接穿过污染空气到达眼睛；光波被污染空气吸收。 公路隧道内机动车排放的颗粒物粒径范围在o 4 7 3 0 p a n 之间，其中又以粒径在 o 7 0 8 , a m 之间的颗粒物数量最多，与可见光的波长( 0 3 0 6 9 m ) 相近，粒径大于 1g m 的颗粒物数量浓度很小。故在受颗粒物污染的公路隧道内，光线在传播过程中发 生散射是隧道内能见度下降的主要原因。 2 1 、4 公路隧道空气污染物浓度限值的研究对象 o 在公路隧道内，由于机动车排放的空气污染物成分很多，不同空气污染物的浓度 和对环境的影响相差很大，故在公路隧道的环保和通风设计中对所有空气污染物的浓 度限值进行计算将非常困难，在实际上也没有必要。科学地选择浓度较大、危害性高 的空气污染物作为公路隧道内空气质量控制的研究对象，并确定其在公路隧道内的浓 度限值，可以为公路隧道安全考虑和通风系统设计提供依据。 在公路隧道内，确定空气污染物的浓度限值是以保证在公路隧道内行驶的机动车 的行车安全和司乘人员的健康为原则的。”。公路隧道内空气污染物主要来自于机动车 排放的尾气。虽然空气污染物质的种类繁多，但研究“2 1 表明，c o 以其毒性大，在公路 隧道内浓度最高，且在隧道环境中难以发生化学转化等特性，被认为是对人体健康和 交通安全影响最大的空气污染物。另外一种显著影响隧道营运安全的空气污染物是机 动车排放的颗粒物。隧道内存在较高浓度的颗粒物会显著影响公路隧道内的照明效果， 导致隧道内的能见度下降，从而影响公路隧道内的行车安全。因此，目前国内外对公 路隧道内污染物浓度设计限值的研究，主要是针对c o 浓度和颗粒物浓度而建立的。 不可忽略的是，n o 。和c o 在对人体健康的影响机理上具有相当的相似性：n o 。 和c o 均能够优先和血红蛋白结合，使血液携带0 2 的能力受到限制，人体暴露在n o ， 或c o 浓度较高的环境中会出现缺氧反应。人体缺氧会导致人的意识和运动反应能力 的下降。对于机动车驾驶人员来说，反应能力的下降意味着增加了发生交通事故的可 能性。另一方面，机动车尾气中n o ，的排放量也较大，其对公路隧道内的空气质量和 人的健康的影响不可忽视，但是n o 。和血红蛋白结合力的相关常数还有待深入研究。 因此，本论文关于公路隧道内空气污染物浓度限值的研究主要是针对c o 和颗粒 物进行的，但在隧道内c o 浓度限值的研究过程中，考虑了n o 。在对人体健康的影响 和c o 对人体健康影响的相似性。 2 2 公路隧道内c o 浓度控制限值 2 2 1 公路隧道内c o 浓度控制目标 公路隧道内高浓度的c o 对人体健康和行为能力的影响非常明显。隧道内机动车 驾驶人员的行为反应能力( 如视力、时间间隔辨别能力、肌体反应速度等) 的下降， 将增大发生交通事故的风险，故确定公路隧道内c o 浓度的设计限值，应以把c o 浓 度控制在不影响隧道内机动车驾驶人员的行为反应能力为目标。这个对人体健康和交 通安全的c o 浓度，就是公路隧道内c o 浓度的设计限值。 根据表2 2 中c o 对人体行为的影响程度，血液中c o h b 含量达到血红蛋白的 2 5 3 o 时己对人体的血液循环系统产生不良影响。另有资料表明。“，人体血液中 c o h b 含量达到血红蛋白的2 5 时，人对时间的辨别能力会下降。对于在公路隧道内 的机动车驾驶人员来说，对时间的辨别能力下降意味着对突发情况作出反应需要花费 更多的时间，这将影响到机动车辆的行驶安全。另外，考虑到公路隧道内n o 。等其他 空气污染物对人体的影响，本文采用把人体血液中的c 0 h b 的含量占血红蛋白的比例 控制在2 o 以下，作为建立公路隧道内c o 浓度控制限值的基准。 2 2 2 人体血液中c o h b 浓度的理论模型 1 血液中c o h b 浓度方程c o b 呦- f o r s t e r - k a n e 方程 研究表明。“，在通过公路隧道的过程中，人体吸收c o 的速率与人体血液中c o h b 浓度的关系可用以下方程描述： 坐型：v 一堕竺型坠 ! + 旦盟 )co(2-1 一一一十一 ， d t 0 2 h b m1 d l + ( p b p a s o ) ，k1 d i + ( p b p n 2 0 ) k 式中：塑掣人体吸入c o 的净速率，m l m i n ； n o 一一人体产生c o 的速率，m l m i m c o h b 卜一血液中碳氧血红蛋白含量，用单位体积血液含c o 的体积表示，m l m l ； 【o ：h b 】血液中氧合血红蛋白的含量，用单位体积血液含0 2 的体积表示，m l m l ；p o ，肺部氧气分压，m m h g ； m h a l d a l l e 常数，表示c o 和血液的亲和力与0 2 与血液亲和力的比值； d 。c o 在人体肺部的质量转换系数，m l ( m i n m m h g ) ； p b 一大气压力，m m h g ： p h 2 0 水蒸气压力，m m h g ； k 大气与肺部活性区( 肺泡) 之间的空气交换率，m l m i n ； p c o 一呼吸空气中c o 的分压，m m h g 。 方程( 2 一1 ) 被称为c o b u m f o r s t e r k a n e 方程，可以用来计算暴露在c o 环境中任 意时间时血液中c o h b 的浓度大小。 2 c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程的解 在方程( 2 1 ) 中，若假设在单位时间内人体血液吸收c o 的数量和血液中c o h b 数量的增量是相等的，即d c o 】兰v 。d c o t i b ，其中k 是人体血液的总体积，并且假设 方程( 2 1 ) 右边只有 c o h b 是变量。在以上假设条件下对方程( 2 1 ) 进行积分，可 得到以下解析解： 型蒜蓑豢2 e x p ( a c o h b bp一舞 协z ， o 一o c ob k 其中：a = p o ，( m 0 2 h b ，b = ( 1 d l ) + ( p b p n 2 0 ) 吆。 这就是c o b u r n f o r s t e r - k a n e 方程的解，具体求解过程可参见附录l 。由于在求解 c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程解析解的过程中作了只有 c o h b 是变量的假设，而实际上在 血液中c o h b 浓度增大的同时0 2 h b 浓度会显著下降，故0 2 h b 浓度并非是一个恒定的 量，这就影响了c o b u r n f o r s t e r - k a n e 方程解析解的应用领域。 3 c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程的数值求解 考虑其他变量后，求c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程的解析解遇到困难。为得到人体暴 露在含有c o 气体的环境里血液中的c o h b 浓度和暴露时间的关系，可以用数值方法 对c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程进行求解。 和求c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程的解析解样，我们假设d c o 】_ k d c o h b 】，并且 假定在一个很短的时间步长r 内，血液中的c o h b 浓度保持稳定。把 d c o 】_ v b d c o h b 代入方程( 2 1 ) ，并记b = ( 1 d l ) + ( p 。一p h ，o ) ，得 vbdcohb一vc 一+ (23)o c o h b p o , i p c o f 2 一面丽百+ 了 “。 在f 一0 时，d tza t ，d c o h b z c o h b ，+ 。一 c o h b ，方程( 2 - 3 ) 可化为 其中 【里q 盟! 丝二匹q 盟：堡+ 里垃一堕竺堕垒： ( 2 4 ) a t b kb k 0 2 h b ，m c o h b ，、 c o h b ，+ ，分别为f 、t + a t 时血液中碳氧血红蛋白浓度，m l m l 0 2 h b ，时间t 时血液中氧合血红蛋白的浓度，m l m l 。 实验研究表明“”， c o h b n 0 2 h b l g 在n t n 数关系 【0 2 h b c = 0 2 h b m a x m c o h b 】f ( 2 - 5 ) 其0 0 0 2 h b 。为正常状况下血液中的氧合血红蛋白浓度，约为0 2 0 m l m l 。把方程 ( 2 - 5 ) 代入方程( 2 - 4 ) ，并整理得 【c o h b 】+ 。_ c 。h b ”悟+ 嚣一瓦而硒 c o h b b 一 , p - c 0 20 h b f ) - r ( 2 - 6 ) 方程( 2 6 ) 就是c o b u r n - f o r s t e r - k a n e 方程的差分方程。在给出血液中的碳氧血红 蛋白的初始浓度 c o h b o 时，可以计算得在c o 环境下任意暴露时间时血液中的碳氧血 红蛋白浓度。 由于工程上常用血液中的c o h b 占血红蛋自的百分比来表示c o h b 的浓度，而正 常情况下人体血液中血红蛋白的含量可以用 0 2 h b 。浓度来表示，故用方程( 2 6 ) 计 算血液中c o h b 浓度时需进行以下转换： c o h b 4 c o h b o 2 0 ( m l m l )( 2 - 7 ) 其中c o h b 为血液中的c o h b 数量占血红蛋白数量的百分比。 4 方程中各参数的确定 ( i ) 人体血液中碳氧血红蛋白初始浓度 c o h b o 正常人血液中c o h b 约占血红蛋白含量的o 1 0 7 。，文献 2 5 推荐采用c o h b 占血红蛋白含量的o 8 作为人体血液中碳氧血红蛋白的初始值。根据方程( 2 7 ) ，用 血液体积比例来表示的碳氧血红蛋白初始浓度 0 2 h b o = 0 0 0 1 6 ( m l m l ) 。 ( 2 ) 肺部氧气分压p 。， 在大气中氧气的分压和氧气的含量成正比，约为1 5 8 m m h g ，但是在肺部，由于有 一部分氧气和血液中的血红蛋白结合，生成氧合血红蛋白 0 2 h b ，故在肺部测得的氧 气分压要小于大气中的氧气分压。根据文献 2 5 ，肺部氧气分压p o ，。1 0 0 m m h g 。 ( 3 ) 其它参数 根据世界卫生组织( w h o ) 和相关文献资料“，其余参数选择如下： h a l d a n e 常数m = 2 1 8 ： c o 在人体肺部的质量转换系数d l = 3 0 m l ( r a i nm m h g ) ； 人体产生c o 的速率o = o 0 0 7 m l m i n ； 肺部大气压力p b = 7 5 0 m m h g ； 肺部水蒸气压力p h ，o = 4 7 m m h g ； 大气与肺泡之间的空气交换率k = 6 0 0 0 m l m i n ； 成年人体血液体积( 7 0 k g 重男士) v b = 5 5 0 0 m l 。 5 方程的可靠性验证 为了验证用c o b u r n - f o r s t e r - k a n e 方程计算血液中c o h b 浓度的可靠性，世界卫生 组织( w h o ) 进行了一系列的实验研究。”，得到了人体暴露在6 组不同的c o 浓度( 分 别为2 5 p p m 、5 0 p p m 、1 0 0 p p m 、2 0 0 p p m 、5 0 0 p p m ；1 0 0 0 p p m ) 下，不同时间时血液中 c o h b 浓度值。图2 2 为世界卫生组织对实验数据和用c o b u r n f o r s t e r - k a n e 方程计算 的c o h b 浓度曲线的比较图。由图可见，用c o b u m f o r s t e r - k a n e 方程计算得到的血液 中c o h b 浓度和世界卫生组织进行的实测研究相一致。 图2 - 2m 7 5 - 程( 2 6 ) 计算的c o h b 浓度与实验数据的比较( 图片来自文献 3 1 ) 2 2 3 人体血液中c o h b 浓度变化规律 图2 3 是用方程( 2 6 ) 计算的一组人体暴露于不同浓度c o 下( 分别为5 p p m 、1 5 p p m 、 2 5 p p m 、5 0 p p m 、1 0 0 p p m 、1 5 0 p p m 、2 0 0 p p m 、5 0 0 p p m ) 血液中碳氧血红蛋白浓度( 以 c o h b 占血红蛋白的百分比来表示) 随暴露时间的变化关系。 如 沁 ， ： 芝巡蒜一q。兰电肇 5 葶4 篓s 害2 誊 0 5 4 芝 链3 鉴 蚕2 量1 0 2 5 2 0 交1 5 疑 害1 0 誓5 0 5 p p m 0 5 誉4 毯3 避 g z 彗 o 1 5 p p m ( 一 4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 0 暴露时间m i n 蓐一羞； o 5 0 女4 0 通3 0 蔗 昙2 0 蓍1 0 o 4 0 08 0 01 2 0 0 1 6 0 02 0 0 0 暴露时间m i n i 臣 2 5 2 0 芝 型1 5 避 暑l o 詈5 鼍 o 2 5 g 2 0 遗1 5 妊 害1 0 彗5 o 4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 暴露时间m in 5 0 p p m 厂jj。 04 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 暴露时间m i n 厂 ， 77 。 04 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 0 暴露时间m i n 声i 一一i 蔓2 0 畦0 p p m 一 04 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 暴露时间m i n 5 0 4 0 芝 毯3 0 蠖 兽2 0 1 茎l o o 4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 暴露时间m in 04 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 暴露时间m i n 图2 - 3 人体暴露于含c 0 空气里血液中c o h b 浓度随暴露时间的变化关系 从图2 3 中曲线可以看出，人体血液中的c o h b 浓度随暴露时间的延长而增大 且在暴露的前一时段增长较快。随着暴露时间的持续，血液中的 c o h b 在达到某一浓 度后不再继续升高，且血液中能够达到的c o h b 最大浓度和人体暴露空气中的c o 浓 6 度有关。 人体长时间暴露在c o 浓度为5 p p m 的空气中，血液中的c o h b 浓度不会明显升 高；当空气中的c o 浓度不高于1 5 p p m 时，人体连续暴露2 4 小时后血液中c o h b 占 血红蛋白的含量不超过2 5 ，不会明显影响人体的健康；但是人体长时间暴露在含有 更高浓度的c o 的空气中时，血液中的c o h b 浓度将达到较高的水平。人体连续暴露 在c o 浓度为1 5 0 p p m 的空气中1 小时后，血液中的c o h b 浓度将达到4 5 ，会导致 人的视力减弱，警觉性下降，最大工作能力受到限制。 空气中c o 浓度为5 p p m ( 约6 m g m 3 ) 反映了城市交通稠密区的c o 污染情况。根 据广州市空气中c o 浓度的实测资料。“，公路主干线两侧等交通稠密区空气中的c o 月均浓度在4 6 m g m 3 之间，说明城市交通稠密区空气中的c o 气体对人体行为能力 无明显影响。相对于城市空气，公路隧道内的c o 浓度要高得多。另一方面，人体在 公路隧道环境中的暴露时间较短，以我国己建设的最长的公路隧道秦岭终南山公 路隧道为例，其长度为1 8 0 2 k m ，若机动车以平均6 0 k m h 的速度通过，需历时1 8 0 2 分钟。因此，研究人体短期暴露在含较高浓度c o 的空气里血液中c o h b 浓度的变化 非常重要。 图2 - 4 为人体暴露在含c o 空气中前2 0 分钟血液中c o h b 浓度随时间的变化情况， 图2 5 为暴露时间固定时血液中c o h b 浓度和c o 浓度的关系。可以看出，暴露在同 一c o 浓度的空气，人体血液中的c o h b 浓度和暴露时间呈一次线性关系：另一方面， 在相同的暴露时间下，血液中c o h b 浓度和空气中的c o 浓度呈一次线性增长。 4 誉 型3 避 吾2 u 子 饕1 鲁 o o51 01 52 0 暴露时间m i n 2 - 4 短期内血液中 c o h b 和暴露时间的关系 2 2 4 公路隧道内c 0 浓度控制限值 1 隧道长度、车速与暴露时间 4 誉 型3 鹾 舌2 u - 2 - 溪1 鲁 0 2 55 07 51 0 0 1 2 5 1 5 0l7 52 0 0 空气中c o 浓度p p “ 图 图2 - 5 短期内血液中 c o h b 和c 0 浓度的关系 机动车通过公路隧道所用的时间，和隧道的长度及机动车的行驶速度有关。公路 隧道长度越长，则意味着机动车通过隧道需要更多的时间，机动车司乘人员暴露在含 c o 空气里的时间也更长，需要采用更严格的c o 浓度控制限值以保护人体健康。反之， 对于较短的公路隧道可以采用较高的c o 浓度控制限值，以节约投资和营运成本。 正常情况下车辆通过隧道所用的时间( 即人体在含c o 空体中的暴露时间) 由卞 式确定 f ：6 0 l( 2 8 )f = l z 一6j v 式中：卜一机动车通过隧道所用时间，m i n ； 上隧道长度，k m ； 1 平均车速，k m h 。 表2 3 给出了机动车以不同的速度( 1 0 8 0 k m h ) 通过我国最长的公路隧道 秦岭终南山公路隧道( 全长1 8 0 2 k i n ) 时所用的时间，其中车速为1 0 k m h 和2 0 k m h 代表在交通堵塞情况下的通行速度。 表2 - 3机动车以不同车速通过秦岭终南山公路隧道所用的时间 平均车速( k r r 汕) 1 02 03 0 4 05 06 07 08 0 通过时间r a i n 1 0 8 15 4 13 6 02 7 o2 1 61 8 01 5 41 3 5 2 c o 浓度限值与暴露时间 人体暴露在不同浓度c o 的空气中，血液中c o h b 浓度达到某一既定值所用的时 间并不一样。基于人体健康和交通安全的考虑，人员随机动车通过公路隧道时，必须 把血液中的c o h b 浓度控制在对人体健康相对安全( 即人体不会出现明显的不良反应) 的水平以下。根据血液中c o h b 浓度对人体生理的影响程度，确定以血液中碳氧血红 蛋白含量 c o h b l 占血红蛋白的2 0 作为公路隧道内c o 浓度控制的基准。图2 - 6 为血 液中c o h b 浓度达到2 0 时暴露时间和暴露空气中c o 浓度的关系。 6 0 0 5 0 0 萎4 0 0 交3 0 0 鬈2 0 0 u1 0 0 0 51 01 52 02 53 03 54 0 暴露时间m i n 图2 6 血液中c o h b 浓度达到20 ，i 所用时间与暴露空气中c 0 浓度的关系 在把人体血液中c o h b 浓度控制在2 o 以下的条件下，机动车以不同的速度通过 秦岭终南山公路隧道时，对应的隧道内c o 浓度设计限值见表2 - 4 。 表2 - 4不同车速条件下秦岭终南山公路隧道内c 0 浓度设计限值 平均车速( k n l ，1 1 ) 1 02 03 04 05 0 6 07 08 0 通过时间r a i n1 0 8 15 4 1 3 6 0 2 7 o2 1 61 8 01 5 41 3 5 c o 浓度限值p p m 3 25 6 8 11 0 51 3 0 1 5 41 7 92 0 3 可见，在公路隧道的设计中，采用不同的机动车通行速度对隧道内c o 浓度的设 计限值的影响非常大。以秦岭终南山公路隧道为例，在隧道处于交通堵滞的情况下( 平 均车速为2 0 k m h ) ，隧道内c o 浓度的控制限值约为5 6 p p m ；在机动车以4 0k m h 的速 度通过隧道时，隧道内的c o 浓度控制限值可以放宽到1 0 5 p p m 。 公路隧道内空气污染物浓度控制限值的变化对隧道的通风量和运行成本的影响重 大，因此，在隧道设计中合理确定机动车的通行速度对于隧道空气污染控制和隧道通 风工程具有重大意义。 2 3 公路隧道内颗粒物浓度控制限值 2 3 1 隧道交通安全与能见度 1 隧道安全能见度 在公路隧道中，机动车( 特别是柴油车) 排放的颗粒物在空气中的积聚，会导致 公路隧道内能见度的下降，影响机动车在隧道内的行驶安全。因此，公路隧道内颗粒 物浓度控