（环境工程专业论文）竖井通风公路隧道空气质量模式研究.pdf

摘要 公路隧道的封闭空间限制机动车尾气的扩散，造成隧道内环境空气污染，从而危害 行车人员健康和行车安全。随着我国公路隧道建设规模的长大化，隧道内的空气污染问 题更加突出。本文以竖井通风公路隧道内的空气污染问题为研究对象，首先建立了竖井 通风公路隧道内的一维空气质量方程，并对方程中的参数作了灵敏度分析，随后根据竖 井通风排污口的地形条件对大气扩散模式进行了比选，在上述工作的基础上，以秦岭终 南山公路隧道为实例，对隧道内不同运营时期的空气质量状况进行了数值模拟，并对隧 道竖井排污的环境影响做了预测分析。 本研究从大气平流扩散方程出发，根据隧道内的结构特点和扩散条件，建立了竖井 通风公路隧道内空气质量模式，采用有限体积法对方程进行了差分格式的数值求解，然 后对差分方程的稳定性和守恒性进行了讨论，并对模式中参数的灵敏度进行了分析。结 果表明：机动车污染物排放强度和隧道内的纵向风速是决定隧道内空气污染物浓度大小 及其分布的主要因素。对竖井通风隧道而言，通风系数直接影响隧道内空气污染物浓度， 初始浓度和边界浓度对公路隧道内空气污染物浓度影响较小，而空气污染物的沉降作用 对隧道内浓度的影响可以忽略。 根据公路隧道空气质量模式和竖井排污扩散模式对秦岭终南山公路隧道在运营期 隧道内的空气质量和竖井口排污进行了模拟。结果表明：秦岭终南山公路隧道运营期隧 道内的主要空气污染物为c o ，在竖井全部开启情况下，c o 、h c 和n q 在运营远期( 2 0 2 5 年) 交通高峰时段的最大浓度分别为2 1 1 4 4 m g m 3 、3 0 1 2m g m 3 和8 8 3 4m g m 3 ，均不 超标，但c o 浓度值远高于h c 和n q 。3 座通风竖井对隧道内空气污染物浓度降低作 用不同，其中3 撑竖井( 距离隧道入口最远) 的浓度降低作用最明显。此外，竖井排污形 成的地面浓度随距离的增加而明显变化，且大气环境条件对竖井排污形成的污染物浓度 影响十分显著。 关键词：公路隧道、空气污染、空气质量模式、竖井通风、竖井排污 a b s t r a c t t h ed i f f u s i o no ft h ea u t o m o b i l ee x h a u s tg a s e si sl i m i t e di n s i d eah i g h w a yt u n n e ld u et ot h e r e l a t i v ec l o s e ds p a c e ，w h i c hf o r m st h ea i r p o l l u t i o ni nt h eh i g h w a yt u n n e la n dh a sar i s kt ot h e h e a l t h yo fd r i v e r sa n dt h es a f e t yo ft h ev e h i c l e sd r i v i n g t h ep r o b l e mo ft h ea i rp o l l u t i o ni n t u n n e lw i l lb em o r es e r i o u sw h e nt h et u n n e l sa r el o n g e r i nt h i st h e s i s ，t h ef o c u si so nt h e p r o b l e mo fa i rp o l l u t i o ni nh i g h w a yt u n n e lw i t hs h a f tv e n t i l a t i o n f i r s t , a c c o r d i n gt ot h e a t m o s p h e r i cd i f f u s i o ne q u a t i o n , a i rq u a l i t ym o d e lf o rh i g h w a yt u n n e li se s t a b l i s h e da n dt h e s e n s i t i v i t yo ft h ep a r a m e t e r si nt h em o d e li sa n a l y z e d t h e n ，t h ed i f f e r e n ta t m o s p h e r i c d i f f u s i o nm o d e l so ft h em o u n t a i na n dv a l l e yt e r r a i na r ec o m p a r e db a s e do nt h et e r r a i n c o n d i t i o no ft h ed r a i no u t l e t o nt h eb a s i so ft h em o d e l s ，c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h ea i r p o l l u t a n t si nq 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 li ss i m u l a t e d ，a n dt h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c to ft h es h a f t se x h a u s te m i s s i o ni sp r e d i c t e d 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 la n dd i f f u s i o nc o n d i t i o n i n s i d et h eh i g h w a yt u n n e l ，o n e d i m e n s i o na i r q u a l i t y m o d e lf o rt h ec o n c e n t r a t i o no f p o l l u t a n t si n s i d eh i g h w a yt u n n e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea t m o s p h e r i cd i f f u s i o ne q u a t i o n w i t hf i n i t e - v o l u m em e t h o d ，w eg e tt h en u m e r i c a ls o l u t i o nf r o mt h ea i rq u a l i t ym o d e lb y u s i n gd i f f e r e n c es c h e m e t h e n , s t a b i l i t ya n dc o n s e r v a t i o no ft h ed i s c r e t ee q u a t i o na r e d i s c u s s e d b e s i d e s ，t h es e n s i t i v i t yo ft h ep 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 es i m u l a t e d r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep o l l u t a n te m i s s i o nr a t ef r o m m o t o rv e h i c l e sa n dt h ew i n ds p e e da l o n g t h et u n n e la r et h ek e yf a c t o r sw h i c ha 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 no ft h ep o l l u t a n t si n t h et u n n e l f o rt h eh i g h w a yt u n n e lw i t hv e n t i l a t i o ns h a f t s ，v e n t i l a t i o np a r a m e t e ri sav e r y i m p o r t a n tf a c t o rt or e d u c et h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni n s i d et h et u n n e l a l t h o u g hi n i t i a l c o n c e n t r a t i o na n db o u n d a r yc o n c e n t r a t i o ni n s i d et h et u n n e lc a na l s oi n f l u e n c et h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n ，t h e s ea r el e s si m p o r t a n t ，a n dp o l l u t a n td e p o s i t i o no nt h er o a da n dw a l li n s i d e t h et u n n e lc a nb ea l s on e g l i g i b l e a sa ne n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h ea i rq u a l i t yi 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 y t u n n e la n dt h ei m p a c to fs h a f t se x h a u s te m i s s i o na r es i m u l a t e du s i n gt h em o d e l sp r e s e n t e di n t h et h e s i s i tt t l r n so u tt h a tc oi st h ep r i m a r ya i rp o l l u t a n ti nt h et u n n e l ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c oi ss l i g h t l yh i g h e rt h a nt h o s eo fh ca n dn o 。d u r i n gt h er u s hh o u ro ft r a f f i cc o n d i t i o ni n t h el o n g t e r mo p e r a t i o n ( i n2 0 2 5 ) ，t h em a x i m u mc o n c e n t r a t i o no fc o ，h ca n dn q a r e 211 4 4 m g m 3 ，3 0 12m e g m 3a n d8 8 3 4m e g m 3 ，r e s p e c t i v e l y a l lo ft h e md on o te x c e e dt h e p e r m i t t e dd e s i g ns t a n d a r dv a l u e s t h ec o n c e n t r a t i o nr e d u c t i o n r a t e sa r ed i f f e r e n tf o r t h et h r e e s h a f t s a n dt h er e d u c t i o nr a t ef o rt h e “r ds h a f t ( f a r aw a yf r o me n t e n t eo ft h et u n n e l ) i st h e m o s tr e m a r k a b l e t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n te m i t t e db y v e h i c l e si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t a n c e ，a n dt h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tc o n d i t i o n h a san o t i c e a b l ee f f e c to nt h ep o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o n 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 ym o d e l ；s h a f tv e n t i l a t i o n ；s h a f t e x h a u s te m i s s i o n 论文独创性声明 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： ；z 平司年月7 日 论文知识产权权属声明 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。 论文作者签名：；丑早 导师签名： 伽刁年石月7e l 伽曰年6 月，7 日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 自上世纪9 0 年代以来，我国交通事业飞速发展，公路隧道建设也取得了长足的进 步。随着国民经济的快速发展和隧道技术的不断成熟，公路隧道的建设规模也趋于长大 化，随之产生的隧道内环境污染问题也逐步引起人们的重视，而污染物对行车人员安全 和健康的影响等问题表现得尤为突出。因此，公路隧道内的空气污染和通风问题一直是 各国环境及隧道专业人员十分关注的研究课题。 1 1 概述 自2 0 世纪9 0 年代起，我国的公路建设事业进入了快速发展阶段，据统计，2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 3 0 5 x1 0 4 k m ，比“九五”期末增加了2 5 0 7 x1 0 4 k m 。近几 年，国民经济的快速发展也对公路运输业提出了更高的要求，在公路经过山岭地区时， 传统的盘山公路已不能满足人们对交通日益高速、快捷的需求，与此相比，采用公路隧 道方式更具有节约公路占地、提高运输效率和行车安全等方面的优势，它已成为目前公 路通过山地地区的首选方案。 根据交通部最新统计数据【l 】，截至2 0 0 5 年底，全国公路隧道达2 8 8 9 处，总长达 1 5 2 7 1 k m 。其中特长隧道4 3 处，长度达1 6 5 9 k m ，比上年末增加1 0 处，总长增加3 9 6 k m 。 其他隧道建设情况见表1 1 。我国目前已成为世界上拥有公路隧道数量最多的国家。 表1 1 我国公路隧道建设统计分析表( 2 0 0 5 年) 隧道分类数量处长度k m长度所占比例 特长隧道( l 3 0 0 0 m ) 4 31 6 5 91 0 8 7 长隧道( 3 0 0 0 m l 1 0 0 0 m ) 3 8 16 2 5 14 0 9 3 中隧道( 1 0 0 0 m l 5 0 0 m ) 4 8 53 4 1 82 2 3 8 短隧道( l 0 ) ( 2 1 1 ) ( w 0 情况( w 0 ，为满足上式，须。 a t 垡 ( 2 1 7 ) k 。 ( 2 ) 考虑既有扩散项又有平流项的情况 丝o t + 警毯窘 ( 2 1 8 ) 一十一= 一 iz j 缸 1 锄2 和上面的讨论一样，还是假定在第，l 步第个点上有了扰动量占。显然，当“ 0 ， 扰动在下一步会影响到下一个格点上的浓度，由( 2 1 3 ) 可知： c 爿= c + b 础缸+ 以垃，缸2 s ( 2 ， 为使计算稳定，必须使箧+ 百k x a t 卜从而得到： 址= 一 ( 2 2 0 ) w 缸+ 2 k ，缸2 ( 2 1 7 ) 和( 2 2 0 ) 是使该平流扩散方程的差分格式数值解保持稳定的两个必要条 件。 2 、差分格式的守恒性分析 平流扩散方程是关于污染物物质守恒关系的微分方程，将它化成有限差分方程后应 保持这种守恒性质，因此需要对方程差分格式的守恒性进行讨论。 对( 2 9 ) 式在x 轴上的a b 区间积分，得到： d x = - 毫w m 肛窘m r s 眨2 ， 各项积分后： 昙r c 把一m 脚小礼】郴，瓤圹( 疋孰一踯卅 ( 2 2 2 ) 上述方程表明，c 在线段彳曰上总量r c d x 随时间的变化，等于通过彳曰的两个端 点a 和b 匕的净平流通量，加匕净扩散通量和在a b 段的污染物排放量( 这罩假定s 不 第二章竖井通风长大公路隧道空气质量模式研究 随时间和空间改变) 。 设在工轴上，所有的w 0 ，方程( 2 9 ) 的差分形式如( 2 1 2 ) 所示。线段么曰两 端分别对应于格点以和以。对( 2 1 2 ) 在整个线段上求和： 砉等= 封唑掣k j = j te 薯乎，奢泣之， 舯砉 唑爿缸 = ( w c ) i 一。- ( w c ) l + ( w c ) h - ( w c ) h + ( w c ) h - ( w c ) l + ( w c ) i 一：- ( w c ) i 州 + ( w c ) k 。- ( w c ) k = ( w c ) h - ( w c ) 1 ，： ( w c ) l 小。为流入线段彳曰的平流通量，( w c ) l j ：为流出的平流通量，它们的差值表示 线段a b 上平流通量的变化率。 同理可得： 叁( 疋学) 缸2 = 以( c j t _ i - - c j r ) 一( c j z - i - - c j z ) 】， 表示线段 a b 内的扩散通量的变化率，上述两项的和表示线段a b 上浓度总和的变化率。 因此本文采用的差分格式符合守恒性质。 2 2 模式中参数的确定 2 2 1 隧道内污染物的源和汇( 岛) i 、机动车源强计算公式 方程( 2 1 3 ) 用于分段竖井通风公路隧道内时，源项主要为通过隧道机动车排放的 污染物和由隧道送风道( 竖井) 引入隧道内的空气所含的污染物两部分，由于隧道外界 的污染物本底浓度一般不高，所以由隧道引入的空气中所含污染物通常浓度很小。汇项 1 4 长安大学硕十学位论文 主要为从通风道( 竖井) 排出的污染物以及污染物在隧道内的沉积。当隧道采用多个竖 井分段通风方式时，设有力个送风道向隧道内送风，m 个排风道将隧道内的污染空气排 出隧道。则( 2 1 3 ) 式中的源和汇项昌可以表示为1 4 3 】： s f = 口i + c m t ，( x - - x j ) 一口。c i 万。一而) - k f q ( 2 2 4 ) ，= l 1 = 1 式中：g ，隧道内机动车排放i 种污染物的强度，m f f ( m 3 - s ) ； ，瓯从隧道通风系统( 竖井) 进入隧道和排出隧道空气的通风系数，1 m ； 通风系统引入隧道空气中i 种污染物的浓度，m g m 3 ； t f 种污染物在隧道内的沉降率，1 s ； 万( ) 狄拉克万函数； 8 ( x - x j ) ，万o 一西) 隧道送风道和排风道的位置，l m ： 刀，朋隧道内送风道和排风道的个数。 由上式可知，隧道内污染物的源主要为机动车流在隧道内的排放量。根据对我国机 动车污染物排放强度的研究【棚，考虑隧道的海拔高度和机动车排放因子的年际变化影响 因素，可以把进入隧道机动车污染物排放强度表示为： g 卜去萎( 1 吲”吨k 以。 2 2 5 ) 式中：g ；预测刀年f 种污染物排放强度，m g ( m 3 s ) ； 彳隧道横截面积，m 2 ； 力预测年； 刀。确定排放因子的基准年； 当机动车排放i 种污染物技术进步折减因子，； 口海拔高度因子： 丸，( y ) 堋类单车i 种污染物排放因子的车速修正系数； k 叫类机动车i 种污染物单车排放因子，g ( k m - 辆) ； 4 4 叫z 年胁类机动车小时交通量，辆l l 。 第二章竖，f ：通风长大公路隧道空气质量模式研究 其中： 厶f ( 1 ，) = a 耐+ v + e 。f 1 ，2 ( 2 2 6 ) 根据我国公路隧道的实际测量结剁4 4 1 ，确定基准年1 9 9 6 年时单车污染物排放因子 k ，取值见表2 1 ，车速修正系数中的乜。，、k 和c 。，取值见表2 2 。 表2 1 基准年( 1 9 9 6 年) 公路机动车单车污染物排放因子取值 单位：g ( k m 辆) 、 污染物 车型 c o ( 卢1 )h c ( 卢2 ) n 0 2 ( f 3 ) 轻型车( 所= 1 )3 6 2 9 13 3 1 0 2 8 8 1 中型车( 肌= 2 ) 3 3 2 4 94 5 1 94 6 7 1 重型车( 所= 3 ) 1 7 8 3 02 8 6 01 3 7 5 9 表2 2 单车污染物排放因子的车速修正系数 系数 c oh c n 0 2 车八 口bc口bc口6c 轻型车 3 6 1 6 90 0 7 3 40 0 0 0 4 32 7 3 9 20 0 4 6 60 0 0 0 2 51 1 6 8 80 0 0 8 90 0 0 0 1 1 中、重型车 2 1 3 9 8- 0 0 2 9 10 0 0 0 1 24 2 2 1 10 0 9 1 8 0 0 0 0 5 7 0 7 0 7 0- 0 0 0 2 40 0 0 0 1 7 轻型车：2 0 k r n h _ l l o k m h 时，取v = 1 。o k m h ： 使用条件 中、重型车：2 0 k m h _ _ _ v s _ 1 0 0 k m h ，当， l o o k m h 时，取v = l o o k m h ； 2 、机动车排放源强影响分析 表2 1 中的排放因子是在5 0 k m h 的车速下测得的，由( 2 2 6 ) 式和表2 2 可知，排 放因子的车速修正系数与汽车行驶速度成二次函数，当车速达到某一值时，排放因子有 最小值。实际的公路隧道内设计行车速度一般高于5 0 k m h ，因此根据机动车的行车速 度计算对应的排放因子对于确定隧道内的污染物排放量具有重要意义。 图2 1 和2 2 给出了不同车速下轻型车和中、重型车在基准年的污染物排放源强。 i e 喜 嚣 羹 囊 蜉 车速k m ，h车速k m ，h 图2 1 不同车速下轻型车排放源强图2 , 2 不同车速下中、重型车排放源强 在车型比为l ：1 ：1 的交通组成下，对于轻型车：随着车速的增加，c o 的排放强度 1 6 长安大学硕士学位论文 变化最明显，其排放强度迅速减低，车速达到8 0 k m h 时，c o 排放强度最小，随后随 车速的增加而缓慢增加。h c 的排放量隧车速增加而减小，n q 排放量随车速增加而逐 渐增加，但变化均不太明显。对于中、重型车：基本变化规律同轻型车类似，但浓度值 的变化较轻型车更为明显。随着车速的增加，c o 和h c 的排放量减少，n q 增加，当 车速在9 0 k m h 时，n q 的排放强度已接近c o 值，随着车速的继续增加，n q 排放强 度超过c o ，达到0 0 6 8 4m g ( m 3 - s ) ，而c o 降为0 0 5 5 6m g ( m 3 - s ) 。 此外，交通量的不同组成对隧道内污染物排放强度的影响也是不同的，由表2 1 可 知，轻型车和中型车的c o 排放量远大于重型车，而h c 和n q 的排放量却小于重型车。 图2 3 为车速在8 0 k m h 下，轻中重的车型比为1 ：1 ：1 、2 ：1 ：1 、2 ：2 ：1 和3 ：2 ：1 时c o 、h c 和n q 的排放强度。随着轻型车比例增加，重型车比例减小，c o 的排放强度逐渐增大， n q 的排放强度逐渐减少，而h c 基本保持在0 0 0 9 5m g ( m 3 s ) 左右，变化不大。 真实隧道内的机动车组成在短时间内会有小量的变化，而长时间的车型基本是保持 一定的比例，变化不大，因此由车型变化而引起污染物排放强度的改变发生概率很小， 影响隧道内污染物排放强度的主要因素是交通量和车速。交通量越大，则隧道内污染物 浓度越高，而车速保持在7 0 8 0 k m h 时隧道内c o 、h c 和n q 排放量相对较低。 3 、沉降作用 图2 3 不同车型比下污染物排放源强变化 隧道内空气污染物的沉降作用可用沉降系数砖反映，屯表示f 种污染物在隧道内的 沉降率，c h a n g 等【1 3 】对t u s c a r o r a 隧道内污染物的沉积系数进行了测试，结果如表2 3 所示。由表可知，除硫化物外，其他污染物的沉降系数相对较小。关于污染物沉降系数 对隧道内空气质量的影响将在下节分析。 1 7 第二章竖井通风长大公路隧道空气质量模式研究 表2 3 公路隧道内污染物沉积系数 污染物 s 0 2 t s pcs s 0 4 b ap b k i x l 0 3 ( i s ) 0 4 3 30 0 0 50 0 0 5 0 0 0 50 1 6 5 0 0 0 6 70 0 0 2 3 2 2 2 隧道内风速的确定 公路隧道内的风速是由环境自然风速、机动车在隧道内运动及隧道通风设备等因素 共同作用的结果【4 5 1 。自然风速和隧道所在地区的气候条件、隧道走向和风向的角度、隧 道洞口微地形等因素有关，具体取值应根据当地的气象统计资料来确定，一般取1 4 m s ： 机动车在隧道内运动形成的交通风速，受隧道内的车流辆、车速、机动车横截面积对隧 道横截面积的比例等因素的影响；通风设备附加的风速主要受通风设备的功率控制，单 位时间内通风量越大，则隧道内的附加风速也越大。 对于特长公路隧道而言，其风速主要是由稀释隧道内的c o 、烟雾和异味气体的需 风量决定的，自然风速和机动车运动产生的风速影响相对较小。 在隧道通风系统中，风机风流静压力变化和风流流速的变化不会明显影响通风计算 结果的精度，故将隧道内的空气视为不可压缩流体；隧道通风过程中，任意坐标点的机 械风、交通风和自然风的风压、流速都是随时间变化的，通常为计算简便将其假定为不 随时间变化，只是空间坐标的函数。 就采用竖井与射流风机组合方式的通风隧道而言，隧道内的风速是由自然通风力 ( 蛾) 、交通通风力( 够) 、隧道风流阻力( 嵋) 、射流风机压力( 叱) 、排风口升 压力( 必) 和送风口升压力( 皑) 共同作用的结果。其通风模式满足： 皑+ 必+ 叱一纰) + 蛾 ( 2 2 7 ) fi用 在实际应用中，人们通常更关心公路隧道内纵向上的总风速。出于降低运营成本和 节约能源等方面的考虑，公路隧道内的总风速不宜太大，采用竖井送排式通风方式时， 隧道内设计风速推荐值为乒8 州s 【4 6 1 。 2 2 3 纵向扩散系数( 甄) 扩散系数k 是表征湍流输送能力的量，它与湍流场的性质有关。当环境风速较大 2 时( “ 1 5 m s ) ，工方向的污染物扩散作用( 疋甭7c 项) 远小于环境风对污染物的平流 输送( a ，、cw 项) 。根据纵向扩散系数k ，对隧道内污染物扩散的影响分析4 7 1 结果表明，k ， 长安人学硕士学位论文 取值的变化对隧道内污染物浓度的影响不明显。参考对k 。的研究结果和实际取值1 5 】， 本文的纵向扩散系数选取k 。- - - 2 3 m 2 s 。 2 3 模型的灵敏度分析 灵敏度分析是对模型中的参数和输入变量进行验证，它是模型评价的重要组成部 分，模式中参数的取值不同，其对结果的影响程度也不同，灵敏度分析验证参数的改变 引起计算结果的变化是否与实际情况相符，并能确定影响模型的主要参数或变量等【4 8 1 。 2 3 1 基本假设 为了分析模式的灵敏度，构造一个长2 k m ，宽1 0 m ，高6 m 的单向公路隧道。沿隧 道长度方向( 工轴向) 划分为5 0 个步长为4 0 m 的格点，满足上述距离步长的时间步长 取1 5 s 。选取c o 作为对象，研究隧道内的污染物浓度分布。在进行灵敏度分析前，作 如下假设： ( 1 ) 隧道的横截面积彳为5 0 m 2 ，隧道内的路面坡度间，车流量为1 0 0 0 辆l l ， 行车速度为8 0 k m h ，其中轻型车、中型车和重型车的比例为2 ：2 ：1 。根据方程( 2 2 5 ) 式计算隧道内c o 排放强度为0 0 9 4 4m g ( m 3 s ) ，即o 0 7 5 5 p p m s ； ( 2 ) 隧道内的纵向风速为2 0 m s ，湍流扩散系数k 。取值为2 3m 2 s ； ( 3 ) 公路隧道外c o 的边界浓度为5 p p m ，隧道内的初始浓度为o p p m 。为讨论问 题方便，隧道内不设通风装置，关于通风参数的灵敏度分析，将在下节做分析。 2 3 2 灵敏度分析 1 、隧道内风速的影响 风速对隧道里的污染物浓度分布有重要影响，在其他参数不变的情况下( 隧道内 c o 初始浓度为o p p m ，边界浓度为5 p p m ) ，分别以风速为1 5 m s 、2 o m $ 、3 o m $ 和4 5 m s 四种情况对隧道内c o 浓度进行了模拟。图2 6 为不同风速下隧道中部( x = 1 0 0 0 m ) 和 出口处( x = 2 0 0 0 m ) c o 浓度随时间的变化曲线，图2 7 是不同风速下公路隧道内c o 浓 度随隧道纵向位置的变化情况。 由图2 6 可见，在隧道内固定点上( x = 1 0 0 0 m ) c o 浓度的最大值( 稳定浓度) 随 风速的增大而减小。在风速为1 5m s 时，经过1 3 m i n s 后c o 浓度达到最大值( 5 5 3 3 p p m ) ； 风速分别为2 0 m $ 、3 0 m s 和4 5 m s 时，公路隧道中距离入口1 0 0 0 m 处的c o 最大浓 1 9 第二章竖井通风长大公路隧道空气质量模式研究 度分别为4 2 7 5 p p m 、3 0 1 7 p p m 和2 1 7 8 p p m 。 c o 达到最大浓度所用的时间不同，风速越大， 基 皂 醚 疑 8 公路隧道内纵向风速不同时，隧道内的 c o 浓度达到最大值所用时间越短。 时间m i n s 时间m i n s 图2 6 不同风速下隧道内c o 浓度随时间的变化 距隧道入口的距离m 图2 7 不同风速下隧道内c o 浓度随距离的变化 由图2 7 可知，在公路隧道内的纵向风速恒定的条件下，隧道内的c o 浓度和隧道 纵向位置呈线性增长关系，且c o 浓度增长曲线的斜率随风速的增大而减小。 2 、机动车排放强度的影响 c&县冀oo c巳县心璐oo 长安大学硕士学位论文 公路隧道内行驶的机动车排放的尾气是隧道内空气污染的主要原因。为了研究排放 强度对公路隧道内空气污染的影响程度，本文计算了不同排放强度( o 到o 1 p p m s ) 下隧 道内固定位置上( x = l o o o m ) c o 浓度达到的最大值，见图2 8 。 堇 蓥 8 机动车排放源强i p p m l s 图2 8 机动车排放强度对隧道内c o 浓度的影响 由图可知，公路隧道内的空气污染物浓度和机动车的污染物排放强度成线性增长关 系，机动车c o 排放源强每增加o o l p p m ，则隧道内的c o 污染物浓度增加5 p p m 。 3 、沉降率的影响 污染物在隧道内的沉降作用会使污染物的浓度有所降低，而决定污染物沉降作用的 量为沉降率( 岛) 。文中以c 为例( 表2 3 ) ，分别计算了不同沉降作用( 岛为o s 、5 x l o - 6 s 和5 x l o 。5 s ) 下隧道内c o 的浓度，见图2 9 。 距隧道入口的距离，m 图2 9 不同沉降作用下隧道内c o 的浓度值 由图可知，沉降率为5 1 0 和5 1 0 4 i s 作用下的c o 浓度与不考虑沉降作用的浓 度值差异不大。在隧道出口处，不考虑沉降作用下c o 的浓度值为8 1 6 2 p p m ，而沉降 2 l 堇越蛏oo 第二章竖井通风长大公路隧道空气质量模式研究 率为5 x 1 0 6 s 和5 x 1 0 巧s 作用下的c o 浓度分别为8 1 5 7 p p m 和8 1 1 1 p p m 。分析原因主 要是由于污染物的沉降率与隧道内污染物的产生量相比，沉降作用远小于机动车的排放 量。因此，在对隧道内的污染物做预测时，对于一般的空气污染物，可忽略其沉降作用。 2 3 3 通风参数的灵敏度分析 在特长公路隧道中，采取有效的通风方式是必要的，而各种通风参数的改变则会对 隧道内的空气质量产生明显的影响。对于竖井通风隧道而言，其竖井的个数，竖井选择 的位置以及通风系数的大小都将直接影响隧道内的空气质量。 通风系数( 口) 是反映隧道内风流组织的重要参数。其中： 安，铲安 眩2 8 ， 式中：q 、瓯隧道送风和排风的通风系数； q 竖井的送风量，m 3 s ； q s i 竖井的排风量，m 3 s ； 么隧道的横截面积，m 2 。 为了分析通风系数的灵敏度，构造一个长5 k m ，宽6 m ，高5 m 的单向公路隧道。 沿隧道长度方向( 石轴向) 划分为1 0 0 个步长为5 0 m 的格点。选取c o 作为对象，研究 隧道内的污染物浓度分布。在进行灵敏度分析前，作如下假设： ( 1 ) 隧道的横截面积a 为5 0 m 2 ，隧道内的路面坡度间，车流量为1 0 0 0 辆l l ， 行车速度为8 0 k m h ，其中轻型车、中型车和重型车的比例为2 ：2 ：1 。根据方程( 2 2 5 ) 式计算隧道内c o 排放强度为0 0 9 4 4m g ( m 3 s ) ，即0 0 7 5 5 p p m s ； ( 2 ) 隧道内的纵向风速为3 0 r r d s ，湍流扩散系数k 。取值为2 3m 2 s ； ( 3 ) 公路隧道外c o 的边界浓度为5 p p m ，隧道内的初始浓度为0 p p m 。在距隧道 入口3 k m 处设竖井通风，设其通风系数和吒一致，分别取0 s 、0 0 0 1 s 、0 0 0 2 s 和 0 0 0 5 s 。忽略污染物的沉降作用，即s f = q f + 吒6 ( x - 3 0 0 0 ) 一口。c f 8 ( x - 3 0 0 0 ) 。 模拟不同通风系数下隧道内c o 浓度变化情况如图2 1 0 所示。 长安人学硕上学位论文 距隧道入1 2 1 的距离，m 图2 1 0 通风系数对隧道内c o 浓度的影响 由图可知，竖井通风系数的改变对隧道内的污染物浓度影响显著。在距隧道入口 3 0 0 0 m 以外，随着通风系数的增大，隧道内的污染物浓度逐步降低。在不设竖井的情况 在，该处的c o 浓度值为8 1 7 9 p p m ，通风系数为o 0 0 1 s 时的c o 浓度为7 6 2 9 p p m ，口 为o 0 0 2 s 和o 0 0 5 s 时c o 浓度分别降为4 3 8 2 p p m 和2 1 3 6 p p m 。采取不同通风系数的 污染物降低率分别为6 7 、4 6 4 和7 3 9 。在隧道出口处，污染物的降低率分别为 8 0 、2 9 7 和4 6 6 。 由此可见，竖井通风系数越大，隧道内污染物浓度的降低越明显。单从理论上来讲， 通风系数越大对隧道内空气质量越有利，然而在隧道实际设计和运营中还必须考虑到通 风设备的运行成本问题。公路隧道通风设施的费用一般为工程造价的2 0 - - - 3 0 ，长大 隧道甚至可达5 0 ( 隧道通风所需费用一般与隧道长度的平方成正比) ，所以考虑通风 方面的优化问题极具经济价值。因此，对于隧道通风系数的选择问题，必须从经济效益 和环境效益上综合考虑，确保使其达到最优。 2 4 数值解的网格无关性分析 在对平流扩散方程作差分格式求数值解的过程中，首先需要确定空间步长血。由 于在做差分解的过程中，假定步长血内的污染物浓度是均匀的，因此，当血选取过大 时，就会与实际情况产生较大偏差，影响了模拟的精度；但当缸选取过小时，对于长 大公路隧道而言，计算过程就要划分更多的微元，增加了计算的量和时间，并且在计算 步骤增加的过程中，计算中的误差也会不断累积，影响最终的计算结果。因此，对差分 格式的网格做无关性分析，确定计算中的合理步长是必要的。 1 、基本假设 第二章竖井通风长大公路隧道宅气质量模式研究 为使对( 2 1 3 ) 式差分格式的计算得以进行，需要对公式中的参数和变量进行赋值。 为使网格无关性的分析具有代表性，选择的隧道长度为5 k m ，高5 m ，宽8 m 。并作如下 假设： ( 1 ) 为使分析的问题简单，做简化处理。考虑隧道除洞口外，与外界环境无质量 交换，污染物的沉降作用不考虑，即公式中的源强只考虑机动车的污染物排放作用 ( 墨= q f ) 。 ( 2 ) 隧道的横截面积为7 0 m 2 ，隧道内地面坡度- - 0 ，车速v = 8 0 k m ，车流量为1 2 0 0 辆1 1 ，其中轻型车、中型车和重型车的比例为4 0 ：4 0 ：2 0 。根据方程( 2 2 5 ) 计 算得出隧道内基准年c o 排放强度为0 0 6 7 4m g ( m 3 s ) ，即o 0 5 3 9 p p m s 。 ( 3 ) 沿公路隧道纵向风速为3 m s ，截面的浓度分布均匀，水平扩散系数k 。取 2 3 m 2 s ； ( 4 ) 隧道外c o 的边界浓度为5 p p m ，隧道内空气中c o 的初始浓度为o p p m 。 采用( 2 1 3 ) 式的差分格式，选择长度计算步长a x - - 2 0 0 m 、l o o m 、5 0 m 和2 5 m 四 种情况，即沿纵向把隧道分别分割成2 5 个、5 0 个、1 0 0 个和2 0 0 个微元，依据( 2 1 7 ) 和( 2 2 0 ) 式计算得到满足上述几种情况的时间步长出分别为6 0 s 、3 0 s 、1 5 s 和6 s ( 如 图2 1 1 所示) ，其中图1 为x = 3 0 0 0 m 处的c o 浓度值，图2 为隧道出口处( x = 5 0 0 0 m ) 的c o 浓度值。图2 1 2 为3 0 m i n s 时隧道内不同位置处c o 的浓度分布情况。 毒 篓 8 时间m i n s 长安大学硕士学位论文 垂 篓 8 毒 篓 8 时间r a i n s 图2 1 1 不同空间步长下隧道内c o 浓度随时间的变化 距隧遭入口的距离，m 图2 1 2 不同空间步长下计算c o 浓度的变化 由上述图形可知，尽管在计算中步长的划分不同，但在满足( 2 1 7 ) 式和( 2 2 0 ) 式的时间步长下，不同网格划分对计算的结果影响不明显。四种网格划分计算的c o 浓 度值基本一致。以图2 1 2 为例，在隧道出口处，四种网格划分下计算的c o 浓度值分 别为9 3 0 4 p p m 、9 4 1 6 p p m 、9 4 6 3 p p m 和9 4 5 9