环境科学学报
ACTA　SCIENTIAE　CIRCUMSTANTIAE
1998年2月第18卷第2期科技期刊
城市交通隧道汽车废气排放环境影响的实验研究
蒋维楣　于洪彬　谢国梁　吴　涧
(南京大学大气科学系，南京 210093)
朱宏贵　孙和宁
(上海环境科学研究院，上海 200233)

摘要　利用风洞物理模拟手段，对处于城市街区的交通隧道风井塔和峒口排放污气的环境影响作了实验研究，并基于射流理论和现场实测，建立峒口污染物散布的预测模式，该模式用于模型区环境影响评价.研究表明，(1)隧道峒口污气排放有可能造成短时局地比较严重的污染影响，废气浓度可能超标，但影响范围不大，并且与周围建筑物、环境、气温和车辆运行状况等密切相关.(2)建筑物的空气动力学效应对污染物扩散有明显影响.(3)物理模拟手段具有其独到的优越性，模式计算与风洞测量结果可以互相检验比较.
关键词　交通隧道；汽车废气；城市环境影响；空气污染；风洞物理模拟.

AN EXPERIMENTAL STUDY ON ENVIRONMENTAL IMPACT OF AUTOMOBILE EXHAUST FROM URBAN TRANSPORTATION TUNNELS

Jiang Weimei,Yu Hongbin,Xie Guoliang,Wu Jian
(Dept.of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093)
Zhu Honggui,Sun Hening
(Shanghai Research Academy of Environmental Sciences,Shanghai 200233)

ABSTRACT　By using wind tunnel simulation technique and field survey and based on the jet-theory,experiments for modeling the environmental impact of automobile exhaust discharged from the ventilation tower and from the tunnel exits have been carried out.An emerical model for predicting the dispersion of air pollutants has been developed which is suitable for the assessment on environment impact in the model area.The results demonstrated that 1)automobile exhaust emitted from tunnel exits may cause serious air pollution and the concentration of waste gases may be exceeded the permission standard.However,the pollution is limited to a small area and associated to the lay out of the surrounding buildings,air temperature,and the intensity of transportation etc.;2)the aerodynamic effect of surrounding buildings affects significantly to the dispersion of the pollutants;3)the approach of physical modeling has its unique advantage and the results of model calculation and the wind-tunnel measuring data can be used for mutual verification.

Keywords　transportation tunnel,automobile exhaust,urban environmental impact,air pollution,physical simulation in wind-tunnel.
　　
1　引言
　　随着城市经济发展，交通问题愈显突出.为此，当今许多城市建设了地下隧道以求缓解城市交通紧张状况.随之带来的隧道内汽车废气排放(主要污染成份是CO)，一部分由专设的隧道风井塔抽排至地面，另一部分由于车辆运行而从峒口排出.通常隧道置于城市街区，如若设置不合理，废气的排放会对周围环境空气质量产生影响，尤其是当出现阻塞时，汽车尾气排放量很大，可能造成较为严重的环境影响.由于废气排放塔设施结构特异以及城市街区环境的复杂性，因此，局地环境影响分析的尺度小，气流复杂，要求较高的时空分辨率，现场实测研究不仅实施极其困难，也难以达到高分辨率的要求.国内外有关研究［1，2］表明，籍助于风洞流体模拟实验手段是颇有成效的.本文就某城市一座隧道风井排放塔和隧道峒口，在大气环境风洞中实施示踪气体扩散试验，分析汽车尾气对周围环境的影响.

2　隧道风井和峒口结构
　　本项试验研究对象是座落于某城市经济开发区的废气排放风井塔和隧道峒口的排放影响，峒口位于风井塔的东北方，相距约300m.风井建筑结构和排放方式特异.风井塔高49.2m，方形排放口平均高度45m，顶端四面均有排气口，以百叶窗方式排出CO污气；下部有进气窗口，吸入新鲜空气至隧道内，塔内由3上3下共6组排气和进气管路系统实施通风与排污.隧道峒口则呈八角形截面排气，并呈坡形与出口路面相接.按城市建设规划方案，以风井为中心半径500m范围内将建28幢高层建筑，最高达460m.本项试验着重分析隧道内排出的CO污气对这一建筑物群体的环境影响。

3　实验模拟研究方法
　　风洞模拟试验是将大气边界层中的现场原型搬至实验室的风洞模拟边界层里，并且根据相似原理实施［3，4］.试验以1∶500的几何缩比制作风井、峒口和高层建筑物模型在南京大学NJU大气环境风洞中进行.该风洞系一座直流吹式中性大气环境风洞.试验段呈矩形截面，宽2m，高1.4m，长16m［3］.在模型区采用乙烯(C2H4)作示踪气体扩散试验，以乙烯与空气的混合气体模拟含CO的污气，系冷的非浮升污气，排自风井和隧道峒口，在排放源下游布设采样器，由气样采集系统进行示踪气体采样，用高分辨气相色谱仪分析得到样品浓度.

4　风洞试验结果分析
　　试验是在中性层结条件下实施的，上游风廓线乘幂指数P=0.287(由现场实测提供)，由原型地面风速和排放高度的风速，计算给出风洞中模拟风速条件.试验就不同风速条件，平板街区和模型街区中的风井和峒口排放条件作示踪采样分析.蒋维楣等［2］曾对形状结构与风井塔类似的建筑物后的气流及湍流活动的特征作了细致研究.研究表明，塔的背风侧气流平均速度急剧减小，形成速度亏损区；同时也是高湍流强度的涡旋活动区，整个塔高层内都维持较高湍强；风井对气流影响的水平范围大致可及下游5—6倍风井塔高度的距离范围，垂直范围约为1倍塔高.这些建筑物尾流特征必将对污染物扩散产生明显影响.
4.1　平板街区条件下风井排放物扩散特性
　　排放源下游不同距离的示踪气体浓度的水平和垂直采样结果表明，示踪气体浓度在水平横侧向基本呈高斯分布；在离源较近范围内，浓度的垂直分布仍接近于呈高斯型，但在下游一定距离以后，则较明显地呈现烟流轴线向下偏斜特征，这主要是由于风井建筑物空气动力作用的影响.据实测浓度分布计算分析，烟流轴线向下偏斜的角度约为6度.
　　隧道中汽车车速不同，尾气排放量亦不同.通常车速越低，CO排放量越大.表1为不同车速情况下的地面轴线最高浓度.可见，怠速情况(0km/s)下由风井排放污气造成的CO最大地面浓度值最高，但仍未超过国家标准值(10mg/m3).
表1　不同车速地面轴线CO最高浓度(mg/m3)
Table 1　Maximum concentration of CO in surface axis under different speeds (mg/m3)

车速，km/h4020100
地面风速,4.8m/s0.861.601.832.75
地面风速,2.5m/s1.663.093.545.30


　　由模拟示踪气体扩散试验实测浓度的水平和垂直分布计算得到扩散参数列于表2.存在风井建筑物空气动力学影响的扩散参数值比平坦下垫面上的值大.
表2　风洞实测大气扩散参数
Table 2　Measured atmospheric diffusion parameters in the wind-tunnel

离源距离，m160300410575
σy，m53.768.597.8133.0
σz，m21.2—44.264.5

4.2　模型街区条件下风井排放扩散特性
　　街区模型含28幢高层建筑，风井排放试验得到CO地面浓度分布如图1(a)所示，图1(b)则为平板街区示踪气体地面浓度分布.由两图的比较可见，城市街区高层建筑物的存在使地面浓度分布改变，大部分采样点上的浓度值较之平板情形下要低，量值分布趋于均匀，最大浓度值偏离下风轴线.试验还就风井下游的若干建筑物作实测分析，结果表明，由于烟流轴线向下偏斜，加上建筑物的空气动力学效应，相应于排放源高度的高层建筑物上，示踪气体浓度并不太高，而地面浓度则较高.


图1　CO地面浓度水平分布实测结果
(mg/m3)
(a) 模型街区　(b) 平板街区
Fig.1　Measured results of the distribution
of surface CO concentration(mg/m3)

4.3　模型街区条件下隧道峒口排放扩散特性
　　隧道峒口气流顺道路排出，模拟试验中与风洞来流呈24度交角.图2为峒口下游地面浓度分布示例.可见，地面浓度分布符合通常的地面源排放造成的地面浓度分布规律，即峒口处浓度甚高，而随着离源距离的增大急剧衰减；至离源一定距离后的则散布范围较大，浓度分布趋于均匀.


图2　峒口排放，模型区CO地面
浓度分布(mg/m3)(地面风速2.5m/s)
Fig.2　Surface concentration distrbution inthe model area (mg/m3)
　　风洞测量结果表明，不同风速条件下，隧道峒口排出气流轴线上的浓度均随着离峒口距离的增加而迅速衰减，近距离降低很快，然后趋缓.风速越高，则浓度随距离衰减越剧烈.不同风速时，它们降至峒口处浓度的1/100的下游距离分别为240、160、140和130m.
4.4　模型街区条件下风井和峒口同时排放的扩散特性
　　风井和峒口同时排放情况下(按车速40km/h计)，模型区布设52个地面采样点，所得的地面浓度实测结果示于图3.由图示分布可见，示踪气体地面浓度存在两个明显的高值中心，其一位于离风井下游水平距离100多米处，其浓度最高值的12mg/m3；另一则位于隧道峒口附近，范围较大，其最高值超过10mg/m3.显然，前者主要是由风井排放贡献造成的，而后者则是由隧道峒口排放贡献造成的.由此可见，在隧道峒口附近地区100—200m距离范围是浓度高值区，有可能发生短时局地污染物浓度超标现象.
5　隧道峒口排放物扩散模式及预测分析
　　如上所述，隧道峒口排放污气会对周围环境造成一定影响，影响程度则与其通风方式、交通状况和气象条件等有关.分析认为，影响污气排放的因素主要有：(1)通风系统及其特征参数；(2)峒口建筑形式；(3)峒口周围建筑物；(4)峒口所处街区位置；(5)车辆运行状况；(6)峒口环境气象状况.
　　德国科隆地下交通设施研究会Meyeroltmanns在一双向交通运行的隧道峒口处进行现场示踪扩散试验，采用SF6和CBrF3作为示踪气体，对试验区实测浓度分布作了分析评价，并作校核计算总结出一个经验模式，称之为隧道峒口污染模式，简称TOP模式［5］，其表达式为


图3　峒口和风井排放，模型区CO地面
浓度实测分布(mg/m3)
(风速：2.5m/s)
Fig.3　Measured surface concentration
distrbution in the model area(mg/m3)
S(x)=S0exp［-a(x/FV)1/2］m
其中，S(x)：距峒口x处的污气平均浓度，mg/m3；S0：排出污气在出口处的浓度，mg/m3；a=3.48/V1.950exp(0.166Δt-0.203V0/u+0.313sinθ)；m=0.487+0.150V0-0.0395u；Δt=t0-tu(℃)；t0：排出污气的温度，℃；tu：峒口处环境空气温度，℃；u：峒口处环境风速，m/s；θ：排出气流与环境气流(风向)的交角，(°)；x：离峒口水平距离，m；FV：峒口出口截面积，m2；V0：峒口排出气流速度，m/s.
　　基于上述经验模式，根据本项试验条件和布置实施方案，给出修正的经验参数如下：a=3.48/V1.950exp(0.166Δt-0.2044 V0/u+0.313sinθ)；m=0.6753；FV=44.85(m2)；V0=2.694(m/s)；t0=32℃(由工程设计提供)；θ=24°.试验中取Δt=0，用TOP模式和上述经验参数作模式计算，计算结果与风洞试验实测结果比较，校核表明两者合理地相吻合，不同风速条件下的计算及比较结果示于表3，表中Cw为风洞测量值，Cm为模式计算值。可见，模式计算值有91%均落在风洞实测值的2倍范围以内，表明经试验修正后的TOP模式能够适用于本项模型区评价计算.
表3　TOP模式计算值与风洞试验实测值的比较结果
Table 3　The comparison between the measured values in the wind-tunnel and the computedvalues by the TOP model(Cw,Cm:mg/m3)

地面风速2.5 m/s3.8 m/s4.8 m/s5.5 m/s
下风距离，mCwCmCw/CmCwCmCw/CmCwCmCw/CmCwCmCw/Cm
7519.5615.181.2914.1612.261.158.2911.460.727.8010.950.71
1256.755.811.163.554.300.822.203.910.562.103.670.57
1753.022.511.201.981.721.150.901.530.590.801.410.57
2251.601.171.371.270.751.690.510.650.780.400.590.68
2750.750.581.290.530.351.510.220.290.760.200.260.77
3250.360.301.200.270.171.590.150.141.070.130.121.08
3750.180.161.120.180.082.170.070.071.000.080.061.33
4250.100.091.110.110.042.750.050.031.670.050.031.67
4750.070.051.400.050.022.500.030.021.500.020.021.33
5250.050.031.67　-　-　-0.020.011.67　-　-　-

　　TOP模式预测计算及结果分析表明：(1)以当地常年平均气温(15.8℃)和平均地面风速(3.0m/s)，就不同的风向与排出污气交角θ作预测计算，结果如表4所列.在这种情形下，隧道峒口排放污气造成的环境影响不大.(2)以不同季节的平均气温和地面风速状况，取θ=0作预测计算，结果如表5所列.可见，若峒口排放污气的温度维持不变(32℃)下，隧道峒口外界温度变化，对峒口下游污染物地面浓度的影响显著，两者温差越大，下游浓度值愈低，衰减更甚；温差变小，则反之.冬季，两者温差最大(27.2℃)，计算的地面浓度值很低；夏季，温差最小(5.8℃)，计算的浓度值最高，就影响程度而言，峒口处有时CO浓度可以相当高，但地面浓度超过10mg/m3的范围仅在下游30m处，该范围内有可能出现超标的局地污染状况.总之，模式预测计算结果表明，峒口污气排放造成对环境地面污染物浓度的贡献大小除与排放源参数有关外，还与环境风速、环境气温以及排放气流与环境气流(风向)的交角等因素密切相关，尤其Δt是模式中的一个十分敏感的参数.

表4　年平均气象状况，不同θ情况下CO地面浓度(mg/m3)预测计算结果
Table 4　Predicting results of surface CO concentration under mean meteorological condition and various θ(mg/m3)

x，mθ=0°θ=45°θ=60°θ=90°
50.9850.2810.2030.153
100.0480.0060.0040.024
150.0040.0030.0010

表5　不同季节CO地面浓度(mg/m3)预测计算结果
Table 5　Predicting results of surface CO concentration under different seasons (mg/m3)

x，m510152530405070100200
春0.1010.001300000000
夏64.0737.6724.1216.1311.154.162.310.790.190.003
秋4.680.570.100.005000000
冬0000000000


6　结语
　　本项实验研究采用风洞物理模拟手段，对由城市交通隧道风塔和峒口排放污气造成的环境影响作了较为细致的模拟研究，获得一些有意义的结果：(1)隧道风井与峒口同时排放情况下，峒口附近100—200m距离范围有可能发生短时局地污染物浓度超标现象.(2)就隧道峒口排放，由实验结果所建立的经验模式及其预测计算结果表明，环境气温和排放污气温度之差愈大，浓度值愈低；温差愈小，浓度值愈高，有可能出现超标的局地污染状况.可见，城市交通隧道的设置在一定条件下会对城市街区局地环境带来一定影响，且与许多因素，如排放源参数、环境风速，环境气温以及气流与风向的交角等有关，必须予以重视.但由本项实验所提供依据表明，这些影响的程度不甚严重，只要在工程建设和环境保护上采取一定措施是可以防止的.例如，对峒口排放影响可以在一定距离范围(如100m左右)内设置绿化隔离带等措施.本项试验研究结果亦表明采用风洞试验和经验模式预测相结合的技术途径是有效可行的，能够适应日渐增加的各类城市建设工程环境影响分析的需要.
参考文献
　1　Meroney R N et al.Wind tunnel measurements of dispersion and turbulence in the wakes of nuclear reactor plants,U.X.NRC,NUREG/CR-1475,1980
　2　蒋维楣等.局地废气排放污染影响的实验模拟.应用气象学报，1991，2(3)：234
　3　蒋维楣等.大气环境物理模拟.南京：南京大学出版社，1991
　4　Nemoto S.Simlarity between netural local wind in the at mosphere and model wind in a wind tunrel.Papers in Meteorology and Geophysics,1968,19(2):131
　5　Weyeroltmanns W,胡维撷译.隧道峒口排气扩散.环境科技动态，1991，3(6)：55
