主题：【已应助】【求助】隧道风塔设计和污染物排放的标准 急寻 感谢

隧道出口污染物排放及控制的研究
摘要　对于单向行驶的隧道，车辆沿隧道通行，排出的废气会自隧道洞口排出，造成局部大气污染。
本文探讨了隧道出口污染物排放控制的方法，介绍了隧道出口废气扩散的机理及研究现状。

　　关键词　隧道出口　污染物控制　风塔　流场

　　Abstract　When the vehicles drive along the one-way tunnels,the waste gas discharged
from the vehicles will be exhausted to the environment through the tunnel port,resulting
in atmospheric pollution in the local district near tunnel port. The mechanism and the
research condition of the diffusion of the exhausted gas at the port of the tunnel are
introduced in this paper,in addition the pollution control method is also discussed in
this paper.

　　Key words　Tunnel Port　Pollution Control　Vent Tower　Flow Field

　　1　隧道出口废气排放的控制方案

　　为控制隧道出口由废气外排造成的污染，目前国内外常用的方法是在隧道出口建造风塔，用风机将
废气抽至风塔向高空排放，从而降低了隧道出口附近地面污染物浓度。而随之也产生了一些负面影响，
一方面建造风塔需要增加前期建设投入，还要考虑以后的运行和维护费用；另一方面风塔内的多台排气
风机日夜不停地运行，势必造成很大噪音（这也是环境污染的又一表现形式）。

　　那么，是否一定要设置风塔呢？原来设置风塔的目的是对隧道排出的高浓度废气进行高空稀释，
从而满足环保要求。因此，如果能控制废气在隧道口周围的扩散，使得废气在到达周围环境的敏感区
时已经经过充分的稀释，也就没有建造风塔的必要了。但这种方法会造成隧道出口附近有局部区域内
的污染水平超过环境空气质量标准，即产生了局部“热点”。据报道，国外许多地区的空气质量标准
中已经允许隧道口有局部“热点”存在，只要在隧道周围的敏感区（如居民住宅区）的空气质量符合
环保标准即可。

　　但风塔的建造与否，关键还是取决于隧道口周围废气排放的浓度场及流场的分布情况。对于隧道口
周围污染物的排放情况，国内外均有过研究。

　　2　隧道出口废气扩散的研究

　　从文献资料看，对隧道出口废气排放情况的研究方法大致分两类：一类是模型试验法，即按照相似
理论建立物理模型，在风洞中进行试验研究，从而获取相关结论；还有一类是数值分析或解析方法。

　　2.1　模型试验法

　　从上世纪70年代起，国外便开始了对隧道出口废气扩散情况的试验研究，早期报道的大多是有关相
邻隧道洞口气流再吸入的问题，即离开某个洞口的车辆的排气被进入洞口的车辆重新吸入隧道内。
如 Hayward，A．T.J．和 Macdonald，L．M．于 1973年在第一届空气动力学和车辆隧道通风国际会议上
发表的题为：“公路隧道模型的通风试验”论文。

　　之后，国内外又有许多科学家对隧道口废气流的扩散特性进行了研究，得出了一些有益的结论。

　　2．1.1　废气扩散机理　　Ide，Y等人通过研究，总结了影响隧道出口废气扩散的几个因素，将隧
道出口废气扩散的机理概括如下：

　　（1）由隧道出口废气排放速度的射流作用而引起的扩散；

　　（2）由通行车辆的交通混合而引起的扩散；

　　（3）由于大气中风的湍流作用而引起的扩散。
由于隧道出口周围地形条件的影响，上述三个机理之间的关系变得复杂化。但可以这样认为：从隧道口刚
出来时，排气的射流作用是主要的；随后车辆运行带来的气流混合作用变成扩散的主要机理；而经过较长
距离后，大气扩散则成为主要机理了。

　　另外，如果排气和隧道出口周围大气之间有温差的话，由于浮升力或重力的作用，会导致洞口出来的
废气向上或向下扩散。但这种扩散作用相对较弱，可先不予考虑。

　　2．1．2风洞试验的模型试验方法　　为预测隧道出口废气的扩散情况，可进行模型试验。模型试验须
按照相似原理进行：依据相似原理来模拟洞口的排放情况、洞口周围气流的湍动或扩散情况、洞口外交通量
情况、洞口周围的地形和地理情况等等。但是如果要严格按照相似原理来模拟所有这些情况的话，将是非常
困难且昂贵的，同时也是不必要的。为此，Ide，Y等人根据各种因素对废气扩散的影响程度，提出了进行风
洞试验的四种近似模型试验方法，分别为：一级“射流模型”（最简单的）、二级“交通模型”（次简单）、
三级“叠加射流模型”（较精确）和四级“叠加交通模型”（最为精确）并在风洞中根据这四种模型分别进
行了模型试验。

　　表1列出了四种模型所考虑的相似性条件。

　　表1 四种模型的相似性条件

　　待模拟的信息相　似　量考虑的相似性条件

　　叠加交通叠加射流交通模型射流模型

　　地形公路隧道气流流动湍流（扩散）排放温度（大气稳定度）隧道出口射流交通情况

　　几何尺寸雷诺数风向波动：水平　　　 　 竖直浓度变化理查德数（温度梯度）动量比交通压力

　　采用缩小的模型模型速度=原型速度

　　由表1可看出，一级“射流模型”仅考虑了最关键的参数，而其他3个模型则进一步提高了模拟精度。
随着级数由一至四递进，模型试验技术变得更复杂，质量也随之提高，相应的模型所需投资也增加了。
试验结果表明，在射流模型中，沿射流方向，浓度衰减得很快，要大于现场实测值；而在交通模型中，
在射流刚离开隧道口时，由于交通混合快速稀释，浓度迅速降低，偏离现场实测值较大，但此后浓度又增
加，和现场试验结果几乎完全吻合。而在叠加射流和叠加交通模型中，由于考虑了风向波动的影响，因而
浓度的衰减情况与试验结果吻合得较好。

　　Ide，Y.等人的研究成果对于城市隧道口废气排放的模型试验有一定的指导意义。

　　2．1．3　试验风洞的情况　　模型试验一般均在风洞内进行。Nadel，C．等人的试验在加拿大安大略
省Gulph的Rowan Williams Davies和  Irwin（RWDI）公司的流体动力实验室的边界层风洞中进行。风洞的
横截面为4．9m宽、2．4m高，在风洞地面上用粗糙的立方体和锥形螺旋线来形成模拟边界层的适当的湍流特性。
国内蒋维楣等人曾针对上海市延安东路隧道浦东洞口的废气排放情况进行过试验研究，试验在南京大学NJU环
境风洞装置内进行。风洞概况如下：NJU环境风洞为直流吹式中性大气环境风洞，全长37．7m，试验段尺寸为
宽2m，高1．4m，长16m。采用无源人工形成法构成边界层，即由城垛形挡墙、尖塔漩涡发生器和不同尺寸的
粗糙元列阵构成边界层。

　　2．1．4　运动车辆的模拟　　试验中，为模拟车辆的运动，Ide，Y和Nadel，C．等人都是采用了传送带，
将模型车辆根据所要研究的交通情况，按一定车距附着在传送带上。通过传送带的移动来模拟隧道口车辆的运
动情况，传送带的行进速度按相似原理计算得到。

　　通过以上模型试验，得出了下面一些结论：

　　(1)当外界无风时，射流长度随车速增加而减小。这是因为洞口外车辆的运行会加剧洞口废气流与周围环
境的混合。车速越大，混合效果越强，即废气流扩散越快；

　　（2）外界有风时，其射流长度通常比无风时短，说明风的存在能促进废气流与周围空气的紊流混合；

　　（3）外界有风时，若车速增加，则射流长度增加，这和无风时的情况相反。这种情况是因为车速增加时，
车辆的行进在某些程度上会阻碍风与射流的混合能力，因而导致射流变长；

　　（4）随着车速的增加，风对射流长度的影响减弱。车速较高时，有风和无风情况下射流长度趋于一致；

　　（5）在不同风速条件下，隧道洞口排出气流轴线上的废气浓度随离洞口距离的增加会迅速衰减，近距
离内衰减很快，然后趋缓；

　　（6）洞口排出废气温度与洞口处环境温度之差越大，废气离开洞口后扩散得越快，废气离开洞口后扩
散得越快，即轴线上相同距离处废气浓度越低。

　　（7）横向风往往能产生比平行风和反向风更短的射流长度。

　　这些结论，给出了隧道口废气扩散情况与其影响因素之间的定性关系。

　　另外，根据实测的试验结果，一些学者还总结得到了一些经验公式，如德国科隆地下交通设施研究会
根据其试验结果总结出了隧道出口污染物扩散经验公式，即TOP模式。

　　而国内蒋维楣等人对上海市延安东路隧道浦东洞口的废气排放情况进行的试验研究是通过对TOP模式
中的某些参数进行修正后，才适用于延安东路隧道浦东洞口废气扩散情况。

　　可见，经验公式的使用仍存在一定的局限性，需根据不同的现场情况通过试验作适当修正才可应用。

2．2 　数值分析及解析方法

　　从理论上进行分析时，隧道洞口污染物的排放情况可通过求解气体扩散方程得到。

　　对上述扩散方程进行简化处理后便得到了污染物排放的高斯模型。但高斯公式的应用要受到地形条件
的限制。一般不适用于预测隧道洞口废气的扩散情况。这时需采用数值法求解。

　　由污染物的扩散方程，再加上运动方程和连续方程，就构成了封闭的方程组，可以用数值分析法求解了。

　　利用有关方程组，采用数值计算方法，根据隧道口的地理特征、几何条件，以及外界环境情况，建立边
界条件后，即可求解隧道洞口附近CO浓度分布。

　　例如 W.K．Chow计算了出口一侧有山墙的情况下，车行隧道洞口附近CO浓度分布。他将这个问题简化为
从隧道口出来的气流遇到壁面的问题，并假设隧道排气与外界大气之间不存在温差，这样就无需求解能量方程了。

　　数值计算考虑了隧道口周围的地形特征和现场风向条件，因而可较为准确地估计洞口污染物对隧道附近居
住区的影响，从而相应地确定隧道内的通风系统。

　　3 　结论

　　（1）研究隧道出口周围的污染物排放情况及控制方案对城市环保工作非常重要；

　　（2）影响隧道口废气扩散的因素很多，如地形条件、气象条件、车辆通行情况等等，因此高斯模型已
不再适用；

　　（3）采用模型试验法可较为准确地预测洞口废气扩散情况；但模型试验的投资较大；

　　（4）前人通过试验研究，得出一些经验公式，如 TOP公式，可用来近似模拟洞口废气扩散情况。但总
的来说，由于问题本身的复杂性，经验公式只能在特定条件下与实际情况吻合得较好，当条件发生变化时，
会有偏差；

　　（5）可采用数值计算方法来预测洞口废气扩散情况。数值计算方法能方便且较好地模拟隧道口周围的
地形特征和现场风向条件，但如何模拟隧道外交通混合情况，还需进一步探讨。

　　参　考　文　献

　　1.Ide，Y，Ueyama,S.，and Black，F.Wind tunnel modeling of gas dispersion from a road portal 
uoutlet〔j〕.The science of  the total environment,1987,vol.59:211~222．

　　2.Nadel C，Vanderheyden M，Lepape M，Davies A，Wan  P, Ginzburg，H and Schathanek G．
Physical modeling of dispersion of a tunnel. portal exhaust plume．Proceeding of the 8m 
International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels．1994：847～870．

　　3.W.K.Chow.Prediction of CO level near vehicular tunnel with waiting queue〔J〕.Journal of
Environmental Engineering,1991,Vol.117,No.1:116-125

　　4.W.K.Chow.Dispersion of carbon Monoxide from a vehicular tunnel with the exit located along
a hillside 〔j〕.Tunneling and Underground Space Technology,1989,Vol.4,No.2:231~234.

　　5.陆雍森．环境评价〔M〕．第二版．上海：同济大学出版社，1999．

　　6.蒋维楣，于洪彬，谢国梁，吴涧，朱宏贵，孙和宁．城市交通隧道废气排放环境影响的实验研究〔J〕．
环境科学学报，1998，18（2）：188~192．

　　7.胡维撷．城市道路隧道废气排放影响预测［J］．地下工程与隧道．1997，2：38~43