景区公路隧道洞口及洞外污染物分布数值模拟研究

杨学成

摘要：景区公路隧道洞口污染物影响景区空气质量，隧道洞口及洞外污染物的分布有利于指导景区空气环境治理。文章依托台州祥和隧道，建立了计算流体力学（CFD）模型，在有洞口横风，数值模拟了祥和隧道高交通流量情况下洞口及洞外污染物的分布情况。根据污染物的分布提出了环境敏感点的位置。要治理洞口及洞外的空气环境，可以在环境敏感点布设空气净化设备或除尘设备。

Abstract： The pollutants at the entrance of the highway tunnel in the scenic area affect the air quality in the scenic area. The distribution of pollutants at the entrance of the tunnel and outside the tunnel is helpful to guide the air environment treatment in the scenic area. Relying on the Taizhou Xianghe Tunnel， a computational fluid dynamics （CFD） model was established to numerically simulate the distribution of pollutants at the entrance and outside the tunnel under the condition of high traffic flow in the tunnel. The location of environmentally sensitive points is proposed based on the distribution of pollutants. To treat the air environment at the entrance and outside of the cave， air purification equipment or dust removal equipment can be arranged at environmentally sensitive points.

关键词：景区公路隧道;洞口污染物分布;数值模拟;环境敏感点

0  引言

2018年7月31日，生态环境部部审议并原则通过《环境空气质量标准》（GB3095-2012）修改单。标准规定了环境空气功能区分类、标准分级、污染物项目、平均时间及浓度限值、监测方法、数据统计的有效性规定及实施与监督等内容。景区环境空气的污染物分布成为了研究热点。

2018年，哈孜亚·包浪提将[1]依托新疆喀纳斯5A 级景，采用磁测和统计方法对道路灰尘进行磁学特征、空间变异特征及环境意义研究。2019年，武智晖[2]依托五台山景区，对采样点的SO2、NO2、总悬浮颗粒物（TSP）、PM10进行采样分析，研究了污染物的时空分布特征。此外，众多专家对较高空气质量标准的公路隧道的污染物分布規律做了研究。2019年，王明年[3]依托翔安海底隧道，分别在交通高峰期和非高峰期两个时段对隧道内气压、温湿度、风速、CO、NO2和 PM 浓度展开了测试，并结合一维扩散理论研究了污染物随交通流的分布规律。2019年，彭余华[4]研究了毗邻隧道洞口CO在洞外自然风作用下的扩散情况。

但是，景区公路隧道洞口及洞外污染物的分布规律以及治理研究较少。文章利用数值模拟研究了祥和隧道洞口及洞外污染物分布规律，根据污染物的分布位置提出了环境敏感点的位置。要治理洞口及洞外的空气环境，可以在环境敏感点布设空气净化设备或除尘设备。

1  依托工程

祥和隧道处于风景名胜区，车辆排放污染物标准应高于一般公路隧道标准，按照环境空气功能区分类为一类：一类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域，其环境空气功能区质量要求适用于一级浓度限10ppm。

2  数值模拟和边界条件

2.1 隧道物理模型

模型具体如图1所示，洞外流体计算空间设计为六面体形，其沿隧道长度方向上尺寸为185m，沿隧道横截面方向上为200m，高度为20m。

2.2 控制方程

根据本文章研究对象，基于Fluent数值模拟软件，可将流动视为不可压缩的三维稳态流动，数学模型采用不可压缩恒定流的k-？着方程、SIMPLE算法，并选择组分运输模型。质量守恒方程如式（1），式中，？籽为密度;t为时间;u为速度;■为拉普拉斯算子。

动量守恒方程如式（2），式中，g为重力加速度;f为外部施加的力矢量;t为粘性力张量;p为压力。

能量守恒方程如式（3），式中，h为焓;qr为热辐射通量;T为温度。

组分质量守恒方程如式（4），式中，Ri为单位时间内，每单位体积的流体因化学反应消耗或产生的某种物质组分的净生产（或消耗）率。Si为其他组分产生方式或者自定义的质量源项。

2.3 污染物的设定

以CO为例，根据《公路隧道通风照明设计规范》（JTG T D70 2-01-2014），设置模型“出口隧道”截面设置为均匀的CO散发面源，浓度为150ppm，约为空气的质量分数的0.015%。ppm与mg/m3之间的换算式可表示为：

2.4 边界条件

入口边界：隧道洞口（进），出口边界 隧道洞口（排），壁面边界 隧道界限，入口边界类型 速度入口，出口边界类型自由出流，操作温度300K。

3  数值模拟结果

3.1 工况划分

高交通量状态下，隧道洞口的排（进）风速Vo（Vi）为3.0m/s;根据景区的气象数据，设置洞口横风VC：洞口横风风向由南向北VC1;0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s;洞口横风风向由北向南VC2：0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s。由隧道洞口的排（进）风速Vo（Vi）和洞口横风Vc组合产生9中工况。

3.2 无洞口横风情况下，隧道洞口及洞外的CO分布研究

图2展示了无洞口横风时，高交通流量时隧道洞口及洞外CO质量分数分布云图。在云图上建立坐标系，图中点位坐标含义为（x轴坐标，y轴坐标，CO浓度）。

3.3 有洞口横风情况下，隧道洞口及洞外的CO分布研究

以高交通流量为例，此时隧道洞口的排（进）风速

Vo（Vi）为3.0m/s，不同洞口横风情Vc况下，隧道洞口及洞外CO分布云图如图3所示。

3.4 隧道洞口及洞外环境敏感点

要对隧道洞外及洞口空气进行治理，推荐在环境敏感点布设空气净化设备或除尘设备。环境敏感点指及对景区的某类污染因子或者生态影响因子特别敏感的区域。根据隧道洞口及洞外CO分布，隧道洞口及洞外环境敏感点如图4所示。

4  结论

文章利用数值模拟研究了祥和隧道洞口及洞外污染物分布规律，根据污染物的分布位置提出了环境敏感点的位置，环境敏感点的分布如图4所示，环境敏感点主要分布在隧道洞口两侧以及隧道洞外两侧。要治理洞口及洞外的空气环境，可以在环境敏感点布设空气净化设备或除尘设备。

参考文献：

[1]哈孜亞·包浪提将，陈学刚.新疆喀纳斯景区道路灰尘的磁学特征及环境意义[J].地球与环境，2018，46（06）：542-550.

[2]武智晖，樊文华，刘奋武，段青倩，王坤，刘霞霞.五台山景区空气质量及其时空变化特征分析[J].环境污染与防治，2015，37（06）：63-68.

[3]王明年，王旭，于丽，邓涛.翔安海底隧道运营环境及污染物分布规律研究[J].西南交通大学学报：1-10[2019-12-11].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.u.20190320.1053.004.html.

[4]彭余华，傅向祥，陆昕，李璇.毗邻隧道洞口遮阳棚光环境及二次污染数值模拟[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2019，38（01）：23-29.

[5]徐湃，蒋树屏，邢荣军，陈建忠.公路隧道防洞口窜流治理研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2014，33（06）：40-44.

[6]沈勇，朱凯，李鹏世，方建华，吴珂.近接隧道污染物窜流特性与通风能耗分析[J].地下空间与工程学报，2017，13（S1）：404-408.