北京运通隧道污染物排放特性与需风量预测分析

郑诗霖，李 琼，陈 纬，薛宏旺

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

根据《2021年移动源环境管理年报》[1]显示，2020年全国机动车保有量达到3.74亿辆，北京作为特大城市的代表，机动车保有量超过600万辆。城市隧道以轻型汽油车为主，排放主要污染物为CO和NOx，2012年前隧道通风工程设计只对CO需风量进行控制，随着世界各国对空气环境问题的日益重视和关注，世界道路协会(PIARC)2012年报告开始将隧道内NO2(根据隧道内NO浓度值换算后的NO2浓度值)短时间内的平均浓度1.0 ppm纳入设计标准[2]。

目前我国对隧道需风量计算有了比较系统的研究，对NOx排放的重要程度也有了逐步的认识。向操[3]根据PIARC计算某隧道中NO2的设计风量并不明显小于设计风量。邓奕雯等[4]对上海市延安东路隧道进行实测确定CO、NOx的综合排放因子远小于公路隧道相关规范，得出确定隧道中污染物排放因子，要考虑隧道的结构、交通特征。张梦琪等[5]以某隧道为例，预测三个特征年隧道CO需风量，得出洞口的CO浓度变化会影响后续计算。王东伟[6]在对南昌红谷隧道通风计算NOx相较于CO来说空气限值更容易超标成为通风计算的控制因素。李琼等[7]在对长沙市营盘路隧道实测计算模型推演中表明，机动车的污染物排放因子为动态参数直接影响到污染物浓度的计算。蔡果等[8]在对长沙交通安全研究中表明建设城市地下道路保证城镇隧道内的空气质量也可大大减少交通事故。

为此，本文以北京运通隧道为研究对象，基于预测交通量和排放因子动态更新；分析城市隧道CO、NOx排放特性；依据运通隧道机动车排放污染物浓度扩散计算模型，预测2021年、2030年和2040年近期、中期、远期隧道内污染物排放源强和浓度分布，获得设计需风量计算方法，为长直城市隧道智能化通风节能控制和环境评价提供数据支撑。

1 隧道概况

北京运通隧道位于北京市副中心，2021年1月正式通车。 隧道全线下穿，设计速度为80 km/h，车道为双向六条车道，外侧车道为大容量公交专用道。隧道封闭段长度为6310 m，隧道横断面积为82.3 m2，隧道高度为6.8 m，隧道宽度12.25 m，路面最大路段坡度为+3.5%，最长路段为993 m，坡度为+0.17%。

2021年7月，研究团队对运通隧道开展实测，实测内容包括：交通流量、交通风速、隧道内CO浓度、车型比例，由于测试时间处于隧道试运营时期，数据完整性欠缺仅作为参考，后期会对实测数据进行补充。实测测得，平均交通流量为850辆/h，平均CO浓度为5.8 ppm。

根据交通部门计算预测近、中、远期交通流量分别为1600、2098、2940辆/h。由于该隧道位于城市中心区域，隧道通风系统未采用竖井高空稀释排放污染物，隧道出口周围环境要求污染物排放限值满足无组织排放要求[9]。

2 机动车排放特性

单车排放因子是指交通流中单位机动车在单位里程内污染物的平均排放量，它能综合地评价交通流中单位机动车的排放状况，更加直观地分析交通特征对污染物排放特性的影响，对隧道内污染物排放量、需风量等计算起决定性作用。

2.1 机动车排放标准更新

我国机动车排放标准与欧洲机动车排放标准基本一致，只是每种标准起始年代不同。自2000年我国全面实施了国Ⅰ标准，通过10年的时间，我们实现了从国Ⅰ标准到国Ⅳ标准的升级，北京作为率先完成碳达峰的城市，在2020年1月起注册机动车实施国Ⅵ标准，同年7月在全国范围内实施。目前我国排放限值已与欧洲相一致。随着排放标准的严格执行，污染物排放量大幅度消减。北京市实施了进一步促进高排放老旧车淘汰更新方案(2020-2021年)，目前北京市国Ⅴ标准以上车辆占比达70%。

根据《2019年移动源环境管理年报》和PIRAC2019报告[10]，可以将我国不同排放标准机动车比例与世界道路协会PIRAC 2019报告中的数据进行对比，如图1所示。图1表明，PIRAC 2019报告中欧Ⅳ标准以上的车辆占90.9%，中国国Ⅳ以上车辆比例73.4%。北京机动车排放标准2008年开始执行国Ⅳ标准，比全国早4年。依据小汽车使用年限10～15年推算，本研究预测隧道内污染物排放量计算时，预测近期机动车主要车型为国Ⅳ；预测中期机动车主要车型为国Ⅴ；预测远期机动车主要车型为国Ⅵ。

图1 不同排放标准比例对比

2.2 单车排放因子与车速、坡度关系

世界道路协会PIARC2019报告[9]针对不同机动车给出了不同排放标准、不同坡度、不同车速下的机动车一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)基准排放因子。根据PIARC2019报告中汽油车欧4、5、6排放因子，预测近期、中期和远期CO、NOx排放因子与车速、坡度的关系，如图2所示。相同车速条件下，坡度越大单车排放因子越高，相同坡度条件下，车速越高单车排放因子越大；远期情况下，CO、NOx排放因子都明显降低，远期NOx排放因子平均降低约为近期的1/3， NOx平均排放因子从2.6 g/h降为1.0 g/h。

图2 近中远期单车排放因子与车速、坡度关系

3 计算方法

3.1 隧道内污染物浓度

机动车流排放的污染物主要受主隧道空气交通风速的影响，沿机动车行驶方向在隧道内进行对流传质，主隧道x方向处污染物浓度由式(1)进行计算。

(1)

式中，C(x)为主隧道x方向处污染物浓度，mg·m-3；A为地下道路断面面积，m2；N为机动车交通量，veh/h；qex(v,i)为A类区域小型车CO、NOx的单车排放因子与车速和道路坡度相关；v为机动车车速；Cinr为匝道入口污染物浓度，mg·m-3；x为距洞口距离，m；Vr为隧道内平均交通风速，m·s-1。

其中，交通风速Vr根据文献[4]中风速模型进行求解，它与隧道结构、交通流量、平均车速等相关。小汽车排放CO、NOx污染物单车排放因子qex(v,i)根据2.2节中的图2中的数据确定。

3.2 污染物排放量

PIARC2019版本针对机动车污染物单车排放量给出了计算公式，由于本隧道汽车类型单一，根据实际路况进行简化得出式(2)。

Q=qex(v,i)·fh·ft·fe

(2)

式中，Q为CO、NOx的单车排放量，g/(h)；qex(v,i)为A类区域小型车CO、NOx的单车排放因子与车速和道路坡度相关，为图2中所示的单车排放因子，g/(h)；fh为海拔修正系数，北京地区取1；ft为年度修正系数，见表1；fe为其他技术标准影响因素，针对运通隧道计算取1。

表1 小型汽车时间修正系数

3.3 需风量

根据PIARC2019报告给出计算公式进行需风量计算，由于本隧道汽车类型单一，根据实际路况进行简化得出式(3)和式(4)。

CO需风量计算如下：

(3)

NOx需风量计算如下：

(4)

单车排放因子为隧道内污染物浓度计算的关键参数，由PIARC2019报告中给出在不同车速、坡度下各排量的机动车单车排放因子，对隧道内污染物浓度分布进行预测，再由污染物排放量公式(2)算出隧道内机动车排放量，最后由需风量计算公式算出稀释污染物所需需风量。

4 计算结果分析

4.1 浓度分布

根据3.1节中的公式(1)可以计算不同工况条件下的浓度分布。阻塞工况(平均车速10 km/h)计算结果如图3和4所示。图3为隧道内CO在近期、中期、远期的浓度分布情况，远期洞口CO浓度最大。浓度累计因素三个特征年污染物浓度与距洞口距离成正比，在出口处浓度累计至最高值。机动车单车排放因子随机动车更新降低，机动车保有量升高，隧道三个时期污染物排放总量相比没有明显变化。隧道内CO浓度最高值出现在远期阻塞工况，其值为7.5 mg/m3，高于文献[9]中无组织排放CO浓度限值3 mg/m3的2.5倍。

图3 CO浓度预测(阻塞工况)

图4所示为NOx近期、中期、远期三个特征年份在隧道内阻塞工况的浓度分布情况，浓度分布趋势大体与CO相同，区别在于NOx浓度最高值出现在近期阻塞工况。原因为国Ⅳ排放标准的机动车NOx排放因子高于国Ⅴ、国Ⅵ的排放因子，阻塞工况下国Ⅳ类型的机动车NOx排放因子是国Ⅵ排放因子2.5倍，其峰值为0.83 mg/m3，高于文献[9]中无组织NOx要求的0.12 mg/m3浓度限值6.9倍。阻塞工况NOx浓度主要影响因素是污染物NOx排放量，NOx浓度控制成为需风量确定的重点。

图4 NOx浓度预测(阻塞工况)

4.2 设计需风量

根据公式(3)和(4)分段需风量计算如图5、图6所示。分段计算根据每段不同的车流量、污染物浓度、坡度等来确定各段排放污染物所需风量，指导各段风机的开启运行。

由图5、图6可看出，CO与NOx排放所需风量变化规律相似。三个时期隧道排放CO、NOx所需风量预测结果显示，阻塞工况下近期所需需风量高于中期、远期需风量。近期排放CO需风量是远期排放CO需风量的2.1倍、近期排放NOx需风量是远期排放NOx需风量的2.0倍。对比图5、图6可知，在隧道5000 m处，NOx最大需风量为近期的46755 m3/s，CO最大需风量为近期的22260 m3/s，NOx最大需风量是CO需风量的2.25倍。由图5、图6还可以清楚比较出无论近期、中期、远期排放NOx所需风量高于排放CO所需风量，可见稀释NOx需风量为今后隧道通风设计的重点。

图5 不同排量阻塞工况CO需风量计算

图6 不同排量阻塞工况NOx需风量计算

不同于以往机动车保有量增加设计风量要对应增加的理念，通过本次预测结果看出近期NOx的需风量为最不利工况，风机风量布置可根据近期NOx需风量进行设计。对于运通隧道而言，风机段2、3分布路线较长，因此稀释污染物所需风量较高，在通风控制时要作为重点控制对象。

5 结论

(1) 机动车更新受排放限值减小影响下单车排放因子不断减小，虽然机动车保有量逐年增加但将近期、中期、远期三个特征年份的污染物排放因子相比较，远期的排放因子显著降低，CO平均排放因子从近期的30 g/h降到15 g/h，NOx平均排放因子2.6 g/h降低1.0 g/h，排放因子的动态更新等基础数据直接影响‘污染物浓度预测准确性’与‘风机选型’。

(2) 对北京运通隧道近期、中期、远期进行污染物浓度分布预测，最不利工况及阻塞工况下NOx需风量约为CO需风量的2.1倍，对于运营隧道风机开启与未建成隧道的风机选择应将排放NOx所需风量作为考虑重点。

(3) 隧道监控中心对风机管控缺少明确规定，避免风机乱开造成能源浪费要通过隧道风机的合理运行。北京运通隧道在试运营阶段交通流量、污染物浓度远小于预测值与限定浓度，对风机管控可不严格执行，待交通流量上涨后可结合预测数据与实测数据，以预测需风量为基础数据支持对风机制定合理管控规划，实现隧道节能控制。