城市越江交通隧道排气扩散分析张嵩

城市越江交通隧道排气扩散分析张嵩

张嵩

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司）上海市200000

摘要：通过移动网格技术、CFD环境模拟技术、GIS地理信息技术与通风原理的组合与应用，模拟了不同扩散条件下，隧道排气的扩散范围。研究表明CO排放呈向高处扩散，NO2排放呈向低处扩散；排气影响高度范围为风塔高度的±10m；污染物超标浓度扩散距离一般小于300m，部分条件下可达1200m；扩散达标速度与季节性温度正相关。

关键词：城市交通隧道，排气浓度扩散，CFD仿真

1.引言

城市越江交通隧道工程面临的前期研究难题是合理确定隧道排风对周边建筑环境影响。隧道工程中为使隧道排风的污染物排放达到环保要求，通常设置高风塔的高空大气扩散的排放方式。风塔废气排放环境评价采用的高斯模式过于粗略，存在低估排风排放点近距离（300m）区域的影响。

近来建筑环境领域的数值模拟技术向中尺度模拟延伸发展，模拟技术出现新的发展，这些新技术包括移动网格技术、计算流体动力学（CFD）环境模拟技术、地理信息系统技术（GIS），这些新技术与通风技术的合理组合与应用，为解决隧道内通风的设计、优化以及污染排放方式的选择提供了技术支撑。

研究运用具有移动网格功能的数值仿真技术，对不同室外气象下，打浦路隧道复线的浦东30m高风塔的排风扩散进行模拟分析，研究在城市交通隧道的交通状况下，高风塔排放扩散影响。

2.建模条件

2.1边界条件

1）污染物散发边界条件

机动车排放系数利用《上海市机动车污染控制政策及措施研究》和《上海市道路交通规划战略环境影响评价方法及计算机集成技术支持系统研究》等项目的研究成果，结合本工程预测车型构成参数进行核算。

排风塔排放口高度30m。隧道外场计算污染物在10km/h车速阻塞工况下，CO源强为40ppm，NOx为8ppm，40km/h车速正常工况下，CO源强为20ppm，NOx为6.5ppm，其中NOx中的NO：NO2比值为9：1，夏季通风设计温度为32℃，冬季通风温度为3℃，隧道温升2℃。外场初始条件参照《打浦路隧道复线工程环境影响报告书》监测数据，CO小时浓度变化范围分别为0.38-1.50mg/m³，NO2小时浓度变化范围为0.037-0.256mg/m³，取平均值。

2）风向、风速边界条件

研究风向包括夏季的东南风向、冬季的西北风向，以及西风向。研究风速包括0.5m/s无风条件、3.3m/s最多风向平均风速、7.0m/s夏季台风平均风速。自然风具有在高度方向上呈梯度变化的特征，分析计算区域的最高海拔高度达到500m左右，需要充分考虑自然风的梯度分布。自然风随高度方向的速度满足该公式：U/U0=（H/H0）n。式中各变量的含义为：U风速，m/sec；U0基准风速，m/s；H高度，m；H0基准高度；n：风速PowerLaw指数参数（一般n在0.1～0.4之间）；Zb考虑地面粗糙度的一个粗糙高度。式中，n体现了不同的地形特征，n越大，则反映出当地的地面粗糙长度越大。结合工程周边地形及建筑状况，确定自然风的PowerLaw指数为0.4，地面粗糙度取2m。

2.2场地模型

根据工程实际地形及周边建筑状况，考虑到排风塔实际尺寸及排放浓度，充分考虑废气对周边环境的影响及建筑对废气扩散效果的影响，建模范围为3000（m）×3000（m），计算空间尺度为6000（m）×6000（m）×300（m）计算模型及相关信息如图1所示。

图1计算空间与计算模型

2.3评价标准

隧道堵车或者拥挤一般不会长时间持续，对应拥挤情况时的最大污染物排放量，选择一个相对瞬时的评价指标。分析采用《环境空气质量标准》二级标准的1小时平均值作为评价指标。CO一小时评价指标为10mg/m³，一天评价指标为4mg/m³；NO2一小时评价指标为0.24mg/m³，一天评价指标为0.12g/m³。

3.工况模拟

3.1正常工况模拟

根据周边建筑条件结合污染物自身扩散特征，在典型风速3.3m/s条件下，选取10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m几种标高平面进行分析；静止风速0.5m/s条件下，选取30m、50m、80m、110m、130m标高平面进行分析。

典型风速条件下，CO浓度最高的标高平面为30～35m，超标浓度的范围为下风向的80m～155m，扩散至背景浓度距离为310m～650mm；NO2浓度最高的标高平面为25m～35m，超标浓度的范围为下风向的80m～215m，扩散至背景浓度所需距离为100m～300m，最不利于扩散的风向是西北风。

静止风速条件下，CO浓度最高的标高平面为80～100m，超标浓度的范围为下风向的30m～40m，扩散至背景浓度距离为290m～340mm；NO2浓度最高的标高平面为70m～85m，超标浓度的范围为下风向的45m～57m，扩散至背景浓度所需距离为85m～120m，最不利于扩散的风向是西北风。

基于以上分析，NO2超标浓度扩散范围均大于CO超标浓度扩散范围，因此对于7m/s高风速状况，重点考察NO2的扩散状况。得出其浓度最高的标高平面为20m～25m，超标浓度的范围为下风向的42m～150m，扩散至背景浓度所需距离为60m～350m，最不利于扩散的风向是西北风。

3.2阻塞工况模拟

基于正常工况分析可知，高风速条件下，污染物超标距离范围低于典型风速工况，因此阻塞工况主要考虑静止风速及典型风速情况。

典型风速条件下，CO浓度最高的标高平面为30m，超标浓度的范围为下风向的30m～104m，扩散至背景浓度所需距离为400m～1200mm；NO2浓度最高的标高平面为25m～30m，超标浓度的范围为下风向的21m～105m，扩散至背景浓度所需距离为162m～340m，最不利于扩散的风向是冬季西北风条件。

静止风速条件下，CO浓度最高的标高平面为80m～100m，超标浓度