复杂结构城市地下道路污染物排放与扩散特性及其建模理论研究

The environment safety issues caused by motor vehicle emissions pollutants are increasingly becoming the focus of attention. The level of the motor vehicle pollutants emissions and diffusion directly affect the environmental quality of surrounding living and working areas because of urban underground road with complex structure is located in the city center area. It is an important work of tunnel engineering to reduce the concentration of air pollution in the tunnel through the ventilation. However, the beginning of the research on the environmental impact assessment of urban underground road is relatively late in China. The references of tunnel ventilation design, including the vehicle pollutant emissions factor, pollutants diffusion and forecast modle and the air demand, stem largely from the developed countries or the highway tunnel, and a set of ventilation design theories and methods is lacking. Therefore, As research subjects in a complex structure of urban underground roads, a set of vehicle emissions, the diffusion modeling technology, solving methods and ventilation control methods will be presented to guide urban of underground roads ventilation design. As the main line to the stream pollutant emissions from motor vehicles and diffusion theories modeling, and as the starting point to study the traffic characteristics and emissions characteristics, this method can systematically research the pollutant diffusion mechanism based on the traffic ventilation force and the environmental humidity for complex structural characteristics. It will provide theories and technical support for the urban underground roads ventilation design in China, security operations and the environmental impact assessment of construction projects.

机动车排放污染物产生的环境安全问题日益成为人们关注重点。城市地下道路结构复杂且位于城市中心区，机动车污染物的排放和扩散水平直接影响周边居住与工作区环境质量。通过通风方式降低隧道内空气污染浓度已成为隧道工程设计一项重要工作，然而我国关于城市地下道路环境影响评价的研究起步较晚，机动车流污染物排放因子、污染物扩散与预测模式、以及污染物控制需风量等隧道通风设计重要依据，基本沿用发达国家或参照公路隧道，缺乏一套系统的通风设计理论和方法。 为此，本项目以复杂结构城市地下道路为研究对象，以机动车流污染物排放与扩散理论建模为主线，以研究交通特征和排放特征为切入点，系统研究基于复杂结构特征的交通通风力以及环境湿度影响的污染物扩散机理，提出一套可指导城市地下道路通风设计的机动车污染物排放与扩散建模技术、求解方法、及通风控制方法，为我国城市地下道路通风设计与安全运营、建设项目环境影响评价提供理论和技术方法支撑。

为缓解城市用地紧张、城市中心区主干道交通拥堵、缩短城区间的道路里程，开发地下空间、建设地下道路交通特别是城市地下道路，已成为21 世纪交通发展的一个重要主题。本项目针对我国复杂结构城市地下道路坡道多、岔道多、转弯路段多、出入口多、地下立交等结构特点，重点围绕我国城市地下道路机动车尾气排放特性、城市地下道路污染物扩散机理、城市地下道路空气质量预测模式、应用技术等四个方面的内容，先后五次深入现场，对上海和长沙等运营中的城市地下道路（包括直隧道、多点进出隧道）的交通特征、机动车排放特征、以及机动车排放污染物（CO、NOx）扩散特性进行了实测调查；并以长沙市营盘路湘江隧道为原型，搭建了1:8缩尺模型试验台；结合数值模拟和理论分析结果，初步形成了一套关于复杂结构城市地下道路污染物排放与扩散特性及其理论建模方法。其主要成果体现在以下几方面：1）明确了我国城市地下道路主要交通特征，并给出了隧道交通流量与车速关系曲线；2）明确了我国城市地下道路内机动车综合排放因子CO、NOx的动态变化取值原则；3）明确了下凹式城市地下道路自然风作用特性，给出了多点进出城市地下道路交通通风力简化计算模型，实测结果验证了该模型的有效性，根据该简化计算模型，可计算得到对应交通流量条件下，多点进出城市地下道路沿机动车行进方向的交通风速变化规律；4）明确了分（合）流匝道结构对隧道内CO、NOx浓度水平控制具有积极贡献作用、以及分（合）流匝道结构对隧道内CO、NOx扩散与分布特性的影响规律，给出了多点进出城市地下道路主隧道CO污染物浓度一维稳态扩散计算模型，实测结果验证了计算模型的有效性，根据该计算模型，可定量评价对应交通流量条件下，多点进出城市地下道路主隧道CO污染物浓度分布特性及其通风系统控制需风量；5）初步形成了关于多点进出城市地下道路通风系统安全与节能运行策略，并获得了具有自主知识产权的软件著作权。深圳前海某城市地下道路通风工程设计应用结果表明，本项目形成的研究成果可以为多点进出城市地下道路通风工程设计及其安全节能运行提供重要设计理论与技术方法支撑。