多点进出城市地下道路污染物扩散机理及浓度预测研究

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为了缓解城市道路交通拥堵状况,多点进出城市地下道路已成为目前中国城市地下道路建设的主要隧道形式。多点进出城市地下道路复杂的结构形式,使得隧道内交通特征多变复杂,进而影响了隧道内机动车排放污染物的扩散与分布特性,给城市地下道路通风工程设计以及隧道通风系统节能运行提出了挑战。同时,随着机动车排放污染物浓度控制技术的不断提高,中国机动车执行的国家排放标准也日趋严格。执行新排放标准的机动车比例势必逐年增加,考虑新排放标准下的城市地下道路通风设计势必会显著减少设计通风量,从而直接有效减小城市地下道路通风设备、初投资与运行费用的投入。  城市地下道路无论是在隧道结构特征、交通特征,还是在工程建设场址等方面,都与公路隧道有较大的差异性,简单照搬公路隧道的设计标准和参数都将带来很多问题,当然更不能简单照搬国外的相关标准或规范。隧道通风工程设计的重要目的是为了有效控制隧道内机动车行驶过程中排放的污染物浓度水平,确保隧道内及出口周围环境安全。因此,必须系统深入开展多点进出城市地下道路污染物扩散与浓度分布特性的研究,为符合我国国情的城市地下道路环境通风控制设计理论和方法的完善以提供支撑。  本文在以往关于城市地下道路实测、模型试验与理论研究的基础上,重点以多点进出的长沙市营盘路湘江隧道为研究对象,以隧道分、合流结构段污染物浓度扩散与分布特性研究为主线,在他人相关研究结果基础上,基于研究团队关于中国上海、长沙等地城市地下道路关于交通特征、机动车排放污染物浓度水平的大量的现场实测数据,以及缩尺模型试验结果;依据对流传质理论构建关于多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度扩散计算模型;以此分析不同隧道结构特征、交通特征条件下隧道污染物浓度分布特性,为多点进出城市地下道路通风控制策略制定提供参考、计算和评价依据。基于以上学术思想,本研究重点开展了以下研究工作:  1)对上海市延安东路隧道、翔殷路隧道及长沙市营盘路隧道等的交通特征及污染物浓度分布特性进行现场测试,描述了实测隧道概况、实测方法与实测仪器,并分析了三条实测隧道的交通特征、隧道内交通风速及污染物浓度分布实测结果。  2)以长沙市营盘路隧道为原型,搭建了1∶8缩尺模型试验台,并开展匝道对污染物浓度分布的影响研究,比较匝道与主隧道不同夹角时示踪气体CO2浓度在下游主隧道和分流匝道中分配扩散特性。  3)针对相关研究缺少定量分析匝道源(汇)流对多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布影响的方法,本研究在研究团队前期大量隧道实测研究的基础上,结合交通风力和模型试验方面的相关研究成果,构建了基于对流传质系数、机动车排放反应系数以及匝道汇(源)共同作用下的多点进出城市地下道路污染物扩散模型。  4)结合项目组对长沙市营盘路湘江隧道的实测数据,本研究对前海隧道近期(2040年)污染物排放量及浓度分布进行预测,研究结果为城市地下道路内污染物浓度的通风控制与运行提供方法参考。  本文系首次应用对流传质理论和节点平衡方程建立多点进出城市地下道路污染物扩散模型并进行浓度分布预测。基于大量实测数据,提出可反映城市地下道路主要交通、排放特性与污染物浓度水平的关键基础数据,为多点进出城市地下道路建设项目通风设计与环境影响评价,提供重要参考依据。
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