李 瓊， 陳 超， 李俊梅， 潘 嵩， 李 雁，任明亮， 鄧奕雯， 嚴 樂

（1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124；2.華北科技學院 建筑工程學院，北京 101601；3.北京市市政工程設(shè)計研究總院 第五設(shè)計所，北京 100082）

交通流量大的城市地下道路在運營過程中，隧道內(nèi)的污染物濃度有效控制問題直接影響它的安全與高效運行，隧道內(nèi)污染物主要來自機動車的排放物.當前，我國機動車保有量高速增長，據(jù)不完全統(tǒng)計，2010年汽車產(chǎn)銷量雙雙突破1 800萬輛，我國已成為世界汽車產(chǎn)銷量第一大國.機動車污染物排放帶來了嚴重的大氣污染問題.然而，縱觀國內(nèi)外研究成果，城市地下道路污染物排放與控制問題的相關(guān)研究并不多見.我國還沒有一個相應完善的指導標準與設(shè)計規(guī)范，目前只能參照以山嶺隧道為主要對象來編制的《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范JTJ026.1—1999》［1］.但是，城市地下道路有許多不同于山嶺隧道的特點，如交通流量大、車型比例復雜、車行速度低及道路狀況復雜等.機動車污染物排放量不能簡單照搬已有的公路設(shè)計規(guī)范，有必要對其進行研究.因此，作者針對城市地下道路交通特征和污染物排放進行了大量調(diào)查，重點分析交通特征對污染物排放因子的影響.

1 研究背景與現(xiàn)狀分析

1.1 城市地下道路建設(shè)與發(fā)展狀況

隨著城市化進程的不斷推進，為完善城市道路路網(wǎng)、緩解城區(qū)道路的交通擁堵，國內(nèi)各城市地下道路建設(shè)正在迅速發(fā)展.我國修建地下道路最多的城市為上海，到目前已建成及在建的多達16條.此外，北京、南京、杭州、武漢、寧波、南寧等城市均有已建成或在建的地下道路.地下道路工程絕大部分位于市中心區(qū)域，路線以穿越江河打通阻隔的形式為主，或穿越大量既有地下建筑物和構(gòu)筑物.在城市中心區(qū)建設(shè)大規(guī)模的地下道路系統(tǒng)目前只是在工程規(guī)劃層面進行了相關(guān)研究，關(guān)于城市地下道路環(huán)境控制方面的基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計、系統(tǒng)運行管理方面的研究都非常缺乏.

1.2 城市地下道路污染物排放現(xiàn)狀

地下道路內(nèi)空氣污染物主要來自隧道內(nèi)機動車的排放，地下道路中運行車輛所排放的氣體中，含有大量的一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）等對人體有害的成分.當?shù)叵碌缆穬?nèi)車輛不斷來往時，如果不及時通風，所排尾氣就會污染整個隧道.其中，機動車排放顆粒物煙霧會影響行車的可見度.當隧道內(nèi)污染物濃度超過一定標準時，不但會影響隧道內(nèi)的空氣品質(zhì)，還會影響行車的安全性.據(jù)清華大學測算，2010年底北京空氣中的一氧化碳85.9%來自于機動車尾氣，空氣中的氮氧化合物則有56.9%來自機動車尾氣，機動車排放污染物已經(jīng)成為城市大氣污染的主要來源.

國外隧道污染物排放研究從20世紀中后期開始.美國、加拿大、日本、前蘇聯(lián)以及法國等國家相繼對隧道空氣污染等方面開展了大量研究，研究方向主要集中在有害物質(zhì)的濃度和范圍、隧道內(nèi)空氣污染的影響因素、有害氣體對人體健康的影響以及改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量的措施等［2－3］.我國對隧道環(huán)境中有害氣體污染方面的研究始于20世紀60年代，研究對象主要是公路隧道和越江隧道，其內(nèi)污染物主要包括CO、NOx和PM.CO排放方面的研究較為成熟，目前長安大學和同濟大學等研究主要集中在污染物對能見度的影響、細顆粒物及超細顆粒物排放特性等.

1.3 城市地下道路交通特征與污染物排放特性的關(guān)系

城市地下道路污染物排放特性不但涉及事物的數(shù)量大，且類型眾多，關(guān)系復雜，特別是交通特征與一般的公路隧道有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)為：

a.機動車車型以汽油車為主，不同城市汽油車和柴油車車型比例不同；另外，不同城市機動車排放標準執(zhí)行年份不同，且不同排放標準車型對城市大氣環(huán)境的污染程度不同.

b.交通流量大、行車速度多低于設(shè)計值，上下班高峰時段，更是容易發(fā)生堵塞情況.

c.為解決交通斷頭路，常需在地下、出入口設(shè)置匝道或連接立交橋.

d.同時，由于城市地下道路穿越城區(qū)，可能有多個低點，所以岔道、彎道、坡道多，出入口復雜，行車線型復雜.

綜上所述，城市地下道路交通特征主要體現(xiàn)在交通組成、交通狀況和道路狀況3個方面.交通組成取決于機動車保有量和車型結(jié)構(gòu)比例；交通狀況表現(xiàn)為交通流量和行車速度的大??；道路狀況重點關(guān)注隧道坡度和長度.

在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同城市交通特征，對城市地下道路污染物綜合排放因子進行計算.機動車綜合排放因子是指交通流中單位機動車在單位里程內(nèi)污染物的平均排放量，它能綜合地評價交通流中單位機動車的排放狀況，更加直觀地分析交通特征對污染物排放特性的影響.

不同城市地下道路內(nèi)實際交通組成、交通狀況、排放因子和城市隧道模型等因素決定了城市地下道路內(nèi)機動車污染物排放系統(tǒng)的復雜性.各種因素之間的關(guān)系如圖1所示.由圖1可知交通組成、交通狀況、排放因子和隧道模型綜合在一起影響污染物排放量.如果要確定城市隧道內(nèi)機動車污染物排放特性和污染物排放量，必須先對不同城市隧道的實際交通狀況進行調(diào)查，進而從污染物排放特性方面推薦城市隧道適合通行的機動車種類.

圖1 城市地下道路交通特征與污染物排放特性關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of the urban underground road traffic and emission characteristics

2 城市地下道路與公路隧道機動車污染物排放特性比較

城市地下道路與公路隧道在車型結(jié)構(gòu)比例、機動車實際運行狀況等方面存在很大差異，這使得城市地下道路內(nèi)機動車實際排放特性及污染物的擴散規(guī)律等方面與公路隧道存在顯著差別.這些交通特征使得城市地下道路的空氣環(huán)境控制無法簡單地沿用或照搬已有的公路隧道的相關(guān)設(shè)計規(guī)范或標準.

2.1 公路隧道污染物排放特性

公路隧道污染物排放量與機動車車型、排放標準、污染物基準排放量以及設(shè)計交通流量有關(guān).《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范JTJ026.1－1999》［1］給出的CO排放量和煙霧排放量計算公式主要依據(jù)公路隧道特點和影響因素，其中CO排放量計算公式如下

式中，Qco為機動車基準排放量，單位為 m3／（輛·km）；Nm為機動車設(shè)計交通量，單位為輛／h；fa為車況系數(shù)；fd為車密度系數(shù)；fh為海拔高度系數(shù)；fiv為車輛縱坡－車速系數(shù)；fm為車型系數(shù)；L為隧道長度；n為車型類別數(shù).

我國公路隧道通風標準限定了CO濃度和煙霧消光系數(shù)，公路隧道多為城市遠郊或山嶺隧道，機動車排放的污染物直接被大氣稀釋，對大氣環(huán)境的影響不顯著.所以，公路隧道污染物排放限值標準較為寬松.

2.2 城市地下道路與公路隧道污染物排放特性的區(qū)別

不同燃料類型和不同排放標準車型，機動車排放因子差別較大，這使得不同城市的交通組成對機動車污染物排放量影響很大.城市地下道路與公路隧道污染物排放特性的區(qū)別主要集中在以下幾個方面：

a.公路隧道通風設(shè)計中僅僅用車型系數(shù)fm來反映交通組成的區(qū)別，不能全面表達城市隧道交通系統(tǒng)的復雜性.城市隧道通常比一般公路隧道交通量大，行車堵塞概率也大，并且存在每日的交通高峰和低谷期，直接影響隧道通風設(shè)計和運營管理.

b.城市地下道路一般為一級道路，且位于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，車況系數(shù)fa和海拔高度系數(shù)fh均取值為1，所以可以忽略車況系數(shù)fa和海拔高度系數(shù)fh對污染物排放的影響.依據(jù)城市地下道路特點主要考慮隧道坡度和長度對污染物排放的影響.

c.公路隧道與城市地下道路污染物限制濃度不同.公路隧道通風設(shè)計中污染物基準排放量取常數(shù)逐年遞減不合理.相對于外界大氣環(huán)境，城市地下道路污染物通過通風稀釋，機動車污染物直接排放到城區(qū)環(huán)境.在文獻［1］中，我國CO的基準排放量取值0.01m3／輛·km偏高，城市地下道路污染物濃度控制將更加嚴格.

因此，不同城市實際道路交通特征直接影響污染物排放特性.對于城市地下道路，需結(jié)合城市交通特征進行污染物排放量計算.

3 不同城市實際交通特征調(diào)研

通過文獻資料查閱、現(xiàn)場調(diào)查、部門走訪等方式，統(tǒng)計出不同城市交通組成，并收集了不同城市道路實際交通狀況等大量數(shù)據(jù).以北京、上海作為一類代表城市，武漢、南京、廣州作為二類代表城市，對其實際道路和隧道交通特征進行分析.

3.1 不同城市交通組成

3.1.1 車型比例、車型分類

不同城市機動車每年保有量不同，車型比例也有較大區(qū)別，車型比例可以根據(jù)各個城市交通發(fā)展年報統(tǒng)計調(diào)查得到.2010年不同城市機動車車型比例調(diào)查結(jié)果如表1所示.這些數(shù)據(jù)將進一步幫助區(qū)分不同車型污染物的不同排放量.

從防火安全方面考慮，國內(nèi)外現(xiàn)有隧道內(nèi)允許通行的機動車種類中熱釋放率超過30MW的重型貨車一般不允許通行［4］，從污染物控制方面來看目前還沒有這方面的規(guī)定.下面將對現(xiàn)有城市地下道路允許通行的車輛種類作進一步調(diào)查研究.

表1 不同城市機動車車型比例（2010年）Tab.1 The proportion of motor vehicle models in different cities（2010） %

3.1.2 按照燃料類型劃分機動車組成

一、二類代表城市重點關(guān)注汽車保有量，按照燃料類型，汽車可以分為汽油車、柴油車和燃氣車，城市地下道路主要以汽油車和柴油車為主.汽油車包括小型載客汽車、轎車和摩托車，柴油車包括中大型載客汽車和載貨汽車.根據(jù)不同城市機動車車型比例以及汽油車和柴油車的分類，不同城市按照燃料類型劃分的汽車的比例結(jié)構(gòu)如表2所示.除北京、廣州以外，不同城市汽油車、柴油車總比例變化不大，與全國平均水平相當.

表2 不同城市按照燃料類型劃分的機動車比例Tab.2 The proportion of fuel type vehicle in different cities %

3.1.3 按照排放標準劃分機動車組成

我國機動車排放標準與歐洲機動車排放標準歐1～5基本一致，只是每種標準起始年代不同.從2000年以來我國開始實施國Ⅰ標準，通過10年的時間，實現(xiàn)了從國Ⅰ標準到國Ⅳ標準的升級.不同城市執(zhí)行各級排放標準的起始年代不同（如表3所示），不同排放標準的車型比例對污染物排放量的影響較大.2009年廣州市國Ⅰ前、國Ⅰ、國Ⅱ和國Ⅲ排放控制水平的輕型汽油車（不包括摩托車）比例分別為6.2%，29.9%，12.5% 和51.3%［5］.其它不同城市按照排放標準劃分的車型比例數(shù)據(jù)目前正在調(diào)研中，需要根據(jù)不同城市機動車登記年份分布和老舊機動車淘汰狀況統(tǒng)計.近年來，隨著排放標準的嚴格執(zhí)行，污染物排放量大幅度消減.

表3 機動車排放標準實施年份Tab.3 Motor vehicle emission standards for the implementation of year

3.2 不同城市實際隧道交通狀況

與郊外隧道交通流量不同，一般城市隧道的交通流量N（輛／h）較大，城市隧道從運營開始，很快就能達到其設(shè)計交通流量.不同城市由于機動車保有量和道路狀況的不同，交通流量區(qū)別較大.北京市路面交通流量53 514輛／h，平均速度26.5km／h［6］.其它城市隧道實際交通流量和平均速度如表4所示.在車速60km／h時，理論推薦通行能力為2 050輛／h［7］.城市地下道路實際交通流量一般在隧道開始運營就能達到隧道設(shè)計通行能力.城市地下車道內(nèi)實際行車速度通常較慢，建議取20km／h時進行污染物排放特性分析［8］.

3.3 交通特征對污染物排放因子的影響

基于世界道路協(xié)會（PIARC）2004年報告［11］中排放因子數(shù)據(jù)，在水平道路（坡度為0）條件下，以CO為例，分析不同車速v對汽油車和柴油車污染物排放因子EFCO的影響.

由圖2可知，歐1～4標準與前歐洲標準相比，CO排放因子大幅度減小.但是，歐1～4標準中CO排放因子減幅變緩.歐1～4排放標準中，汽油車CO排放因子范圍在4～63g／h，平均為34.2g／h.柴油車CO排 放 因 子 范 圍 在 8.5～117.8g／h，平 均 為37.0g／h.汽油車在車速20～60km／h范圍內(nèi)CO排放因子相對較小，柴油車隨車速增加，CO排放因子有增大趨勢.城市地下道路污染物排放濃度控制標準應該根據(jù)不同城市的具體交通特征和排放因子而定.

圖2 車速對CO排放因子的影響Fig.2 The impact of speed on the CO emission factor

交通特征和污染物排放特性的調(diào)查研究是開展城市地下道路空氣環(huán)境控制的第一步，它將為進一步確定污染物排放量提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為選擇通風方案提供依據(jù)，為城市隧道通風設(shè)計和安全運營奠定基礎(chǔ).

4 結(jié) 論

a.城市地下道路交通不同于一般公路隧道的主要特征是：汽油車比例大、交通流量大、車行速度低、道路狀況復雜、受隧道坡度和長度影響大.

b.以北京、上海作為一類代表城市，武漢、南京、廣州作為二類代表城市，通過調(diào)查研究，得到大部分城市汽油車比例占70%以上；大部分代表城市實施排放標準年份超前于全國水平；城市隧道實際交通流量從運營開始，很快就能達到其設(shè)計交通流量；平均車速實際低于設(shè)計車速60km／h.

c.歐1～4標準與前歐洲標準相比，CO排放因子大幅度減小，但是，歐1～4標準中CO排放因子減幅變緩.一般汽油車在車速20～60km／h范圍內(nèi)CO排放因子相對較小，柴油車隨車速增加，CO排放因子有增大趨勢.城市地下道路污染物排放因子控制標準應該根據(jù)不同城市的具體交通特征而定.

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