中铁第六勘察设计院集团有限公司城建院第四设计分院 天津 300308
摘要：城市隧道洞口污染气体扩散一直以来备受关注。为了研究污染气体的影响范围，以重庆市的某隧道为例，基于扩散定理，采用COMSOL Multiphysic软件，建立三维模型，模拟了隧道口污染气体扩散的情况。其结果表明气体沿隧道轴线方向扩散的影响范围远大于气体向道路两侧扩散的影响范围。CO沿轴线方向扩散到距洞口250m处，浓度才衰减至规范要求，而其向道路两侧扩散30m，浓度就衰减至规范要求。
关键词：气体扩散 数值模拟 浓度分布
0.引言
城市隧道中的废气在活塞风与风机的作用下排出隧道洞口，故而隧道洞口的污染物浓度较高，对洞口周边的环境造成一定污染。本文以重庆主城区某隧道为例，通过COMSOL软件进行数值模拟，研究隧道洞口的有害气体的扩散情况。
1.国内外研究现状
国内外的学者对隧道洞口污染气体扩散的研究做出了卓越贡献。Hayward，A.T.J和Macdonald，L.M对相邻隧道洞口再污染问题做了模型试验，Ide，Y和Nadel，C等人在加拿大安大略省的Rowan Williams和Irwin实验室进行模拟实验，综合各种因素得到隧道洞口污染物扩散的基本机理，Bruno Brousse，Bruno Vidal，把法国市中心St. Denis station附近环境以1：140的比例做成模型，进行风洞试验，测出瞬态污染物浓度分布变化数据以及交通对污染物扩散的影响。K. Matsumoto，K. Sakait 等人综合考虑各种影响因素编制了适于模拟不同情况的模块。南京大学的于洪斌等人对于过江隧道的通风进行了模型试验和数值模拟，对比得到两者吻合较好的扩散流场分布，蒋维楣等人根据上海延东路隧道洞口的尺寸及周边地理环境特征按1：500的比例制成模型，并在南京大学NJU环境风洞装置内进行试验。邓顺熙等人用有限元法分析了隧道洞口CO浓度场和通量场，匡江红、余斌等人对过江隧道洞口污染物扩散情况进行了数值模拟，研究不同风向的影响情况[1-6]。
2.隧道洞口污染气体扩散模型的建立
隧道中的污染气体运动复杂、成分多样。为了便于研究，对隧道洞口的污染气体做以下假定[1]
（1）流体是稳定流，具有不可压缩性；
（2）忽略其他污染物，主要考虑CO；
（3）忽略各种扩散，只考虑由射流引起的扩散；
（4）短时间内外界环境的气流、温度等基本不发生变化；
（5）隧道出口断面，速度和浓度都均匀分布。
流体扩散的基本理论是费克第一定律和第二定律。根据质量守恒定律，再结合费克第一定律，可得费克第二定律的表达式为：
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（1）
式中：
c：溶质浓度，kg/m3；
Dm：分子扩散系数，m2/s。
当扩散质在流体中的扩散为各向同性，即Dx=Dy=Dz=Dm，再考虑污染物的对流通量，并且假定污染物在某一时间位置的浓度不随时间变化，则可推导出污染物扩散方程为：
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（2）
其中r为化学反应项，与浓度c有关Dm和u是恒定的。
3.隧道洞口污染气体扩散的数值模拟
本文选用COMSOL多物理场模式里的三维对流与扩散模块进行数值模拟。计算域选取隧道外长（x轴）、宽（y轴）、高（z轴）为270m×100m×50m的长方体区域，隧道及其出口简化为一小长方体，小长方体的长、宽、高为20m×10m×6m。废气气流由小长方体的矩形截面10m×6m排出。模型如下图所示。
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图1 模型空间图
根据《公路隧道通风设计细则》相关要求，设定隧道洞口废气流速为4m/s，洞口处CO的浓度为100ppm，约为4.0×10-3mol/m3，气体流动的扩散系数为1.92×10-5m2/s。洞口外部远场的压力为标准大气压101.325kPa，为了简化计算，忽略洞口外部风速的影响。
根据《环境空气质量标准》二级标准中CO的浓度限值为：一次浓度为10mg/m3，日平均浓度为4mg/m3。既大气环境中的CO的浓度应长期不大于4mg/m3，约为1.4×10-4mol/m3，短期内可不大于10mg/m3，约为3.57×10-4mol/m3。图2为CO浓度分布图，图中显示的最低浓度为1.33×10-4 mol/m3，小于大气环境中CO浓度的日均允许值，因此，在最外层浓度等值面以外的区域可视为无影响区域。而在影响区随着CO浓度的降低，浓度等值面的范围则增大。
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图2 CO浓度分布图
为了研究CO向前方和两侧扩散的情况，选取距隧道轴线不同距离的截面为研究对象。下图为距隧道洞口不同距离的CO浓度曲线图。
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图3距隧道轴线不同距离的垂直面上Z=1.5m处CO浓度变化曲线图
图3所示为距隧道轴线0m、10m、20m和30m（既y=50、y=40、y=30和y=20）的四个平面内距地面高1.5m处的CO浓度分布情况。在距洞口150m以内，不同平面内CO浓度差距较大，而在150m以后，不同平面内的CO浓度基本接近。距隧道轴线10米处，隧道洞口200m外，CO浓度降到3.6×10-4mol/m3，基本能满足短期内不大于10mg/m3（约为3.57×10-4mol/m3）的要求。距隧道轴线20米处，CO浓度满足短期内不大于10mg/m3的要求。而距隧道轴线30米处，CO浓度则基本满足日均浓度不大于4mg/m3（约为1.4×10-4mol/m3）的要求。
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图4 距隧道口不同距离的垂直面上Z=1.5m处CO浓度变化曲线图
图4所示为距隧道口不同距离的截面内z=1.5m处CO浓度的分布。在距洞口200m左右的平面处，CO的最高浓度才基本能满足短期内不大于10mg/m3（约为3.57×10-4mol/m3）的要求。在距洞口270m左右的平面处，CO最高浓度才基本满足日均浓度不大于4mg/ m3（约为1.4×10-4mol/m3）的要求。
4. 总结
在外界风速较低可忽略的情况下，隧道洞口排出的污染气体向道路两侧扩散的程度远小于沿隧道轴线向前扩散的程度。CO的浓度衰减速度由快到慢，沿轴线方向在距隧道洞口250m处，CO的浓度基本满足日均浓度不大于4mg/m3（约为1.4×10-4mol/m3）的要求。隧道两侧距隧道轴线30m处，CO的浓度基本满足日均浓度不大于4mg/m3（约为1.4×10-4mol/m3）的要求。因此，隧道洞口两侧30米及洞口前方250米范围内为污染区域，人员活动尽量避开。
参考文献：
[1] 匡江红，余斌等.城市隧道口污染物排放的分析研究. [J].热科学与技术，2006.5（3）：245-250.
[2] 王子云，谢朝军等.城市隧道双洞口污染物扩散模拟分析. [J].铁道工程学报，2010（12）：69-72.
[3] 杨庆娣，匡江红.隧道出口污染物排放及控制研究. [J].环境保护科学，2004.30（125）：4-6.
[4] IDE Y，UEYAMA S，KOBAYASHI K. Wind tunnel modeling of gas dispersion from a road portal outlet [J] . The science of the total environment，1987，59：211-222.
[5] NADEL C，VANDERHEYDEN M，LEPAGE M，et al. Physical modeling of dispersion of a tunnel portal exhaust plume [C] . Proceedings of the 8th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels.1994，847～ 870.