基于城市地下道路污染物排放特性的交通特征調研

李 瓊， 陳 超， 李俊梅， 潘 嵩， 李 雁，任明亮， 鄧奕雯， 嚴 樂

（1.北京工業大學 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.北京市市政工程設計研究總院 第五設計所，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，據不完全統計，2010年汽車產銷量雙雙突破1 800萬輛，我國已成為世界汽車產銷量第一大國.機動車污染物排放帶來了嚴重的大氣污染問題.然而，縱觀國內外研究成果，城市地下道路污染物排放與控制問題的相關研究并不多見.我國還沒有一個相應完善的指導標準與設計規范，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計規范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計規范，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 研究背景與現狀分析

1.1 城市地下道路建設與發展狀況

隨著城市化進程的不斷推進，為完善城市道路路網、緩解城區道路的交通擁堵，國內各城市地下道路建設正在迅速發展.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筑物.在城市中心區建設大規模的地下道路系統目前只是在工程規劃層面進行了相關研究，關于城市地下道路環境控制方面的基礎理論、工程設計、系統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狀

地下道路內空氣污染物主要來自隧道內機動車的排放，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.當地下道路內車輛不斷來往時，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.當隧道內污染物濃度超過一定標準時，不但會影響隧道內的空氣品質，還會影響行車的安全性.據清華大學測算，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的濃度和范圍、隧道內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空氣質量的措施等［2－3］.我國對隧道環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系

城市地下道路污染物排放特性不但涉及事物的數量大，且類型眾多，關系復雜，特別是交通特征與一般的公路隧道有很大區別，主要表現為：

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行年份不同，且不同排放標準車型對城市大氣環境的污染程度不同.

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

c.為解決交通斷頭路，常需在地下、出入口設置匝道或連接立交橋.

d.同時，由于城市地下道路穿越城區，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構比例；交通狀況表現為交通流量和行車速度的大小；道路狀況重點關注隧道坡度和長度.

在此基礎上，可以根據不同城市交通特征，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機動車污染物排放系統的復雜性.各種因素之間的關系如圖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構比例、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機動車實際排放特性及污染物的擴散規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境控制無法簡單地沿用或照搬已有的公路隧道的相關設計規范或標準.

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計交通流量有關.《公路隧道通風照明設計規范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為機動車設計交通量，單位為輛／h；fa為車況系數；fd為車密度系數；fh為海拔高度系數；fiv為車輛縱坡－車速系數；fm為車型系數；L為隧道長度；n為車型類別數.

我國公路隧道通風標準限定了CO濃度和煙霧消光系數，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別主要集中在以下幾個方面：

a.公路隧道通風設計中僅僅用車型系數fm來反映交通組成的區別，不能全面表達城市隧道交通系統的復雜性.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計和運營管理.

b.城市地下道路一般為一級道路，且位于經濟發達地區，車況系數fa和海拔高度系數fh均取值為1，所以可以忽略車況系數fa和海拔高度系數fh對污染物排放的影響.依據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.公路隧道通風設計中污染物基準排放量取常數逐年遞減不合理.相對于外界大氣環境，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環境.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研

通過文獻資料查閱、現場調查、部門走訪等方式，統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據.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別，車型比例可以根據各個城市交通發展年報統計調查得到.2010年不同城市機動車車型比例調查結果如表1所示.這些數據將進一步幫助區分不同車型污染物的不同排放量.

從防火安全方面考慮，國內外現有隧道內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定.下面將對現有城市地下道路允許通行的車輛種類作進一步調查研究.

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構如表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，實現了從國Ⅰ標準到國Ⅳ標準的升級.不同城市執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據目前正在調研中，需要根據不同城市機動車登記年份分布和老舊機動車淘汰狀況統計.近年來，隨著排放標準的嚴格執行，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計通行能力.城市地下車道內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

基于世界道路協會（PIARC）2004年報告［11］中排放因子數據，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查研究是開展城市地下道路空氣環境控制的第一步，它將為進一步確定污染物排放量提供可靠的基礎數據，為選擇通風方案提供依據，為城市隧道通風設計和安全運營奠定基礎.

4 結 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，很快就能達到其設計交通流量；平均車速實際低于設計車速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不同城市的具體交通特征而定.

［1］中華人民共和國交通部.JTJ 026.1－1999公路隧道通風照明設計規范［S］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］Sambolek M.Model testing of road tunnel ventilation in normal traffic conditions［J］.Engineering Structures，2004，26（12）：1705－1711.

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［4］中華人民共和國交通部.JTG D70－2004公路隧道設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

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［6］2011北京市交通發展年報［R］.北京：北京交通發展研究中心，2011.

［7］李素艷.地下道路通行能力及交通設計研究［D］.上海：同濟大學，2007.

［8］朱春，張旭，Morawska L.地下機動車道空氣質量標準和設計通風量計算方法［J］.暖通空調，2009，39（9）：132－136.

［9］胡偉，鐘秦.隧道實驗測定南京市機動車PM10排放因子［J］.環境工程學報，2009，3（10）：1852－1855.

［10］王伯光，呂萬明，周炎，等.城市隧道汽車尾氣中多環芳烴排放特征的研究［J］.中國環境科學，2007，27（4）：482－487.

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