煙霧對隧道燈光透過性影響的模擬實驗研究

孟繁宇，李 波，趙元瑩，潘曉東，鄧 其

（同濟大學 交通運輸工程學院，上海 201804）

到2006年底，中國已建成的公路隧道有4100多座，單洞累計長度達160km.目前，已建和在建的3km以上的公路隧道有近60座，5km以上的特長公路隧道有14座，10km以上特長隧道有1座［1］.由于公路隧道屬于封閉空間，其交通空間有限，空氣不易流通，環境噪音較大，洞內與洞外亮度差異懸殊，在隧道內極易發生交通事故并造成難以想象的后果［2］.在隧道設計、運營管理中，必須保證隧道的通暢與安全.《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ026.1－1999）給出了通風量和照明設計計算方法［3］.近年來，高速公路交通量大幅增長，在一些山區點隧道，尤其是縱坡較大的長隧道內，煙霧排放量不斷增多，且通風系統難以短時間內迅速消散稀釋煙霧，對后續駕駛人行車視覺造成較為嚴重的影響.在目前隧道運營管理中，通過增加通風機通風量及提高照明水平以達到稀釋隧道煙霧濃度、向駕駛人提供良好通視環境的目的但隨之而來的通風和照明費用也會成為運營單位的巨大負擔，使得隧道通風和照明節能設計成為必然［4］.隧道內煙霧下光源照明特性的測定能為隧道通風和照明設計提供有益參考.

1 隧道煙霧問題與照明

1.1 隧道煙霧環境

1.1.1 隧道主要污染物成分及其危害

隧道煙霧主要包括車輛（尤其是大型重載車輛）及車輛駛過后的揚塵.汽車排放出的廢氣是氣態、液態和浮游固態顆粒的混合物，它包括：一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物 （NOx）和微粒物（碳粒和鉛氧化物等重金屬氧化物及煙灰等組成）等［1］.其中，CO，HC和 NOx多由汽油機車產生，而對于柴油機車，其排放出的廢氣主要為黑色碳粒.

一氧化碳（CO）是在內燃機中由于不完全燃燒產生的一種無色、無味的氣體.CO在人體內比氧氣更容易與血紅蛋白結合，使得血液中氧氣含量不足，導致人體缺氧，引起頭痛、頭暈和嘔吐等中毒癥狀，嚴重的會造成休克甚至死亡.碳粒是柴油發動機不完全燃燒的產物［5］.碳粒在一段時間內可以在空氣中懸浮，對光線起折射和散射的作用，降低了道路上的能見度，并對駕駛視覺任務造成干擾.另外，碳煙中還含有少量特殊臭味的乙醛，往往會引起人們頭暈和惡心等.

1.1.2 隧道煙霧設計濃度

在公路隧道中，為了描述光透過空氣的能力，分別用E，E0表示同一光源所發出的光線，通過100m的污濁空氣和清潔空氣后的照度，用τ100表示光通過100m的透過率［6］，則：

世界道路協會（Permanent International Association of Road Congress，簡稱為PIARC）對行駛速度和光透過率指標提出要求.當V＝40km／h時，τ100＝0.4；V＝60km／h時，τ100＝0.48；V＝80 km／h時，τ100＝0.6.

在《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ 026.1－1999）中，定義k煙霧濃度，單位為m－1，計算式為［3］：

式中：L為煙霧透過距離，m.

規范同時對k做出規定，取值見表1.

表1 煙霧設計濃度kTable 1 Designing concentration of smoke

1.2 隧道照明環境

通常，道路與隧道照明水平以平均路面亮度均勻度及眩光水平來衡量.中國隧道照明設計按照隧道長度和等級分類，并分別按照入口段、過渡段、中間段和出口段的順序進行分段照明設計.該設計方法并沒有考慮隧道煙霧對光線的影響.

光在空氣介質中的傳播規律符合Lambert－Beer定律，即光的強度隨著傳輸距離的增加或者空氣介質消光系數的增大而減小.波長為λ的光波在煙霧中傳輸時，其光強的衰減用Lambert－Beer定律［7］來描述：

式中：I0為入射光強；It為出射光強；σ（λ）為消光系數；l為傳輸距離.

若用T表示透射率，則式（3）可變為：

從式（4）中可以看出，透過率與光波長、煙霧消光系數及光程有關.

2 基于相似模擬室內光的煙霧透過率實驗方案

目前，解決隧道煙霧問題的途徑主要分兩個階段：①隧道計階段，包括隧道選線、縱斷面設計及通風系統設計；②運營階段污染物監測、通風控制及設備維護，且通風設計和照明設計均為獨立設計.若在照明設計階段考慮煙霧影響，選擇合適的光源，將有助于改善隧道內視覺環境.由于實驗條件的限制，隧道內煙霧下光源的照明特性測定實驗難以在現場進行，其原因是：

1）實驗場地難以選取.要實現對煙霧環境的模擬，又不影響交通系統的正常運行，只能選擇正在施工或已施工完畢但尚未通車的隧道內進行.

2）實驗條件難以控制.煙霧是模擬實驗中的重要因素，但是煙霧的狀態、成分和濃度難以控制.

3）實驗安全性低.在煙霧下駕駛，對駕駛人的行車視覺影響非常大；在高煙霧濃度下駕駛存在很大的安全隱患.

4）實驗成本高.在隧道內進行煙霧對行車視覺影響的實驗，需要付出人力、物力及封閉交通的代價.

因此，有必要在實驗室內進行隧道煙霧環境的光源透過性模擬.室內的煙霧模擬實驗在先前鮮有研究，已有的研究多為通過化學或物理方法產生煙霧，如：宋珍［8］等人在對現場檢測煙霧計量技術的研究中，選用一種舞臺煙霧劑作為發煙的煙源.該方法與現場實驗存在相同的問題，即難以控制煙霧的稀釋或消散等濃度變化.作者擬采用相似模型的方法，對隧道內不同煙霧濃度的環境進行模擬，通過向純凈水中滴加定量墨水的方法，對隧道內煙霧環境進行模擬，并對光源的透過特性進行測定.通過擬合曲線與朗伯－比爾定律曲線的對比，得到不同煙霧濃度、不同色溫的室內模擬實驗曲線，考察墨水與煙霧膠體對光的衰減作用的相似性.

2.1 實驗儀器和材料

XYC－1全數字色度儀、10cm×10cm×50cm玻璃水缸，LED光源12只（色溫見表2）、直流電源（電壓與電流可控）、墨水.

表2 12種不同色溫的光源Table 2 Color temperature of 12illuminants

2.2 實驗內容

將實驗裝置擺放好并固定.向玻璃水缸內加3500mL蒸餾水，調節電源電壓為9V并保持不變.取墨水1mL，加到200mL蒸餾水中，配成濃度為5%的墨水稀釋液；每次取5mL稀釋液，加到玻璃缸內.在5種不同濃度的墨水溶液（濃度見表3）下，測量12種不同色溫的光源透過墨水后的照度，并記錄.實驗裝置如圖1所示.

表3 5種不同濃度的墨水（體積比）Table 3 5different concentrations of ink

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

3 實驗數據處理

3.1 透過率計算及數據擬合

1）用滴加i mL墨水的照度Ei除以清水時的亮度E0，得到透過率T.

2）通過origin軟件對數據進行擬合，并對擬合結果進行F檢驗.分別以濃度C和色溫K為自變量，以透過率T為因變量，分別對T－C函數和T－K函數用指數函數和對數函數進行擬合.

3.2 擬合結果匯總及分析

3.2.1 透過率和濃度關系的擬合結果與分析

透過率和濃度關系的擬合曲線如圖2所示（以1＃，4＃，7＃，10＃和12＃光源為代表）.

圖2 1＃，4＃，7＃，10＃和12＃燈的擬合曲線Fig.2 Fitting lines of illuminant No.1，4，7，10and 12

從圖2中可以看出，1＃，4＃，7＃，10＃和12＃光源的擬合效果非常好，并且隨著光源色溫的增加透過率呈現遞減的趨勢.

12種不同色溫的光源透過率和濃度關系按照指數函數形式y＝y0＋Ae－x／t擬合度的平均值為0.999，遠大于0.85，并且所有的擬合度都大于0.85，說明自變量對因變量（透過率）的解釋能力非常強，擬合效果非常好.

通過F檢驗得到的P值數量級都在1×10－4以下，遠小于0.05，說明拒絕零假設的可能性非常大，方程的顯著性非常好.

3.2.2 透過率和色溫關系的擬合結果與分析

透過率和色溫關系的樣條曲線如圖3所示.

圖3 不同濃度下的透過率和色溫關系Fig.3 Lines of transparency－color of temperature in different concentration

從圖3中可以看出，透過率T隨著色溫K和濃度C的升高，呈現遞減的趨勢.對不同濃度下的透過率和色溫變化關系進行函數擬合，擬合曲線如圖4所示（以3＃濃度為例）.

圖4 3＃濃度下透過率和色溫的擬合曲線Fig.4 Fitting line of T－Kin concentration No.3

3＃濃度下的透過率和色溫擬合度為0.920.這說明自變量對y的解釋能力非常強，擬合效果很好；通過F檢驗得到的P值為4.36318×10－14，遠小于0.05.這說明拒絕零假設的可能性非常大，方程的顯著性非常好.

通過擬合，5種不同濃度下的光源透過率（照度）—色溫關系按照對數函數形式y＝a－bln（x＋c）擬合度的平均值為0.900，大于0.85，并且除2＃濃度外所有的擬合度都大于0.85.這說明自變量對y的解釋能力非常強，擬合效果非常好.

通過F檢驗得到的P值數量級都在1×10－13以下，遠小于0.05.這說明拒絕零假設的可能性非常大，方程的顯著性非常好.

4 結論

運用不同濃度的墨水模擬隧道內的煙霧環境，對不同色溫光源的透過率進行了測定，并換算成透過率.分別以指數關系y＝y0＋Ae－x／t和對數關系y＝a－bln（x＋c）對透過率 — 濃度、透過率—色溫的函數關系進行擬合分析.通過對擬合結果擬合度和F檢驗得到的P值進行比較分析驗證了擬合的準確性.其中，透過率—濃度的函數形式與Lambert—Beer定律的形式相吻合，驗證了墨水環境與隧道內的煙霧環境對光源的透過性能的影響相似，并為進一步的隧道煙霧室內模擬實驗以及現場實驗奠定了基礎.

（References）：

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［5］International Agency for Research on Cancer.IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans［J］.Diesel and Gasoline Engine Exhausts and Some Nitroarenes，1989，46：41—153.

［6］古明.對公路隧道照明安全設計的探討［J］.科技信息，2009，21：299—230.（GU Ming.Discussion on design of lighting in highway tunnels［J］.Technical Information，2009，21：299—230.（in Chinese））

［7］馮繼青，高春清，劉義東，等.激光對于煙霧的穿特性分析［J］.光學技術，2006，32（6）：883—885.（FENG Ji－qing，GAO Chun－qing，LIU Yi－dong，et al.Analysis of characteristics of transparency of laser through smoke［J］.Optical Technology，2006，32（6）：883—885.（in Chinese））

［8］宋珍，余廣智，王勇俞.現場檢測煙霧計量技術研究［J］消防科學與技術，2011，30（3）：231—233.（SONG Zhen YU Guang－zhi，WANG Yong－yu.Measurement technology for smoke detected on the spot［J］.Fire Science and Technology，2011，30（3）：231—233.（in Chinese））