某高速公路隧道內空氣污染物的濃度分布特征及其控制技術研究

劉國亮 秦丹 劉陳鴻

摘要：文章針對某高速公路隧道內空氣污染問題展開研究，旨在探究隧道內空氣污染物的濃度分布特征及其控制技術。采用實地調查和實驗室分析相結合的方法，對某高速公路隧道內空氣污染問題進行深入探究，并通過實驗分析隧道內空氣污染物的橫向和縱向分布特征，為解決隧道內空氣污染問題，提出一種組合控制技術方案。通過實驗驗證，該組合控制技術方案能夠有效地降低隧道內空氣污染物的濃度，改善隧道內空氣質量，同時為解決城市道路交通引起的空氣污染問題提供了新思路和方案。

關鍵詞：隧道空氣質量；空氣污染控制技術；空氣污染物分布規律

中圖分類號：U453.5? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0083-04

0 引言

本文以廣西南寧某隧道項目為例，研究該隧道內空氣污染物的濃度分布規律，分析目前常用的傳統和新興的空氣污染控制技術的優點和缺點及其在該隧道內的應用情況，提出一種污染物控制技術組合策略，將傳統技術和新興技術結合應用，最大限度地控制空氣污染物的濃度。針對該隧道內污染物的特點，通過優化空氣治理技術，提高隧道內的空氣質量和行車安全和效率。此外，應用該技術可以降低隧道內空氣污染物對周邊生態環境和人類健康的影響，實現可持續發展的目標［1-2］。

1 案例簡介

某高速公路位于廣西南寧市境內，該公路項目有一條長達8 km，高5 m，寬10.5 m的隧道；該地區屬于亞熱帶季風氣候，夏季炎熱潮濕，冬季氣溫溫和干燥；地形以平原為主，地勢平坦。隧道位于一個丘陵上，兩端連接的道路均有上、下坡，路況較好。該隧道設計標準為雙向四車道，限速為120 km/h，設計通行能力為1.5萬輛/日。平均通行時間為15 min。為了解決高速公路隧道內的空氣污染問題，需要對污染物濃度進行監測和分析。因此，該項目勘測組對隧道內的空氣進行了采樣，獲取隧道內污染物的濃度數據，以便分析其超標情況和分布規律，為隧道內空氣治理提供依據。表1是該勘測組提供的隧道內部分污染物的采樣結果，其中PM2.5和PM10的濃度均超過了國家規定的標準限值。

1.1 樣品采樣與分析

為了更全面地了解隧道內污染物的分布情況，采用了三點測量法。第一個測點位于隧道的入口處，第二個測點位于隧道的中間位置，第三個測點位于隧道的出口處。每個測點的高度保持在標準車輛的排氣管口的范圍內，即在距離地面50 cm的高度進行采樣。每個測點進行30次采樣，計算出污染物的平均濃度、標準差和變異系數，可以幫助技術人員更準確地了解隧道內污染物的濃度和分布情況。實驗采用自動監測儀器和采樣器進行采樣和分析，監測儀器可以實時檢測到隧道內的CO、NO2、SO2、VOCs等有機物質的濃度，而采樣器則可以對PM2.5等固體顆粒物進行采樣和分析。

1.2 污染物濃度算法

首先，選取在隧道入口處測點點位的PM2.5濃度樣品數據進行計算。將取樣的30個數據進行求和，然后將求和后的結果除以樣本數，得到該點位的平均濃度739.8 / 30 = 24.66 ?g/m?。

計算該點位的標準差。標準差表示數據的離散程度，用于衡量數據的穩定性，計算公式如下：

σ=[［Σ（xi-x）2/（n-1）］]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，σ表示標準差，[xi]表示第i個數據，[x]表示平均值，n表示樣本數。

根據公式（1），技術人員可以得到該點位PM2.5的標準差：

計算該點位PM2.5的變異系數。變異系數是標準差與平均值的比值，用于比較不同變量的離散程度，計算公式如下：

CV=σ/[x]×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

根據公式（3），技術人員可以得到該點位PM2.5的變異系數：

CV=0.88/24.66×100%=3.56%

因此，該測點點位PM2.5的濃度范圍為22.4～27.8?g/m?，標準差為0.88?g/m?，變異系數為3.56%。

1.3 隧道內空氣污染物濃度

根據以上計算公式，在隧道內取3個測點點位，對污染物CO、NO?、PM2.5、SO?、VOCs各取樣30份，分別計算出它們的濃度范圍及標準差和變異系數，形成最終的隧道內空氣污染物濃度統計表（見表2）。

該隧道內的CO、PM2.5和VOCs的平均濃度較高且變異系數也較大。這些污染物對人體健康和生態環境都有不良影響，如PM2.5對人體呼吸系統、心血管系統等均有影響，NO2和SO2可影響人的呼吸系統和肺功能。因此，對該隧道空中的污染進行控制，需推測出污染物濃度的橫向和縱向分布，再根據不同季節和時間段的污染物濃度消散程度采取優化車輛燃燒方式、加強通風管理及加強清潔管理等措施，可有效地減少隧道內污染物的含量，提高隧道內空氣的質量，保障人體健康和生態環境的安全。

2 污染物分布特征

2.1 橫向分布特征

在橫向分布上，該隧道內主要污染物的濃度水平呈現出明顯的不均勻性。經過多次采樣和檢測發現，隧道內主要污染物的濃度水平在隧道兩側區域相對較低，而在隧道中央區域相對較高。以檢測到的NO2為例，其濃度水平在隧道兩側區域一般維持在30～40 μg/m?，而在隧道中央區域則可能達到80 μg/m?以上。在風向垂直于隧道方向的情況下，污染物的濃度水平在隧道兩側區域會更低，而在風向平行于隧道方向的情況下，則污染物會更加均勻地分布［3］。

2.2 縱向分布特征

在縱向分布上，經過長期的檢測觀察發現，污染物濃度通常情況下在隧道入口附近相對較低，而在隧道中段或者接近出口的位置則會增加。這是由于通行車輛在進入隧道時會帶入一定量的新鮮空氣，從而稀釋隧道內的污染物濃度；而車輛在隧道內行駛的過程中，污染物的排放則會逐漸積累，導致濃度水平逐漸升高。在天氣穩定的情況下，隧道內的污染物在縱向分布比較均勻，而在強風或者雨雪天氣，污染物的縱向分布特征將會更加復雜和多變［4］。

2.3 季節變化特征

由上文提供的數據可知，該隧道內的主要污染物包括PM2.5、PM10、NO2和SO2，其濃度水平變化與季節變化密切相關。以隧道內檢測到的PM2.5為例，在不同季節，其濃度水平如下：春季為9～13 μg/m?、夏季為14～26 μg/m?、秋季為12～16 μg/m?、冬季為16～24 μg/m?，在春季和秋季，隧道內的PM2.5濃度較低，與當地氣候環境、通行量等因素有較大關系；而在夏季和冬季，隧道內的PM2.5濃度較高，則與大氣逆溫、機動車尾氣排放等因素有關。該隧道內其他污染物的濃度水平也隨季節的變化而出現浮動，但總體趨勢與PM2.5類似［5］。

2.4 污染物濃度消聚的規律和原因

上文對隧道內污染物的濃度在橫向和縱向上的分布規律特征進行分析。橫向上污染物濃度的分布規律與車流量和車速密切相關。在車流量較大的區域，污染物濃度會明顯增加。這是因為車輛尾氣排放是污染物的主要來源，車流量越大，尾氣排放就越多，污染物濃度也就越高。此外，車速也會影響污染物濃度的分布，在車速較慢的區域，汽車尾氣的排放時間較長，污染物容易積累在這些區域，導致其濃度升高。在縱向上，污染物濃度的分布規律與氣象條件有關，氣象條件與污染物散發速度調查表見表3。在天氣較熱的季節，污染物更容易揮發擴散，因此污染物濃度相對較低；而在天氣較冷的季節，污染物則更容易凝結聚集，致使污染物濃度變高。

表3中的數據可以通過氣象站的監測數據或者現場的氣象測量儀器獲取。研究人員發現，氣壓越高、溫度越高、濕度越低，污染物的散發速度就越快；而在降雨天氣，由于水分的作用，污染物的消散速度會減緩。

3 空氣污染物控制技術研究

3.1 傳統控制技術

（1）通風換氣。在項目隧道內部的通風換氣系統中檢測到在風速為2.5 m/s的情況下，通風量為500 m3/min，對揮發性有機物和二氧化硫的控制效果較好，控制效率分別為85%和70%；其原理是通過在隧道的兩端設置通風口，在通風口處設置風機將新鮮空氣送入隧道中，同時將污染物排出隧道，從而達到凈化空氣的目的。通風換氣的適用范圍比較廣，可以對一些揮發性較大的污染物進行有效控制，但對顆粒物的控制效果不佳，會受到通風量、風向、風速、大氣穩定度等因素的影響。

（2）噴淋降塵。在隧道內部設置噴淋降塵系統，在噴霧量為10 L/min的情況下，顆粒物控制效率達到60%。噴淋降塵是利用水霧將顆粒物降低到地面，以達到凈化空氣的目的；其原理是在隧道內設置噴淋裝置，通過水霧將空氣中的顆粒物濕潤，使其質量增加，從而沉降到地面。噴淋降塵技術適用于顆粒物濃度較高的情況，但其控制效果有限且會在隧道內部形成積水，影響車輛的安全通行。

（3）光催化。光催化是一種新型的空氣污染控制技術，其原理是利用光催化材料吸收光能，產生活性氧化物，通過氧化反應將污染物降解為無害物質。光催化技術適用于對顆粒物、揮發性有機物、二氧化氮等污染物的控制，但其效果受到光照強度、光催化材料的選擇等因素的影響。

3.2 新興控制技術

現階段，投入公路隧道項目的新興空氣污染控制技術主要有離子風場、負離子發生器和電解水等技術，這些技術均是利用電場或化學反應等原理清除空氣中的污染物。

（1）離子風場。離子風場技術是利用電子、正負離子等電場效應，生成電場，從而形成負離子風場，使得空氣中的污染物通過靜電吸附、物理碰撞等方式被捕集。該技術適用于空氣污染物粒徑大于10μm的顆粒物，其優點是可以降低污染物濃度，提高空氣質量，缺點是需要消耗大量電能，并且不能清除細小顆粒物。

（2）負離子發生器。負離子發生器利用高電壓電場產生的電離子與空氣中的氧分子結合形成負離子，并利用靜電吸附顆粒物。該技術適用于空氣污染物粒徑小于10 μm的顆粒物，其優點是能有效凈化空氣，同時具有調節人體免疫力和改善睡眠等作用，缺點是需要耗費較大電能。

（3）電解水。電解水技術是將水經過電解后，產生氫氣和氧氣，利用這些氣體與空氣中的污染物發生反應而清除污染物。該技術適用于有機物、氧化物等易被還原物質的空氣污染物，其優點是操作簡單、成本低廉、效果明顯，同時能降低污染物濃度，提高空氣質量，缺點是無法有效清除大顆粒污染物，同時需要消耗大量電能。

3.3 傳統與新興控制技術的對比

傳統技術的優點在于技術成熟穩定，易于實施。例如，通風換氣可以有效地降低空氣中污染物的濃度，噴淋降塵可以抑制飛揚顆粒物的產生，光催化可以降解有機污染物。但是，傳統技術也存在一些缺點，在通風換氣方面，隧道內使用的抽風機與送風機需要消耗大量的能源，同時在某些情況下會帶入外部污染物；而噴淋降塵和光催化等技術對污染物的控制效果有限，只適用于特定的污染物。

相比傳統技術，新興技術具有更高的效率和更低的能源消耗。例如，離子風場和負離子發生器可以快速清除空氣中的顆粒物和有機污染物，電解水可以降解各種污染物，同時不會產生二次污染。但是，新興技術也存在一些局限性，例如離子風場和負離子發生器對空氣濕度和溫度的要求比較高，而電解水需要消耗大量能源。此外，新興技術在應用過程中，還需要考慮技術的成熟度、安全性等問題。

針對本隧道項目的特點，選擇適合的空氣污染控制技術需要考慮多種因素。傳統技術方面，可以考慮采用通風換氣和噴淋降塵等技術；新興技術方面，可以考慮采用離子風場和電解水等技術；針對不同污染物的特點，也可以采用多種技術相結合的方式，以達到最佳的控制效果。

4 空氣污染控制技術方案

4.1 控制技術應用存在的問題

（1）設備運行成本高。傳統控制技術中通風換氣、噴淋降塵等方法的應用成本較高，尤其是在大型隧道中的應用，需要消耗大量的能源和水資源。

（2）控制效果不理想。傳統控制技術的控制效果受到天氣等外界環境的影響較大且不易根除污染源，導致控制效果不理想。同時，新興技術中離子風場、負離子發生器等技術在實際應用中的效果仍需進一步驗證。

（3）技術適用范圍受限。傳統控制技術如噴淋降塵必須配合較高的濕度才能發揮最佳作用，而光催化技術對光照條件也有一定的要求，因此在特定的氣象條件下其應用可能會受到限制。

（4）仍存在未知的安全隱患。新興技術如離子風場、電解水等在應用中存在一定的安全隱患，例如離子風場可能產生臭氧等有害物質，電解水可能產生氫氣等易燃氣體，因此需要進行更多的實驗和測試驗證其安全性。

4.2 控制技術應用改進措施

在具體應用中，可以考慮將傳統技術與新興技術結合，充分發揮它們各自的優勢［6］。

（1）組合使用控制技術策略。對于本文案例，可以采用通風換氣技術和離子風場技術相結合的控制技術，具體操作方法如下：在隧道內設置通風口，利用自然風或機械風將外部新鮮空氣引入隧道，形成空氣對流，將設備污染物排出。同時，在通風口處設置離子風場發生器，將設備產生的負離子向隧道內部傳遞，通過靜電作用使污染物凝聚并沉降，從而降低污染物濃度。這種組合使用的控制技術策略可以充分利用通風換氣技術和離子風場技術的優勢，較好地達到降低空氣污染物濃度的目的。

（2）優化傳統控制技術。由于傳統控制技術相對成熟，因此可以對某些傳統技術進行優化，在本文所提的公路隧道項目中，可以采取措施對噴淋降塵技術進行優化：①增加噴淋頭的數量。在隧道內設置更多的噴淋頭，可以使噴淋范圍更廣，更全面地覆蓋粉塵，從而降低粉塵濃度。②增加噴淋液的濃度。適當提高噴淋液的濃度，可以使其更有效地黏附粉塵，提高噴淋效果，降低粉塵濃度。此外，可以優化其他傳統技術或選擇技術組合策略，例如結合采用噴淋降塵技術與光催化技術，通過噴淋降塵將粉塵濕潤并黏附，然后通過光催化將污染物分解為無害物質，達到更好的控制效果。

（3）引入智能設備管控技術。在預算足夠的前提下，可以引入新型智能設備，針對隧道內顆粒物易擴散的特性，可以利用公路隧道智能風機，降低超細顆粒污染物的濃度。該技術可以通過隧道控制模塊建設實現，將原來各設備模塊高度整合，實現機電設備的實時狀態監控和遠程精準控制。

（4）加強設備管理維護。設備的維護和各種參數記錄也非常重要。在設備使用過程中，需要對設備的維護進行記錄，包括設備的檢查、維修、更換等，以便及時發現問題并進行處理。同時，需要對設備的使用情況進行記錄，以便對控制效果進行評估和分析。在南寧某隧道中，可采用云管理方式檢測設備的使用情況，記錄監測數據，包括設備運行時間、噴淋液濃度、風速等參數，這些數據能夠幫助工程人員分析設備的運行情況，及時發現問題，并進行針對性的優化改進。

5 結語

對某高速公路隧道內空氣污染物的濃度分布特征和控制技術進行了深入的研究，但受隧道長度的限制，只選擇了3個測點進行采樣，無法全面反映隧道內污染物的整體分布情況。此外，研究人員沒有考慮隧道內交通流量和車輛種類對污染物濃度分布的影響，這些因素可能會對污染物的分布產生較大的影響。未來，應圍繞隧道內交通流量和車輛種類對污染物分布的影響，建立更加細致的模型，為隧道內的空氣質量管理提供更加可靠的依據。

6 參考文獻

［1］劉洋，狄育慧，胡文，等.不同季節西安城市公路隧道主要空氣污染物濃度檢測及通風潛力預測［J］.建筑節能，2018，46（1）：131-136.

［2］郭浩.公路隧道內污染物分布的模擬與控制［D］.上海：東華大學，2016.

［3］鄧順熙，成平.縱向通風隧道內空氣污染物濃度及通風量的計算［J］.中國公路學報，2002（1）：86-88.

［4］楊清海.典型地下通道空間的環境空氣污染物散發傳播特性及控制技術研究［D］. 上海：東華大學，2021.

［5］楊柳.基于交通流控制的城市交通環境顆粒物污染特征研究［D］.北京：清華大學，2011.

［6］吳濤，張華玲，劉洋伶，等.基于污染物控制的室內空氣調節技術［J］.制冷與空調（四川），2019，33（5）：462-465，477.