某高速公路隧道内空气污染物的浓度分布特征及其控制技术研究

刘国亮 秦丹 刘陈鸿

摘要：文章针对某高速公路隧道内空气污染问题展开研究，旨在探究隧道内空气污染物的浓度分布特征及其控制技术。采用实地调查和实验室分析相结合的方法，对某高速公路隧道内空气污染问题进行深入探究，并通过实验分析隧道内空气污染物的横向和纵向分布特征，为解决隧道内空气污染问题，提出一种组合控制技术方案。通过实验验证，该组合控制技术方案能够有效地降低隧道内空气污染物的浓度，改善隧道内空气质量，同时为解决城市道路交通引起的空气污染问题提供了新思路和方案。

关键词：隧道空气质量；空气污染控制技术；空气污染物分布规律

中图分类号：U453.5    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0083-04

0 引言

本文以广西南宁某隧道项目为例，研究该隧道内空气污染物的浓度分布规律，分析目前常用的传统和新兴的空气污染控制技术的优点和缺点及其在该隧道内的应用情况，提出一种污染物控制技术组合策略，将传统技术和新兴技术结合应用，最大限度地控制空气污染物的浓度。针对该隧道内污染物的特点，通过优化空气治理技术，提高隧道内的空气质量和行车安全和效率。此外，应用该技术可以降低隧道内空气污染物对周边生态环境和人类健康的影响，实现可持续发展的目标［1-2］。

1 案例简介

某高速公路位于广西南宁市境内，该公路项目有一条长达8 km，高5 m，宽10.5 m的隧道；该地区属于亚热带季风气候，夏季炎热潮湿，冬季气温温和干燥；地形以平原为主，地势平坦。隧道位于一个丘陵上，两端连接的道路均有上、下坡，路况较好。该隧道设计标准为双向四车道，限速为120 km/h，设计通行能力为1.5万辆/日。平均通行时间为15 min。为了解决高速公路隧道内的空气污染问题，需要对污染物浓度进行监测和分析。因此，该项目勘测组对隧道内的空气进行了采样，获取隧道内污染物的浓度数据，以便分析其超标情况和分布规律，为隧道内空气治理提供依据。表1是该勘测组提供的隧道内部分污染物的采样结果，其中PM2.5和PM10的浓度均超过了国家规定的标准限值。

1.1 样品采样与分析

为了更全面地了解隧道内污染物的分布情况，采用了三点测量法。第一个测点位于隧道的入口处，第二个测点位于隧道的中间位置，第三个测点位于隧道的出口处。每个测点的高度保持在标准车辆的排气管口的范围内，即在距离地面50 cm的高度进行采样。每个测点进行30次采样，计算出污染物的平均浓度、标准差和变异系数，可以帮助技术人员更准确地了解隧道内污染物的浓度和分布情况。实验采用自动监测仪器和采样器进行采样和分析，监测仪器可以实时检测到隧道内的CO、NO2、SO2、VOCs等有机物质的浓度，而采样器则可以对PM2.5等固体颗粒物进行采样和分析。

1.2 污染物浓度算法

首先，选取在隧道入口处测点点位的PM2.5浓度样品数据进行计算。将取样的30个数据进行求和，然后将求和后的结果除以样本数，得到该点位的平均浓度739.8 / 30 = 24.66 ?g/m?。

计算该点位的标准差。标准差表示数据的离散程度，用于衡量数据的稳定性，计算公式如下：

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

其中，σ表示標准差，[xi]表示第i个数据，[x]表示平均值，n表示样本数。

根据公式（1），技术人员可以得到该点位PM2.5的标准差：

计算该点位PM2.5的变异系数。变异系数是标准差与平均值的比值，用于比较不同变量的离散程度，计算公式如下：

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

根据公式（3），技术人员可以得到该点位PM2.5的变异系数：

CV=0.88/24.66×100%=3.56%

因此，该测点点位PM2.5的浓度范围为22.4～27.8?g/m?，标准差为0.88?g/m?，变异系数为3.56%。

1.3 隧道内空气污染物浓度

根据以上计算公式，在隧道内取3个测点点位，对污染物CO、NO?、PM2.5、SO?、VOCs各取样30份，分别计算出它们的浓度范围及标准差和变异系数，形成最终的隧道内空气污染物浓度统计表（见表2）。

该隧道内的CO、PM2.5和VOCs的平均浓度较高且变异系数也较大。这些污染物对人体健康和生态环境都有不良影响，如PM2.5对人体呼吸系统、心血管系统等均有影响，NO2和SO2可影响人的呼吸系统和肺功能。因此，对该隧道空中的污染进行控制，需推测出污染物浓度的横向和纵向分布，再根据不同季节和时间段的污染物浓度消散程度采取优化车辆燃烧方式、加强通风管理及加强清洁管理等措施，可有效地减少隧道内污染物的含量，提高隧道内空气的质量，保障人体健康和生态环境的安全。

2 污染物分布特征

2.1 横向分布特征

在横向分布上，该隧道内主要污染物的浓度水平呈现出明显的不均匀性。经过多次采样和检测发现，隧道内主要污染物的浓度水平在隧道两侧区域相对较低，而在隧道中央区域相对较高。以检测到的NO2为例，其浓度水平在隧道两侧区域一般维持在30～40 μg/m?，而在隧道中央区域则可能达到80 μg/m?以上。在风向垂直于隧道方向的情况下，污染物的浓度水平在隧道两侧区域会更低，而在风向平行于隧道方向的情况下，则污染物会更加均匀地分布［3］。

2.2 纵向分布特征

在纵向分布上，经过长期的检测观察发现，污染物浓度通常情况下在隧道入口附近相对较低，而在隧道中段或者接近出口的位置则会增加。这是由于通行车辆在进入隧道时会带入一定量的新鲜空气，从而稀释隧道内的污染物浓度；而车辆在隧道内行驶的过程中，污染物的排放则会逐渐积累，导致浓度水平逐渐升高。在天气稳定的情况下，隧道内的污染物在纵向分布比较均匀，而在强风或者雨雪天气，污染物的纵向分布特征将会更加复杂和多变［4］。

2.3 季节变化特征

由上文提供的数据可知，该隧道内的主要污染物包括PM2.5、PM10、NO2和SO2，其浓度水平变化与季节变化密切相关。以隧道内检测到的PM2.5为例，在不同季节，其浓度水平如下：春季为9～13 μg/m?、夏季为14～26 μg/m?、秋季为12～16 μg/m?、冬季为16～24 μg/m?，在春季和秋季，隧道内的PM2.5浓度较低，与当地气候环境、通行量等因素有较大关系；而在夏季和冬季，隧道内的PM2.5浓度较高，则与大气逆温、机动车尾气排放等因素有关。该隧道内其他污染物的浓度水平也随季节的变化而出现浮动，但总体趋势与PM2.5类似［5］。

2.4 污染物浓度消聚的规律和原因

上文对隧道内污染物的浓度在横向和纵向上的分布规律特征进行分析。横向上污染物浓度的分布规律与车流量和车速密切相关。在车流量较大的区域，污染物浓度会明显增加。这是因为车辆尾气排放是污染物的主要来源，车流量越大，尾气排放就越多，污染物浓度也就越高。此外，车速也会影响污染物浓度的分布，在车速较慢的区域，汽车尾气的排放时间较长，污染物容易积累在这些区域，导致其浓度升高。在纵向上，污染物浓度的分布规律与气象条件有关，气象条件与污染物散发速度调查表见表3。在天气较热的季节，污染物更容易挥发扩散，因此污染物浓度相对较低；而在天气较冷的季节，污染物则更容易凝结聚集，致使污染物浓度变高。

表3中的数据可以通过气象站的监测数据或者现场的气象测量仪器获取。研究人员发现，气压越高、温度越高、湿度越低，污染物的散发速度就越快；而在降雨天气，由于水分的作用，污染物的消散速度會减缓。

3 空气污染物控制技术研究

3.1 传统控制技术

（1）通风换气。在项目隧道内部的通风换气系统中检测到在风速为2.5 m/s的情况下，通风量为500 m3/min，对挥发性有机物和二氧化硫的控制效果较好，控制效率分别为85%和70%；其原理是通过在隧道的两端设置通风口，在通风口处设置风机将新鲜空气送入隧道中，同时将污染物排出隧道，从而达到净化空气的目的。通风换气的适用范围比较广，可以对一些挥发性较大的污染物进行有效控制，但对颗粒物的控制效果不佳，会受到通风量、风向、风速、大气稳定度等因素的影响。

（2）喷淋降尘。在隧道内部设置喷淋降尘系统，在喷雾量为10 L/min的情况下，颗粒物控制效率达到60%。喷淋降尘是利用水雾将颗粒物降低到地面，以达到净化空气的目的；其原理是在隧道内设置喷淋装置，通过水雾将空气中的颗粒物湿润，使其质量增加，从而沉降到地面。喷淋降尘技术适用于颗粒物浓度较高的情况，但其控制效果有限且会在隧道内部形成积水，影响车辆的安全通行。

（3）光催化。光催化是一种新型的空气污染控制技术，其原理是利用光催化材料吸收光能，产生活性氧化物，通过氧化反应将污染物降解为无害物质。光催化技术适用于对颗粒物、挥发性有机物、二氧化氮等污染物的控制，但其效果受到光照强度、光催化材料的选择等因素的影响。

3.2 新兴控制技术

现阶段，投入公路隧道项目的新兴空气污染控制技术主要有离子风场、负离子发生器和电解水等技术，这些技术均是利用电场或化学反应等原理清除空气中的污染物。

（1）离子风场。离子风场技术是利用电子、正负离子等电场效应，生成电场，从而形成负离子风场，使得空气中的污染物通过静电吸附、物理碰撞等方式被捕集。该技术适用于空气污染物粒径大于10μm的颗粒物，其优点是可以降低污染物浓度，提高空气质量，缺点是需要消耗大量电能，并且不能清除细小颗粒物。

（2）负离子发生器。负离子发生器利用高电压电场产生的电离子与空气中的氧分子结合形成负离子，并利用静电吸附颗粒物。该技术适用于空气污染物粒径小于10 μm的颗粒物，其优点是能有效净化空气，同时具有调节人体免疫力和改善睡眠等作用，缺点是需要耗费较大电能。

（3）电解水。电解水技术是将水经过电解后，产生氢气和氧气，利用这些气体与空气中的污染物发生反应而清除污染物。该技术适用于有机物、氧化物等易被还原物质的空气污染物，其优点是操作简单、成本低廉、效果明显，同时能降低污染物浓度，提高空气质量，缺点是无法有效清除大颗粒污染物，同时需要消耗大量电能。

3.3 传统与新兴控制技术的对比

传统技术的优点在于技术成熟稳定，易于实施。例如，通风换气可以有效地降低空气中污染物的浓度，喷淋降尘可以抑制飞扬颗粒物的产生，光催化可以降解有机污染物。但是，传统技术也存在一些缺点，在通风换气方面，隧道内使用的抽风机与送风机需要消耗大量的能源，同时在某些情况下会带入外部污染物；而喷淋降尘和光催化等技术对污染物的控制效果有限，只适用于特定的污染物。

相比传统技术，新兴技术具有更高的效率和更低的能源消耗。例如，离子风场和负离子发生器可以快速清除空气中的颗粒物和有机污染物，电解水可以降解各种污染物，同时不会产生二次污染。但是，新兴技术也存在一些局限性，例如离子风场和负离子发生器对空气湿度和温度的要求比较高，而电解水需要消耗大量能源。此外，新兴技术在应用过程中，还需要考虑技术的成熟度、安全性等问题。

针对本隧道项目的特点，选择适合的空气污染控制技术需要考虑多种因素。传统技术方面，可以考虑采用通风换气和喷淋降尘等技术；新兴技术方面，可以考虑采用离子风场和电解水等技术；针对不同污染物的特点，也可以采用多种技术相结合的方式，以达到最佳的控制效果。

4 空气污染控制技术方案

4.1 控制技术应用存在的问题

（1）设备运行成本高。传统控制技术中通风换气、喷淋降尘等方法的应用成本较高，尤其是在大型隧道中的应用，需要消耗大量的能源和水资源。

（2）控制效果不理想。传统控制技术的控制效果受到天气等外界环境的影响较大且不易根除污染源，导致控制效果不理想。同时，新兴技术中离子风场、负离子发生器等技术在实际应用中的效果仍需进一步验证。

（3）技术适用范围受限。传统控制技术如喷淋降尘必须配合较高的湿度才能发挥最佳作用，而光催化技术对光照条件也有一定的要求，因此在特定的气象条件下其应用可能会受到限制。

（4）仍存在未知的安全隱患。新兴技术如离子风场、电解水等在应用中存在一定的安全隐患，例如离子风场可能产生臭氧等有害物质，电解水可能产生氢气等易燃气体，因此需要进行更多的实验和测试验证其安全性。

4.2 控制技术应用改进措施

在具体应用中，可以考虑将传统技术与新兴技术结合，充分发挥它们各自的优势［6］。

（1）组合使用控制技术策略。对于本文案例，可以采用通风换气技术和离子风场技术相结合的控制技术，具体操作方法如下：在隧道内设置通风口，利用自然风或机械风将外部新鲜空气引入隧道，形成空气对流，将设备污染物排出。同时，在通风口处设置离子风场发生器，将设备产生的负离子向隧道内部传递，通过静电作用使污染物凝聚并沉降，从而降低污染物浓度。这种组合使用的控制技术策略可以充分利用通风换气技术和离子风场技术的优势，较好地达到降低空气污染物浓度的目的。

（2）优化传统控制技术。由于传统控制技术相对成熟，因此可以对某些传统技术进行优化，在本文所提的公路隧道项目中，可以采取措施对喷淋降尘技术进行优化：①增加喷淋头的数量。在隧道内设置更多的喷淋头，可以使喷淋范围更广，更全面地覆盖粉尘，从而降低粉尘浓度。②增加喷淋液的浓度。适当提高喷淋液的浓度，可以使其更有效地黏附粉尘，提高喷淋效果，降低粉尘浓度。此外，可以优化其他传统技术或选择技术组合策略，例如结合采用喷淋降尘技术与光催化技术，通过喷淋降尘将粉尘湿润并黏附，然后通过光催化将污染物分解为无害物质，达到更好的控制效果。

（3）引入智能设备管控技术。在预算足够的前提下，可以引入新型智能设备，针对隧道内颗粒物易扩散的特性，可以利用公路隧道智能风机，降低超细颗粒污染物的浓度。该技术可以通过隧道控制模块建设实现，将原来各设备模块高度整合，实现机电设备的实时状态监控和远程精准控制。

（4）加强设备管理维护。设备的维护和各种参数记录也非常重要。在设备使用过程中，需要对设备的维护进行记录，包括设备的检查、维修、更换等，以便及时发现问题并进行处理。同时，需要对设备的使用情况进行记录，以便对控制效果进行评估和分析。在南宁某隧道中，可采用云管理方式检测设备的使用情况，记录监测数据，包括设备运行时间、喷淋液浓度、风速等参数，这些数据能够帮助工程人员分析设备的运行情况，及时发现问题，并进行针对性的优化改进。

5 结语

对某高速公路隧道内空气污染物的浓度分布特征和控制技术进行了深入的研究，但受隧道长度的限制，只选择了3个测点进行采样，无法全面反映隧道内污染物的整体分布情况。此外，研究人员没有考虑隧道内交通流量和车辆种类对污染物浓度分布的影响，这些因素可能会对污染物的分布产生较大的影响。未来，应围绕隧道内交通流量和车辆种类对污染物分布的影响，建立更加细致的模型，为隧道内的空气质量管理提供更加可靠的依据。

6 参考文献

［1］刘洋，狄育慧，胡文，等.不同季节西安城市公路隧道主要空气污染物浓度检测及通风潜力预测［J］.建筑节能，2018，46（1）：131-136.

［2］郭浩.公路隧道内污染物分布的模拟与控制［D］.上海：东华大学，2016.

［3］邓顺熙，成平.纵向通风隧道内空气污染物浓度及通风量的计算［J］.中国公路学报，2002（1）：86-88.

［4］杨清海.典型地下通道空间的环境空气污染物散发传播特性及控制技术研究［D］. 上海：东华大学，2021.

［5］杨柳.基于交通流控制的城市交通环境颗粒物污染特征研究［D］.北京：清华大学，2011.

［6］吴涛，张华玲，刘洋伶，等.基于污染物控制的室内空气调节技术［J］.制冷与空调（四川），2019，33（5）：462-465，477.