摘 要：合理的交通隧道通风控制浓度目标限值，不仅能够为司乘人员提供健康良好的行车环境，而且能够节约大量的电能。本文从纵向通风方式的污染物浓度分布趋势入手，分析了车辆通过隧道时人体受到污染物的暴露当量的表达式。进而研究了CO 与人体的相互作用机理，应用初始条件得到了CFK 方程的解析解及数值解。将3%作为人体血液中COHb 浓度的最大允许值，并且综合考虑污染物浓度c 和通过时间t 两个指标，提出了一种基于动态浓度控制方式的污染物负载指标表达式。通过实例计算对所提出的控制指标进行验证，结果显示，本文提出的方法能够适应交通流不断变化的特点，对通风控制更具有合理性和可靠性。

0 引言

隧道作为交通基础设施的特殊构造物，其运营环境一直以来受到人们的关注［1］。一方面，汽车通过隧道时排放的有害气体污染隧道内空气，影响司乘人员的身体健康; 另一方面，重载柴油车辆通过时排放的烟尘和产生的粉尘吸收光线，降低隧道内空气能见度，对行车安全造成不利影响。在隧道废气CO、NOx、CO2、SO2等众多物质中，CO 以其在隧道中浓度最高、毒性最大，且在封闭的隧道环境中难以转化等特点，成为对交通安全影响和人体健康危害最大的空气污染物。因此，应把CO 浓度限值作为通风控制目标的重要指标之一［2-3］。

目前，隧道通风方式主要是以纵向通风为主的机械通风，按最不利工况对隧道内空气施加一定的动能，用于克服隧道进出口大气压差、自然风( 逆向时) 、沿程摩阻等因素产生的阻力，以达到通风换气的目的。CO 浓度限值设置越低，隧道内空气质量相对越好，所需电能越多; 反之，设置越高，隧道内空气质量相对越差，所需电能越少［4］。因此，CO 浓度合理限值的研究，不仅能有效保障隧道环境空气质量，而且对能耗的科学计算也具有重要意义。

1 公路隧道内空气污染物分布特征

目前，我国采用纵向通风方式的单向交通隧道通风计算时，通常假设污染物浓度的分布大致呈三角形分布，在入口处的浓度值最小，出口处的浓度值最大，如图1 所示。

图1 纵向通风污染物浓度理想曲线

图1 中CO 浓度曲线是在假设交通流规则( 隧道内车型统一，行使速度一致，且沿隧道纵向均匀分布) ，不受自然风影响情况下的理想状态。

车流是产生污染物的源头，其受到车速、车流密度、车流量以及车型等各种交通流参数的影响。同时，车辆随机的进洞、出洞导致洞内污染物浓度随着车辆位置、速度、车型的变化发生瞬态变化。

在实际运营的隧道中，交通流为随机状态，在时刻发生着变化，导致隧道内污染物浓度曲线随之发生变化如图2 所示。不过，从入口到出口总的趋势来看，污染物浓度呈上升趋势［5-8］。

图2 纵向通风污染物实际曲线

李祖伟等［9］对运营公路隧道空气污染物纵向分布进行了数值模拟研究，指出CO 的污染物浓度从入口到出口方向在起伏变化，总体上来看呈上升趋势，同时给出了大、中、小不同车型比例的浓度曲线。Deng 等［10］对Yingpan 隧道的CO 污染物进行了实测分析研究，给出了左洞和右洞随着进洞距离的污染物浓度变化曲线，表明受隧道内交通流的影响，导致CO 浓度分布曲线呈不规则状态。李鸿博等［11］通过计算分析得出，在一定浓度限值( ≤500 ppm) 内采用平均浓度和三角形浓度曲线计算出的结果基本吻合。

2 隧道CO 污染物生理标准及危害评估

2．1 现行交通隧道CO 浓度限值标准

CO 作为隧道污染物浓度控制的重要指标之一，其浓度限值一直受到国内外研究者的普遍关注。世界隧道协会( PIAＲC) 根据世界卫生组织( WHO) 推荐的CO 短期暴露标准，给出了公路隧道通风设计的CO 浓度限值标准。日本、澳大利亚等国也制订了相应的标准，如表1 所示。

表1 国外CO 浓度限值标准统计表

我国公路隧道通风设计标准《公路隧道通风设计细则2014》对CO 浓度设计指标也给出了相应的限值，如表2 所示。

表2 国内CO 浓度限值标准统计表

由表1、表2 可知，国内外对于CO 浓度限值的标准基本保持一致，分别为: 正常工况100 ppm 和阻滞工况150 ppm。

2．2 CO 与人体作用机理

CO 造成的危害是通过与血液中的血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白( COHb) 。CO 结合血红蛋白的能力比氧气强约220 倍，因此在通过隧道时，呼吸的少量CO 就可以引起大量的血红蛋白被结合为COHb。结合后的COHb 不能发挥在血液中传输氧气的正常功能( 以氧血红蛋白O2Hb 的形式) ，会造成血液输送氧气的能力下降，身体机能缺氧。试验发现，当COHb 的浓度达到2． 5% ～3．0%时，受损个体心脏功能减弱，血流改变，继续暴露后红血球浓度发生变化。

1965 年，Coburn 等提出了一种数学方程式用来描述COHb 在人体血液当中的含量，其方程( CFK 方程) 表述如下:

为人体产生CO 的速率，ml /min; ［COHb］为血液中碳氧血红蛋白含量，用单位体积血液含CO 的体积表示，mL /mL; ［O2Hb］为血液中氧合血红蛋白的含量，用单位体积血液含O2的体积表示，mL /mL; PO2为肺部氧气分压，mmHg; M 为Haldane 常数，表示CO 和血液的亲和力与O2和血液亲和力的比值;DL为CO 在人体肺部的质量转换系数，Ml /( min•mmHg) ; PB为大气压力，mmHg; PH2O为水蒸气压力，mmHg; VA为大气与肺部活性区( 肺泡) 之间的空气交换率，Ml /min; PCO为呼吸空气中CO 的分压，mmHg。

方程中假设d［CO］= Vbd［COHb］，并且假设［O2Hb］是常数，与［COHb］无关，只有［COHb］和时间t 为变量。通过分离变量后，式( 1) 可变为一阶非齐次线性方程，如式( 2) 所示:

应用初始条件 t = 0，[ COHb] t = [ COHb] 0，对式( 2) 进行积分计算，得到方程( 1) 的解析解为:

式中: A = PO2 /(M[ O2Hb] ) ，B = 1 /DL ( ) +PB－PH2O ( ) /VA

方程( 1) 的数值解为:

式( 4) 即为式( 1) 的差分方程形式，如图3所示。

图3 血液中COHb 含量与暴露时间t 的关系曲线

2．3 污染物浓度的危害评估

污染物的暴露量由暴露时间和暴露浓度共同决定。

2．3．1 暴露量

人体对某种化学物质的暴露，通常指人体的外部边界皮肤、口、鼻等与化学物质的接触。暴露浓度被定义为接触暴露发生的位置上化学物质的浓度。对隧道废气污染而言，暴露浓度一般近似认为等于口鼻呼吸区域处大气污染物的浓度。一段时间内污染物的暴露即暴露量，是暴露评价中的重要指标。暴露量可用下式表示:

式中: Eq 为暴露量; t 为暴露时间; C( t) 为随时间变化的暴露浓度。

在暴露评价研究中，剂量是另一主要的评价指标。剂量有多种内涵，潜在剂量( potential dose) 是常用的一种，即被吞咽、吸入或涂抹于皮肤的化学品的量。潜在剂量可用下式表示:

式中: Dp为潜在剂量; IＲ( t) 为随时间变化的吸入速率，其他符号含义同上式。潜在剂量的单位为质量单位，如mg。吸入速率的单位为体积/时间，如m3 /h。空气吸入速率的确定来源于美国EPA 的暴露因子手册( Exposure Factors Handbook) : 对于年龄在16～60 岁的成年人而言，坐下或站立( 在公交或地铁上) 以及行走时的平均空气吸入速率分别为0．288 m3 /h 和0．72 m3 /h。

2．3．2 毒气负载指标

毒气的危害大小使用毒气负载指标进行度量。毒气负载( Toxic Load) 是定量评估有害气体暴露对生物体身体伤害的主要方法，起源于著名的Haber 准则: Ct = k( 常数) 。即对于某种有毒气体，当暴露浓度C 与暴露时间t 的乘积固定时，生物体产生的生理反应将一致。然而，近几十年进行的动物实验表明，浓度和时间对生物体生理反应的作用并非等同，并因此产生了许多Haber 准则的修正公式［12-14］。毒气负载模型可看作这些公式的一般形式，其数学公式如下:

式中: L 为有毒气体负载值，是生物体伤害大小的量化指数; m 和n 分别为C 和t 的作用指数，反映了暴露浓度和暴露时间对L 的贡献大小。m 值较大，说明短期的高浓度暴露较长期的低浓度暴露的危害大; 相反，则说明暴露时间在决定L 时起主要作用。根据毒气体成分及暴露时间不同时，m 和n的取值将不同，相同L 值产生的生物体生理反应也会不同［15］。

2．3．3 平均浓度

测得隧道中的平均浓度可用式( 8) 来表示:

式中: c 为仪器测得的瞬时浓度; t 为监测时间。

3 动态浓度控制指标

3．1 污染物负载动态浓度指标

国内外现有的浓度指标是以正常工况和阻滞工况给于不同的浓度值来作为控制目标。考虑到污染物负载指标中的参数时间t 在现有标准中均未考虑，丢失了重要的信息，故笔者提出了一种动态浓度控制的污染物负载指标，既反映了浓度信息，同时对通过隧道时间也做了约束，其表达式如( 9) 所示。

式中: Cavg为隧道内CO 平均浓度; t 为通过隧道时间; m 为浓度指数; n 为时间指数。

考虑到车辆通过隧道的时间一般在30 min 以内，取m= 1，n = 1，式( 9) 简化为:

3．2 实例计算

以重庆市某隧道( 其中左洞长3 555 m，右洞长3 562 m) 为例，正常工况( 60 km/h) 下通过隧道的时间为4 min，异常工况( 20 km/h) 下通过隧道的时间为11 min。考虑规范［16］中通过隧道不超过20 min 为例分别计算，计算值如表3 所示:

表3 不同行驶工况下COHb 浓度值

续表3

不同行驶工况下污染物浓度负载计算限值如表4 所示。

表4 不同行驶工况下污染物浓度负载

通过表4 的计算结果分析可知，不再将具体的CO 浓度值作为唯一的控制指标，而是采用车速快时，浓度值高、车速慢时，浓度值低的动态控制思想。采用动态浓度控制的污染物负载指标作为隧道通风系统的控制参数，使得系统的控制更具有灵活性和鲁棒性。

4 结论

分析了交通隧道纵向通风方式的污染物浓度分布趋势，结合CO 与人体相互作用的CFK 方程及毒气负载指标的Haber 准则，提出了一种动态浓度控制的污染物负载指标。

(1) CO 与人体中的血红蛋白结合能力比氧气强约220 倍，是造成危害的主要根源。将血液中COHb 的浓度限定在2．5%～ 3．0%作为负载控制的基本限值。

(2) 以人体对某种化学物质的暴露方式和剂量大小为基础，分析了暴露评价的基本方式和毒气负载指标的计算准则，提出了一种动态浓度控制的污染物负载指标。

(3) 结合现有规范中的污染物浓度指标限值，以重庆地区某隧道为例，对本文提出的动态浓度控制指标进行了计算验证。计算结果显示，本方法同时考虑了浓度c 和通过时间t 对控制目标的约束，控制方式更为合理和可靠。

摘自：地下空间与工程学报