不同通風(fēng)模式下地鐵站毒氣擴散的實地試驗研究

　　摘要:為全面了解通風(fēng)系統(tǒng)對地鐵站內(nèi)有毒氣體擴散的影響，本文以北京某地鐵站為研究對象，在國內(nèi)率先開展了全尺寸實地擴散試驗。采用三維超聲波風(fēng)速儀對機械通風(fēng)和應(yīng)急通風(fēng)下的站內(nèi)流場進行監(jiān)測，分析其氣流組織形式;采用六氟化硫(SF6)釋放、時序采集和離線檢測的方法，研究重氣的擴散與沉降，為疏散路徑規(guī)劃提供建議。結(jié)果表明：應(yīng)急模式下各監(jiān)測點的風(fēng)速更大，是機械通風(fēng)的 1.2~2 倍;SF6在機械通風(fēng)工況下擴散，會出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，易于在樓梯、邊緣等位置的地面積累從而形成局部高濃度區(qū)域，且長時間高于 50 ppm;應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)開啟后，沉降的 SF6加速向上傳輸，且會快速充滿整個站臺，東西站臺濃度最高均達到 200 ppm 以上;應(yīng)急處置時，需要盡快將乘客向上層或反向區(qū)域疏散，嚴禁開啟頂部排煙等設(shè)備，避免地面氣體向呼吸區(qū)擴散。

　　王磊; 關(guān)健; 彭猛; 張琨; 韓浩; 康健; 許嘉鈺， 中國環(huán)境科學(xué) 發(fā)表時間：2021-09-29

　　關(guān)鍵詞:地鐵站;氣體擴散;實地試驗;通風(fēng)系統(tǒng)

　　隨著我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展和城市化進程加快，城市人口數(shù)量激增，愈加頻繁的人員出行和物資運輸對市內(nèi)交通造成極大壓力[1-3]。地下軌道交通可以有效緩解交通擁堵、降低事故、減少污染、提高通勤效率[4-7]。然而值得關(guān)注的是，地鐵系統(tǒng)一般具有空間狹小封閉、客流密度大以及通風(fēng)不暢等問題，極易成為化學(xué)恐怖襲擊或突發(fā)事件的主要目標[8-10]。1995 年 3 月 20 日，日本東京地鐵發(fā)生了震驚世界的沙林毒氣恐怖襲擊事件，13 人死亡、5500 多人中毒受傷，很多人至今仍帶有沙林中毒的后遺癥[11]。

　　解放軍理工大學(xué)的蔡浩等[12]重點研究了生化襲擊與建筑環(huán)境安全，進行了典型生化襲擊場景分析、生化毒劑劑量反應(yīng)關(guān)系分析、室內(nèi)人員暴露單元及其分層模型等工作，其中有毒氣體擴散采用計算機模擬技術(shù)。在地下空間應(yīng)對生化恐怖襲擊安全性評估與策略研究方面，該課題組提出的以有毒氣體擴散模擬為基礎(chǔ)的安全評估系統(tǒng)，已經(jīng)在核生化防護工程、裝備研發(fā)設(shè)計等領(lǐng)域逐步應(yīng)用。對于地鐵站等大型計算域，其空間結(jié)構(gòu)、通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計極為復(fù)雜，簡化處理的計算模型和模擬艙均無法還原現(xiàn)場的實際情況，使計算結(jié)果出現(xiàn)不可預(yù)知的偏差。而全尺寸試驗在計算域?qū)嵉亻_展，能夠獲取真實條件下空氣流動和有毒氣體擴散的時空數(shù)據(jù)，是研究地鐵站有毒氣體傳播的最直接可靠的手段[13,14]。現(xiàn)階段，我國針對地鐵火災(zāi)的全尺寸試驗研究相對全面。清華大學(xué)公共安全研究院先后在南昌和廣州的多個地鐵站開展了火災(zāi)煙氣實驗，對比了島式、側(cè)式站臺以及大型換乘站中煙霧的蔓延趨勢和機械排煙效率，根據(jù)濃煙和高溫覆蓋的面積優(yōu)化人員疏散路徑，進而降低人員傷亡[15-17]。相比之下，我國地鐵在應(yīng)對生化恐怖襲擊方面的研究起步較晚，氣態(tài)有毒物質(zhì)由于無色無味，其監(jiān)測點設(shè)置、時序采集和離線分析較為復(fù)雜，導(dǎo)致在已開通運營的站點開展大規(guī)模氣體釋放試驗困難重重，因此尚未出現(xiàn)全尺寸試驗的相關(guān)報道。

　　為全面了解通風(fēng)系統(tǒng)對地鐵站內(nèi)有毒有害氣體擴散的影響，選取北京地鐵某站為目標站，以 SF6 為示蹤氣體[18-20]，于國內(nèi)率先開展了全尺寸氣體擴散試驗研究。通過改變通風(fēng)模式，對其氣體沉降、傳輸速率、擴散范圍等進行分析，研究結(jié)果可為應(yīng)急通風(fēng)提供建議，也可作為計算機模擬驗證的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[21]。

　　1 試驗設(shè)計

　　1.1 車站概況和點位布置

　　本文試驗在北京 15 號線某地鐵站臺開展。如圖 1 所示，該車站整體呈東西走向，為地下 2 層結(jié)構(gòu)，每層凈高約 4 m。負 1 層為東西 2 個站廳;釋放點位于負 2 層，典型島式站臺，兩端通過扶梯與站廳相連，尺寸為 112.5 m × 14 m。站臺頂部呈東西走向設(shè)置了 2 行通風(fēng)口，各 25 個，北側(cè)為進風(fēng)口，南側(cè)為排風(fēng)口。正常工況下，地鐵站通風(fēng)由活塞風(fēng)和機械排風(fēng)組成，總風(fēng)量按照《地鐵設(shè)計規(guī)范 GB50157-2013》要求，不得低于 30 (m3 /h)/人[22]，其中機械排風(fēng)占比可在 10%~100%浮動。經(jīng)初步統(tǒng)計，該站客流量峰值約為 200 人/h，機械通風(fēng)量約為 0.6×104 m3 /h。另一方面，地鐵站的應(yīng)急通風(fēng)模式主要用于火災(zāi)煙霧排出和新風(fēng)引入，排煙風(fēng)量應(yīng)按照 60 (m3 /h)/m2 設(shè)計[23,24]。該站站臺面積約為 1600 m2，計算得到應(yīng)急通風(fēng)量 9.7×104 m3 /h。

　　如圖 2 所示，在站臺層 S 點(站臺中心正西 2 m)進行 2 次氣體釋放，機械通風(fēng)和應(yīng)急通風(fēng)各 1 次。全站共設(shè)置 13 個采樣位置，其中站廳層設(shè)置 5 個 0.5 m 采樣點;站臺層設(shè)置 5 個 1.6 m 采樣點，代表呼吸區(qū)高度;另外在站臺的樓梯口、中線等典型位置上設(shè)置 3 個三高度采樣點(包括 0.5 m、1.6 m 和 2.5 m)，以期獲得垂直高度的濃度場數(shù)據(jù)。

　　本試驗利用三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3B, CampbellScientific Inc.)和多通道風(fēng)速儀(System 6242, Kanomax Japan inc.)對地鐵站 1.6 m 高度的局部流場進行監(jiān)測，點位布局如圖 3 所示。其中，多通道風(fēng)速儀共選取 12 個位置，三維超聲風(fēng)速儀設(shè)置在樓梯口處，采樣頻率均為 1 Hz，分別監(jiān)測 10 min。

　　1.2 試驗方法

　　本文選擇 SF6 為目標氣體，密度為 6.1 kg/m³，在空氣中無本底，性質(zhì)穩(wěn)定，適宜用作高密度毒氣的擴散模擬物。SF6 鋼瓶氣經(jīng)減壓閥接入自制廣口瓶，用以降低出口速度，釋放強度設(shè)定為 1 kg/min，共釋放 5 min。SF6 檢測使用時序采集和離線分析的方法，每隔 3 min 各采樣點同時采樣一次，共 10 次，流量為 10 L/min，每次采集 1 L;SF6 分析采用為 Agilent 7860-7000D 氣-質(zhì)聯(lián)用儀，色譜柱為 HP-5MS。

　　2 結(jié)果與討論

　　圖 4 展示的是兩種通風(fēng)模式下(機械通風(fēng)和應(yīng)急通風(fēng)，均無列車通過)站臺 A1 點的風(fēng)向風(fēng)速的對比情況。結(jié)果表明，機械通風(fēng)時 A1 點流場較為穩(wěn)定，風(fēng)向保持在 90°±30°，即流體呈現(xiàn)持續(xù)的東向西走向，風(fēng)速為 0.1~0.3 m/s，有利于有毒氣體向站臺西側(cè)的單向傳輸。應(yīng)急通風(fēng)開啟后，風(fēng)向開始大幅波動，除了 90°主導(dǎo)風(fēng)向外，還出現(xiàn)了 0°~45°、180° 以及 270°~360°的風(fēng)向，同時風(fēng)速提高至 0.2~0.5 m/s。應(yīng)急通風(fēng)為迅速排除站內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧及 CO[25]，設(shè)置在頂部的通風(fēng)口增大了通風(fēng)量，增強了站臺空間的紊流，使流場呈無序狀態(tài)。另一方面，均勻布置的多通道風(fēng)速傳感器對比了是兩種通風(fēng)模式下 1.6 m 處的風(fēng)速變化。如圖 5 所示，應(yīng)急模式下各監(jiān)測點的風(fēng)速是機械通風(fēng)的 1.2~2 倍，同樣說明了該模式可以整體增強室內(nèi)空氣循環(huán)。

　　圖 6 展示的是機械通風(fēng)條件下，地鐵站各監(jiān)測點的 SF6 濃度變化情況。如圖 6(a)所示，受站臺主流場控制，氣體僅向站臺西側(cè)擴散，而東側(cè)(3-3)、(1-2)和(1-3)均未檢出 SF6。在釋放 SF6 后，(3-2)與西南側(cè)(1-4)濃度迅速增加，在 3 min 時距離 SF6 釋放口最近的(3-2)達到峰值，為 143 ppm;在 6 min 時樓梯口附近的(3-1)，(1-4)和(1-5)達到峰值，分別為 181 ppm，170 ppm 和 107 ppm。此外，由于南北頂部通風(fēng)口的設(shè)置，空間內(nèi)存在北向南的氣流，氣體擴散至(1-4)的速度更快且濃度更高，而擴散至與之對稱的(1-5)則速度更慢且濃度較低。停止釋放 12 min 后，除樓梯西側(cè)(1-1)外，站臺層的 SF6 大量減少，小于 35 ppm。而樓梯西側(cè)(1-1)則由于主流場方向的影響，易于出現(xiàn)有毒物質(zhì)積累，停止釋放 15 min 后，該區(qū)域濃度依舊可以達到 50 ppm 左右。除此之外，部分氣體會延樓梯口(3-1)蔓延至站廳層， 3 min 后西站廳各點相繼檢測出 SF6，如圖 6(b)所示。其中由于位置原因，最靠近電梯口的(2-1)濃度最高且在 6 min 與(3-1)，(1-4)和(1-5)同時到達峰值，為 138 ppm，并未顯著小于電梯口(3-1)，這說明在電梯存在的情況下 SF6 濃度不會因為樓層上升而大量減少。之后，同一樓層不同高度之間 SF6 濃度變化被研究。如圖 6(c)(d)所示，機械通風(fēng)條件下 SF6 受密度影響易于沉降在地面，隨高度增加，濃度逐漸降低。

　　改為應(yīng)急通風(fēng)后，地鐵站各監(jiān)測點的 SF6 濃度變化情況如圖 7 所示。圖 7(a)結(jié)果表明，應(yīng)急通風(fēng)改變了原有的單向主流場，有毒氣體在站臺呈現(xiàn)雙向擴散的現(xiàn)象，東側(cè)(3-3)與西側(cè) (3-2)在 3 min 時同時達到峰值，分別為 209 ppm 和 190 ppm;氣體向東站臺的擴散趨勢強于西站臺，東側(cè)樓梯附近(1-2)、(1-3)檢測到的峰值濃度分別為為 220 ppm 和 184 ppm， 遠高于西側(cè)(1-1)、(3-1)的峰值濃度。如圖 7(b)所示，應(yīng)急通風(fēng)還會使有毒氣體蔓延至東西 2 個站廳，其中東站廳(2-5)的峰值濃度為 17 ppm，高于西站廳的最高值 15 ppm。同時，該站通風(fēng)口設(shè)置在頂部，因此應(yīng)急通風(fēng)為增大排煙效率，會增加頂部的排風(fēng)風(fēng)量，因此底部沉降的 SF6 受其影響，在垂直高度的擴散能力得到增強。以(3-1)為例，其 1.6 m 處的濃度值與 0.5 m 相近，約為 55 ppm，這表明大量的地面 SF6 已傳輸至呼吸區(qū)高度，如圖 7(c)。綜上所述，在應(yīng)急通風(fēng)作用下，沉積在地面的有毒氣體大量擴散至呼吸區(qū)域;原有起到隔離作用的主流場被打破，氣體釋放后開始向東西兩個方向傳輸，3 min 左右即可充滿整個站臺，最高均可達到 200 ppm 以上。如果有毒氣體泄露，應(yīng)急通風(fēng)模式開啟后會導(dǎo)致流場發(fā)生變化，從而導(dǎo)致沉降在地面的有毒氣體上升到呼吸道附近;從機械通風(fēng)時僅在西側(cè)存在有毒氣體，變?yōu)檎麄€站臺均存在高濃度氣體，東西站臺濃度最高均達到 200 ppm 以上，高于機械通風(fēng)時最高濃度 181 ppm。以上說明在發(fā)生毒氣泄漏時應(yīng)急通風(fēng)增加了呼吸區(qū)氣體濃度，這將增加傷亡率。因此，在發(fā)生毒氣泄漏時應(yīng)關(guān)閉應(yīng)急通風(fēng)。

　　3 結(jié)論

　　(1)該地鐵站臺在機械通風(fēng)工況下，會形成一個較為規(guī)律的主流場，即氣流從站臺中央向兩端逐漸進入站廳層，進而通過乘客出入口排至地面。受頂部通風(fēng)口影響，有毒氣體主要通過樓梯南側(cè)擴散并在站臺兩端逐漸積累。該流場將地鐵站整體劃分為相對獨立的東西兩個區(qū)域，有毒氣體只能在釋放源所處的區(qū)域內(nèi)流動。

　　(2)在應(yīng)急通風(fēng)作用下，原有主流場發(fā)生變化，換氣量增大，站臺空間的紊流增強，使流場更加無序。沉積在地面的有毒氣體大量擴散至呼吸區(qū)域;原有起到隔離作用的主流場被打破，氣體釋放后開始向東西兩個方向傳輸，并很快蔓延至整個地鐵站。

　　(3)采用頂部排煙設(shè)計的應(yīng)急通風(fēng)模式，會使毒氣事件大幅惡化，呼吸區(qū)濃度提高引起傷亡率增加;同時空間流動性增強使擴散范圍從機械通風(fēng)的局部區(qū)域傳輸變?yōu)槿緮U散，覆蓋面積更大。因此，對于核生化恐怖襲擊，應(yīng)當(dāng)禁止開啟頂部排煙設(shè)備或安裝地面排風(fēng)，盡力減少吸入傷害。