不同通風模式下地鐵站毒氣擴散的實地試驗研究

　　摘要:為全面了解通風系統對地鐵站內有毒氣體擴散的影響，本文以北京某地鐵站為研究對象，在國內率先開展了全尺寸實地擴散試驗。采用三維超聲波風速儀對機械通風和應急通風下的站內流場進行監測，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，為疏散路徑規劃提供建議。結果表明：應急模式下各監測點的風速更大，是機械通風的 1.2~2 倍;SF6在機械通風工況下擴散，會出現明顯的沉降現象，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域，且長時間高于 50 ppm;應急通風系統開啟后，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;應急處置時，需要盡快將乘客向上層或反向區域疏散，嚴禁開啟頂部排煙等設備，避免地面氣體向呼吸區擴散。

　　王磊; 關健; 彭猛; 張琨; 韓浩; 康健; 許嘉鈺， 中國環境科學 發表時間：2021-09-29

　　關鍵詞:地鐵站;氣體擴散;實地試驗;通風系統

　　隨著我國社會經濟高速發展和城市化進程加快，城市人口數量激增，愈加頻繁的人員出行和物資運輸對市內交通造成極大壓力[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]。然而值得關注的是，地鐵系統一般具有空間狹小封閉、客流密度大以及通風不暢等問題，極易成為化學恐怖襲擊或突發事件的主要目標[8-10]。1995 年 3 月 20 日，日本東京地鐵發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]。

　　解放軍理工大學的蔡浩等[12]重點研究了生化襲擊與建筑環境安全，進行了典型生化襲擊場景分析、生化毒劑劑量反應關系分析、室內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。在地下空間應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的安全評估系統，已經在核生化防護工程、裝備研發設計等領域逐步應用。對于地鐵站等大型計算域，其空間結構、通風系統的設計極為復雜，簡化處理的計算模型和模擬艙均無法還原現場的實際情況，使計算結果出現不可預知的偏差。而全尺寸試驗在計算域實地開展，能夠獲取真實條件下空氣流動和有毒氣體擴散的時空數據，是研究地鐵站有毒氣體傳播的最直接可靠的手段[13,14]?，F階段，我國針對地鐵火災的全尺寸試驗研究相對全面。清華大學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煙氣實驗，對比了島式、側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，根據濃煙和高溫覆蓋的面積優化人員疏散路徑，進而降低人員傷亡[15-17]。相比之下，我國地鐵在應對生化恐怖襲擊方面的研究起步較晚，氣態有毒物質由于無色無味，其監測點設置、時序采集和離線分析較為復雜，導致在已開通運營的站點開展大規模氣體釋放試驗困難重重，因此尚未出現全尺寸試驗的相關報道。

　　為全面了解通風系統對地鐵站內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]，于國內率先開展了全尺寸氣體擴散試驗研究。通過改變通風模式，對其氣體沉降、傳輸速率、擴散范圍等進行分析，研究結果可為應急通風提供建議，也可作為計算機模擬驗證的數據基礎[21]。

　　1 試驗設計

　　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 層結構，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置了 2 行通風口，各 25 個，北側為進風口，南側為排風口。正常工況下，地鐵站通風由活塞風和機械排風組成，總風量按照《地鐵設計規范 GB50157-2013》要求，不得低于 30 (m3 /h)/人[22]，其中機械排風占比可在 10%~100%浮動。經初步統計，該站客流量峰值約為 200 人/h，機械通風量約為 0.6×104 m3 /h。另一方面，地鐵站的應急通風模式主要用于火災煙霧排出和新風引入，排煙風量應按照 60 (m3 /h)/m2 設計[23,24]。該站站臺面積約為 1600 m2，計算得到應急通風量 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，機械通風和應急通風各 1 次。全站共設置 13 個采樣位置，其中站廳層設置 5 個 0.5 m 采樣點;站臺層設置 5 個 1.6 m 采樣點，代表呼吸區高度;另外在站臺的樓梯口、中線等典型位置上設置 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據。

　　本試驗利用三維超聲風速儀(CSAT3B, CampbellScientific Inc.)和多通道風速儀(System 6242, Kanomax Japan inc.)對地鐵站 1.6 m 高度的局部流場進行監測，點位布局如圖 3 所示。其中，多通道風速儀共選取 12 個位置，三維超聲風速儀設置在樓梯口處，采樣頻率均為 1 Hz，分別監測 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，性質穩定，適宜用作高密度毒氣的擴散模擬物。SF6 鋼瓶氣經減壓閥接入自制廣口瓶，用以降低出口速度，釋放強度設定為 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-質聯用儀，色譜柱為 HP-5MS。

　　2 結果與討論

　　圖 4 展示的是兩種通風模式下(機械通風和應急通風，均無列車通過)站臺 A1 點的風向風速的對比情況。結果表明，機械通風時 A1 點流場較為穩定，風向保持在 90°±30°，即流體呈現持續的東向西走向，風速為 0.1~0.3 m/s，有利于有毒氣體向站臺西側的單向傳輸。應急通風開啟后，風向開始大幅波動，除了 90°主導風向外，還出現了 0°~45°、180° 以及 270°~360°的風向，同時風速提高至 0.2~0.5 m/s。應急通風為迅速排除站內火災產生的煙霧及 CO[25]，設置在頂部的通風口增大了通風量，增強了站臺空間的紊流，使流場呈無序狀態。另一方面，均勻布置的多通道風速傳感器對比了是兩種通風模式下 1.6 m 處的風速變化。如圖 5 所示，應急模式下各監測點的風速是機械通風的 1.2~2 倍，同樣說明了該模式可以整體增強室內空氣循環。

　　圖 6 展示的是機械通風條件下，地鐵站各監測點的 SF6 濃度變化情況。如圖 6(a)所示，受站臺主流場控制，氣體僅向站臺西側擴散，而東側(3-3)、(1-2)和(1-3)均未檢出 SF6。在釋放 SF6 后，(3-2)與西南側(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，由于南北頂部通風口的設置，空間內存在北向南的氣流，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(1-1)外，站臺層的 SF6 大量減少，小于 35 ppm。而樓梯西側(1-1)則由于主流場方向的影響，易于出現有毒物質積累，停止釋放 15 min 后，該區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。

　　改為應急通風后，地鐵站各監測點的 SF6 濃度變化情況如圖 7 所示。圖 7(a)結果表明，應急通風改變了原有的單向主流場，有毒氣體在站臺呈現雙向擴散的現象，東側(3-3)與西側 (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(1-1)、(3-1)的峰值濃度。如圖 7(b)所示，應急通風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，該站通風口設置在頂部，因此應急通風為增大排煙效率，會增加頂部的排風風量，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 已傳輸至呼吸區高度，如圖 7(c)。綜上所述，在應急通風作用下，沉積在地面的有毒氣體大量擴散至呼吸區域;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，應急通風模式開啟后會導致流場發生變化，從而導致沉降在地面的有毒氣體上升到呼吸道附近;從機械通風時僅在西側存在有毒氣體，變為整個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，高于機械通風時最高濃度 181 ppm。以上說明在發生毒氣泄漏時應急通風增加了呼吸區氣體濃度，這將增加傷亡率。因此，在發生毒氣泄漏時應關閉應急通風。

　　3 結論

　　(1)該地鐵站臺在機械通風工況下，會形成一個較為規律的主流場，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。受頂部通風口影響，有毒氣體主要通過樓梯南側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域，有毒氣體只能在釋放源所處的區域內流動。

　　(2)在應急通風作用下，原有主流場發生變化，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)采用頂部排煙設計的應急通風模式，會使毒氣事件大幅惡化，呼吸區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的局部區域傳輸變為全站擴散，覆蓋面積更大。因此，對于核生化恐怖襲擊，應當禁止開啟頂部排煙設備或安裝地面排風，盡力減少吸入傷害。