不同通风模式下地铁站毒气扩散的实地试验研究

　　摘要:为全面了解通风系统对地铁站内有毒气体扩散的影响，本文以北京某地铁站为研究对象，在国内率先开展了全尺寸实地扩散试验。采用三维超声波风速仪对机械通风和应急通风下的站内流场进行监测，分析其气流组织形式;采用六氟化硫(SF6)释放、时序采集和离线检测的方法，研究重气的扩散与沉降，为疏散路径规划提供建议。结果表明：应急模式下各监测点的风速更大，是机械通风的 1.2~2 倍;SF6在机械通风工况下扩散，会出现明显的沉降现象，易于在楼梯、边缘等位置的地面积累从而形成局部高浓度区域，且长时间高于 50 ppm;应急通风系统开启后，沉降的 SF6加速向上传输，且会快速充满整个站台，东西站台浓度最高均达到 200 ppm 以上;应急处置时，需要尽快将乘客向上层或反向区域疏散，严禁开启顶部排烟等设备，避免地面气体向呼吸区扩散。

　　王磊; 关健; 彭猛; 张琨; 韩浩; 康健; 许嘉钰， 中国环境科学 发表时间：2021-09-29

　　关键词:地铁站;气体扩散;实地试验;通风系统

　　随着我国社会经济高速发展和城市化进程加快，城市人口数量激增，愈加频繁的人员出行和物资运输对市内交通造成极大压力[1-3]。地下轨道交通可以有效缓解交通拥堵、降低事故、减少污染、提高通勤效率[4-7]。然而值得关注的是，地铁系统一般具有空间狭小封闭、客流密度大以及通风不畅等问题，极易成为化学恐怖袭击或突发事件的主要目标[8-10]。1995 年 3 月 20 日，日本东京地铁发生了震惊世界的沙林毒气恐怖袭击事件，13 人死亡、5500 多人中毒受伤，很多人至今仍带有沙林中毒的后遗症[11]。

　　解放军理工大学的蔡浩等[12]重点研究了生化袭击与建筑环境安全，进行了典型生化袭击场景分析、生化毒剂剂量反应关系分析、室内人员暴露单元及其分层模型等工作，其中有毒气体扩散采用计算机模拟技术。在地下空间应对生化恐怖袭击安全性评估与策略研究方面，该课题组提出的以有毒气体扩散模拟为基础的安全评估系统，已经在核生化防护工程、装备研发设计等领域逐步应用。对于地铁站等大型计算域，其空间结构、通风系统的设计极为复杂，简化处理的计算模型和模拟舱均无法还原现场的实际情况，使计算结果出现不可预知的偏差。而全尺寸试验在计算域实地开展，能够获取真实条件下空气流动和有毒气体扩散的时空数据，是研究地铁站有毒气体传播的最直接可靠的手段[13,14]。现阶段，我国针对地铁火灾的全尺寸试验研究相对全面。清华大学公共安全研究院先后在南昌和广州的多个地铁站开展了火灾烟气实验，对比了岛式、侧式站台以及大型换乘站中烟雾的蔓延趋势和机械排烟效率，根据浓烟和高温覆盖的面积优化人员疏散路径，进而降低人员伤亡[15-17]。相比之下，我国地铁在应对生化恐怖袭击方面的研究起步较晚，气态有毒物质由于无色无味，其监测点设置、时序采集和离线分析较为复杂，导致在已开通运营的站点开展大规模气体释放试验困难重重，因此尚未出现全尺寸试验的相关报道。

　　为全面了解通风系统对地铁站内有毒有害气体扩散的影响，选取北京地铁某站为目标站，以 SF6 为示踪气体[18-20]，于国内率先开展了全尺寸气体扩散试验研究。通过改变通风模式，对其气体沉降、传输速率、扩散范围等进行分析，研究结果可为应急通风提供建议，也可作为计算机模拟验证的数据基础[21]。

　　1 试验设计

　　1.1 车站概况和点位布置

　　本文试验在北京 15 号线某地铁站台开展。如图 1 所示，该车站整体呈东西走向，为地下 2 层结构，每层净高约 4 m。负 1 层为东西 2 个站厅;释放点位于负 2 层，典型岛式站台，两端通过扶梯与站厅相连，尺寸为 112.5 m × 14 m。站台顶部呈东西走向设置了 2 行通风口，各 25 个，北侧为进风口，南侧为排风口。正常工况下，地铁站通风由活塞风和机械排风组成，总风量按照《地铁设计规范 GB50157-2013》要求，不得低于 30 (m3 /h)/人[22]，其中机械排风占比可在 10%~100%浮动。经初步统计，该站客流量峰值约为 200 人/h，机械通风量约为 0.6×104 m3 /h。另一方面，地铁站的应急通风模式主要用于火灾烟雾排出和新风引入，排烟风量应按照 60 (m3 /h)/m2 设计[23,24]。该站站台面积约为 1600 m2，计算得到应急通风量 9.7×104 m3 /h。

　　如图 2 所示，在站台层 S 点(站台中心正西 2 m)进行 2 次气体释放，机械通风和应急通风各 1 次。全站共设置 13 个采样位置，其中站厅层设置 5 个 0.5 m 采样点;站台层设置 5 个 1.6 m 采样点，代表呼吸区高度;另外在站台的楼梯口、中线等典型位置上设置 3 个三高度采样点(包括 0.5 m、1.6 m 和 2.5 m)，以期获得垂直高度的浓度场数据。

　　本试验利用三维超声风速仪(CSAT3B, CampbellScientific Inc.)和多通道风速仪(System 6242, Kanomax Japan inc.)对地铁站 1.6 m 高度的局部流场进行监测，点位布局如图 3 所示。其中，多通道风速仪共选取 12 个位置，三维超声风速仪设置在楼梯口处，采样频率均为 1 Hz，分别监测 10 min。

　　1.2 试验方法

　　本文选择 SF6 为目标气体，密度为 6.1 kg/m³，在空气中无本底，性质稳定，适宜用作高密度毒气的扩散模拟物。SF6 钢瓶气经减压阀接入自制广口瓶，用以降低出口速度，释放强度设定为 1 kg/min，共释放 5 min。SF6 检测使用时序采集和离线分析的方法，每隔 3 min 各采样点同时采样一次，共 10 次，流量为 10 L/min，每次采集 1 L;SF6 分析采用为 Agilent 7860-7000D 气-质联用仪，色谱柱为 HP-5MS。

　　2 结果与讨论

　　图 4 展示的是两种通风模式下(机械通风和应急通风，均无列车通过)站台 A1 点的风向风速的对比情况。结果表明，机械通风时 A1 点流场较为稳定，风向保持在 90°±30°，即流体呈现持续的东向西走向，风速为 0.1~0.3 m/s，有利于有毒气体向站台西侧的单向传输。应急通风开启后，风向开始大幅波动，除了 90°主导风向外，还出现了 0°~45°、180° 以及 270°~360°的风向，同时风速提高至 0.2~0.5 m/s。应急通风为迅速排除站内火灾产生的烟雾及 CO[25]，设置在顶部的通风口增大了通风量，增强了站台空间的紊流，使流场呈无序状态。另一方面，均匀布置的多通道风速传感器对比了是两种通风模式下 1.6 m 处的风速变化。如图 5 所示，应急模式下各监测点的风速是机械通风的 1.2~2 倍，同样说明了该模式可以整体增强室内空气循环。

　　图 6 展示的是机械通风条件下，地铁站各监测点的 SF6 浓度变化情况。如图 6(a)所示，受站台主流场控制，气体仅向站台西侧扩散，而东侧(3-3)、(1-2)和(1-3)均未检出 SF6。在释放 SF6 后，(3-2)与西南侧(1-4)浓度迅速增加，在 3 min 时距离 SF6 释放口最近的(3-2)达到峰值，为 143 ppm;在 6 min 时楼梯口附近的(3-1)，(1-4)和(1-5)达到峰值，分别为 181 ppm，170 ppm 和 107 ppm。此外，由于南北顶部通风口的设置，空间内存在北向南的气流，气体扩散至(1-4)的速度更快且浓度更高，而扩散至与之对称的(1-5)则速度更慢且浓度较低。停止释放 12 min 后，除楼梯西侧(1-1)外，站台层的 SF6 大量减少，小于 35 ppm。而楼梯西侧(1-1)则由于主流场方向的影响，易于出现有毒物质积累，停止释放 15 min 后，该区域浓度依旧可以达到 50 ppm 左右。除此之外，部分气体会延楼梯口(3-1)蔓延至站厅层， 3 min 后西站厅各点相继检测出 SF6，如图 6(b)所示。其中由于位置原因，最靠近电梯口的(2-1)浓度最高且在 6 min 与(3-1)，(1-4)和(1-5)同时到达峰值，为 138 ppm，并未显著小于电梯口(3-1)，这说明在电梯存在的情况下 SF6 浓度不会因为楼层上升而大量减少。之后，同一楼层不同高度之间 SF6 浓度变化被研究。如图 6(c)(d)所示，机械通风条件下 SF6 受密度影响易于沉降在地面，随高度增加，浓度逐渐降低。

　　改为应急通风后，地铁站各监测点的 SF6 浓度变化情况如图 7 所示。图 7(a)结果表明，应急通风改变了原有的单向主流场，有毒气体在站台呈现双向扩散的现象，东侧(3-3)与西侧 (3-2)在 3 min 时同时达到峰值，分别为 209 ppm 和 190 ppm;气体向东站台的扩散趋势强于西站台，东侧楼梯附近(1-2)、(1-3)检测到的峰值浓度分别为为 220 ppm 和 184 ppm， 远高于西侧(1-1)、(3-1)的峰值浓度。如图 7(b)所示，应急通风还会使有毒气体蔓延至东西 2 个站厅，其中东站厅(2-5)的峰值浓度为 17 ppm，高于西站厅的最高值 15 ppm。同时，该站通风口设置在顶部，因此应急通风为增大排烟效率，会增加顶部的排风风量，因此底部沉降的 SF6 受其影响，在垂直高度的扩散能力得到增强。以(3-1)为例，其 1.6 m 处的浓度值与 0.5 m 相近，约为 55 ppm，这表明大量的地面 SF6 已传输至呼吸区高度，如图 7(c)。综上所述，在应急通风作用下，沉积在地面的有毒气体大量扩散至呼吸区域;原有起到隔离作用的主流场被打破，气体释放后开始向东西两个方向传输，3 min 左右即可充满整个站台，最高均可达到 200 ppm 以上。如果有毒气体泄露，应急通风模式开启后会导致流场发生变化，从而导致沉降在地面的有毒气体上升到呼吸道附近;从机械通风时仅在西侧存在有毒气体，变为整个站台均存在高浓度气体，东西站台浓度最高均达到 200 ppm 以上，高于机械通风时最高浓度 181 ppm。以上说明在发生毒气泄漏时应急通风增加了呼吸区气体浓度，这将增加伤亡率。因此，在发生毒气泄漏时应关闭应急通风。

　　3 结论

　　(1)该地铁站台在机械通风工况下，会形成一个较为规律的主流场，即气流从站台中央向两端逐渐进入站厅层，进而通过乘客出入口排至地面。受顶部通风口影响，有毒气体主要通过楼梯南侧扩散并在站台两端逐渐积累。该流场将地铁站整体划分为相对独立的东西两个区域，有毒气体只能在释放源所处的区域内流动。

　　(2)在应急通风作用下，原有主流场发生变化，换气量增大，站台空间的紊流增强，使流场更加无序。沉积在地面的有毒气体大量扩散至呼吸区域;原有起到隔离作用的主流场被打破，气体释放后开始向东西两个方向传输，并很快蔓延至整个地铁站。

　　(3)采用顶部排烟设计的应急通风模式，会使毒气事件大幅恶化，呼吸区浓度提高引起伤亡率增加;同时空间流动性增强使扩散范围从机械通风的局部区域传输变为全站扩散，覆盖面积更大。因此，对于核生化恐怖袭击，应当禁止开启顶部排烟设备或安装地面排风，尽力减少吸入伤害。