基于CFD技術(shù)的鄰避設(shè)施空間影響分析方法初探
——以成都高攀路垃圾壓縮站為例

白 瀟

(四川省建筑設(shè)計研究院建筑規(guī)劃二所, 四川成都 610041)

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基于CFD技術(shù)的鄰避設(shè)施空間影響分析方法初探
——以成都高攀路垃圾壓縮站為例

白 瀟

(四川省建筑設(shè)計研究院建筑規(guī)劃二所, 四川成都 610041)

隨著我國城市化由增量擴張向存量優(yōu)化的轉(zhuǎn)變，提高居民生活質(zhì)量成為了核心關(guān)節(jié)，不可避免地需要補充完善鄰避設(shè)施，但隨著人們環(huán)境意識的逐步增強，城市中鄰避設(shè)施落地面臨較大的困難，其中難以直觀界定鄰避設(shè)施的影響范圍是一個重要原因。文章總結(jié)國內(nèi)外鄰避設(shè)施空間方面的研究進(jìn)展，探索利用CFD模擬手段，分析垃圾轉(zhuǎn)運站的影響范圍和特點，提出規(guī)劃選址建議和未來展望。

鄰避設(shè)施； 垃圾壓縮站； CFD； 空間影響

近年來，全國頻繁發(fā)生因鄰避設(shè)施落地而引起的居民維權(quán)事件，如廣州番禺垃圾焚燒廠、上海閔行高壓線、望京220 kV變電站等，造成“城市必需，居民排斥”的尷尬境況，鄰避設(shè)施規(guī)劃布局引發(fā)社會各界廣泛關(guān)注和思考。城市規(guī)劃是制定城市功能布局，配置城市公共資源，協(xié)調(diào)多方利益主體的重要政策平臺，如何合理布局鄰避設(shè)施成為城市規(guī)劃中的新課題。

國內(nèi)關(guān)于鄰避設(shè)施空間布局方面的研究，主要集中于利用地理信息系統(tǒng)(GIS)、運籌學(xué)、支持多目標(biāo)的決策要素交互分析等技術(shù)方法，為鄰避設(shè)施的規(guī)劃選址提供依據(jù)[1]。但上述方法均從二維空間研究鄰避設(shè)施布局，劃定一定距離的空間范圍作為緩沖區(qū)，以此作為依據(jù)確定鄰避設(shè)施選址，沒有提供完善的鄰避設(shè)施的空間影響分析。而在城市建成環(huán)境中，鄰避設(shè)施所產(chǎn)生的氣體污染物影響范圍隨著風(fēng)的運行而多變，常規(guī)的城市規(guī)劃分析方法對于污染物擴散范圍很難描述與分析。

國外使用CFD模擬評價城市風(fēng)熱環(huán)境已有一定的研究成果，主要集中于模擬城市通風(fēng)、城市污染物擴散以及它們與城市形態(tài)之間的影響，經(jīng)歷了從單體建筑到城市整體環(huán)境的演變過程[2]。國內(nèi)近年來利用CFD軟件量化研究城市生態(tài)環(huán)境還處于剛剛起步階段，集中于風(fēng)環(huán)境模擬。而本文致力將CFD模擬技術(shù)應(yīng)用于鄰避設(shè)施空間影響分析，進(jìn)行氣體污染物擴散三維模擬和顯示，較為直觀、準(zhǔn)確的分析識別污染物的擴散范圍、濃度分布，能為相關(guān)設(shè)施的選址和周邊的規(guī)劃評價分析提供圖像化、數(shù)量化的參考，作為鄰避設(shè)施空間影響研究的新方法探索。

1 鄰避設(shè)施研究概況

1.1 鄰避設(shè)施概念

1977 年，O’Hare 首次提出了鄰避設(shè)施的概念[3]。在國際上被稱為 NIMBY，即“Not In My Back Yard”首字母縮寫，意為“不要布局在我家的后院”。鄰避設(shè)施是指具有負(fù)外部性效應(yīng)的公共設(shè)施，這些設(shè)施產(chǎn)生的效用為廣大地區(qū)的公眾所共享，而其帶來的諸如大氣污染、噪聲污染、電磁污染、視覺景觀污染之類的負(fù)外部性效應(yīng)卻由設(shè)施所在地的居民承受[4]。垃圾焚燒廠、垃圾轉(zhuǎn)運壓縮站、大型變電站、污水處理廠、殯葬設(shè)施等都是常見的鄰避設(shè)施。

1.2 鄰避設(shè)施分類

按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外對鄰避設(shè)施的分類主要從功能、對環(huán)境的污染程度和周圍居民的好惡程度來分類。有學(xué)者根據(jù)設(shè)施的外部性特征，將其分為污染性設(shè)施、空間摩擦設(shè)施、不寧適設(shè)施、嫌惡性設(shè)施、風(fēng)險集中設(shè)施、鄰避型公共設(shè)施等七大類[5]。

本文主要討論存在外部污染性設(shè)施，且主要污染物為氣體。

2 研究對象與方法

2.1 分析對象

本文選取成都市高攀路垃圾轉(zhuǎn)運站，進(jìn)行氣體污染物擴散模擬。模擬污染物在主導(dǎo)風(fēng)向下的擴散情況。分析研究區(qū)域為轉(zhuǎn)運站所處完整街坊，場地長寬高尺寸為384 m×408 m×90 m。

2.2 研究方法

采用以CFD技術(shù)為基礎(chǔ)的流體數(shù)學(xué)模型仿真方法。流體數(shù)學(xué)模型是對流體物理模型的數(shù)學(xué)描寫，其控制方程為粘性定常不可壓方程(1)即為目前CFD中最為常用的控制方程，Navier-Stokes方程(2)[6]，本文選取的計算模型為k-ε湍流模型。

(1)

(2)

2.3 主要污染物和分析標(biāo)準(zhǔn)

垃圾壓縮站的主要氣體污染物為氨氣、硫化氫等惡臭氣體。本文以氨氣為主要模擬污染物，污染源設(shè)定為壓縮站箱，內(nèi)部氨氣初始濃度為5 %，主導(dǎo)風(fēng)向為北北東，風(fēng)速為3 m/s。

同時，根據(jù)相應(yīng)的國家規(guī)范，劃定污染物濃度限值。但基于CFD技術(shù)的模擬軟件只能識別“污染物在空氣中的比例”作為濃度值，故將標(biāo)準(zhǔn)值單位mg/m3換算為ppm。因此，本文選取氨氣在空氣中0.01 %、0.02 %、0.03 % 3個濃度比例作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 立體空間擴散趨勢

通過對0.01 %、0.02 %、0.03 % 3個濃度比例的數(shù)值仿真模擬，其立體空間的擴散范圍分別如圖1～圖3所示。通過對比上述3個擴散范圍，可見在主導(dǎo)風(fēng)環(huán)境下，氨氣影響范圍主要是垃圾站上方空域，兩側(cè)受到建筑的阻擋影響范圍并不大，0.01 %濃度的擴散范圍明顯較廣。

圖1 氨氣0.01%濃度擴散范圍

圖2 氨氣0.02%濃度擴散范圍

圖3 氨氣0.03%濃度擴散范圍

3.2 垂直高度擴散趨勢

從側(cè)視圖(圖4～圖6)上看，可看到污染物向高空擴散的大致趨勢，濃度值越小擴散高度越大，傳播距離越遠(yuǎn)。0.01 %濃度擴散高度最高，最高點高度約為25 m，距離污染源105 m；0.02 %濃度略低，最高點高度約為18 m，距離污染源75 m；0.03 %濃度擴散高度最小，最高點高度約為15 m，距離污染源60 m。

圖4 氨氣0.01%濃度擴散范圍側(cè)視圖

圖5 氨氣0.02%濃度擴散范圍側(cè)視圖

圖6 氨氣0.03%濃度擴散范圍側(cè)視圖

3.3 面域擴散趨勢

從俯視圖(圖7～圖9)上看，污染物由于建筑的阻擋，在水平方向上擴散并不廣，0.01 %濃度擴散寬度最大，約為50 m；0.02 %濃度擴散寬度次之，約為41 m；0.03 %濃度擴散寬度最小，約為30 m。

圖7 氨氣0.01%濃度擴散范圍俯視圖

圖8 氨氣0.02%濃度擴散范圍俯視圖

圖9 氨氣0.03%濃度擴散范圍俯視圖

同時，從面域維度的圖像上看，處于壓縮站下風(fēng)向風(fēng)場廊道兩側(cè)的建筑有效地阻擋了污染物水平東西向的擴散，減小了東西向被影響的區(qū)域。反之，兩側(cè)的建筑則是受污染物影響最明顯的區(qū)域(現(xiàn)狀兩側(cè)受影響建筑使用功能多為汽修和倉儲)。因此，在存量規(guī)劃背景下，未來該區(qū)域進(jìn)行舊城有機更新時，應(yīng)當(dāng)著重考慮壓縮站對涉及地塊使用功能的影響，避免居住、教育、養(yǎng)老、醫(yī)療衛(wèi)生等功能落地在受影響顯著的區(qū)域。

3.4 分析結(jié)論

通過對成都市高攀路垃圾壓縮站的試驗性模擬，基于CFD技術(shù)的數(shù)值模擬能夠較直觀、準(zhǔn)確的仿真氣體污染物的擴散變化情況，同時，在單一風(fēng)況下對氨氣的模擬，可以得出以下了簡要結(jié)論：

(1)氣體污染物對下風(fēng)向擴散范圍遠(yuǎn)大于對污染源兩側(cè)、上方的擴散范圍。

(2)擴散范圍并不隨著污染物濃度等比例變化。

(3)垃圾轉(zhuǎn)運站釋放的氨氣對8層(24 m)以上的樓層影響相對較小。

(4)處于垃圾壓縮站下風(fēng)向風(fēng)場廊道兩側(cè)的建筑是受影響最顯著的區(qū)域，此類地塊的使用功能應(yīng)從人本角度出發(fā)，避免落地居住、教育、養(yǎng)老、醫(yī)療衛(wèi)生等設(shè)施。

3.5 分析建議

基于CFD技術(shù)的仿真模擬支持，筆者認(rèn)為下階段規(guī)劃部門可以通過和環(huán)保、能源等主管部門、研究機構(gòu)開展合作，進(jìn)行以下的規(guī)劃應(yīng)用。

3.5.1 精細(xì)量化城市鄰避設(shè)施的建設(shè)影響控制線

在增量規(guī)劃向存量規(guī)劃轉(zhuǎn)變的今天，推進(jìn)舊城區(qū)、棚戶區(qū)的有機更新，以改善居民生活質(zhì)量為關(guān)注焦點，是新型城鎮(zhèn)化的重要抓手。在這一“優(yōu)城惠民”的重大工程中，勢必需要對市政基礎(chǔ)設(shè)施的新增需求或原有缺口進(jìn)行補充完善。

(1)針對垃圾轉(zhuǎn)運站此類處理對象涉及大量氣態(tài)污染物的鄰避設(shè)施落地時，可以由環(huán)保部門制定氣體污染影響標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃部門根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)將影響空間的范圍可視化、數(shù)量化，精細(xì)化的劃定鄰避設(shè)施建設(shè)影響控制線，并結(jié)合上位戰(zhàn)略規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和城市設(shè)計，科學(xué)合理的確定影響區(qū)域的用地功能和使用設(shè)施。

(2)在規(guī)劃越發(fā)面向公眾參與的今天，可視化、數(shù)量化的科學(xué)展示，能直觀的向公眾傳遞此類鄰避設(shè)施落地的合理性，避免過去“經(jīng)論證無影響”這種較為蒼白的解釋，消除公眾疑慮，更好地推進(jìn)城市建設(shè)和改善居民生活質(zhì)量。

(3)設(shè)施落地后，環(huán)保研究機構(gòu)還可以利用專業(yè)儀器定期經(jīng)行實測，將數(shù)據(jù)反饋規(guī)劃部門，規(guī)劃部門根據(jù)實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬進(jìn)行校核優(yōu)化，調(diào)整管控標(biāo)準(zhǔn)，使整套規(guī)劃技術(shù)更趨于準(zhǔn)確，同時向公眾傳遞規(guī)劃的嚴(yán)謹(jǐn)性。

3.5.2 精細(xì)量化城市周邊重大危險設(shè)施的禁止建設(shè)線

我國正處于工業(yè)化中期階段，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的良性互動，是城市、產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的持續(xù)動力。

因此，針對化學(xué)、煉化類工業(yè)項目和化學(xué)危險品倉儲的禁止建設(shè)線劃定是保障城市安全發(fā)展的重要因素。規(guī)劃部門可以利用CFD的數(shù)值仿真模擬，結(jié)合能源化學(xué)研究機構(gòu)的專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)，針對?；沸孤兜葮O端情況，確定此類項目和設(shè)施的安全建設(shè)范圍，劃定精細(xì)化的禁止建設(shè)線。

4 結(jié)束語

本文以典型的城市鄰避設(shè)施為研究對象，對其產(chǎn)生的氣體污染物在城市風(fēng)場中的擴散范圍模擬進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為CFD技術(shù)在城市鄰避設(shè)施空間影響范圍與布局選址中的應(yīng)用提供了有益參考。本研究還只是CFD與鄰避設(shè)施相結(jié)合的初步嘗試，在計算參數(shù)、實證研究等方面還有待于進(jìn)一步完善推敲，旨在讓跨學(xué)科、多專業(yè)的理論更好地服務(wù)于城市規(guī)劃設(shè)計和研究，從而揚長避短，得到更加合理與有益的設(shè)計實踐，提升城市規(guī)劃的科學(xué)性。同時，筆者相信隨著大數(shù)據(jù)集成，智慧城市物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，規(guī)劃部門城市數(shù)字空間技術(shù)平臺的搭建，隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善，在城市規(guī)劃領(lǐng)域，尤其鄰避設(shè)施這種較難空間可視化分析影響的領(lǐng)域，CFD還有更為廣闊的應(yīng)用空間。

[1] 吳云清，翟國方，李莎莎. 鄰避設(shè)施國內(nèi)外研究進(jìn)展[J].人文地理，2012，27(6):7-12.

[2] 吳鑫，曾佑海. 基于CFD技術(shù)的城市風(fēng)環(huán)境設(shè)計策略研究——以重慶市永川區(qū)鳳凰湖城市設(shè)計為例[J]. 建筑與文化,2015(4):158-159.

[3] 何艷玲.“中國式”臨避沖突——基于事件的分析[J].法學(xué)與政治,2009 (12):102-104.

[4] 鄭衛(wèi).我國鄰避設(shè)施規(guī)劃公眾參與困境研究——以北京六里屯垃圾焚燒發(fā)電廠規(guī)劃為例[J].城市規(guī)劃，2013，37(8).

[5] 譚鴻仁，王俊隆.鄰避與風(fēng)險社會：新店安坑掩埋場設(shè)置的個案分析[J].地理研究，2005(42)：105-125.

[6] 吳鑫，曹佑海. 基于CFD技術(shù)的城市風(fēng)環(huán)境設(shè)計策略研究——以重慶市永川區(qū)鳳凰湖城市設(shè)計為例[J].建筑與文化，2015(4)：157-159.

白瀟(1983～)，碩士，工程師，主要從事城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計工作。

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[定稿日期]2017-05-22