不同錯落度街道峽谷的污染物擴散模擬研究

肖正強 李明柱 趙麒 金洪文 馬爽

1.吉林建筑大學；2.長春工程學院

1 研究背景

隨著我國城市化進程的推進和機動車保有量的逐年增加，室外空氣污染問題日益凸顯。機動車保有量的增長導致城市環境在白天受尾氣排放影響極大[1]，汽車尾氣中含有CO、NOx、PM2.5、PM10等多種污染物，可以對人體造成諸多損傷，如一氧化碳可與人體中的血紅蛋白結合導致人體缺氧[2]。近年來，霧霾現象在京津冀等地區頻繁發生且規模較大[3]，城市化和工業化對室外環境的影響催生著相關研究的發展，1975年Nicholson[4]提出了“街道峽谷”概念，指街道兩側有密集高大建筑物的街道。隨著人們對美好生活環境的不斷追求，街道峽谷相關研究正受到越來越多的關注。本文將采用CFD模擬手段，對比不同錯落程度下街道峽谷的污染物濃度場，研究街谷錯落度對街道峽谷污染物擴散的影響以及街谷內不同位置的污染物濃度分布規律，并對部分典型區域進行定量分析。

2 模型建立

本文的模型建立如圖1所示，其中街谷尺寸和計算域設置參考文獻[5]，建筑為40m×20m×20m，污染源寬度為8m。本文中共采用2種街谷錯落度：全錯落（相鄰兩排建筑之間的東西向位置差為30m，即上游兩建筑間的縫隙正對下游建筑）與半錯落（相鄰兩排建筑之間的東西向位置差為全錯落街谷的一半）。環境風入口的速度廓線和湍流參數參考文獻[6]設置為非定值，計算域的頂面和側面設置為Symmetry邊界，污染物源設置參考文獻[7]并依照街谷規模差異進行放大。

圖1 街道峽谷模型（以全錯落街谷為例）

環境條件的選擇方面，以蒲福風級為參考，將陸地2級風和3級風作為常見風速，并取區間中位數為本次模擬的環境風速，方向為由北至南（即圖1中由上至下）。

3 結果分析

本文中的濃度場表示方法參考文獻[8]，用濃度比作為污染評價指標，本文中出現的污染物濃度比均為當前位置的污染物濃度值與當前剖面中污染物濃度最大處的濃度數值之比。

3.1 半錯落街谷內部不同剖面位置的濃度場對比

對比圖2（a）和2（c）可知，半錯落幾何條件下機動車污染物在街谷不同位置的擴散情況有很大不同。進行自然通風時，上風建筑中央位置的居民受污染物影響比街谷中央位置居民更明顯，開窗通風時將面臨0.25以上的污染物濃度比；而在街谷中央位置，該濃度比可覆蓋的高度范圍僅為前者的一半，中等高度以上的居民受機動車污染影響則相對較小。若對人行道的污染物濃度水平進行考察，則兩剖面位置在下風側人行道的污染物濃度比較為接近。而對于上風側人行道，兩剖面的污染物濃度比差異較大，上風建筑中央剖面遠高于街谷中央剖面。

圖2 不同剖面位置的街谷污染物濃度分布

3.2 全錯落街谷內部不同剖面位置的濃度場對比

觀察圖2（b）和2（d）可知，上風建筑中央位置的居民受污染物影響比街谷中央位置居民更明顯：在街谷中央剖面，建筑外立面附近的污染物濃度水平整體較低，僅頂部樓層和近地樓層的居民開窗通風時會受到一定的污染物影響。而在上風建筑中央剖面，建筑外立面附近的污染物濃度水平整體高于街谷中央剖面。在此二剖面，上風側人行道的污染物濃度比均較高，建議上風建筑的底層商戶在通勤時間盡量減少開窗時間。

3.3 街谷中央剖面濃度比隨位置變化定量分析

在街谷中央剖面設置高為1.5m（人體呼吸面高度）的監測帶，提取監測帶上污染物濃度比隨水平位置變化曲線如圖3。

圖3 街谷中央剖面濃度比隨水平位置變化曲線

由圖3可知，在大多數位置區間內全錯落街谷的污染物濃度比明顯高于半錯落街谷。兩種街谷在迎風側的污染物濃度比均呈遞增趨勢，隨后分別在約15m處和10m處達到峰值，最后全錯落街谷在背風側人行道處再次轉為增函數，說明此處出現了污染物聚集。若考察機動車道位置的污染物濃度比，則半錯落街谷的下風側機動車道顯著優于上風側機動車道，而全錯落街谷的雙側機動車道的污染物濃度比差異則相對較小。在街谷中央剖面的背風側人行道處設置測點，提取該位置污染物濃度比隨高度變化曲線如圖4。

圖4 街谷中央剖面濃度比隨高度變化曲線

由圖4可知，兩種街谷在此處的污染物濃度比區間有明顯差異，半錯落街谷的濃度比最大值約為0.3，而全錯落街谷的濃度比最大值則可達到半錯落街谷的2倍。在近地區域和街谷頂部全錯落街谷的污染物濃度比明顯高于半錯落街谷，而在中等高度區間情況則相反。對兩種街谷的污染物濃度曲線進行擬合，R2均大于0.9，所得函數表達式如圖3、圖4。

4 結論

通過對全錯落和半錯落街谷在不同位置的濃度分布進行對比分析，可得到如下結論。

（1）半錯落幾何條件下，上風建筑中央位置的背風側居民在開窗通風時都將面臨0.25以上的污染物濃度比；而在街谷中央位置，該濃度比可覆蓋的高度范圍僅為前者的一半，中等高度以上的居民受機動車污染影響則相對較小。

（2）全錯落幾何條件下，上風建筑中央位置的居民受污染物影響比街谷中央位置居民更明顯。

（3）比較機動車道的污染物濃度比，半錯落街谷的下風側機動車道顯著優于上風側機動車道；而對于全錯落街谷，其雙側機動車道的污染物濃度比差異相對較小。