城市街谷分布格局對交通污染物擴(kuò)散的影響研究

關(guān)鍵詞：城市街區(qū)；風(fēng)場；污染物濃度；建筑物布局；計算流體力學(xué)

前言

2021年3月15日，北京市發(fā)布沙塵暴黃色預(yù)警，給人們以警醒，隨著全球城市化加劇，機(jī)動車數(shù)量與日俱增。在機(jī)動車給更多人帶來交通出行便利的同時，隨之增加的汽車尾氣排放也逐步超過工業(yè)廢氣排放，成為了城市大氣污染的主要源頭。交通排放導(dǎo)致了許多氣候和環(huán)境問題，為人們帶來了呼吸道和肺部疾病，甚至對社會造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失，顯然，交通污染已經(jīng)成為世界關(guān)注的主要問題之一，而城市空間形態(tài)對于城市風(fēng)環(huán)境與污染物濃度分布起著重要的作用。隨著城市化的加劇，大氣中污染物與日俱增，城市街區(qū)污染問題越來越受到學(xué)者重視。

戰(zhàn)乃巖通過CFD對不同城市街區(qū)布局進(jìn)行了污染物模擬，表明同一布局下不同街谷內(nèi)污染物濃度存在差異，并提供一種最為合理的城市建筑規(guī)劃用來有效緩解大氣污染；KASTNER-KLEIN P測試了幾種街道幾何形狀對街道峽谷流動的重要性。關(guān)于城市建筑格局對風(fēng)場影響的研究，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量研究。此研究結(jié)合實(shí)際，模擬了在交通堵塞情況下，汽車尾氣排放對街道峽谷造成的污染，不同污染物遵循相同的物理擴(kuò)散規(guī)律，所以文章采用一種污染物為代表描述街谷中污染物擴(kuò)散，由于怠速情況下機(jī)動車尾氣中CO濃度所占比例較高，此研究污染源設(shè)置為CO。

1街道峽谷

1975年，Nicholson提出街道峽谷，即由城市道路以及道路兩側(cè)建筑物構(gòu)成的城市布局，兩邊建筑物可以是連續(xù)的，也可以存在一定的缺口。當(dāng)建筑物處于風(fēng)場中，不免會改變原來流經(jīng)此處來流風(fēng)的正常走向。如果風(fēng)速持續(xù)增加，便會出現(xiàn)局部區(qū)域強(qiáng)風(fēng)、劇烈的升降氣流及形成氣流渦旋等復(fù)雜的大氣現(xiàn)象，形成獨(dú)特的局部微氣候環(huán)境。

2數(shù)學(xué)物理模型及前處理

2.1簡化的物理模型及計算域

此研究設(shè)計了四種對稱型城市街谷（其中包括H/W=0.5、H/W=1、H/W=2、H/W=3，街道寬度固定為10米）以及四種非對稱型街谷（其中包括兩種上升型街谷：H2/H1=2、H2/H1=3以及兩種下降型街谷：H1/H2 =2、H1/H2 =3）。

在設(shè)計的8種街道布局中，兩個建筑物平行放置于地面上。街道寬度固定為10米，建筑物長和寬都設(shè)為10米，兩個建筑物的高度根據(jù)街道布局予以調(diào)整，可取5米、10米、20米、30米。為準(zhǔn)確表達(dá)街道峽谷的風(fēng)場特征，表現(xiàn)出氣流充分發(fā)展的湍流特性，計算域的設(shè)立應(yīng)將兩個建筑的前側(cè)、后側(cè)和外側(cè)向外延申15米，較高建筑物的上側(cè)向上延申15米。

2.2數(shù)學(xué)模型

在日常應(yīng)用中，人們最為關(guān)心的是流動要素的時均值，湍流的脈動量往往可以忽略。描述流動要素時均值的方程法是目前流體力學(xué)領(lǐng)域中所采用的基本方法。

設(shè)法求解可使方程閉合從而描述流場運(yùn)動特征。為求解，1974年Launder和Spalding提出了標(biāo)準(zhǔn)k-8模型。標(biāo)準(zhǔn)k-8模型是一個半經(jīng)驗的二方程模型，把湍流粘度和湍動能k及湍動能耗散率8聯(lián)系在一起。分子黏度的影響可忽略不計。在分析較大尺度的模型時，選用該方法可減少計算壓力，模型如下：

2.3邊界條件

計算域人口處的邊界條件設(shè)置為風(fēng)速人口（ve-locity inlet），風(fēng)速隨高度逐漸增大，通過用戶自定義函數(shù)（UDF）對風(fēng)廓線進(jìn)行編譯，風(fēng)速為U（z）=Uio（z/10），式中U10為距離地面10m高度處的風(fēng)速，取3m/s；為地面粗糙系數(shù)，取0.16（房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)采用該粗糙系數(shù)）。出口遠(yuǎn)離街區(qū)，故將邊界條件設(shè)為自由出流（outflow）。計算域地面及建筑物壁面設(shè)為無滑移邊界條件（wall）。兩側(cè)邊界設(shè)置為對稱邊界（symmetry），即沒有對流通量和擴(kuò)散通量。

2.4污染源設(shè)置

當(dāng)汽車尾氣排出進(jìn)人大氣以后，局部空氣質(zhì)量主要受污染物擴(kuò)散特征的影響。文章把汽車尾氣作為污染排放源，將其簡化為地面連續(xù)排放的面源擴(kuò)散模型，面源面積為6米×10米（長×寬），模擬中只考慮與住宅區(qū)平行且垂直于上風(fēng)向的路面汽車釋放的污染氣體，而其他污染源不納入研究范圍，考慮到CO性質(zhì)穩(wěn)定，用CO來代替所有的污染氣體，污染面源設(shè)置為質(zhì)量人口，大小為5×10-5kg/s。

3分析與討論

此研究采用上述模型及研究方法，通過計算流體力學(xué)對街道建筑物布局所產(chǎn)生不同風(fēng)場與污染物濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過繪制街谷中心區(qū)域X-Y剖面、呼吸面高度處X-Z剖面以及近墻面處風(fēng)速隨高度的變化對街谷內(nèi)風(fēng)場進(jìn)行研究討論。

3.1對稱型街道峽谷

當(dāng)H：W =0.5時，街谷內(nèi)產(chǎn)生向上的回流作用，靠近迎風(fēng)面風(fēng)速較高回流作用顯著，將污染物向背風(fēng)面輸送。在背風(fēng)面頂部產(chǎn)生順時針渦旋，渦旋中心風(fēng)速較低，背風(fēng)面附近污染物在此渦旋的作用下擴(kuò)散速率降低，導(dǎo)致少量污染物在街谷頂部被風(fēng)稀釋。迎風(fēng)面污染物濃度變化幅度不大且始終處于較低水平，背風(fēng)面污染物濃度較高且隨高度變化污染物濃度均勻降低。橫向來看，街谷內(nèi)產(chǎn)生兩個渦旋，在兩個渦旋的作用下，街谷內(nèi)氣體不易與外界發(fā)生交換，不利于污染物的稀釋。（見圖1）

當(dāng)H：W=1時，街谷內(nèi)回流作用向下傾斜且整體風(fēng)速均勻，污染物向背風(fēng)面輸送作用減弱。背風(fēng)面污染物濃度整體較高，且迎風(fēng)面與背風(fēng)面污染物濃度在街谷底部附近降低較快。橫向來看，街谷內(nèi)產(chǎn)生兩個渦旋，背風(fēng)建筑物向后兩側(cè)產(chǎn)生兩個渦旋。（見圖2）

當(dāng)H：W=2時，街谷內(nèi)回流作用向下傾斜幅度增大，街谷內(nèi)風(fēng)速由迎風(fēng)面頂部向背風(fēng)面底部逐漸減弱，使污染物向背風(fēng)面輸送作用繼續(xù)減弱。橫向來看，街谷內(nèi)整體回流作用增強(qiáng)，影響范圍增大，街谷內(nèi)迎風(fēng)面一側(cè)產(chǎn)生兩個小渦旋，街谷內(nèi)污染物一部分在回流作用下向上風(fēng)向前后兩側(cè)稀釋，一部分在渦旋作用下與外界氣體交換進(jìn)而被稀釋。

當(dāng)H：W=3時，街谷內(nèi)產(chǎn)生一大一小兩個渦旋，街谷內(nèi)整體風(fēng)場流動由迎風(fēng)面頂部向背風(fēng)面底部且風(fēng)速逐漸減低，在背風(fēng)面頂部產(chǎn)生影響范圍較小的順時針渦旋，在迎風(fēng)面底部產(chǎn)生影響范圍較大的逆時針渦旋，該渦旋對污染物擴(kuò)散起到主要影響作用。街谷內(nèi)污染物無法被外界氣流稀釋且在逆時針渦旋的作用下，污染物向迎風(fēng)面堆積。橫向來看，街谷內(nèi)流場方向主要與來流方向一致，背風(fēng)建筑物向后兩側(cè)產(chǎn)生兩個渦旋。街谷內(nèi)污染物與外界潔凈氣流進(jìn)行交換，并向下風(fēng)向擴(kuò)散稀釋。在此街谷高寬比下，污染物主要在街谷前后兩側(cè)下風(fēng)向被稀釋。

3.2對稱型街道峽谷

當(dāng)H1：H2 =1：2時，背風(fēng)面頂部與背風(fēng)建筑物頂部分別產(chǎn)生一大一小兩個渦旋，街谷內(nèi)回流作用顯著，背風(fēng)面附近污染物在此流場條件下與背風(fēng)建筑物頂部潔凈空氣進(jìn)行交換，導(dǎo)致少量污染物被稀釋。迎風(fēng)面污染物濃度在底部略有堆積但始終處于較低水平，背風(fēng)面污染物濃度較高且隨高度變化污染物濃度減少速率逐漸降低。（見圖3）

橫向來看，背風(fēng)建筑物前后兩側(cè)產(chǎn)生兩個渦旋，街谷內(nèi)產(chǎn)生兩個渦旋。在街谷內(nèi)渦旋的作用下，街谷內(nèi)氣體充分與外界發(fā)生交換，污染物得以稀釋。

當(dāng)H1：H2 =1：3時，背風(fēng)面頂部與背風(fēng)建筑物頂部產(chǎn)生順時針渦旋，風(fēng)場特征與H1：H2 =1：2時類似，污染物向背風(fēng)面堆積且在背風(fēng)建筑物頂部與潔凈空氣進(jìn)行交換，導(dǎo)致少量污染物被稀釋，風(fēng)速在街谷底部回流作用增強(qiáng)，加大了背風(fēng)面污染物稀釋作用。橫向來看，背風(fēng)建筑物前后兩側(cè)產(chǎn)生兩個渦旋，街谷內(nèi)回流作用增強(qiáng)且方向向街谷外側(cè)，街谷內(nèi)氣體與外界交換更為充分，污染物在此流場條件下得以稀釋。在此街谷高寬比下，污染物街谷前后兩側(cè)稀釋作用進(jìn)一步加強(qiáng)，背風(fēng)建筑物頂部少量污染物被稀釋。（見圖4）

當(dāng)H1：H2=2：1時，街谷上方形成影響范圍較大的順時針主渦旋，下方形成逆時針次生渦旋，兩個渦旋附近風(fēng)速較低不利于污染物的擴(kuò)散。橫向來看，背風(fēng)建筑物前后兩側(cè)產(chǎn)生兩個渦旋，街谷流場方向與來流風(fēng)方向一致，街谷內(nèi)氣體與外界交換充分，污染物街谷前后兩側(cè)被稀釋。在此街谷高寬比下，污染物的稀釋主要在街谷前后兩側(cè)（見圖5）。

當(dāng)H1：H2 =3：1時，順時針主渦旋與逆時針次生渦旋之間形成過渡區(qū)，在此流場條件下，污染物進(jìn)一步向迎風(fēng)面堆積但迎風(fēng)面稀釋效率顯著增強(qiáng)，污染物在建筑物上方仍難以得到稀釋。橫向來看，街谷流場特征與H1：H2 =2：1時類似，街谷內(nèi)氣體與外界交換充分，污染物街谷前后兩側(cè)被稀釋。在此街谷高寬比下，污染物的稀釋主要在街谷前后兩側(cè)。（見圖6）

4結(jié)論

建筑物分布格局對污染物的空間分布有著顯著影響，此研究基于CFD方法，探究了不同高寬比下街谷內(nèi)風(fēng)場和污染物濃度場的特征，針對于對稱型街谷，隨著高寬比的增加，整體風(fēng)向逆時針旋轉(zhuǎn)，即由傾斜向上的回流到角度逐漸增大的傾斜向下回流，并且在此流場條件下，當(dāng)高寬比為3時出現(xiàn)次生渦旋。針對于非對稱型街谷中的“上升型”街谷，整體流場表現(xiàn)為上半部分的來流風(fēng)以及下半部分的順時針渦旋，隨著迎風(fēng)建筑物高度的增加，回流作用增強(qiáng)，整體流場特征變化不大，回流作用的增強(qiáng)導(dǎo)致污染物稀釋效率的增強(qiáng)。