基于CFD技術的鄰避設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

(四川省建筑設計研究院建筑規劃二所, 四川成都 610041)

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基于CFD技術的鄰避設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

(四川省建筑設計研究院建筑規劃二所, 四川成都 610041)

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

鄰避設施； 垃圾壓縮站； CFD； 空間影響

近年來，全國頻繁發生因鄰避設施落地而引起的居民維權事件，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，鄰避設施規劃布局引發社會各界廣泛關注和思考。城市規劃是制定城市功能布局，配置城市公共資源，協調多方利益主體的重要政策平臺，如何合理布局鄰避設施成為城市規劃中的新課題。

國內關于鄰避設施空間布局方面的研究，主要集中于利用地理信息系統(GIS)、運籌學、支持多目標的決策要素交互分析等技術方法，為鄰避設施的規劃選址提供依據[1]。但上述方法均從二維空間研究鄰避設施布局，劃定一定距離的空間范圍作為緩沖區，以此作為依據確定鄰避設施選址，沒有提供完善的鄰避設施的空間影響分析。而在城市建成環境中，鄰避設施所產生的氣體污染物影響范圍隨著風的運行而多變，常規的城市規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模擬評價城市風熱環境已有一定的研究成果，主要集中于模擬城市通風、城市污染物擴散以及它們與城市形態之間的影響，經歷了從單體建筑到城市整體環境的演變過程[2]。國內近年來利用CFD軟件量化研究城市生態環境還處于剛剛起步階段，集中于風環境模擬。而本文致力將CFD模擬技術應用于鄰避設施空間影響分析，進行氣體污染物擴散三維模擬和顯示，較為直觀、準確的分析識別污染物的擴散范圍、濃度分布，能為相關設施的選址和周邊的規劃評價分析提供圖像化、數量化的參考，作為鄰避設施空間影響研究的新方法探索。

1 鄰避設施研究概況

1.1 鄰避設施概念

1977 年，O’Hare 首次提出了鄰避設施的概念[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”。鄰避設施是指具有負外部性效應的公共設施，這些設施產生的效用為廣大地區的公眾所共享，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外部性效應卻由設施所在地的居民承受[4]。垃圾焚燒廠、垃圾轉運壓縮站、大型變電站、污水處理廠、殯葬設施等都是常見的鄰避設施。

1.2 鄰避設施分類

按照不同的分類標準，國內外對鄰避設施的分類主要從功能、對環境的污染程度和周圍居民的好惡程度來分類。有學者根據設施的外部性特征，將其分為污染性設施、空間摩擦設施、不寧適設施、嫌惡性設施、風險集中設施、鄰避型公共設施等七大類[5]。

本文主要討論存在外部污染性設施，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運站，進行氣體污染物擴散模擬。模擬污染物在主導風向下的擴散情況。分析研究區域為轉運站所處完整街坊，場地長寬高尺寸為384 m×408 m×90 m。

2.2 研究方法

采用以CFD技術為基礎的流體數學模型仿真方法。流體數學模型是對流體物理模型的數學描寫，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準

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，污染源設定為壓縮站箱，內部氨氣初始濃度為5 %，主導風向為北北東，風速為3 m/s。

同時，根據相應的國家規范，劃定污染物濃度限值。但基于CFD技術的模擬軟件只能識別“污染物在空氣中的比例”作為濃度值，故將標準值單位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準。

3 模擬結果分析

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，可見在主導風環境下，氨氣影響范圍主要是垃圾站上方空域，兩側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。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%濃度擴散范圍側視圖

圖5 氨氣0.02%濃度擴散范圍側視圖

圖6 氨氣0.03%濃度擴散范圍側視圖

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，處于壓縮站下風向風場廊道兩側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域。反之，兩側的建筑則是受污染物影響最明顯的區域(現狀兩側受影響建筑使用功能多為汽修和倉儲)。因此，在存量規劃背景下，未來該區域進行舊城有機更新時，應當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、養老、醫療衛生等功能落地在受影響顯著的區域。

3.4 分析結論

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

(1)氣體污染物對下風向擴散范圍遠大于對污染源兩側、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向風場廊道兩側的建筑是受影響最顯著的區域，此類地塊的使用功能應從人本角度出發，避免落地居住、教育、養老、醫療衛生等設施。

3.5 分析建議

基于CFD技術的仿真模擬支持，筆者認為下階段規劃部門可以通過和環保、能源等主管部門、研究機構開展合作，進行以下的規劃應用。

3.5.1 精細量化城市鄰避設施的建設影響控制線

在增量規劃向存量規劃轉變的今天，推進舊城區、棚戶區的有機更新，以改善居民生活質量為關注焦點，是新型城鎮化的重要抓手。在這一“優城惠民”的重大工程中，勢必需要對市政基礎設施的新增需求或原有缺口進行補充完善。

(1)針對垃圾轉運站此類處理對象涉及大量氣態污染物的鄰避設施落地時，可以由環保部門制定氣體污染影響標準，規劃部門根據標準利用CFD數值模擬技術將影響空間的范圍可視化、數量化，精細化的劃定鄰避設施建設影響控制線，并結合上位戰略規劃、產業規劃和城市設計，科學合理的確定影響區域的用地功能和使用設施。

(2)在規劃越發面向公眾參與的今天，可視化、數量化的科學展示，能直觀的向公眾傳遞此類鄰避設施落地的合理性，避免過去“經論證無影響”這種較為蒼白的解釋，消除公眾疑慮，更好地推進城市建設和改善居民生活質量。

(3)設施落地后，環保研究機構還可以利用專業儀器定期經行實測，將數據反饋規劃部門，規劃部門根據實測數據對數值模擬進行校核優化，調整管控標準，使整套規劃技術更趨于準確，同時向公眾傳遞規劃的嚴謹性。

3.5.2 精細量化城市周邊重大危險設施的禁止建設線

我國正處于工業化中期階段，工業化與城鎮化的良性互動，是城市、產業健康發展的持續動力。

因此，針對化學、煉化類工業項目和化學危險品倉儲的禁止建設線劃定是保障城市安全發展的重要因素。規劃部門可以利用CFD的數值仿真模擬，結合能源化學研究機構的專業技術指導，針對危化品泄露等極端情況，確定此類項目和設施的安全建設范圍，劃定精細化的禁止建設線。

4 結束語

本文以典型的城市鄰避設施為研究對象，對其產生的氣體污染物在城市風場中的擴散范圍模擬進行了詳細闡述，為CFD技術在城市鄰避設施空間影響范圍與布局選址中的應用提供了有益參考。本研究還只是CFD與鄰避設施相結合的初步嘗試，在計算參數、實證研究等方面還有待于進一步完善推敲，旨在讓跨學科、多專業的理論更好地服務于城市規劃設計和研究，從而揚長避短，得到更加合理與有益的設計實踐，提升城市規劃的科學性。同時，筆者相信隨著大數據集成，智慧城市物聯網構建，規劃部門城市數字空間技術平臺的搭建，隨著CFD數值模擬技術的不斷完善，在城市規劃領域，尤其鄰避設施這種較難空間可視化分析影響的領域，CFD還有更為廣闊的應用空間。

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

[2] 吳鑫，曾佑海. 基于CFD技術的城市風環境設計策略研究——以重慶市永川區鳳凰湖城市設計為例[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].法學與政治,2009 (12):102-104.

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

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

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

白瀟(1983～)，碩士，工程師，主要從事城鄉規劃設計工作。

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[定稿日期]2017-05-22