高架覆蓋采風(fēng)口型街谷內(nèi)PM2.5分布模擬

翟靜 趙敬德 馮寒立

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

隨著城市化進程的加快，霾現(xiàn)象的發(fā)生頻率，持續(xù)時間及影響區(qū)域都明顯增加，城區(qū)中可吸入顆粒物的主要來源為汽車尾氣[1-2]。而越來越多高架覆蓋的街道峽谷的出現(xiàn)，影響著城市居民區(qū)的空氣質(zhì)量，危害沿街居民的健康。

街道峽谷這個概念從提出發(fā)展到現(xiàn)如今，已經(jīng)有所擴展[3-4]，最典型的即為有高架路的街道峽谷。如今非典型街道峽谷為街道兩側(cè)建筑物中間存在開口、交叉口、采風(fēng)口等，由此產(chǎn)生了并列式與錯列式[5]。現(xiàn)有的研究中，實地測量[6-7]主要是對選定的特定街道空間區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進行觀測記錄，分析比較數(shù)據(jù)，得到相關(guān)的規(guī)律。縮尺模型試驗根據(jù)相似原理，采用風(fēng)洞或者水槽進行相似實驗[8]。近年來數(shù)值模擬方法逐漸成為主要研究手段[9-10]。

目前已有的研究主要集中于典型街谷，研究內(nèi)容集中于污染氣體[11-13]，存在采風(fēng)口型非典型街谷以及街谷內(nèi)可吸入顆粒物的研究較少，所用的衡量街谷內(nèi)空氣質(zhì)量的評價標準只是針對整個街谷區(qū)域，而非人員活動區(qū)域。因此本文選取有30 m采風(fēng)口的街谷進行了三維數(shù)值模擬研究，分析高架道路以及采風(fēng)口的存在對街谷內(nèi)顆粒污染物的分布影響，并以呼吸面高度的可吸入顆粒物平均濃度作為新的評價標準，對于改善街道峽谷微氣候環(huán)境有實際參考意義。

1 模型與計算域

1.1 街道峽谷模型

如圖1為高架覆蓋下的街道峽谷計算域三維簡化模型，假設(shè)所有的街道峽谷兩側(cè)建筑外形幾何尺寸一致，根據(jù)實際街谷幾何特征，模擬所取建筑長（L）=200 m，高（H）=18 m。經(jīng)過模型簡化，將建筑簡化為面，計算域僅取街道峽谷所在空間，圖中街道寬度W=40 m，高架路寬度B=14 m，高架路長度選取同建筑長度一致的200 m，高架路厚度（T）=0.5 m，高架路中心所在高度（H1）=12 m，此種情況下，街谷寬高比為2.2。本計算模型中（圖1），A為采風(fēng)口位置，采風(fēng)口兩側(cè)建筑壁面為背風(fēng)側(cè)壁面，坐標原點取在背風(fēng)側(cè)壁面，B為雙側(cè)存在采風(fēng)口時迎風(fēng)側(cè)壁面上采風(fēng)口位置，兩側(cè)為迎風(fēng)側(cè)建筑壁面。街道峽谷背景來流風(fēng)考慮街谷內(nèi)顆粒污染物擴散最不利情況下的垂直于街谷軸線所在方向[14]，采用離散相模型（DPM模型）進行數(shù)值模擬。

圖1 街道峽谷物理模型

1.2 邊界條件

街道中兩條線源設(shè)置于模型坐標中的X=10 m和X=30 m處的位置，長度同街道長度為200 m。由于固態(tài)顆粒物源強難以估算，本文計算時依照市區(qū)早晚高峰時段進行選定，取 2 μg/s[15]，顆粒粒徑取 2.5 μm。假定計算模型采風(fēng)口所在計算域流速均勻，邊界條件設(shè)為風(fēng)速入口（velocity inlet），風(fēng)速隨高度擬合曲線[16]為Uy=y0.2375，單位為m/s，y為距地高度，單位為m。計算域上邊界設(shè)為自由出流（outflow）[17]。壁面均為無滑移壁面，兩側(cè)邊界設(shè)為對稱邊界（symmetry）。入口風(fēng)速廓線設(shè)置于入口邊界條件中，建筑頂端參考風(fēng)速計算得V0=1.9 m/s，計算得其流動雷諾數(shù)為2×106，此計算結(jié)果大于雷諾數(shù)獨立性所給出的參考標準，可以進行準確的數(shù)值模擬計算。

2 模擬結(jié)果

2.1 高架路覆蓋下單側(cè)存在采風(fēng)口型街谷模擬結(jié)果

圖2所示為高架路覆蓋下單側(cè)存在30 m采風(fēng)口DPM模型下的顆粒物分布，在采風(fēng)口通道內(nèi)部的顆粒物濃度低。迎風(fēng)側(cè)區(qū)域顆粒物濃度低于背風(fēng)側(cè)，且背風(fēng)側(cè)越靠近采風(fēng)口軸面的區(qū)域，顆粒物濃度越高，反之越低。這主要是受街谷內(nèi)流場分布特征的影響。由圖3的流場分布可以看出，采風(fēng)口通道內(nèi)部流場均勻。在采風(fēng)口兩側(cè)分別形成兩個大渦流，且次級渦流在近壁面和街口處。由此可以看出，顆粒物的分布情況與迎風(fēng)側(cè)流線分布密集、速度大、背風(fēng)側(cè)稀疏速度小，且次級渦流較靠近背風(fēng)側(cè)的流場分布特征相吻合。

圖2 高架路覆蓋下單側(cè)存在30 m采風(fēng)口DPM模型下的顆粒物分布

圖3 單側(cè)存在3 0m采風(fēng)口的街道峽谷流場分布

對于有高架路覆蓋單側(cè)30 m采風(fēng)口型街谷，在Y=1.5 m高度（呼吸面）的水平面上顆粒物分布表現(xiàn)出較明顯的規(guī)律性，如圖4。沿著X軸正向，主要表現(xiàn)出兩種特征：一種是，當(dāng)Z=20 m、60 m、80 m時，在X=0～20 m的區(qū)域內(nèi)，顆粒物濃度先降后升，當(dāng)X>20 m時，濃度表現(xiàn)為下降趨勢。此現(xiàn)象的原因是流場分布表現(xiàn)為明顯的渦流特征，由渦流的邊緣至中心，產(chǎn)生第一次濃度下降的現(xiàn)象，上升的原因是高架路的存在會促進小渦流的生成，滯留污染物的運動。另一種是，當(dāng)Z=0 m、40 m時，沿著X軸正向，污染物濃度逐漸下降，且整體濃度低于其他三個區(qū)域。這是由于此區(qū)域受次級渦流中心區(qū)域室外影響較小。同時，呼吸面高度顆粒物濃度分布還表現(xiàn)出一個比較明顯的特征，迎風(fēng)側(cè)區(qū)域顆粒物濃度分布較背風(fēng)側(cè)相對均勻。

圖4 單側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷Y=1.5 m高度的顆粒物分布曲線

2.2 高架路覆蓋下雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口型街谷模擬結(jié)果

雙側(cè)存在3 0m采風(fēng)口街谷顆粒物分布如圖5所示。顆粒物分布出現(xiàn)明顯的不均勻現(xiàn)象。街道峽谷兩側(cè)顆粒物分布呈現(xiàn)較明顯的密集區(qū)與稀疏區(qū)：高架路區(qū)域分布較密集，靠近建筑物的兩側(cè)分布較稀疏。主要原因在于流場的影響。如圖6所示，在采風(fēng)口中心軸面（Z=100 m）兩側(cè)同樣各自形成兩個大渦流，且渦流的中心位于街道峽谷中心軸面（X=20 m）上。靠近端部的渦流較近采風(fēng)口中心軸面的渦流表現(xiàn)出更明顯的旋流特征。在旋流氣流的帶動下，顆粒物集中分布于渦流區(qū)域。

圖5 雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷DPM模型下的顆粒物分布

如圖7所示，雙側(cè)模型內(nèi)呼吸面高度上顆粒物濃度分布表現(xiàn)較明顯波動性。總體趨勢是：X<20 m時，顆粒物濃度有上升的趨勢，X>20 m時，顆粒物濃度下降且下降幅度較快。在Z=20～180 m的中部范圍內(nèi)，顆粒物濃度變化相對較小，而端部區(qū)域，顆粒物濃度明顯減小。

圖6 雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷流場分布

圖7 雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷Y=1.5 m高度的顆粒物分布曲線

2.3 有無高架覆蓋模型的對比分析

現(xiàn)選取無高架路單雙側(cè)存在30 m寬采風(fēng)口模型進行對比分析，以探究高架路對顆粒物分布擴散的影響。無高架路覆蓋單雙側(cè)存在30 m寬采風(fēng)口模型呼吸面高度顆粒物濃度分布曲線圖如圖8所示。

圖8 無高架路覆蓋30 m采風(fēng)口型街谷模擬結(jié)果

由圖8（a）可以看出無高架路模型呼吸面高度顆粒物沿X軸正向呈先降后升的趨勢，主要因為無高架路覆蓋時，高架路周圍的小渦流影響消失，在較規(guī)則的大渦流影響下，中心區(qū)域速度低壓力大，顆粒物在流場中受壓力影響向渦流邊緣區(qū)域運動。如圖8（b）所示，呼吸面高度顆粒物濃度呈明顯上升趨勢，街谷端部區(qū)域濃度低于其余區(qū)域。

3 高架路的存在對顆粒物濃度分布的影響

為探究高架路的存在對顆粒物分布的影響，通過對高架路存在與否街谷內(nèi)顆粒物濃度變化率的計算來進行量化。

表1為四種模型呼吸面高度可吸入顆粒物平均濃度值，由表中數(shù)據(jù)計算有無高架路模型可吸入顆粒物濃度值的變化量并計算其與無高架路時呼吸面顆粒物平均濃度值的比值。結(jié)果見表2，其中Cg表示顆粒物濃度變化率，顆粒物濃度的變化量用ΔC表示，無高架路時呼吸面顆粒物平均濃度表示為Cg0，μg/m3。

表1 不同采風(fēng)口模型及高架路有無影響下的顆粒物濃度（μg/m3）

表2 不同采風(fēng)口模型及高架路有無影響下的顆粒物濃度變化率

根據(jù)表2可得，單側(cè)30 m采風(fēng)口型街谷在有高架路影響下，計算域內(nèi)顆粒物濃度的變化量ΔC=64.57 μg/m3，由于高架路存在的影響，顆粒物濃度變化率Cg=19.83%。雙側(cè)30 m采風(fēng)口型街谷有高架路影響下，顆粒物濃度的變化量ΔC=59.97 μg/m3，由于高架路存在的影響，顆粒物濃度變化率Cg=19.18%。

模型內(nèi)發(fā)散源強度持續(xù)不變，且線源布置位置按車流量不變情況設(shè)置。在現(xiàn)實街谷中，此模型及邊界條件為上海市區(qū)早晚高峰時段，車流量較大且基本保持不變情況下，顆粒物的濃度分布。在建筑單/雙側(cè)存在30 m路口或采風(fēng)口的街區(qū)情況下，高架路的存在會增大顆粒物的濃度，阻礙顆粒物向街谷外部擴散，增加率為20%左右。

4 結(jié)論

本文通過對有無高架路覆蓋采風(fēng)口型街谷進行三維CFD數(shù)值模擬，對兩種模型進行了對比分析，并以呼吸面濃度作為評價標準，得到如下結(jié)論：

1）高架路覆蓋單側(cè)存在30 m采風(fēng)口型街谷中，呼吸面高度迎風(fēng)側(cè)區(qū)域顆粒物濃度低于背風(fēng)側(cè)。背風(fēng)側(cè)越靠近采風(fēng)口處的區(qū)域，濃度越高，反之濃度越低。

2）高架路覆蓋雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口型街谷中，呼吸面高度可吸入顆粒物集中分布于高架路覆蓋下的區(qū)域，兩側(cè)輔道及人行道區(qū)域顆粒物濃度較低。

3）在30 m寬采風(fēng)口模型中，高架路的存在會增大顆粒物的濃度，阻礙顆粒物向街谷外部擴散，顆粒物濃度比無高架路模型增加20%左右。