不同類街道峽谷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

城市街道峽谷Street Canyon（下文簡稱街谷）主要指城市中道路兩側林立的高樓與狹長的道路形成的空間結構。隨著街道內汽車尾氣排放量的增加以及街道通風能力的減弱，街谷內的空氣污染非常嚴重。現有的街谷污染物擴散相關研究，多以由機動車道、非機動車道與人行道組成的常規街道為對象，污染源處于街谷中央。少有以污染源位于街道兩側門市的步行街道為研究對象。但當人們身處步行街道時，往往伴隨著游覽、飲食，停留時間遠要長于常規街道，更需要保持良好的空氣環境。現階段，一些城市步行街道的空氣環境仍有很大不足，以此類街谷為對象的污染物擴散研究亟待豐富。

2 模型介紹

圖1 物理模型的立體圖

物理模型如圖1 所示，風向為北風（即由Y 軸正半軸吹向Y軸負半軸）。模型共有14 棟建筑，外圍的11 棟典型建筑的尺寸均為50m×40m×20m。中間有3非典型建筑，其中：L型樓由相鄰3棟典型建筑連接而成，條形樓和方形樓同理，體量分別為1.5倍典型建筑和0.5倍典型建筑。街谷尺寸方面，中央街谷的寬度為20m，與建筑高度H保持一致。其余街谷寬度均為10m，即0.5H。污染物選擇方面，交通污染的主要成分包括一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物和顆粒物。其中，一氧化碳對人體傷害極大，且餐飲廢氣中也含有一氧化碳，排放量隨著設備老化甚至超齡使用，一氧化碳的含量增長速度極快。綜上所述，選擇公共成分一氧化碳作為示蹤性氣體。污染源強和計算域確定方法參考文獻：算得污染源強為0.0266156kg/s；計算域入口距離首列建筑160m，出口距離末列建筑300m，計算域上邊界距建筑頂部100m，左右邊界距建筑邊界140m。污染源位置方面，常規街谷污染源位于街谷中央，為持續均勻發散的有限體源作為污染源（如圖1），尺寸230m×8m×0.5m；步行街谷污染源則位于臨街建筑的門市房位置，高度為3m，寬度與所在建筑保持一致。

3 模擬分析

3.1 人體呼吸平面一氧化碳濃度場

以2m/s～6m/s的風速分別進行濃度場模擬，取中位數濃度場進行比較。對比圖2 和圖3 可發現，污染源位于機動車道時，人體呼吸高度一氧化碳平均質量分數比位于臨街商鋪時要高。這是由于一氧化碳密度小于空氣，在無湍流作用或湍流不明顯時，浮升力占主導。而對于臨街商鋪，其污染物出口本身就有一部分高于人體呼吸平面，相同污染源強度下步行街谷在人體呼吸表面的CO平均濃度小于常規街谷，在無氣流擾動或低擾動條件下尤為顯著。在相同風速條件下，常規街谷對其相鄰街谷的一氧化碳擴散效應，比步行街谷更強烈，主要是由于機動車污染源在十字路口處仍可保持連續，而臨街商鋪不具備該條件，街谷內的路口越多，此差距越明顯。

圖2 常規街谷人體呼吸平面CO濃度場

圖3 步行街谷人體呼吸平面CO濃度場

3.2 通風條件不利位置的一氧化碳濃度水平分布

如圖2和圖3可知，街谷在X方向上的中點位置對來流的遮擋作用達到最大，被人行道通風條件差。故在北人行道中央設置監測點，統計監測點及其南側20m 范圍內的一氧化碳質量分數，將五次模擬結果取平均值，所得一氧化碳濃度分布繪制成點線圖并進行擬合，結果如下。

圖4 一氧化碳濃度的水平分布（常規街谷）

圖5 一氧化碳濃度的水平分布（步行街谷）

由圖4、圖5可知，對于常規街道，北人行道一氧化碳濃度高于南人行道。南人行道在距臨街建筑約0m～5m范圍內一氧化碳濃度基本不變，而北人行道處一氧化碳濃度仍有波動。街谷內沿Y 方向的一氧化碳分布圖像，中部曲線呈二次函數形態。若用單一函數對整個曲線進行描述，則表達式如圖4，此時：

而對于步行街道，濃度梯度主要存在區最間為南側的（0m，5m）與最北側的（15m，20m），前者的濃度梯度更大。街谷內沿Y方向的一氧化碳分布圖像，大體呈二次函數形態，函數表達式如圖5，此時：

3.3 通風條件不利位置的一氧化碳濃度垂直分布

由前文可知，街谷在X 方向上的中線處對來流的遮擋作用達到最大，尤其以背風側人行道較為不利（即北人行道）。為分析3.2中通風不利位置一氧化碳濃度的垂直分布，觀察監測點在不同高度的濃度云圖可知：兩種街谷的一氧化碳濃度整體上隨著高度的增加而降低，步行街谷遞減速度更快。在人體呼吸面附近，步行街谷的CO濃度更高，這是由于身處這兩種街谷時，行人與污染源的相對距離有很大差別：處于常規街谷時，污染源在街谷中央而行人在街谷兩側，距離較遠；處于步行街谷時，污染源和行人都集中在街谷兩側，距離較近。

4 結論

（1）污染源位于機動車道時，人體呼吸平面一氧化碳平均質量分數比位于臨街商鋪時要高。

（2）在相同風速條件下，常規街谷對其相鄰街谷的一氧化碳擴散效應，比步行街谷更強烈。

（3）得到了兩種街谷的通風不利位置在Y 方向上一氧化碳濃度水平分布的表達式。

（4）分析了兩種街谷的通風不利位置在Z 方向上濃度分布規律，二者的一氧化碳濃度整體上隨著高度的增加而降低，步行街谷遞減速度更快。