城市復(fù)雜建筑布局對街區(qū)交通污染物擴(kuò)散的影響研究

李 順 李曉莉 吳思潔 高 航 戰(zhàn)乃巖

(1.吉林吉林建筑大學(xué)應(yīng)急科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春130118；2.吉林建筑大學(xué)市政環(huán)境與工程學(xué)院，吉林 長春130118）

0 引言

隨著改革開放的到來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人們生活水平的不斷提高對交通的要求也在不斷提升。隨著汽車的數(shù)量的逐年增加，機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的尾氣成為城市空氣污染的罪魁禍?zhǔn)字唬瑖?yán)重影響了人們的身體健康，因此，解決城市機(jī)動(dòng)車的污染問題是我們的頭等大事。

郭瓊瓊[1]采用RNG k-ε湍流模型、Mixture模型和離散相模型，將汽車尾氣排放的細(xì)顆粒物作為污染源，研究表明：風(fēng)向在污染物擴(kuò)散規(guī)律中起著主要作用。葛曉燕[2]對不同街道形態(tài)進(jìn)行模擬，其污染源為NO2氣體，且對不同建筑布局的街谷中的污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行了討論。Yassin M F[3]等對城市街道峽谷中的街道交叉口處的車輛流量和尾氣污染物的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究表明，在街道峽谷下部中心附近，來流風(fēng)速度非常小，T形和傾斜交叉口的污染物濃度小于規(guī)則街道交叉口上風(fēng)側(cè)的污染物濃度。Chan T.L.[4]等研究發(fā)現(xiàn)：街道的寬度與臨街建筑的高度對街道峽谷中污染物濃度有著非常大的影響。

綜上所述，對復(fù)雜城市建筑布局的研究并不廣泛，有必要對其進(jìn)行深入研究。

1 研究方法

1.1 物理模型

圖1為復(fù)雜城市建筑布局的二維模型示意圖，街區(qū)大小尺寸為860 m×480 m，X軸的正方向?yàn)楸保琘軸的正方向?yàn)槲鳌Ｔ搹?fù)雜城市建筑布局的街區(qū)共有四條街道（定義為：街道A、街道B、街道C、街道D），街道A（主干道）路的寬度為45 m，街道B、街道C、街道D路（支路）的寬度均為40 m。將汽車尾氣視為污染線源，其寬度、高度分別為20 m×0.4 m，來流風(fēng)沿X軸正方向向外流出。

圖1 二維街區(qū)模型示意圖

1.2 邊界條件

采用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對街道和建筑群表面等局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)劃分，從而提高計(jì)算精度。在FLUENT計(jì)算中，檢驗(yàn)了網(wǎng)格獨(dú)立性，經(jīng)過數(shù)次模擬與調(diào)試，最終網(wǎng)格總數(shù)為990萬個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約為160萬個(gè)。將該街區(qū)的交通污染源定為CO，其強(qiáng)度定為0.0 003 kg/（m3·s）。

2 結(jié)果與討論

圖2為距街區(qū)距離地面1.5 m高度處的污染物濃度分布圖，由圖2可得出：距地面1.5 m高度處污染物聚集較多，濃度較高，每條街區(qū)內(nèi)的污染物濃度呈連續(xù)線狀分布，污染面積大。街道A鄰近建筑的下風(fēng)側(cè)污染物濃度相對較高，上風(fēng)側(cè)的污染物濃度相對較低，在該街區(qū)中有5個(gè)高濃度聚集區(qū)域（見圖2①～⑤處）；街道C、D在臨近街道峽谷的入口附近形成兩個(gè)小規(guī)模的高濃度聚集區(qū)域（見圖2⑥～⑦處），其中，街道C的十字路口中的污染物會(huì)沿著氣流擴(kuò)散到下游路段，最終流出街區(qū)；在街道C的下游區(qū)域的污染物濃度擴(kuò)散與在街道B中的污染物濃度擴(kuò)散相似，其將對遠(yuǎn)離建筑群的大氣環(huán)境產(chǎn)生一定的影響；街道D中的污染物的擴(kuò)散因受到交叉口處建筑物的阻隔，向下游擴(kuò)散有一定難度，因此聚集了大量的污染物，在街道A的上風(fēng)側(cè)積聚，對街道A的污染物擴(kuò)散影響巨大，且加重了街道A的污染。

圖2 距地面1.5 m處污染物濃度分布圖

另外，與來流風(fēng)方向平行的街道B、C、D雖向下游擴(kuò)散，但其同樣會(huì)導(dǎo)致污染物向下游遷移和積累，從而使下游街道污染物擴(kuò)散受到阻礙，對過往行人的健康有一定影響。總體而言，在距地面1.6m高度處的開敞空間較少、建筑群較密、可以充分接觸到污染源，從而使來流風(fēng)無法充分稀釋掉污染物，造成污染物積聚嚴(yán)重。

3 結(jié)語

采用CFD數(shù)值模擬軟件，建立了三維城市復(fù)雜建筑模型，對城市建筑布局在距地面1.5 m時(shí)，交通污染物擴(kuò)在該街區(qū)的擴(kuò)散情況進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：距地面1.5 m高度處是污染物高濃度積聚區(qū)域，且每個(gè)街區(qū)內(nèi)的污染物濃度呈連續(xù)線狀分布，對行人的健康構(gòu)成了威脅。