壁面綠化及熱效應對淺型街谷內污染物擴散與轉化的影響研究

黃遠東，王可心，劉宇辰，崔鵬義，羅 楊

（上海理工大學 環境與建筑學院,上海 200093）

街道峽谷是一種類似自然峽谷的城市結構，由兩側連續建筑物以及中央的區域構成[1]。較低的天空視野系數，使得日間太陽輻射存儲于兩側建筑壁面之中，加劇了熱島效應和光化學反應；半封閉的街谷結構進一步降低機動車尾氣污染物擴散效率，嚴重威脅臨街居民和行人的身體健康[2-3]。

壁面綠化是近年來發展起來的一種新型立體綠化模式，研究表明其可以有效改善城市微氣候環境。在不同天氣下，Cuce[4]對配置綠化的壁面和無綠化壁面進行了溫度實測，結果表明：在晴天時，壁面綠化能夠使墻體的平均溫度降低約6.1 K；多云天氣時，則能夠使墻體的平均溫度降低約4.0 K。Schettini 等[5]進行的場地實測也得到了類似結果：在日間溫度最高的時刻，壁面綠化能夠降低壁面的表溫約3.0～4.5 K。Basher 等[6]選用長壽命且能夠承受更多太陽輻射的翼豆植物作為壁面綠化的主體，發現其能夠降低壁面平均溫度約2.4 K，且壁面最大下降溫度約6.4 K。Jayasooriya等[7]進行的城市尺度環境影響研究表明，雖然壁面綠化對顆粒和氣態污染物的去除能力不如傳統樹木，但其較小的占地面積和潛在的凈化能力使其應用前景廣闊。Ysebaert 等[8]研究發現，壁面綠化對顆粒污染物的截留效果取決于顆粒物在街谷內的停留時間；在繁忙的主干道上，每平方米葉面積的壁面綠化能夠截留約1010～1011個顆粒，可以有效降低街谷內的顆粒污染物濃度。Viecco 等[9]使用ENVI-met 模型就壁面綠化對PM2.5的去除效果進行數值計算，發現最大去除率可以達到7.5%，其主要受綠化覆蓋率、污染源位置和建筑物高度等影響。

綜上所述，有關研究主要聚焦在壁面綠化對街谷內顆粒污染物濾除和熱島效應的緩解，并且側重于寬高比為1 的標準街谷，以及單獨考慮壁面綠化或太陽輻射熱效應對峽谷內流場和污染物擴散的影響。近年來，大氣光化學反應產生的O3污染日漸嚴峻，但有關街谷內綠化對反應性NOx-O3動力學特性影響的研究卻沒有引起足夠重視。鑒于此，本文利用經風洞實驗驗證的三維CFD 模型，探究壁面綠化與熱效應的耦合作用對淺型街道峽谷內污染物擴散與NOx-O3反應動力學的影響。該研究可為城市規劃和壁面綠化種植提供指導，以緩解城市熱島效應，改善局部空氣質量。

1 研究方法

1.1 物理模型

如圖1 所示，研究采用三維全尺度街道峽谷。峽谷的高寬比AR和長高比分別為0.5 和20.0，亦稱為淺型長街道峽谷。圖1(a)和圖1(b)展示了街道峽谷的幾何模型：每個建筑物的長、寬、高分別為10H（H=20 m），1.0H和0.5H，兩棟建筑物的間距（即峽谷寬度W）為1.0H。圖1(b)還給出了街道峽谷內部壁面綠化和近地面污染源的具體布置情況：壁面綠化被種植在上風向建筑物的背風壁與下風向建筑物的迎風壁上，厚度為0.01H（20 cm）。對于壁面綠化覆蓋的流場區域，考慮其空氣動力學效應（對氣流運動的阻礙效應）和熱力學效應（包含綠化的蒸騰降溫效應以及對太陽輻射的遮蔽而帶來的溫度下降），研究中考慮4 種典型的壁面綠化的葉面積密度LAD=0.5，1.0，1.5，2.0；地面機動車尾氣污染源位于峽谷中央，其尺寸為0.6H×0.02H×10H，考慮嚴峻交通污染情況，污染源均勻釋放CO，NO 以及NO2的速率分別為7.37×10-7，5.98×10-8，9.17×10-9kg/（m3·s）[10]。

圖1 具有壁面綠化的街道峽谷模型Fig.1 Model of the street canyon with green walls

在研究中，使用設置壁面溫度來實現夏季不同時刻太陽輻射所導致的壁面升溫[11-13]，包括背風面受熱、迎風面受熱、地面受熱和全壁面受熱（也稱夜間墻體保溫或放熱）。需要指出的是環境溫度設為300 K。本文研究的工況共計21 個：1 個既無壁面受熱又無壁面綠化的空白對照工況、4 個僅有壁面受熱而無壁面綠化的工況，以及16 個既有壁面受熱又有壁面綠化的工況（計及4 種壁面綠化的葉面積密度和4 種不同壁面受熱模式）。研究工況的壁面受熱溫度設置如表1 所示[14]。

表1 研究工況的壁面溫度設置Tab.1 Wall temperature setting for the studied cases

此外，研究還考慮了NOx-O3光化學反應動力學，用來實現反應性污染物的光化學過程。具體的化學方程式為[15]

式中：hv為光照強度；M為第3 種分子。

式中：[O3]為O3的濃度；[O3]b為O3的背景濃度。

1.2 數值模型

1.2.1 控制方程

街道峽谷內的湍流、熱傳遞以及污染物的擴散和轉化采用標準k-ε湍流模型進行求解，控制方程為[16]

式中：xi和xj為笛卡爾坐標；ui和uj分別為xi和xj方向上的空氣時均速度分量；ρ為空氣密度；p為空氣壓強；μ為分子黏性系數；μt為湍流黏性系數；gi為重力加速度分量；T為溫度；Pr為分子普朗特數，Pr=0.85；σt為湍流普朗特數；ST為溫度源項。

此外，在動量方程求解時，采用Boussinesq 假定[17]來近似處理由溫度變化引起的峽谷內空氣浮升力項。

各污染物的組分輸運方程為[10]

式中：[X]代表物質X 的濃度；Dm為污染物的分子擴散系數；Dt為湍流擴散系數；SX代表物質X 的源項；為NO2的光解速率；k1，k2分別為式（2）和式（3）所代表的反應速率，其與溫度和污染物濃度呈正相關[15]。

壁面綠化覆蓋區域導致控制方程增加的源項分別為[18]

式中：SE，，Sk，Sε分別為能量源項、動量源項、湍流能k的源項和湍動能耗散率 ε的源項。Pc為單位LAD植被的體積冷卻功率；模型常數{Cd，βp，βd，Cε4，Cε5}={0.2,1.0,5.1,0.9,0.9}[19]。

1.2.2 邊界條件

入口邊界條件采用速度入口（velocity-inlet），風速U(z)、湍動能k(z)和湍動能耗散率 ε(z)的定義為[19]

式中：Uref表示高度為Href處的參考風速，Uref=3.0 m/s，此處Href=10 m，為建筑物高度；α為風剖指數，反映較密集建筑群的城市郊區狀況[13]，α=0.187；u*為摩擦速度，u*=0.54 m/s；Cμ為模型常數，Cμ=0.09；κ 為馮卡門常數，κ=0.4；δ為邊界層高度，δ=960 m。此外，入口處還包含體積分數為2×10-8的O3與體積分數為0.21 的O2。

出口邊界選擇自由出流邊界條件；側面和頂部邊界選擇對稱邊界條件；壁面選擇無滑移壁面邊界條件。

1.2.3 求解設置

控制方程采用有限體積法（FVM）進行離散；對流離散項選用二階迎風差分格式；數值算法選用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）。求解過程中，當各變量的相對計算殘差均降至10-6以下時即視為收斂。

街道峽谷中尾氣污染物發生光化學反應需要合適的氣象條件，為了盡可能地接近現實情況，將數值模擬分為3 步進行[10]：

第1 步保持關閉污染源與體積反應模塊，先進行計算，得到穩定流場。此時，計算域中充滿體積分數為2×10-8的O3與體積分數為0.21 的O2。

第2 步在第1 步的計算結果的基礎上，開啟污染源，不開啟體積反應模塊。通過此步驟能夠得到無光化學反應條件下穩定的污染物分布，為計算后續的光化學反應提供初始條件。

第3 步保持污染源開啟，并開啟體積反應。最終得到化學平衡時各污染物的分布情況。

1.3 模型驗證

采用德國卡爾斯魯厄大學風洞實驗數據對CFD 模型進行驗證和完善，最終確定使用標準k-ε湍流模型進行后續的工況計算。具體的驗證細節參見文獻[20]。

2 結果與討論

2.1 街谷內流場變化分析

圖2 為4 種壁面受熱和2 種壁面綠化（LAD分別為1.0 和2.0）配置下街道峽谷豎直中心面上的無量綱速度云圖及流線分布。作為空白對照，圖2也給出既無壁面受熱又無壁面綠化下的街道峽谷豎直中心面處的相關流場信息。

在既無壁面綠化又無壁面受熱條件下，從圖2(a)可以看出：在峽谷豎直中心面的背風側處形成一股（單束）上升氣流，該上升氣流流出峽谷與峽谷頂部自由來流匯合；另一股氣流則于峽谷迎風面附近形成一個順時針旋渦。

無論有無壁面綠化，背風面受熱所產生的熱浮力會驅散背風側的單束向上運動的氣流，從而在峽谷垂直中心面上形成一個順時針大旋渦(圖2(b)、圖2(c)和圖2(d))，該大旋渦的外沿氣流從背風側流出峽谷而與峽谷上部自由來流匯集。在背風面受熱時，隨著壁面綠化的LAD的增加，峽谷背風面底部的低速區域增大，而當LAD增加至2.0時，背風墻底部的低速區域演化成一個風速極低的逆時針小角渦。

圖2 街道峽谷豎直中心面上的無量綱速度云圖及流線Fig.2 Contours of dimensionless velocity and streamlines at the vertical center plane of the street canyon

相比無壁面綠化及無壁面受熱工況（圖2(a)），在無壁面綠化條件下，迎風面受熱會極大削弱迎風側的順時針旋渦，從而間接增強背風側的單束向上氣流：迎風面受熱產生的熱浮力方向與旋渦氣流在近迎風面的流動方向相反，故會極大削弱順時針旋渦尺度，并于迎風面附近形成一塊低速區域（圖2(e)）。當有壁面綠化的峽谷迎風面受熱時，隨著壁面綠化的LAD的增大，其蒸騰降溫效應隨之增強，迎風面受熱對流場的影響減小，故迎風側順時針旋渦尺度得以恢復增大(圖2(e)、圖2(f)和圖2(g))。

相比無壁面綠化及無壁面受熱工況（圖2(a)），地面受熱也能驅散背風側的單束上升氣流，使得順時針旋渦進一步得以發展(圖2(h)，2(i)和2(j))。很明顯，在地面受熱條件下，壁面綠化有助于順時針旋渦的形成(比較圖2(b)與2(c)及2(d))。同時得益于更大的受熱面積，地面受熱有助于增加峽谷內部的平均氣流速度，增強峽谷通風。

全壁面受熱則是受熱面積最大的受熱模式，在該種情況下，三壁面均產生強烈的向上熱浮升力，使得峽谷通道內的橫向氣流均向中心面處匯集，并向上運動流出峽谷（圖2(k)）。當具有壁面綠化的全壁面受熱時，隨著壁面綠化的LAD上升至1.0，壁面受熱產生的熱浮升力也被削弱，迎風面附近的順時針旋渦也初現雛形（圖2(l)），而隨著LAD進一步增加至2.0 時，該旋渦尺度略微增大（圖2(m)）。

2.2 街谷內溫度變化分析

圖3 為不同工況條件下街道峽谷豎直中心面處的溫度分布。圖4 為不同工況條件下街道峽谷內部平均溫度。如圖3（a）所示，在無壁面綠化條件下，背風面受熱使得背風面附加空氣溫度升高至302 K，且其周圍有較為明顯的高溫區域，而順時針主旋渦則能夠攜帶壁面周圍的熱量于峽谷中循環，提高峽谷內部的平均溫度。從圖4 可知，在無壁面綠化條件下，背風面受熱能夠提升峽谷內部平均溫度約0.35 K（相對于空白對照工況）。圖3（b）顯示壁面綠化的蒸騰降溫效應能夠有效降低兩側壁面周圍的溫度，由于密度差異原因，被降溫的空氣于近壁面處向下沉積，聚集在街道峽谷底部并得以停留，故可以在峽谷左右下角發現較為明顯的低溫區域。進一步，從圖4 可知，在LAD=2.0 的情況下，壁面綠化能夠降低峽谷內部平均溫度約0.38 K（相對于無綠化的背風面受熱）。

圖3 街道峽谷豎直中心面處的溫度分布Fig.3 Distribution of temperature at vertical center plane of street canyon

圖4 街道峽谷內部平均溫度Fig.4 Averaged temperature within the street canyon

如圖3（c）所示，在無壁面綠化條件下，迎風面受熱使其周圍仍然存在較為明顯的高溫區域，順時針小旋渦的運動致使大量熱量在此處循環，難以擴散出峽谷。迎風面受熱能夠提高街道峽谷內部的平均溫度約0.60 K（相對于空白對照工況）。圖3（d）顯示壁面綠化能夠有效降低兩側壁面周圍的溫度。從圖4 可知，迎風面受熱時，壁面綠化能夠降低峽谷內部平均溫度約0.40 K（相對于無綠化的迎風面受熱）。

如圖3（e）所示，在無壁面綠化條件下，地面受熱使街道峽谷內部的有效受熱面積更大，相較于前兩種受熱方式，峽谷內部平均溫度有明顯升高，約0.90 K（相對于空白對照工況）。在該系列工況中，氣流會攜帶近地面的熱空氣向背風面運動，隨后再沿入口氣流方向偏轉并流出峽谷。這個過程使得大量熱量被運輸至峽谷左下角及近背風面處，使得該區域溫度遠高于迎風面周圍區域，且最高溫度達到了約305 K。從圖4 可知，在該種受熱情況下，壁面綠化對街道峽谷內部熱環境改善的能力十分有限，僅降低內部平均溫度約0.32 K（相對于無綠化的地面受熱），這在4 種受熱模式中為最低值（圖3（f））。

如圖3（g）所示，在全壁面受熱情況下，峽谷內部溫度進一步升高，高溫區由三處壁面向峽谷內部擴散，也大幅度提高了峽谷上空的溫度。由于峽谷內向上運動的氣流依然向背風面偏轉，故溫度最高的區域仍然是峽谷的左下角部分。從圖4可知，無壁面綠化的全壁面受熱時峽谷內部平均溫度提升也最大，約為1.43 K（相對于空白對照工況）；如圖3（h）顯示，有綠化的全壁面受熱時，峽谷內溫度分布與無綠化條件的全壁面受熱情況下的峽谷內溫度分布式樣相似，但從圖4 可知，壁面綠化的存在則能夠均勻地降低峽谷內部的溫度約0.39 K（相對于無綠化的全壁面受熱）。

2.3 街谷內CO 擴散與NOx-O3 反應情況分析

本研究涉及3 種類型的污染物，分別為CO，NO 和NO2。此處以CO 為例（不涉及反應），圖5所示為各種工況下街道峽谷豎直中心面的CO 體積分數分布。在既無壁面綠化又無壁面受熱條件下（空白對照工況），峽谷內部的流動結構由單束氣流及順時針旋渦共同主導，在兩束氣流交匯的區域污染物大量堆積，并朝背風面方向向上逐漸遞減，使得峽谷背風面區域的污染物濃度遠高于迎風面區域的污染物濃度（如圖5(a)所示）。

背風面受熱會增強順時針旋渦，并增強上升氣流速度，使得峽谷內部流動由順時針單旋渦結構主導。近地面污染源釋放的CO 隨順時針旋渦在峽谷中運動，沿背風面向上遞減分布，且背風面附近的污染物濃度遠高于迎風面附近（如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示）。隨著LAD的增加，迎風面附近的污染物濃度明顯降低，大量污染物被輸送至峽谷的背風面附近；在LAD=2.0 的工況中，在旋渦氣流的控制下，在背風側角渦處形成一塊較小的高污染區域。

在迎風面受熱情況下，近地面污染物CO 受單束氣流影響，濃度沿水平方向遞減分布，且污染物大多聚集于峽谷中段區域（如圖5(e)，5(f)和5(g)所示）；而迎風側小旋渦則能夠將迎風面附近污染物向背風面方向輸送，使得迎風面附近污染物濃度偏低，導致污染物分布在水平方向發生略微偏移。在該種情況下，由于大量污染物仍集中于街道峽谷中心，故行人呼吸面上平均污染物CO 濃度也略微提高。隨著LAD的上升，迎風側小型旋渦規模逐漸增大，逐漸恢復對峽谷內部流動結構的控制。

地面受熱情況下峽谷內部的流動結構與背風面受熱極為類似，故地面受熱情況下峽谷內部污染物的分布規律（如圖5(h)，5(i)和5(j)所示）也與背風面受熱情況下峽谷內部污染物的分布極為相似。

圖5 街道峽谷豎直中心面處CO 體積分數分布Fig.5 Distributions of CO volume fraction at vertical center plane of street canyon

如圖5(k)，5(l)和5(m)所示，在全壁面受熱情況下，兩部分氣流聚集于峽谷中心并向上涌出，橫向氣流攜帶了大量污染物向峽谷中心運動，使得中心面上的污染物濃度極高。大量污染物積聚于峽谷的背風側，并向上遞減。隨著LAD的上升，壁面綠化的蒸騰降溫效應使得峽谷內部氣流得以穩定，重新回歸單旋渦結構，污染物的分布也轉化為沿背風面向上遞減分布的結構（如圖5(m)所示）。

需要指出的是，未涉及反應時，NO 和NO2的分布特征與CO 基本相同，且濃度比為10∶1。此處僅列舉在既無壁面綠化又無壁面受熱條件下NO 與NO2前后體積分數對比與全部工況下的臭氧消耗率。圖6 為反應前后NO 和NO2體積分數變化（無壁面受熱及無綠化條件下）。由圖6 可知，環境中反應后NO 體積分數略微降低而NO2體積分數升高，伴隨環境中背景臭氧的消耗，說明反應式（3）在街道峽谷中占據主導地位。

圖6 反應前后NO 和NO2 體積分數變化（無壁面受熱及無綠化）Fig.6 Changes of volume fraction of NO and NO2 before and after reactions

背風面受熱改變了峽谷內部的流動結構，從而使得污染物大部分集中在背風面附近，且沿其向上遞減分布，也呈現出類似的趨勢：高區域均集中于峽谷背風面附近，并朝向峽谷外部依次遞減（如圖7(b)，7(c)和7(d)所示）。隨著LAD的增加，近迎風面污染物濃度降低而近背風面則升高,=60%的等值線從迎風面附近收縮至峽谷中心處。進一步分析表2，發現LAD=2.0 的壁面綠化使得峽谷內部平均下降了約5.02%（相對于無壁面綠化的背風面受熱工況），這歸因于其蒸騰降溫效應極大地削弱了兩側壁面附近的化學反應強度。在這種情況下，較低的背景臭氧濃度成為了達到化學平衡的限制因素。

如圖7(e)，7(f)和7(g)所示，迎風面受熱條件下，高區域均集中于峽谷底部中段，即污染源所在位置，并向上遞減，峽谷內部的幾乎均大于70%。隨著LAD增加至2.0,=70%的區域也從迎風面底部收縮至峽谷中段區域，峽谷內部平均也下降至69.19%，較無綠化工況下降了3.63%，如表2 所示。

如圖7(h)，7(i)和7(j)所示，在地面受熱條件下，分布規律幾乎與背風面受熱情形相同。從表2 可知，地面受熱情況下，LAD=2.0 的壁面綠化工況相較于無綠化的受熱工況，峽谷內部平均下降約3.59%。

如圖7(k)，7(l)和7(m)所示，全壁面受熱能夠大幅度提高峽谷內部的平均溫度，故峽谷內部平均也普遍較高，均大于70%。在無綠化的條件下，橫向氣流使得大量污染物聚集于峽谷左半部分區域，使得該處有一塊較大的高區域。隨著LAD的增加，峽谷內部的污染物濃度也轉變為沿背風面向上遞減分布，此時，分布特點也與背風面受熱和地面受熱工況相似，但是，由于峽谷內部溫度普遍較高，峽谷內部平均也高于上述兩類工況。

圖7 街道峽谷豎直中心面處分布Fig.7 Distributions of at vertical center plane of the street canyon

進一步，表2 表明，在每一種壁面受熱模式下，峽谷內部平均隨LAD的增大而降低。

表2 街道峽谷內部平均Tab.2 Average within street canyon

表2 街道峽谷內部平均Tab.2 Average within street canyon

綜上所述，在AR=0.5 的淺型街道峽谷中，壁面綠化的蒸發降溫效應可以有效降低峽谷內部的溫度，并緩解峽谷內光化學反應的劇烈程度。

3 結論

建立了耦合壁面綠化及熱效應的淺型街道峽谷(AR=0.5)內污染物擴散與轉化的CFD 模型，并利用風洞實驗數據對選用的標準k-ε湍流模型及相關模型參數進行驗證。采用CFD 模型對壁面綠化及熱效應影響下的淺型街道峽谷內流場、污染物擴散及NOx-O3光化學轉化開展模擬研究。研究中考慮4 種壁面綠化的葉面積密度（LAD=0.5，1.0，1.5，2.0）以及4 種壁面加熱模式（背風面加熱、迎風面加熱、地面加熱和全壁面加熱）。得到如下主要結論：

a.在既無壁面綠化又無壁面加熱條件下，峽谷垂直中心面上的流動由橫向氣流和順時針旋渦共同主導。在無壁面綠化時，迎風面受熱會削弱順時針旋渦的尺度，從而使得橫向氣流占據主導地位；背風面受熱和地面受熱會強化順時針旋渦；而全壁面受熱則會使旋渦結構消散。

b.每種壁面受熱模式下，壁面綠化對峽谷內部流場的影響隨LAD的增大而加劇（特別對于迎風面受熱和全壁面受熱工況尤為如此）。

c.壁面受熱導致峽谷內的平均溫度升高程度為：全壁面受熱最高，其次為地面受熱、迎風面受熱和背風面受熱。相較于既無壁面綠化又無壁面加熱工況，根據不同的壁面受熱模式，無壁面綠化的壁面加熱可使峽谷內平均氣溫升高0.35～1.43 K；壁面綠化能夠有效改善峽谷內的熱環境，根據不同的壁面受熱模式，LAD=2.0 的壁面綠化可使峽谷內的平均氣溫降低0.38～0.48 K。

d.壁面受熱會影響污染物的擴散，尤其是迎風面受熱會促使大量污染物聚集在峽谷底部中心位置附近。