灌木植被對街道峽谷機動車污染物擴散的影響

徐沛巍，李曉莉，呂 廣，張 帥，李 進，戰乃巖

(1.吉林省教育學院信息技術系，吉林 長春 130022；2.長春建筑學院城建學院，吉林 長春 130600；3.吉林建筑大學應急科學與工程學院，吉林 長春 130118)

隨著機動車保有量的增長，交通尾氣排放已成為城市空氣污染的主要來源[1-3].而綠色植被作為現代城市的重要組成部分，對街道峽谷內機動車尾氣污染物的擴散、稀釋和消除影響很大.低矮灌木在城區綠化植被所占比例較大，因此研究低矮灌木對機動車尾氣污染物擴散規律的影響意義重大.

針對低矮灌木對機動車尾氣污染物擴散的影響，已有一些相關的研究報道.Vos等[4]研究發現，由于街道峽谷中存在灌木，污染物濃度增加.Riccardo Buccolieri等[5]通過風洞試驗和數值模擬，研究了林蔭道綠化對城市街道峽谷內水流和交通源污染物擴散的空氣動力學效應，在有樹木的情況下，測量和模擬結果均表明與無樹木的情況相比，背風壁附近的污染物濃度較大，迎風壁附近的污染物濃度略低.Annett Wania等[6]通過ENVI-met技術發現，植被可以降低樹冠高度處的風速，并破壞樹冠附近的流場；隨著街道峽谷高寬比的增加，風速降低增加，氣流的擾動會影響峽谷的整個寬度.已有的研究[7-9]表明，灌木減少了街道峽谷人行道地區污染物暴露的24%～61%.Wania A.等[10]研究發現，低矮灌木通過產生局部渦流將空氣污染物轉移至行人區域，低滲透性和較高(2.5 m)的灌木會在人體呼吸高度更多地減少污染.

Antoine[11]研究發現，喬木會降低街道峽谷的風速，導致屋頂上方和峽谷內部之間的空氣交換減少，從而導致污染物在街道峽谷內部積聚；Chen X P[9]等通過線性回歸分析得出，灌木具有減小街道峽谷空氣污染的潛力，灌木通過產生局部渦流將污染物粒子從人行道區域轉移；戰乃巖等[12]采用ENVI-met技術進行的相關研究表明，街道峽谷內喬木與灌木聯合作用時，灌木高度過低并不會改善街道峽谷內污染程度.

上述研究僅單一地分析了低矮灌木對街道峽谷污染物擴散的影響程度，但更詳細的影響因素，如灌木高度、排列數及連續性等因素對街道峽谷污染物分布的影響尚未見報道.數值模擬軟件ENVI-met的內核模型為標準E-ε湍流模型，利用標準穩態E-ε湍流模型與組分輸運方程，并將植被簡化為多孔介質的研究方案能夠比較好地模擬綠色植被對街道峽谷內機動車污染物擴散的影響.因此，本文利用三維城市微氣候模型ENVI-met軟件，對街道峽谷污染物濃度分布進行了數值模擬，分析了灌木高度、排列數及連續性等因素對街道峽谷污染物擴散的影響程度，以為城市綠色規劃提供理論依據.

1 物理模型與數學模型

1.1 物理模型

街道峽谷是由城市街道與臨街兩側連續建筑合圍而成的狹長空間[13]，選取任一典型街道峽谷(見圖1)作為模擬對象.模型計算域覆蓋范圍為50 m×50 m×30 m，其中街道寬度(W)18 m，建筑長度(L)27 m，建筑寬度WA=WB=9 m，建筑高度(H)9 m，街道峽谷的高寬比為W/H=1/2，長寬比為L/H=3，為淺街道峽谷[14].建筑物關于街道中心線對稱分布.根據相關研究[15]結果，忽略建筑物屋頂形狀對街道峽谷內污染物分布的影響，假設建筑物屋頂為平面.

圖1 街道峽谷模型平面圖

1.2 污染源與監測點設置

顆粒物(PM)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、揮發性有機物(VOCs)等是機動車排放的主要污染物.其中，PM10對人體健康危害較大[16]，因此，選取PM10作為機動車排放示蹤污染物.

兩條線性污染源對稱分布在平行于街道峽谷中心線的機動車道中央，用于模擬實際道路中的雙向機動車道.污染物排放高度為0.3 m，單條污染源恒定排放速率為5.56 μg/(s·m)；日車流量為10 000輛，其中4%為重型運輸車輛的污染物排放量[17].

為定量分析灌木布置對街道峽谷中人行道處污染物濃度分布的影響程度，建筑A，B兩側等距離分別設置了9個污染物監測點，其中1—3號監測點為區域Ⅰ，4—6號監測點為區域Ⅱ，7—9號監測點為區域Ⅲ(見圖2).

圖2 污染物監測點位置

1.3 植被布局方案

綜合考慮，本文設計了3種植被布局方案5種布局方式(見圖3)，其中，黑色方塊表示建筑物，深灰色條狀表示污染源，淺灰色條狀或方塊表示灌木.灌木高度(h)1.5～2.25 m.

(a)無植被；(b)方案1；(c)方案2；(d)方案3

方案1：在建筑物和機動車專用道兩側各2 m處設置兩排灌木，連續排列，建筑物和灌木之間為人行道；

方案2：在機動車道之間的道路中心布置一排灌木；

方案3：在建筑物和機動車專用道兩側各2 m處設置兩排灌木，等間距不連續排列，建筑物和灌木之間為人行道.

根據城市主導風向，來流風風向分別設置為0°和90°(0°：來流風與街道峽谷相互平行；90°：來流風與街道峽谷垂直)，如圖3所示；來流風速均為3 m/s，具體參數見表1.

表1 街道峽谷與灌木配置

1.4 數學模型

本文采用的數學模型包括Navier-Stokes方程、連續性方程、E-ε方程及污染物擴散模型.Navier-Stokes方程采用三維非靜力不可壓縮流體模式求解風場，同時考慮了地轉偏向力、浮升力的影響.污染物擴散過程涉及流體流動，需應用連續性方程[18].污染物擴散方程是基于顆粒物和氣體在大氣中和表面上的經典動力學原理提出的[19].氣體在墻體表面出現氣流速度剪切時會產生湍流，因此用湍流動能及其耗散率計算大氣湍流的變化率[20].

Navier-Stokes方程：

(1)

(2)

(3)

連續性方程：

(4)

式中：u，v，w分別為x，y，z方向的速度分量，m/s；ui為愛因斯坦求和約定，ui=u，v，w，i=1，2，3；p是局部壓力擾動值，Pa；Km為湍流動量交換系數；f是科里奧利參數，104(s-1)；ug，vg為地轉風在u，v方向上的速度分量，m/s；θ(z)為z高度處的大氣溫度，θref(z)為基準大氣溫度，K；局部源/匯項Su，Sv，Sw描述了由于植被的阻力而造成的風速損失.

E-ε方程：

(5)

(6)

式中：E為湍流動能；ε為湍能耗散率；KE，Kε為湍流交換系數；Pr和Th為風切變和浮力熱分層引起的湍流能量的產生和耗散；QE和Qε為植物引起的湍能產生及耗散；c1，c2，c3為經驗常數，c1=1.44，c2=1.92，c3=1.44.

污染物擴散方程：

(7)

式中：x是區域顆粒物濃度，mg/kg；污染源因子Qx和沉降因子Sx為引起x濃度升降的區域污染源和顆粒物沉降.

模型網格單元的大小設置為1 m×1 m×1 m，最小的5個單元網格尺寸為1 m×1 m×0.2 m.

2 結果與討論

由于1.5 m人體呼吸高度的污染物濃度是影響城市居民空氣污染暴露水平的關鍵因素之一[21]，且該高度處交通污染影響最為嚴重[22]，故選此高度平面作為PM10濃度監測平面.

2.1 無植被工況街道峽谷風環境與污染物濃度分布

圖4為無植被工況距地1.5 m水平高度處建筑A和B監測點風速及污染物濃度對比圖.由圖4可見，來流風速在建筑A和B的人行道處沿監測點1—9方向均呈先下降后上升趨勢，在接近建筑A和建筑B處相差不大，且在區域Ⅱ內達到最小值.而街道峽谷內污染物濃度與風速呈負相關，污染物濃度隨風速減小逐漸增大，在區域Ⅱ達到最大值；同時在區域Ⅰ和區域Ⅲ內，建筑A側污染物濃度均高于建筑B側，但在區域Ⅱ內，建筑B側污染物濃度高于建筑A側.

圖4 無植被工況監測點風速及污染物濃度分布

圖5為無植被工況下監測點5處垂直截面風速圖.由圖5可見，街道峽谷內存在兩種不同的渦旋結構，街道峽谷中段(區域Ⅱ)的峽谷渦旋和街道峽谷首尾段(區域Ⅰ和Ⅲ)的街角渦流.在掠過建筑屋頂的空氣流的驅動下，街道峽谷中段形成一個逆時針旋轉的峽谷渦旋，該渦旋將建筑A側污染物粒子裹挾至建筑B側，使建筑B側污染物濃度高于建筑A側.因建筑末端街角渦流的影響，環境空氣水平進入街道峽谷并起到自然通風作用，對街道峽谷首尾段的污染物起到稀釋和去除作用.

圖5 無植被工況下監測點5處垂直截面風速

2.2 植被高度和排列數對污染物濃度分布的影響

圖6為當空氣以3 m/s的速度垂直進入街道峽谷時，幾種布局方案在1.5 m水平高度處的PM10濃度分布圖.由圖6可見，與無植被的街道峽谷內污染物濃度相比，灌木植被的存在加劇了街道峽谷內污染的程度.對比(b)，(c)與(d)，(e)可以看出，臨街兩排的灌木植被布局與中心一排的灌木布局相比，迎風側人行道污染物濃度低于背風側，但在建筑背風側卻呈現了更大范圍的污染物濃度分布，這會使行人在背風側人行道停留時間增加，加劇了污染物對人體的傷害程度.

(a)無植被；(b)h=1.5 m臨街兩排；(c)h=2.25 m臨街兩排；(d)h=1.5 m臨街一排；(e)h=2.25 m臨街一排

圖7為街道峽谷內9個監測點污染物濃度分布曲線.由圖7可見，灌木植被對街道峽谷內污染物濃度的影響主要在區域Ⅱ，且對建筑B側(背風側)的影響程度大于建筑A側(迎風側).灌木高度對建筑A側污染物濃度的影響可忽略不計，而臨街兩排和中心一排的灌木布局與無植被布局相比，污染物最高濃度分別增加了45.0%和49.5%.在建筑背風側，灌木高度為1.5 m、中心一排的布局對于街道峽谷污染物濃度增加貢獻率最低，為59.8%；灌木高度為2.25 m、臨街兩排的灌木布局對街道峽谷污染物濃度增加貢獻率最高，為78.4%；其余兩種布局的污染物濃度增加貢獻率約為65.8%.同時，當灌木臨街兩排和中心一排排列時，灌木高度每增加0.75 m，污染物濃度增加貢獻率分別上升7.5%和3.4%.分析主要原因歸于街道峽谷內風環境的弱化，過高的灌木高度和灌木密度嚴重削弱了街道峽谷內的空氣流動速度，影響了街道峽谷內的空氣流動效果[15-17]，使污染物無法及時稀釋和消除，從而加重了街道峽谷內的污染程度.

(a)建筑A側；(b)建筑B側

2.3 植被連續性對污染物濃度的影響

圖8為當空氣以3 m/s的速度垂直進入街道峽谷、灌木連續性不同時，1.5 m水平高度處的PM10濃度分布圖.由圖8可見，與無植被方案相比，灌木不連續排列的布局對建筑A側(迎風側)的污染物濃度影響更大，其污染物濃度增加貢獻率為46.2%，比灌木連續排列方案的增加率高3.02%.同樣在建筑B側(背風側)，當植被高度相同時，較低的灌木密度對街道峽谷污染物濃度增加的貢獻率較低，其在區域Ⅱ最大的污染物增加貢獻率為64.4%，與連續排列的植被布局相比，污染物濃度增加貢獻率低14%(見圖9).與灌木連續排列的植被布局相比，不連續排列的結構污染物濃度增加貢獻率低的原因主要是相鄰灌木之間的空地內存在局部渦流，這些局部渦流使建筑背風側污染物增加趨勢大幅降低，但其代價是建筑迎風側污染物濃度的小幅度增加.

3 結論

本文利用ENVI-met三維城市微氣候模擬軟件，針對城市主導風向，在建筑高寬比W/H=2工況條件下，分析了灌木高度、排列數及連續性對街道峽谷內污染物濃度分布的影響，結果表明：

(1)主導風向會使街道峽谷污染物在峽谷渦旋的作用下，由建筑迎風側裹挾至建筑背風側，加劇背風側的污染程度.

(2)在淺街道峽谷，污染物濃度會由于灌木的存在而增加.當灌木臨街兩排和中間一排排列時，灌木高度每增加0.75 m，淺街道峽谷內污染物增加貢獻率分別上升7.5%和3.4%.即灌木高度增加、污染程度加重.

(3)臨街兩排布局與中心一排布局相比，因植被密度增加，削弱了風速，污染程度加重.灌木高度和排列數的相互作用進一步加重了空氣污染程度，灌木越高、排數越多，污染程度越嚴重.灌木高度為2.25 m、臨街兩排的植被布局與其他植被布局相比，建筑背風側污染物濃度增加程度達到最大值，為78.4%.

(4)灌木不連續排列，會降低淺街道峽谷背風側污染物濃度，但會加劇迎風側污染程度.因此，當街道峽谷類型為淺街道峽谷時，配置灌木作為緩解空氣污染的方法并不適合.