城市街谷分布格局對交通污染物擴散的影響研究

關鍵詞：城市街區；風場；污染物濃度；建筑物布局；計算流體力學

前言

2021年3月15日，北京市發布沙塵暴黃色預警，給人們以警醒，隨著全球城市化加劇，機動車數量與日俱增。在機動車給更多人帶來交通出行便利的同時，隨之增加的汽車尾氣排放也逐步超過工業廢氣排放，成為了城市大氣污染的主要源頭。交通排放導致了許多氣候和環境問題，為人們帶來了呼吸道和肺部疾病，甚至對社會造成了相當大的經濟損失，顯然，交通污染已經成為世界關注的主要問題之一，而城市空間形態對于城市風環境與污染物濃度分布起著重要的作用。隨著城市化的加劇，大氣中污染物與日俱增，城市街區污染問題越來越受到學者重視。

戰乃巖通過CFD對不同城市街區布局進行了污染物模擬，表明同一布局下不同街谷內污染物濃度存在差異，并提供一種最為合理的城市建筑規劃用來有效緩解大氣污染；KASTNER-KLEIN P測試了幾種街道幾何形狀對街道峽谷流動的重要性。關于城市建筑格局對風場影響的研究，國內外已經做了大量研究。此研究結合實際，模擬了在交通堵塞情況下，汽車尾氣排放對街道峽谷造成的污染，不同污染物遵循相同的物理擴散規律，所以文章采用一種污染物為代表描述街谷中污染物擴散，由于怠速情況下機動車尾氣中CO濃度所占比例較高，此研究污染源設置為CO。

1街道峽谷

1975年，Nicholson提出街道峽谷，即由城市道路以及道路兩側建筑物構成的城市布局，兩邊建筑物可以是連續的，也可以存在一定的缺口。當建筑物處于風場中，不免會改變原來流經此處來流風的正常走向。如果風速持續增加，便會出現局部區域強風、劇烈的升降氣流及形成氣流渦旋等復雜的大氣現象，形成獨特的局部微氣候環境。

2數學物理模型及前處理

2.1簡化的物理模型及計算域

此研究設計了四種對稱型城市街谷（其中包括H/W=0.5、H/W=1、H/W=2、H/W=3，街道寬度固定為10米）以及四種非對稱型街谷（其中包括兩種上升型街谷：H2/H1=2、H2/H1=3以及兩種下降型街谷：H1/H2 =2、H1/H2 =3）。

在設計的8種街道布局中，兩個建筑物平行放置于地面上。街道寬度固定為10米，建筑物長和寬都設為10米，兩個建筑物的高度根據街道布局予以調整，可取5米、10米、20米、30米。為準確表達街道峽谷的風場特征，表現出氣流充分發展的湍流特性，計算域的設立應將兩個建筑的前側、后側和外側向外延申15米，較高建筑物的上側向上延申15米。

2.2數學模型

在日常應用中，人們最為關心的是流動要素的時均值，湍流的脈動量往往可以忽略。描述流動要素時均值的方程法是目前流體力學領域中所采用的基本方法。

設法求解可使方程閉合從而描述流場運動特征。為求解，1974年Launder和Spalding提出了標準k-8模型。標準k-8模型是一個半經驗的二方程模型，把湍流粘度和湍動能k及湍動能耗散率8聯系在一起。分子黏度的影響可忽略不計。在分析較大尺度的模型時，選用該方法可減少計算壓力，模型如下：

2.3邊界條件

計算域人口處的邊界條件設置為風速人口（ve-locity inlet），風速隨高度逐漸增大，通過用戶自定義函數（UDF）對風廓線進行編譯，風速為U（z）=Uio（z/10），式中U10為距離地面10m高度處的風速，取3m/s；為地面粗糙系數，取0.16（房屋比較稀疏的鄉鎮和城市郊區采用該粗糙系數）。出口遠離街區，故將邊界條件設為自由出流（outflow）。計算域地面及建筑物壁面設為無滑移邊界條件（wall）。兩側邊界設置為對稱邊界（symmetry），即沒有對流通量和擴散通量。

2.4污染源設置

當汽車尾氣排出進人大氣以后，局部空氣質量主要受污染物擴散特征的影響。文章把汽車尾氣作為污染排放源，將其簡化為地面連續排放的面源擴散模型，面源面積為6米×10米（長×寬），模擬中只考慮與住宅區平行且垂直于上風向的路面汽車釋放的污染氣體，而其他污染源不納入研究范圍，考慮到CO性質穩定，用CO來代替所有的污染氣體，污染面源設置為質量人口，大小為5×10-5kg/s。

3分析與討論

此研究采用上述模型及研究方法，通過計算流體力學對街道建筑物布局所產生不同風場與污染物濃度場進行了數值模擬，通過繪制街谷中心區域X-Y剖面、呼吸面高度處X-Z剖面以及近墻面處風速隨高度的變化對街谷內風場進行研究討論。

3.1對稱型街道峽谷

當H：W =0.5時，街谷內產生向上的回流作用，靠近迎風面風速較高回流作用顯著，將污染物向背風面輸送。在背風面頂部產生順時針渦旋，渦旋中心風速較低，背風面附近污染物在此渦旋的作用下擴散速率降低，導致少量污染物在街谷頂部被風稀釋。迎風面污染物濃度變化幅度不大且始終處于較低水平，背風面污染物濃度較高且隨高度變化污染物濃度均勻降低。橫向來看，街谷內產生兩個渦旋，在兩個渦旋的作用下，街谷內氣體不易與外界發生交換，不利于污染物的稀釋。（見圖1）

當H：W=1時，街谷內回流作用向下傾斜且整體風速均勻，污染物向背風面輸送作用減弱。背風面污染物濃度整體較高，且迎風面與背風面污染物濃度在街谷底部附近降低較快。橫向來看，街谷內產生兩個渦旋，背風建筑物向后兩側產生兩個渦旋。（見圖2）

當H：W=2時，街谷內回流作用向下傾斜幅度增大，街谷內風速由迎風面頂部向背風面底部逐漸減弱，使污染物向背風面輸送作用繼續減弱。橫向來看，街谷內整體回流作用增強，影響范圍增大，街谷內迎風面一側產生兩個小渦旋，街谷內污染物一部分在回流作用下向上風向前后兩側稀釋，一部分在渦旋作用下與外界氣體交換進而被稀釋。

當H：W=3時，街谷內產生一大一小兩個渦旋，街谷內整體風場流動由迎風面頂部向背風面底部且風速逐漸減低，在背風面頂部產生影響范圍較小的順時針渦旋，在迎風面底部產生影響范圍較大的逆時針渦旋，該渦旋對污染物擴散起到主要影響作用。街谷內污染物無法被外界氣流稀釋且在逆時針渦旋的作用下，污染物向迎風面堆積。橫向來看，街谷內流場方向主要與來流方向一致，背風建筑物向后兩側產生兩個渦旋。街谷內污染物與外界潔凈氣流進行交換，并向下風向擴散稀釋。在此街谷高寬比下，污染物主要在街谷前后兩側下風向被稀釋。

3.2對稱型街道峽谷

當H1：H2 =1：2時，背風面頂部與背風建筑物頂部分別產生一大一小兩個渦旋，街谷內回流作用顯著，背風面附近污染物在此流場條件下與背風建筑物頂部潔凈空氣進行交換，導致少量污染物被稀釋。迎風面污染物濃度在底部略有堆積但始終處于較低水平，背風面污染物濃度較高且隨高度變化污染物濃度減少速率逐漸降低。（見圖3）

橫向來看，背風建筑物前后兩側產生兩個渦旋，街谷內產生兩個渦旋。在街谷內渦旋的作用下，街谷內氣體充分與外界發生交換，污染物得以稀釋。

當H1：H2 =1：3時，背風面頂部與背風建筑物頂部產生順時針渦旋，風場特征與H1：H2 =1：2時類似，污染物向背風面堆積且在背風建筑物頂部與潔凈空氣進行交換，導致少量污染物被稀釋，風速在街谷底部回流作用增強，加大了背風面污染物稀釋作用。橫向來看，背風建筑物前后兩側產生兩個渦旋，街谷內回流作用增強且方向向街谷外側，街谷內氣體與外界交換更為充分，污染物在此流場條件下得以稀釋。在此街谷高寬比下，污染物街谷前后兩側稀釋作用進一步加強，背風建筑物頂部少量污染物被稀釋。（見圖4）

當H1：H2=2：1時，街谷上方形成影響范圍較大的順時針主渦旋，下方形成逆時針次生渦旋，兩個渦旋附近風速較低不利于污染物的擴散。橫向來看，背風建筑物前后兩側產生兩個渦旋，街谷流場方向與來流風方向一致，街谷內氣體與外界交換充分，污染物街谷前后兩側被稀釋。在此街谷高寬比下，污染物的稀釋主要在街谷前后兩側（見圖5）。

當H1：H2 =3：1時，順時針主渦旋與逆時針次生渦旋之間形成過渡區，在此流場條件下，污染物進一步向迎風面堆積但迎風面稀釋效率顯著增強，污染物在建筑物上方仍難以得到稀釋。橫向來看，街谷流場特征與H1：H2 =2：1時類似，街谷內氣體與外界交換充分，污染物街谷前后兩側被稀釋。在此街谷高寬比下，污染物的稀釋主要在街谷前后兩側。（見圖6）

4結論

建筑物分布格局對污染物的空間分布有著顯著影響，此研究基于CFD方法，探究了不同高寬比下街谷內風場和污染物濃度場的特征，針對于對稱型街谷，隨著高寬比的增加，整體風向逆時針旋轉，即由傾斜向上的回流到角度逐漸增大的傾斜向下回流，并且在此流場條件下，當高寬比為3時出現次生渦旋。針對于非對稱型街谷中的“上升型”街谷，整體流場表現為上半部分的來流風以及下半部分的順時針渦旋，隨著迎風建筑物高度的增加，回流作用增強，整體流場特征變化不大，回流作用的增強導致污染物稀釋效率的增強。