长春市不同风向结构对街道峡谷污染物扩散的影响*

李晓莉，战乃岩，吴思洁，苗 盼，毛开宗，刘 文

1 吉林建筑大学 市政环境与工程学院,长春 130118 2 吉林建筑大学 应急科学与工程学院,长春 130118

0 引言

2013年以来,我国多个城市雾霾频发,严重影响了人们正常生活和身体健康[1-2].长春市属于严寒地区,冬季雾霾尤为严重,对人们的健康影响很大.Yanan HU等[3]人对蚌埠市2015年至2019年空气中细颗粒物PM2.5污染特征及时间分布进行了研究,研究表明,PM2.5冬春季污染相对重,夏秋季相对轻,降水、相对湿度、风向和风速对蚌埠市PM2.5浓度有一定影响.Yesul Kim等[4]人利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT,对道路上产生的车辆诱导湍流(VIT)建模,重点研究了车-车相互作用、交通密度和车辆组成对湍流动能(TKE)的影响.Tsai等[5]人对城市街道峡谷排放的汽车尾气污染物进行了数据采集,结果表明,汽车尾气污染物浓度会随街道峡谷上的汽车数量的改变而变化,升高垂直高度会降低污染物浓度,且迎风侧的污染物浓度低于背风侧.由于受街道布局和大气边界层的影晌,污染物主要集中在街区峡谷内(特别是近地面附近)且难以扩散,易造成局部高浓度污染[6].污染物易在建筑物尾流区等流动不畅的区域产生聚集,造成污染浓度偏高[7].在进行城市建筑规划时,规划人员要高度关注雾霾影响,采取合理措施对雾霾进行有效控制,以减少雾霾对城市建设造成的影响[8].

综上可知,现有研究大多局限于街道峡谷二维模型及孤立状态下街道峡谷三维模型,而不同风向结构对街道峡谷污染物扩散影响的研究报导较少.因此,本文拟以长春市某街道峡谷为对象，利用ENVI-met模拟软件,研究不同风向结构对街道峡谷污染物扩散影响规律,以期为从城市规划布局上有效减排街道峡谷污染物提供参考.

1 物理模型和数学模型

1.1 物理模型

ENVI-met是由德国美因茨大学地理系Michael Bruse教授团队开发的,该软件是目前全球应用最为广泛的城市微气候模拟研究工具[9],但较少采用该软件模拟街道峡谷污染物的扩散.本文采用ENVI-met 软件模拟长春市某典型街道下的不同风向结构对街区污染物扩散影响.

1.1.1 街谷模型

选取长春市某典型街道峡谷,应用ENVI-met软件对其进行3D建模,在保持建筑物最基本外貌的情况下,对模型进行简化,模型的覆盖范围为380 m×300 m,垂直高度为50 m和30 m两种建筑,街区包括2条街道(街道A,B),路宽均为20 m,街道形成“十”字型路口.网格单元的大小设置dx=5 m,dy=4 m及dz=2 m.建筑物关于街道中心线对称,且将建筑物屋顶假设为平面,建立X,Y,Z坐标系，其中X代表长度(横)坐标、Y代表宽度(纵)坐标、Z代表高度坐标,如图1所示.因此,可忽略屋顶形状对街谷污染物浓度的影响[10-11].

图1 街道峡谷模型Fig.1 Street canyon model

1.1.2 污染源设置

雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物(PM2.5:空气动力学当量直径≤2.5 μm的污染物颗粒)组成,PM2.5才是加重雾霾天气污染的首要原因.汽车尾气污染物主要包括:一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒等.对于街区污染物的来源包括雾霾的沉降以及汽车尾气的排放,将PM2.5作为污染线源,位于街谷正中,其宽度为20 m,高为0.4 m,模型中所有建筑高度都设置为多层建筑,将来流风设置为三个角度进行分析,分别为135°,180°和225°.街区二维和三维示意图如图2所示(以180°为例).

图2 180°风向下街道峡谷二维和三维模型Fig.2 Two-dimensional and three-dimensional models of street canyonat 180°wind direction

1.2 数学模型

利用ENVI-met软件数值模拟对污染物扩散进行研究,污染物的扩散涉及流体的流动,需采用连续性方程[12-13].设计的物理模型包括Navier-stokes方程、E-ε方程、连续性方程及污染物扩散模型.即Navier-stokes方程为：

(1)

(2)

(3)

式中,p′为局部压强扰动;Km为局部交换系数；f=2Ωsinφ,Ω=7×10-5s-1；Su,Sv,Sw为模拟半透性障碍物风阻的局部源/汇项.

E-ε方程为：

(4)

(5)

式中,c1,c2,c3是经验常数，c1=1.44,c2=1.92,c3=1.44,在本次模拟中采用默认值;Pτ和Th为风切变和热分层引起的湍流能量的产生和耗散.

1.3 参数设置

利用ENVI-met软件进行数值模拟,需对多样参数进行设置,见表1.

表1 模型参数Table 1 Model parameters

(1) 距地10 m处的风向和风速.

(2) 粗糙度:设置为0.1,为城市街道峡谷模拟的典型数值[14].

由表1可知,风向分别取135°,180°,225°,这3种不同风向可充分展示风向与建筑物相交的空间关系,有效减少数值模拟的计算工作量.

2 结果与讨论

2.1 街谷风环境

为分析长春市不同风向对街道峡谷污染物扩散的影响程度,需分析讨论不同风向下街道峡谷内及建筑物间产生的不同速度场.图3、图4和图5为2 m/s来风分别以135°,180°和225°方向垂直和斜交流入街谷时距地5 m和10 m处的速度流线,显示了空气流入街谷的流动状态.

(1) 距地5 m处 (2) 距地10 m处图3 135°方向来风以2 m/s流入街谷时距地5 m和10 m处的速度流线Fig.3 Streamlines at 5 m and 10 m above the ground when wind from 135° direction flows into street canyon at 2 m/s

(1) 距地5 m处 (2) 距地10 m处图4 180°方向来风以2 m/s流入街谷时距地5 m和10 m处的速度流线Fig.4 Streamlines at 5 m and 10 m above the ground when wind from 180° direction flows into street canyon at 2 m/s

(1) 距地5 m处 (2) 距地10 m处图5 225°方向来风以2 m/s流入街谷时距地5 m和10 m处的速度流线Fig.5 Streamlines at 5 m and 10 m above the ground when wind from 225° direction flows into street canyon at 2 m/s

图3所示,当135°方向来风以2 m/s流入街谷时,距地5 m 和10 m处的流线非常相似.来风气流受到建筑物的阻挡,在远离建筑物外风速显著增大,进入街谷的风速逐渐降低,由图3可知，街道A的风速明显比街道B的风速大,气流在街道A中形成多个明显的绕流作用,对污染物的扩散有利.在建筑物的背风区风速明显降低,相邻建筑物的迎风面是污染物的聚集区,流速最低仅为0.55 m/s,不利于污染物的扩散.

图4为180°方向来风以2 m/s流入街谷时距地5 m 和10 m处的速度流线.距地10 m处东、西向建筑群外侧形成大范围静风区,可明显地看出距地10 m处的气流速度比距地5 m处的气流速度大,且流速最大达3.04 m/s,平均流速为2.37 m/s,有利于污染物的扩散.来流风进入街道A中在距地5 m、距地10 m处的气流速度相似,形成多个旋涡,街道A流速有利于污染物的扩散,对居民危害极低.在十字路口处可明显看出两者的不同,距地10 m处流速大于距地5 m处.在街道B及建筑群距地5 m、距地10 m处的气流速度极其相似,流速缓慢,污染物大面积聚集,导致污染物在建筑群内形成高度聚集区域,且流速最低仅为0.35 m/s,不利于污染物的扩散,对人体伤害巨大.

图5为225°方向来风以2 m/s流入街谷时距地5 m和10m处的速度流线.这两处的气流速度有些相似的流线,但与图3一样,距地10 m处的流速明显地比距5 m处的流速大.在建筑群外流速没有前两种情况的流速大,进入建筑群,街道A流速依然比街道B的流速大,与图3相比,其在背风面侧形成的旋涡明显比图3的多,尤其在空气刚进入街谷中时,在第一排建筑物上方明显地聚集了污染物,且流速降低,流速最低为0.38 m/s.随着气流的逐渐流动,不同大小流速呈线状连续分布,相比图4来说还是有利于污染物的扩散.

2.2 街谷内污染物浓度分布

由于人体的呼吸高度通常为1.5 m左右,因此在此处城市居民受污染物浓度的影响最大.下面对比分析135°,180°和225°风向下距地1.55 m处污染物扩散及分布情况.

图6为来风以2 m/s的风速分别从135°,180°和225°方向倾斜和垂直流入街谷时距地1.55 m处PM2.5浓度分布.

(a) 135°风向 (b) 180°风向 (c) 225°风向图6 来风以2 m/s流入街谷时距地1.55 m处污染物浓度分布Fig.6 Pollutant concentration distribution at 1.55 m from the ground when the incoming wind flows into the street canyon at 2 m/s

由图6可以看出,随着来风方向的改变,污染物在街谷内浓度分布变化较大.在135°风向下,街道B及街道A 的上半部分污染物浓度较高,形成了3个高浓度区域.在街道A的下半部分污染物浓度较低,污染物沿着街道A的下半部分逐渐扩散,直至流出街道峡谷.街道A左侧的建筑群也受到了污染物的扩散影响,且在左侧上游的建筑群堆积了大量的污染物,对城市居民身体危害较大.在180°风向下,污染物在街道A上游大面积的堆积,在街道的十字路口处污染物浓度依然很大.相比之下,街道B污染物浓度相对偏低,在上游建筑群内也堆积了污染物,但浓度相对较低,对居民身体健康影响较小.在225°风向下,街道A比前两种风向下污染物浓度聚集得少,街道B污染物与135°方向下街道B污染物的堆积情形相似,污染物在上游右侧紧邻街道的建筑群扩散直至流出建筑群外,但紧邻街道建筑物的居民受空气污染影响严重.

污染物在距地1.55 m处高度聚集的原因是开敞的空间较少,建筑群比较紧凑,此处会接触到污染源,从而使来流风无法很好地稀释掉污染物,导致污染物聚集严重.

2.3 不同风向下街谷风速分布比例与污染物浓度分布比例对比分析

为分析不同风向街谷气流速度与PM2.5污染物浓度的分布情况,将对街谷内典型处位置进行对比分析,主要分析距地1.55m处即人体呼吸高度处的分布情况进行对比分析.图7、图8分别为3种不同风向下的速度分布直方图与3个不同风向下的PM2.5污染物浓度分布直方图.

(a) 135°风向 (b) 180°风向 (c) 225°风向图7 距地1.55 m处速度分布直方图Fig.7 Histogram of velocity distribution at 1.55 m above ground

(a) 135°风向 (b) 180°风向 (c) 225°风向图8 距地1.55 m处PM2.5污染物浓度分布直方图Fig.8 Distribution histogram of PM2.5 pollutant concentration at 1.55 m above ground

同样，图7(c)中气流亦呈现非常明显的先升后降的趋势,但在1.5 m/s处达到峰值为8.7 %，在其左右两端低风速所占比例较少,亦对行人危害较低；与图7(a)比较,图7(a)在峰值左右占比大于图7(c),可说明135°风向比225°风向更有利,对街道行人更加安全,受污染物危害较少.

由图7可知,在3种不同风向下,135°方向和225°方向的速度分布较集中,180°方向速度分布相对分散.

图7(a)中气流呈现明显的先升后降的趋势,在1.5 m/s～2.5 m/s处达到峰值,最高达到6.2%,在1.5 m/s～2.5 m/s间可有效稀释污染物,对行人危害较低.

图7(b)中气流呈现连续起伏状态,在2.5 m/s左右占比最高,达6.8 %,与图7(a)、图7(c)相比,其占比趋于中间,对污染物既有一定的稀释作用,但稀释力度又没有其他两种风向大.

由图8可知,3种不同风向中,135°风向和225°风向在0.01 μg/m3～0.02 μg/m3污染物浓度分布较相似,而180°风向污染物浓度比另两种风向高0.5 μg/m3.

3 结论

本文利用ENVI-met数值模拟软件,分析了长春市不同风向(135°,180°和225°)下街道峡谷内污染物浓度扩散状况,并得出以下结论:

(1) 距地5 m和10 m处:135°和225°方向来风的气流结构相似,其中135°方向来风时污染物浓度偏低,对行人伤害较小;180°方向来风与135°及225°方向来风的差异较大,180°方向来风流入街道A后会形成多个旋涡,此时街道A风速有利于污染物的扩散,对行人危害极低.上述来风流入街道B及建筑群后流动缓慢风速较小,污染物大面积聚集,导致污染物在建筑群内形成高聚集区域,不利于污染物的扩散,对人体伤害巨大.总体趋势为来风远离建筑物外风速大,流入街谷后风速逐渐降低,背风区风速明显小于迎风区风速,污染物高聚集,不利于污染物扩散,对城市居民身体危害较大.

(2) 距地面1.55 m处: 街道A污染物浓度分布规律为180°风向>135°风向>225°风向;街道B污染物浓度分布规律为135°风向>225°风向>180°风向.污染物在此处高度聚集的原因是开敞的空间较少,建筑物比较紧凑,此处会接触到污染源,从而使来流风无法很好地稀释掉污染物,导致污染物聚集严重.

(3) 同一街谷布局下不同风向时污染物浓度变化多样,其受风速大小与旋涡结构共同作用影响.