城市街谷分布格局对交通污染物扩散的影响研究

关键词：城市街区；风场；污染物浓度；建筑物布局；计算流体力学

前言

2021年3月15日，北京市发布沙尘暴黄色预警，给人们以警醒，随着全球城市化加剧，机动车数量与日俱增。在机动车给更多人带来交通出行便利的同时，随之增加的汽车尾气排放也逐步超过工业废气排放，成为了城市大气污染的主要源头。交通排放导致了许多气候和环境问题，为人们带来了呼吸道和肺部疾病，甚至对社会造成了相当大的经济损失，显然，交通污染已经成为世界关注的主要问题之一，而城市空间形态对于城市风环境与污染物浓度分布起着重要的作用。随着城市化的加剧，大气中污染物与日俱增，城市街区污染问题越来越受到学者重视。

战乃岩通过CFD对不同城市街区布局进行了污染物模拟，表明同一布局下不同街谷内污染物浓度存在差异，并提供一种最为合理的城市建筑规划用来有效缓解大气污染；KASTNER-KLEIN P测试了几种街道几何形状对街道峡谷流动的重要性。关于城市建筑格局对风场影响的研究，国内外已经做了大量研究。此研究结合实际，模拟了在交通堵塞情况下，汽车尾气排放对街道峡谷造成的污染，不同污染物遵循相同的物理扩散规律，所以文章采用一种污染物为代表描述街谷中污染物扩散，由于怠速情况下机动车尾气中CO浓度所占比例较高，此研究污染源设置为CO。

1街道峡谷

1975年，Nicholson提出街道峡谷，即由城市道路以及道路两侧建筑物构成的城市布局，两边建筑物可以是连续的，也可以存在一定的缺口。当建筑物处于风场中，不免会改变原来流经此处来流风的正常走向。如果风速持续增加，便会出现局部区域强风、剧烈的升降气流及形成气流涡旋等复杂的大气现象，形成独特的局部微气候环境。

2数学物理模型及前处理

2.1简化的物理模型及计算域

此研究设计了四种对称型城市街谷（其中包括H/W=0.5、H/W=1、H/W=2、H/W=3，街道宽度固定为10米）以及四种非对称型街谷（其中包括两种上升型街谷：H2/H1=2、H2/H1=3以及两种下降型街谷：H1/H2 =2、H1/H2 =3）。

在设计的8种街道布局中，两个建筑物平行放置于地面上。街道宽度固定为10米，建筑物长和宽都设为10米，两个建筑物的高度根据街道布局予以调整，可取5米、10米、20米、30米。为准确表达街道峡谷的风场特征，表现出气流充分发展的湍流特性，计算域的设立应将两个建筑的前侧、后侧和外侧向外延申15米，较高建筑物的上侧向上延申15米。

2.2数学模型

在日常应用中，人们最为关心的是流动要素的时均值，湍流的脉动量往往可以忽略。描述流动要素时均值的方程法是目前流体力学领域中所采用的基本方法。

设法求解可使方程闭合从而描述流场运动特征。为求解，1974年Launder和Spalding提出了标准k-8模型。标准k-8模型是一个半经验的二方程模型，把湍流粘度和湍动能k及湍动能耗散率8联系在一起。分子黏度的影响可忽略不计。在分析较大尺度的模型时，选用该方法可减少计算压力，模型如下：

2.3边界条件

计算域人口处的边界条件设置为风速人口（ve-locity inlet），风速随高度逐渐增大，通过用户自定义函数（UDF）对风廓线进行编译，风速为U（z）=Uio（z/10），式中U10为距离地面10m高度处的风速，取3m/s；为地面粗糙系数，取0.16（房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区采用该粗糙系数）。出口远离街区，故将边界条件设为自由出流（outflow）。计算域地面及建筑物壁面设为无滑移边界条件（wall）。两侧边界设置为对称边界（symmetry），即没有对流通量和扩散通量。

2.4污染源设置

当汽车尾气排出进人大气以后，局部空气质量主要受污染物扩散特征的影响。文章把汽车尾气作为污染排放源，将其简化为地面连续排放的面源扩散模型，面源面积为6米×10米（长×宽），模拟中只考虑与住宅区平行且垂直于上风向的路面汽车释放的污染气体，而其他污染源不纳入研究范围，考虑到CO性质稳定，用CO来代替所有的污染气体，污染面源设置为质量人口，大小为5×10-5kg/s。

3分析与讨论

此研究采用上述模型及研究方法，通过计算流体力学对街道建筑物布局所产生不同风场与污染物浓度场进行了数值模拟，通过绘制街谷中心区域X-Y剖面、呼吸面高度处X-Z剖面以及近墙面处风速随高度的变化对街谷内风场进行研究讨论。

3.1对称型街道峡谷

当H：W =0.5时，街谷内产生向上的回流作用，靠近迎风面风速较高回流作用显著，将污染物向背风面输送。在背风面顶部产生顺时针涡旋，涡旋中心风速较低，背风面附近污染物在此涡旋的作用下扩散速率降低，导致少量污染物在街谷顶部被风稀释。迎风面污染物浓度变化幅度不大且始终处于较低水平，背风面污染物浓度较高且随高度变化污染物浓度均匀降低。横向来看，街谷内产生两个涡旋，在两个涡旋的作用下，街谷内气体不易与外界发生交换，不利于污染物的稀释。（见图1）

当H：W=1时，街谷内回流作用向下倾斜且整体风速均匀，污染物向背风面输送作用减弱。背风面污染物浓度整体较高，且迎风面与背风面污染物浓度在街谷底部附近降低较快。横向来看，街谷内产生两个涡旋，背风建筑物向后两侧产生两个涡旋。（见图2）

当H：W=2时，街谷内回流作用向下倾斜幅度增大，街谷内风速由迎风面顶部向背风面底部逐渐减弱，使污染物向背风面输送作用继续减弱。横向来看，街谷内整体回流作用增强，影响范围增大，街谷内迎风面一侧产生两个小涡旋，街谷内污染物一部分在回流作用下向上风向前后两侧稀释，一部分在涡旋作用下与外界气体交换进而被稀释。

当H：W=3时，街谷内产生一大一小两个涡旋，街谷内整体风场流动由迎风面顶部向背风面底部且风速逐渐减低，在背风面顶部产生影响范围较小的顺时针涡旋，在迎风面底部产生影响范围较大的逆时针涡旋，该涡旋对污染物扩散起到主要影响作用。街谷内污染物无法被外界气流稀释且在逆时针涡旋的作用下，污染物向迎风面堆积。横向来看，街谷内流场方向主要与来流方向一致，背风建筑物向后两侧产生两个涡旋。街谷内污染物与外界洁净气流进行交换，并向下风向扩散稀释。在此街谷高宽比下，污染物主要在街谷前后两侧下风向被稀释。

3.2对称型街道峡谷

当H1：H2 =1：2时，背风面顶部与背风建筑物顶部分别产生一大一小两个涡旋，街谷内回流作用显著，背风面附近污染物在此流场条件下与背风建筑物顶部洁净空气进行交换，导致少量污染物被稀释。迎风面污染物浓度在底部略有堆积但始终处于较低水平，背风面污染物浓度较高且随高度变化污染物浓度减少速率逐渐降低。（见图3）

横向来看，背风建筑物前后两侧产生两个涡旋，街谷内产生两个涡旋。在街谷内涡旋的作用下，街谷内气体充分与外界发生交换，污染物得以稀释。

当H1：H2 =1：3时，背风面顶部与背风建筑物顶部产生顺时针涡旋，风场特征与H1：H2 =1：2时类似，污染物向背风面堆积且在背风建筑物顶部与洁净空气进行交换，导致少量污染物被稀释，风速在街谷底部回流作用增强，加大了背风面污染物稀释作用。横向来看，背风建筑物前后两侧产生两个涡旋，街谷内回流作用增强且方向向街谷外侧，街谷内气体与外界交换更为充分，污染物在此流场条件下得以稀释。在此街谷高宽比下，污染物街谷前后两侧稀释作用进一步加强，背风建筑物顶部少量污染物被稀释。（见图4）

当H1：H2=2：1时，街谷上方形成影响范围较大的顺时针主涡旋，下方形成逆时针次生涡旋，两个涡旋附近风速较低不利于污染物的扩散。横向来看，背风建筑物前后两侧产生两个涡旋，街谷流场方向与来流风方向一致，街谷内气体与外界交换充分，污染物街谷前后两侧被稀释。在此街谷高宽比下，污染物的稀释主要在街谷前后两侧（见图5）。

当H1：H2 =3：1时，顺时针主涡旋与逆时针次生涡旋之间形成过渡区，在此流场条件下，污染物进一步向迎风面堆积但迎风面稀释效率显著增强，污染物在建筑物上方仍难以得到稀释。横向来看，街谷流场特征与H1：H2 =2：1时类似，街谷内气体与外界交换充分，污染物街谷前后两侧被稀释。在此街谷高宽比下，污染物的稀释主要在街谷前后两侧。（见图6）

4结论

建筑物分布格局对污染物的空间分布有着显著影响，此研究基于CFD方法，探究了不同高宽比下街谷内风场和污染物浓度场的特征，针对于对称型街谷，随着高宽比的增加，整体风向逆时针旋转，即由倾斜向上的回流到角度逐渐增大的倾斜向下回流，并且在此流场条件下，当高宽比为3时出现次生涡旋。针对于非对称型街谷中的“上升型”街谷，整体流场表现为上半部分的来流风以及下半部分的顺时针涡旋，随着迎风建筑物高度的增加，回流作用增强，整体流场特征变化不大，回流作用的增强导致污染物稀释效率的增强。