不同错落度街道峡谷的污染物扩散模拟研究

肖正强 李明柱 赵麒 金洪文 马爽

1.吉林建筑大学；2.长春工程学院

1 研究背景

随着我国城市化进程的推进和机动车保有量的逐年增加，室外空气污染问题日益凸显。机动车保有量的增长导致城市环境在白天受尾气排放影响极大[1]，汽车尾气中含有CO、NOx、PM2.5、PM10等多种污染物，可以对人体造成诸多损伤，如一氧化碳可与人体中的血红蛋白结合导致人体缺氧[2]。近年来，雾霾现象在京津冀等地区频繁发生且规模较大[3]，城市化和工业化对室外环境的影响催生着相关研究的发展，1975年Nicholson[4]提出了“街道峡谷”概念，指街道两侧有密集高大建筑物的街道。随着人们对美好生活环境的不断追求，街道峡谷相关研究正受到越来越多的关注。本文将采用CFD模拟手段，对比不同错落程度下街道峡谷的污染物浓度场，研究街谷错落度对街道峡谷污染物扩散的影响以及街谷内不同位置的污染物浓度分布规律，并对部分典型区域进行定量分析。

2 模型建立

本文的模型建立如图1所示，其中街谷尺寸和计算域设置参考文献[5]，建筑为40m×20m×20m，污染源宽度为8m。本文中共采用2种街谷错落度：全错落（相邻两排建筑之间的东西向位置差为30m，即上游两建筑间的缝隙正对下游建筑）与半错落（相邻两排建筑之间的东西向位置差为全错落街谷的一半）。环境风入口的速度廓线和湍流参数参考文献[6]设置为非定值，计算域的顶面和侧面设置为Symmetry边界，污染物源设置参考文献[7]并依照街谷规模差异进行放大。

图1 街道峡谷模型（以全错落街谷为例）

环境条件的选择方面，以蒲福风级为参考，将陆地2级风和3级风作为常见风速，并取区间中位数为本次模拟的环境风速，方向为由北至南（即图1中由上至下）。

3 结果分析

本文中的浓度场表示方法参考文献[8]，用浓度比作为污染评价指标，本文中出现的污染物浓度比均为当前位置的污染物浓度值与当前剖面中污染物浓度最大处的浓度数值之比。

3.1 半错落街谷内部不同剖面位置的浓度场对比

对比图2（a）和2（c）可知，半错落几何条件下机动车污染物在街谷不同位置的扩散情况有很大不同。进行自然通风时，上风建筑中央位置的居民受污染物影响比街谷中央位置居民更明显，开窗通风时将面临0.25以上的污染物浓度比；而在街谷中央位置，该浓度比可覆盖的高度范围仅为前者的一半，中等高度以上的居民受机动车污染影响则相对较小。若对人行道的污染物浓度水平进行考察，则两剖面位置在下风侧人行道的污染物浓度比较为接近。而对于上风侧人行道，两剖面的污染物浓度比差异较大，上风建筑中央剖面远高于街谷中央剖面。

图2 不同剖面位置的街谷污染物浓度分布

3.2 全错落街谷内部不同剖面位置的浓度场对比

观察图2（b）和2（d）可知，上风建筑中央位置的居民受污染物影响比街谷中央位置居民更明显：在街谷中央剖面，建筑外立面附近的污染物浓度水平整体较低，仅顶部楼层和近地楼层的居民开窗通风时会受到一定的污染物影响。而在上风建筑中央剖面，建筑外立面附近的污染物浓度水平整体高于街谷中央剖面。在此二剖面，上风侧人行道的污染物浓度比均较高，建议上风建筑的底层商户在通勤时间尽量减少开窗时间。

3.3 街谷中央剖面浓度比随位置变化定量分析

在街谷中央剖面设置高为1.5m（人体呼吸面高度）的监测带，提取监测带上污染物浓度比随水平位置变化曲线如图3。

图3 街谷中央剖面浓度比随水平位置变化曲线

由图3可知，在大多数位置区间内全错落街谷的污染物浓度比明显高于半错落街谷。两种街谷在迎风侧的污染物浓度比均呈递增趋势，随后分别在约15m处和10m处达到峰值，最后全错落街谷在背风侧人行道处再次转为增函数，说明此处出现了污染物聚集。若考察机动车道位置的污染物浓度比，则半错落街谷的下风侧机动车道显著优于上风侧机动车道，而全错落街谷的双侧机动车道的污染物浓度比差异则相对较小。在街谷中央剖面的背风侧人行道处设置测点，提取该位置污染物浓度比随高度变化曲线如图4。

图4 街谷中央剖面浓度比随高度变化曲线

由图4可知，两种街谷在此处的污染物浓度比区间有明显差异，半错落街谷的浓度比最大值约为0.3，而全错落街谷的浓度比最大值则可达到半错落街谷的2倍。在近地区域和街谷顶部全错落街谷的污染物浓度比明显高于半错落街谷，而在中等高度区间情况则相反。对两种街谷的污染物浓度曲线进行拟合，R2均大于0.9，所得函数表达式如图3、图4。

4 结论

通过对全错落和半错落街谷在不同位置的浓度分布进行对比分析，可得到如下结论。

（1）半错落几何条件下，上风建筑中央位置的背风侧居民在开窗通风时都将面临0.25以上的污染物浓度比；而在街谷中央位置，该浓度比可覆盖的高度范围仅为前者的一半，中等高度以上的居民受机动车污染影响则相对较小。

（2）全错落几何条件下，上风建筑中央位置的居民受污染物影响比街谷中央位置居民更明显。

（3）比较机动车道的污染物浓度比，半错落街谷的下风侧机动车道显著优于上风侧机动车道；而对于全错落街谷，其双侧机动车道的污染物浓度比差异相对较小。