基于CFD技术的邻避设施空间影响分析方法初探——以成都高攀路垃圾压缩站为例

白 潇

(四川省建筑设计研究院建筑规划二所, 四川成都 610041)



基于CFD技术的邻避设施空间影响分析方法初探
——以成都高攀路垃圾压缩站为例

白 潇

(四川省建筑设计研究院建筑规划二所, 四川成都 610041)

随着我国城市化由增量扩张向存量优化的转变，提高居民生活质量成为了核心关节，不可避免地需要补充完善邻避设施，但随着人们环境意识的逐步增强，城市中邻避设施落地面临较大的困难，其中难以直观界定邻避设施的影响范围是一个重要原因。文章总结国内外邻避设施空间方面的研究进展，探索利用CFD模拟手段，分析垃圾转运站的影响范围和特点，提出规划选址建议和未来展望。

邻避设施； 垃圾压缩站； CFD； 空间影响

近年来，全国频繁发生因邻避设施落地而引起的居民维权事件，如广州番禺垃圾焚烧厂、上海闵行高压线、望京220 kV变电站等，造成“城市必需，居民排斥”的尴尬境况，邻避设施规划布局引发社会各界广泛关注和思考。城市规划是制定城市功能布局，配置城市公共资源，协调多方利益主体的重要政策平台，如何合理布局邻避设施成为城市规划中的新课题。

国内关于邻避设施空间布局方面的研究，主要集中于利用地理信息系统(GIS)、运筹学、支持多目标的决策要素交互分析等技术方法，为邻避设施的规划选址提供依据[1]。但上述方法均从二维空间研究邻避设施布局，划定一定距离的空间范围作为缓冲区，以此作为依据确定邻避设施选址，没有提供完善的邻避设施的空间影响分析。而在城市建成环境中，邻避设施所产生的气体污染物影响范围随着风的运行而多变，常规的城市规划分析方法对于污染物扩散范围很难描述与分析。

国外使用CFD模拟评价城市风热环境已有一定的研究成果，主要集中于模拟城市通风、城市污染物扩散以及它们与城市形态之间的影响，经历了从单体建筑到城市整体环境的演变过程[2]。国内近年来利用CFD软件量化研究城市生态环境还处于刚刚起步阶段，集中于风环境模拟。而本文致力将CFD模拟技术应用于邻避设施空间影响分析，进行气体污染物扩散三维模拟和显示，较为直观、准确的分析识别污染物的扩散范围、浓度分布，能为相关设施的选址和周边的规划评价分析提供图像化、数量化的参考，作为邻避设施空间影响研究的新方法探索。

1 邻避设施研究概况

1.1 邻避设施概念

1977 年，O’Hare 首次提出了邻避设施的概念[3]。在国际上被称为 NIMBY，即“Not In My Back Yard”首字母缩写，意为“不要布局在我家的后院”。邻避设施是指具有负外部性效应的公共设施，这些设施产生的效用为广大地区的公众所共享，而其带来的诸如大气污染、噪声污染、电磁污染、视觉景观污染之类的负外部性效应却由设施所在地的居民承受[4]。垃圾焚烧厂、垃圾转运压缩站、大型变电站、污水处理厂、殡葬设施等都是常见的邻避设施。

1.2 邻避设施分类

按照不同的分类标准，国内外对邻避设施的分类主要从功能、对环境的污染程度和周围居民的好恶程度来分类。有学者根据设施的外部性特征，将其分为污染性设施、空间摩擦设施、不宁适设施、嫌恶性设施、风险集中设施、邻避型公共设施等七大类[5]。

本文主要讨论存在外部污染性设施，且主要污染物为气体。

2 研究对象与方法

2.1 分析对象

本文选取成都市高攀路垃圾转运站，进行气体污染物扩散模拟。模拟污染物在主导风向下的扩散情况。分析研究区域为转运站所处完整街坊，场地长宽高尺寸为384 m×408 m×90 m。

2.2 研究方法

采用以CFD技术为基础的流体数学模型仿真方法。流体数学模型是对流体物理模型的数学描写，其控制方程为粘性定常不可压方程(1)即为目前CFD中最为常用的控制方程，Navier-Stokes方程(2)[6]，本文选取的计算模型为k-ε湍流模型。

(1)

(2)

2.3 主要污染物和分析标准

垃圾压缩站的主要气体污染物为氨气、硫化氢等恶臭气体。本文以氨气为主要模拟污染物，污染源设定为压缩站箱，内部氨气初始浓度为5 %，主导风向为北北东，风速为3 m/s。

同时，根据相应的国家规范，划定污染物浓度限值。但基于CFD技术的模拟软件只能识别“污染物在空气中的比例”作为浓度值，故将标准值单位mg/m3换算为ppm。因此，本文选取氨气在空气中0.01 %、0.02 %、0.03 % 3个浓度比例作为衡量标准。

3 模拟结果分析

3.1 立体空间扩散趋势

通过对0.01 %、0.02 %、0.03 % 3个浓度比例的数值仿真模拟，其立体空间的扩散范围分别如图1～图3所示。通过对比上述3个扩散范围，可见在主导风环境下，氨气影响范围主要是垃圾站上方空域，两侧受到建筑的阻挡影响范围并不大，0.01 %浓度的扩散范围明显较广。

图1 氨气0.01%浓度扩散范围

图2 氨气0.02%浓度扩散范围

图3 氨气0.03%浓度扩散范围

3.2 垂直高度扩散趋势

从侧视图(图4～图6)上看，可看到污染物向高空扩散的大致趋势，浓度值越小扩散高度越大，传播距离越远。0.01 %浓度扩散高度最高，最高点高度约为25 m，距离污染源105 m；0.02 %浓度略低，最高点高度约为18 m，距离污染源75 m；0.03 %浓度扩散高度最小，最高点高度约为15 m，距离污染源60 m。

图4 氨气0.01%浓度扩散范围侧视图

图5 氨气0.02%浓度扩散范围侧视图

图6 氨气0.03%浓度扩散范围侧视图

3.3 面域扩散趋势

从俯视图(图7～图9)上看，污染物由于建筑的阻挡，在水平方向上扩散并不广，0.01 %浓度扩散宽度最大，约为50 m；0.02 %浓度扩散宽度次之，约为41 m；0.03 %浓度扩散宽度最小，约为30 m。

图7 氨气0.01%浓度扩散范围俯视图

图8 氨气0.02%浓度扩散范围俯视图

图9 氨气0.03%浓度扩散范围俯视图

同时，从面域维度的图像上看，处于压缩站下风向风场廊道两侧的建筑有效地阻挡了污染物水平东西向的扩散，减小了东西向被影响的区域。反之，两侧的建筑则是受污染物影响最明显的区域(现状两侧受影响建筑使用功能多为汽修和仓储)。因此，在存量规划背景下，未来该区域进行旧城有机更新时，应当着重考虑压缩站对涉及地块使用功能的影响，避免居住、教育、养老、医疗卫生等功能落地在受影响显著的区域。

3.4 分析结论

通过对成都市高攀路垃圾压缩站的试验性模拟，基于CFD技术的数值模拟能够较直观、准确的仿真气体污染物的扩散变化情况，同时，在单一风况下对氨气的模拟，可以得出以下了简要结论：

(1)气体污染物对下风向扩散范围远大于对污染源两侧、上方的扩散范围。

(2)扩散范围并不随着污染物浓度等比例变化。

(3)垃圾转运站释放的氨气对8层(24 m)以上的楼层影响相对较小。

(4)处于垃圾压缩站下风向风场廊道两侧的建筑是受影响最显著的区域，此类地块的使用功能应从人本角度出发，避免落地居住、教育、养老、医疗卫生等设施。

3.5 分析建议

基于CFD技术的仿真模拟支持，笔者认为下阶段规划部门可以通过和环保、能源等主管部门、研究机构开展合作，进行以下的规划应用。

3.5.1 精细量化城市邻避设施的建设影响控制线

在增量规划向存量规划转变的今天，推进旧城区、棚户区的有机更新，以改善居民生活质量为关注焦点，是新型城镇化的重要抓手。在这一“优城惠民”的重大工程中，势必需要对市政基础设施的新增需求或原有缺口进行补充完善。

(1)针对垃圾转运站此类处理对象涉及大量气态污染物的邻避设施落地时，可以由环保部门制定气体污染影响标准，规划部门根据标准利用CFD数值模拟技术将影响空间的范围可视化、数量化，精细化的划定邻避设施建设影响控制线，并结合上位战略规划、产业规划和城市设计，科学合理的确定影响区域的用地功能和使用设施。

(2)在规划越发面向公众参与的今天，可视化、数量化的科学展示，能直观的向公众传递此类邻避设施落地的合理性，避免过去“经论证无影响”这种较为苍白的解释，消除公众疑虑，更好地推进城市建设和改善居民生活质量。

(3)设施落地后，环保研究机构还可以利用专业仪器定期经行实测，将数据反馈规划部门，规划部门根据实测数据对数值模拟进行校核优化，调整管控标准，使整套规划技术更趋于准确，同时向公众传递规划的严谨性。

3.5.2 精细量化城市周边重大危险设施的禁止建设线

我国正处于工业化中期阶段，工业化与城镇化的良性互动，是城市、产业健康发展的持续动力。

因此，针对化学、炼化类工业项目和化学危险品仓储的禁止建设线划定是保障城市安全发展的重要因素。规划部门可以利用CFD的数值仿真模拟，结合能源化学研究机构的专业技术指导，针对危化品泄露等极端情况，确定此类项目和设施的安全建设范围，划定精细化的禁止建设线。

4 结束语

本文以典型的城市邻避设施为研究对象，对其产生的气体污染物在城市风场中的扩散范围模拟进行了详细阐述，为CFD技术在城市邻避设施空间影响范围与布局选址中的应用提供了有益参考。本研究还只是CFD与邻避设施相结合的初步尝试，在计算参数、实证研究等方面还有待于进一步完善推敲，旨在让跨学科、多专业的理论更好地服务于城市规划设计和研究，从而扬长避短，得到更加合理与有益的设计实践，提升城市规划的科学性。同时，笔者相信随着大数据集成，智慧城市物联网构建，规划部门城市数字空间技术平台的搭建，随着CFD数值模拟技术的不断完善，在城市规划领域，尤其邻避设施这种较难空间可视化分析影响的领域，CFD还有更为广阔的应用空间。

[1] 吴云清，翟国方，李莎莎. 邻避设施国内外研究进展[J].人文地理，2012，27(6):7-12.

[2] 吴鑫，曾佑海. 基于CFD技术的城市风环境设计策略研究——以重庆市永川区凤凰湖城市设计为例[J]. 建筑与文化,2015(4):158-159.

[3] 何艳玲.“中国式”临避冲突——基于事件的分析[J].法学与政治,2009 (12):102-104.

[4] 郑卫.我国邻避设施规划公众参与困境研究——以北京六里屯垃圾焚烧发电厂规划为例[J].城市规划，2013，37(8).

[5] 谭鸿仁，王俊隆.邻避与风险社会：新店安坑掩埋场设置的个案分析[J].地理研究，2005(42)：105-125.

[6] 吴鑫，曹佑海. 基于CFD技术的城市风环境设计策略研究——以重庆市永川区凤凰湖城市设计为例[J].建筑与文化，2015(4)：157-159.

白潇(1983～)，硕士，工程师，主要从事城乡规划设计工作。

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[定稿日期]2017-05-22