街谷绿化空间设计对污染物扩散影响建模分析

许亦竣

（浙江农林大学风景园林与建筑学院 旅游与健康学院，浙江杭州 311300）

汽车尾气对城市环境的污染问题，逐渐受到世界各国环境保护部门的重点关注。特别是在大型城市中，汽车尾气污染通常超过标准范围，不仅影响着整个城市的生态建设，更给社会大众的身体健康带来严重的威胁。因此构建适合国民居住的城市环境，科学规划城市的空间布局，深化城市街谷的基本特征及其对污染物扩散的影响，逐渐成为我国相关学者及专家研究的重点。街谷绿化空间设计主要包括城市空间布局及空间绿化两大重要组成部分，然而根据相关调查及实验分析发现，街谷空间的整体布局是影响污染物扩散的重要因素，也是改善城市空间环境的关键性内容。因此从模型构建及数学模拟的层面出发，能够有效破解街谷空间污染的问题。

1 街谷的概念界定及理想模型

1.1 街谷的概念界定与具体类型

城市街谷主要指街道两侧拥有连续相连的建筑物，且将街道紧紧包裹其中，形成类似峡谷形态的建筑布局。可以说城市街谷是构建城市结构的主要单元，是我国城市建筑布局及排列的主要类别。而街谷内的污染物与空气气流在建筑顶部与流动的空气完成交换，以此形成比较特殊的气候环境。即街谷外界的空气流动，推动街谷内部的气流流动，并使街谷内部的气流不断上升，完成街谷外部与街谷内部空气气流的完全交换。而街谷内部的气候环境的基本特征，能够受边界气流影响，使谷内气流加速流动，从而形成峡谷效应与街谷旋涡。在结合学层面，街谷的街道宽度与建筑高度的函数比值，可称为“形状因子”，且跟街谷气流的运动形态呈现正相关关系。根据数值模拟与现场观测的结果，可将街谷气流运动的的基本形态与背景风向划分为以下三种。首先是对宽情形，即街谷建筑所形成的气流场域间不存在相互的影响。其次，是干扰流形态，主要指街谷边界气流与上风气流所构成的旋涡，同下风向的正面气流场域间存在相互干扰的关系。最后是掠流形态，主要指当建筑物间距不断缩小时，所形成的回流旋涡。因此，合理规划街谷气流能够有效提升谷内气流的流动及污染物的扩散，提升城市生态环境的建设质量，推动生态文明建设的有序进行。

1.2 理想型街谷模型

根据数学模拟及实际观测，能够发现理想型的街谷模型式是将建筑假设为高度相等的排列格局，并忽略了街道方向的层次变化，忽略了缺口对气流的影响及街谷内围栏、交通岗等建筑设施的影响，并且将建筑物的背景风向设定为稳定而匀速的气流流动。在街谷建模过程中，具体研究的内容包括街谷气流旋涡、街道建筑高度、街道宽度的数值模拟。根据相关研究发现，在街谷形状因子等于1时，气流流动由主旋涡引导，并且在街谷顶端能够有效形成一层明显的剪切层。街谷空气及污染物会伴随谷内的气流旋涡在建筑间相互回旋，完成背景风向与谷内气流的有效交换。其具体的交互过程如下，首先空气污染物会在街谷底部不断上升，随后到达背风面，进而沿着背风面持续向上传导，进而在顶部与建筑顶端的剪切层完成湍流活动，实现有效地气流扩散并排除谷内空气污染物的目的。而在真实环境中，建筑的高度、街道的宽度、空间的绿化情况、风速与风向的持续变化、车辆运动所引起的空气湍流与流动，以及温度的不均衡分布等因素都是街谷数值模型构建的或然性因素。在具体的空间设计中，必须针对不同的影响因素，对街谷污染物扩散特征及形态进行具体分析。其中街谷绿化空间设计，是影响街谷空气流动及旋涡运动的重要因素。

2 街谷因素对污染物扩散的具体影响

2.1 影响污染物扩散的其它因素

根据街谷的具体形态及其对污染物的影响条件，发现能够有效影响街谷污染物扩散的因素有大气稳定度、温度分布、建筑结构及布局、背景风向与风速、城市绿化以及车辆湍流等因素。首先是建筑结构与布局。根据建模模拟发现，建筑布局与结构对街谷污染物扩散与空气流动具有重要促进作用。建筑高度、几何结构及街道宽度能够决定形状因子的具体数值，使街谷背景风向与谷内气流形成有效的交互作用，从而形成干扰流或掠流，其中当街谷建筑物的高度不同时，可称其为不对称街谷，其中，在“下台阶”视域下，不对称街谷将形成两个反向的气流旋涡，对污染物的扩散有不利影响。而当街谷建筑物沿着街道不断发生高度变化时，可称之为不均匀街谷，这种街谷与真实情况十分贴近，能够有效反应出城市街谷的风向变化的具体特征。能够提升街谷内部污染气体的外向传输，对街谷污染物具有显著的正向影响。其次是背景风向风速对街谷污染物扩散的影响，当建筑顶部的气流的流动速度超过1.3m·s-1时，谷内气流受背景风主导，而当小于1.3m·s-1时街谷气流则受温度、车辆、建筑形态等因素影响。再次，车辆湍流。车辆湍流主要指机动车辆在行驶过程中，对城市街谷内部的湍流及气流有显著的影响作用。特别是对街谷底部的气流流动的影响，能够有效提升空气污染物的快速上升，推动污染物的有效扩散。

2.2 影响污染物扩散的绿化因素

城市绿化是影响街谷污染气体扩散的具体因素，具体指植被绿化。绿化空间设计能够有效阻挡空气污染物的持续扩散，不利于空气污染物的向上流动，从而致使污染物停留在街谷底部。而通过对植被影响“街谷污染物及谷内气流流动”的数值模拟及风洞试验，能够有效发现，绿化植被能够有效降低城市街谷的环流风速，提升了谷内污染气体的分布密度，特别在背风面及底部的污染气体的浓度最高。然而迎风向的污染气体浓度得到了有效的降低。根据模型分析与数值模拟发现，在相同背景风向条件下，采用空间绿化的街谷环境比没有植被绿化的城市街谷的污染气体的浓度高7%。且建筑两侧的植被对污染气体的影响具体包括污染物扩散的影响，空气的净化水平。并且空间绿化的形态及质量应满足机动车辆所引发的湍流气流的发展要求。然而，街谷空间绿化能够有效改善建筑温度的分布，并在不同的气候环境下，使城市街谷的的大气变化更加稳定。因此，从整体层面来分析，街谷空间绿化对街谷内部污染气体的扩散虽然有不利因素，却能够有效提升街谷的气候环境，保障街谷的空气质量。因此可以说，在街谷绿化空间设计层面上，面临着巨大的挑战与问题。其根本原因在于街谷绿化对谷内空气流动拥有明显的不利影响，并且比不存在绿化空间设计的街谷的影响，更加显著。然而从城市建设的角度出发，绿化空间设计不仅能够有效提升城市美观度，更能显著地推进我国的生态文明建设，满足我国社会主义现代化建设的发展需求。因此，深入研究绿色植被对街谷污染物扩散的具体影响，能够帮助我国城市规划部门，有效提升绿化空间设计的有效性与实效性。在传统的绿化空间设计层面，设计师主要根据植被绿化的审美性、人文性、功能性等要求，对城市空间进行绿化设计，俨然忽略了城市街谷的环保需求，因此，充分研究绿色植被对污染物扩散的影响，能够有效提升绿化空间的综合性。

3 街谷绿色空间设计的具体方案

3.1 构建实验设计预设

根据上述研究发现，绿色植被对城市街谷具有较为诸多不利的影响，容易在背风面形成污染堆积，然而在迎风面，绿色植被却能够有效降低污染物的浓度。因此，为有效提升城市绿色空间的设计效用。需要从以下两个层面对污染物扩散的影响因素进行实验。首先，由于迎风面污染物浓度较低，因此应选取城市街谷迎风面为实验场所，并对绿色植被的几何形体、空间布局及分布区域进行甄别。其次，结合不同的影响因素，降低绿化植被对污染物扩散的不利影响。可以选用合适的建筑结构与布局、机动车辆的湍流效应等因素，并通过不同要素的变换与组合，甄选出有效的空间绿化条件。通常来讲，在形态数值达到一定数值后，谷内气流容易形成漩涡，可加快污染物的扩散，保障城市空间的生态环境质量。因此，在街谷绿化空间设计工作中，设计者必须将绿化空间设计与影响街谷污染物扩散的诸多因素建立联系，通过相互作用，提升绿化空间设计的有效性与实效性。

3.2 构建空间绿化模型

模型构建与数值分析是明确影响街谷污染物扩散因子的重要工具，同时也是合理规划绿化空间设计内容的有效手段。在建筑高度、街道距离的设计中，相关负责人需要将城市绿化作为重要的影响因素，并通过改变不同的布局方式及地理位置，使其影响因素不断降低，以此实现从整体层面，规划绿色空间布局的目的。而在植被选择的过程中，相关学者及专家应根据不同植被（树木、灌木、景观植物）的模型数值，考察植被对污染物扩散的影响系数，并选择影响系数相对较小的绿化植被。然而值得注意的是，城市空间设计不仅需要美观度、更需要人文性，因此，为有效提升空间设计的多样性与实效性，相关专家及学者，不仅需要充分考虑不同景观植物对街谷气流的影响，更需要考虑植被的外在表现及人文内涵。此外，相关学者及专家应在模型研究的过程中，结合绿色空间设计的形态结构及特征，应用不同的空间结构，研究绿化空间结构对街谷污染气体扩散的影响，并努力探寻出能够有效缓解污染物滞留问题的空间设计手段。

3.3 完善街谷街区结构

根据影响街谷污染气体的因素，能够发现除从城市建筑高度、温度湿度及机动车辆外，还有风向与风速等因素，其中街谷街区的布局与结构对风向与风速的影响显著，因此，在绿化空间设计的过程中，相关学者及专家应结合模型分析与数值运算，合理规划街区的空间布局。然而根据实际的城市规划特征及规律，在街区街道中构建建筑类设施具有诸多的不利影响，难以满足国民的出行需求。因此，可以采用种植绿色植被的方式，改变街谷附近的街区风速与风向，使街谷内部的气流流动更加快速，从而降低街谷内部绿化植被对谷内污染气体扩散的影响。与此同时也极大地提出街区的绿化率，增强了城市的美观度，推动了我国城市现代化发展的进程

4 结语

影响街谷污染气体扩散的因素有很多，主要包括绿色植被、建筑布局与结构、风速风向、机动车辆及温度湿度等因素。其中绿色植被对污染气体的影响较为显著，给城市绿化空间设计工作带来了诸多的挑战，因此，相关专家及学者应从模型构建与数值分析的角度出发，通过试验设计、模型构建及街区规划等手段，减小绿色空间设计对城市街谷的影响，满足我国生态文明建设的发展需求。