声屏障对城市道路环境空气质量的影响规律研究

秦晓春,刘 睿,韩 莹

声屏障对城市道路环境空气质量的影响规律研究

秦晓春*,刘 睿,韩 莹

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

为研究声屏障对道路交通污染扩散和空气质量的影响规律,基于三维计算流体动力学理论,运用Fluidyn-Panache仿真及CFD求解器进行数值模型计算分析,对比有、无声屏障情况下的风速矢量图与PM2.5、CO、NO3种主要污染物浓度分布图,并对仿真区域污染物浓度进行现场监测,得出声屏障对城市道路环境空气质量影响规律.研究结果显示,有声屏障时道路内侧风速由2m/s降低至0.02m/s;CO、NO浓度上升40%~50%,道路内侧PM浓度下降50%;道路外侧CO、NO浓度下降20%~50%,PM浓度下降20%~38%.声屏障的存在会阻挡风的流动,减弱风的强度,使风向从垂直于道路上升转变为沿着道路方向流动,风向改变使污染物聚集在道路内,增加道路内的气体污染物浓度,减弱风往道路外侧流动,同时也降低了气体污染物向道路外侧扩散的程度.声屏障对PM2.5的影响显著,设置声屏障的道路内侧和道路外侧建筑群内,PM的浓度相较于无声屏障均得到大幅度降低.

道路；声屏障；环境空气质量；污染物扩散

我国城市道路在飞速建设发展的同时带来了严重的环境污染问题,车流量的增加造成道路严重拥堵,汽车排放的尾气也给环境带来了严重负荷,甚至已经成为很多城市的首要污染物[1].机动车排放显著增加了PM2.5和CO、NO等污染物浓度,据调查,公路路侧污染物浓度明显高于几百米外城市区域[2].近公路区域高水平的空气污染还带来了健康影响,包括出生缺陷、肺部疾病和心血管疾病[3].因此,对道路交通污染扩散的治理和对空气质量的改善是十分必要的.

国外在交通污染防治方面的研究,主要集中在汽车尾气污染物排放对于城市道路环境的影响,以及道路拥挤引起的环境影响方面,国外在城市道路交通规划对环境影响的研究与实践较多,在进行城市道路交通规划的时候,美国更加注重土地的利用率和经济情况分析,对道路交通环境污染因素及城市道路环境空气质量的研究较少[4-6].

路侧植被屏障可以有效降低路侧空气污染水平,目前国内外在城市道路路侧植被屏障方面开展了大量研究[7-8].通过实体构造物减缓城市道路交通污染影响的研究尚不多见.在使用示踪气体的现场研究中,发现路侧声屏障将顺风方向污染物浓度降低20%~50%,声屏障的结构改变了附近的风动气流场,将车辆排放的空气污染物由地面带入障碍物上方区域[9].因此,声屏障有助于降低空气污染物的额外分散度,使空气污染物水平相较于附近道路开放区域降低约15%~80%[10].

在城市道路交通污染物控制方面,我国相对于国外研究较晚.目前我国在对于汽车尾气扩散方面的研究中,主要运用的模型大部分从国外引进.将国外的模型引入到我国,对该模型进行分析,并分析其对于我国污染物扩散情况的适用性[11].刘永红等[12]建立了一个有关于机动车尾气扩散的模型,该模型在高斯扩散理论的基础上,针对于线源扩散的特点,主要用于计算城市复杂道路、城市建筑群、高架桥上的汽车尾气污染物浓度.张文杰等[13]人也指出了几个在高斯模型的理论基础上建立的有关污染物扩散的模型,并且根据各自模型的特点,分析了我国将来建立有关污染物扩散新模型亟待解决的难题.国内学者研究城市街道峡谷内机动车排放污染物扩散规律也是在国外学者研究的基础上发展起来的.刘宝章[14]基于澳门复杂街区进行了风洞试验,分析了交通堵塞和交通顺畅时汽车排放的污染物扩散规律.周洪昌[15]通过风洞实验分析了不同风向来流以及不同形状街道峡谷对街道峡谷内机动车排放污染物浓度场的影响.何泽能等[16]应用雷诺应力瑞流模型模拟了不同几何结构的城市街道峡谷的气体流场.

汽车尾气对城市大气环境造成污染,严重威胁,人类健康,其中CO、NO、HC与NO等危害最大,此类污染物易引发生理障碍、中毒等多种疾病,威胁着人类健康;近年来,PM造成的雾霾问题也不断引起重视.

尽管国内目前已经开展交通尾气影响的大量研究,但在汽车尾气对于城市道路环境空气污染的减缓方法和措施上还较为局限.在城市交通环境空气污染防治主要集中在政策制定、燃料改革、减少排放量、增加绿化面积或使用功能性路面等手段来解决,有关实体设施对城市道路交通污染控制的研究基本还是空白.因此本研究以北京城市道路典型声屏障为例,运用Fluidyn分析软件,研究声屏障对道路交通污染扩散和空气质量的影响规律.

(1)考虑污染物源强、气象条件和道路条件等,选取典型路段,建立地形数值模型和气象数据库.运用Fluidyn软件对典型路段主要交通污染物(CO、NO、PM)扩散进行仿真模拟,提出基于仿真分析的声屏障对于道路交通污染扩散和空气质量的影响规律.

(2)对典型路段声屏障区域交通污染状况进行现场监测,提出基于现场实验监测的声屏障对于道路交通污染扩散和空气质量的影响规律.

(3)结合仿真结果与现场监测数据,考虑交通量、车速、车型等影响因素,确定声屏障对城市道路环境空气质量影响规律.

1 计算原理与方法

本研究采用法国Fluidyn软件对典型路段交通污染扩散进行仿真模拟分析,采用三维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型计算复杂地形的风速矢量场和污染物扩散情况由于三维计算流体力学(CFD)模型能够考虑障碍物(城市中建筑)、复杂地形、底和高风速、近场和运场,因此在计算复杂地形的风速矢量场和污染物扩散等情况都是基于CFD模型.

1.1 大气边界层(PBL)模型

PBL位于地表附近的大气区域.大气与外界相互作用是以湍流运动体现的,是小尺度、次网格的,有必要进行参数化建模来分析.

PBL用于创立CFD求解器里需要的气象观测数据和边界条件之间的接口.它由两部分组成:(1)微气象模型,是由观测数据计算PBL的基本物理参数模型;(2)边界层模型,是一个规定湍流、风速和温度的垂直剖面模型.

1.2 边界条件

在求解时,主区域边界、地面以及障碍物上需要给定边界条件,边界条件分为3类,如表1所示.

表1 边界条件

注:——速度矢量;y——物种m的质量分数;——温度;——浓度;——耗散率;——速率.

顶部界限通常认为是出流边界,地域的侧边界通常凭借风向认为是入口或出口界限,如图1所示.

1.2.1 入口 在入口的边界处,需给出温度、物种的浓度、湍流变量、速率,压力由区域内部计算得到,用物种的背景浓度来确定物种的浓度.入口边界的速度设为:

1.2.2 出口 如果出口的边界由一个界限所确定,但因为受到了冠层或障碍物等因素的影响,那么风仍然有能力由这里流动进入区域中.因此, PANACHE软件不仅会确定出来一些变量,还会从域内推导出一些变量.表2列出了几类出口边界条件.

环境的压力一般是由出口边界的静压力来确定.

1.2.3 壁面 PANACHE软件是运用壁面函数来计算位于湍流边界层中固体壁面的拖曳力,而壁面函数则是在平衡条件下,由湍流边界层的N-S方程中计算来获得.

表2 出口边界条件

1.3 CFD求解

PANACHE的CFD求解器在三维空间和时间上求解控制方程,而这些控制方程则可以用以下一般形式的对流扩散方程来表示:

式中:为待求变量(动量、温度、浓度等);G为的交换系数(粘度,热扩散系数等);为的源项(污染物排放等);其中,(Ⅰ)为时间微分项,(Ⅱ)为对流项,(Ⅲ)为耗散项,(Ⅳ)为源项.

1.3.2 空间差分 空间离散的实现通过由单元(控制体)构成的立体三维网格来完成的.控制体或整体平衡方法()用于构造每个单元的有限差分近似(控制体),以保证差分变量的局部守恒.PANACHE求解速度向量笛卡尔坐标系下分量的NS方程.所有变量(压力、速度分量、温度、浓度、湍流等)在同一控制量()内求解得到.

二阶精度方法用于对耗散项的离散.通常情况下,对流项的离散对于求解的精度有着决定性的作用.数值格式是指对对流项的离散.当使用有限体积法离散时对流项表示如下:

式中:f为控制体的面;A为面积;N为面上的法向量;为流过面的质量通量;由连续性方程求解得到.因此ff的计算决定了所采用计算格式的精度.变量f在面f附近的变化如图2所示:

C为上风单元,D为下风单元,U为远处上风单元.可由、及的函数表示

2 交通污染物扩散仿真模型建立

2.1 确定仿真地段

通过google earth在北京市域内找到有声屏障的2~3条典型城市道路,通弄过分析,确定高粱桥斜街声屏障路段是研究声屏障对城市道路环境空气质量的典型路段,如图3(a)所示.

综上所述选取高粱桥斜街路段声屏障作为本次课题的研究对象.结合google earth与实地测量,得到建筑本身的长与宽、建筑之间的距离、道路的宽度等数据,如图3(b).

将数据标记在地形图上,并且建立坐标系,得出各个建筑物的坐标,确定各建筑物的空间位置.

图3 典型路段信息

2.2 建立地形模型

图4 地形模型

考虑到CFD算法划分网格需设定一定范围的计算域.Panache软件计算域范围的设定需要通过外部文件来获得.设定600m*600m的数值作为计算域的平面范围,并设置计算域的高度为最高建筑高度(70m)的3倍,即为210m,从而开展CFD模拟大气扩散的仿真研究.

通过Terrain Objects绘制各个建筑物,并输入已测得的对应地形数据.通过绘制建筑物和不规则建筑物(图中红圈所标),并绘制监测点(图中蓝圈所标),以便于后期处理中记录数据,得出所有建筑和监测点,如图4所示.

2.3 设定污染物参数

研究表明,汽车尾气排放主要污染物一般为NO、CO和PM,监测道路车辆以小型汽车为主,经查阅文献,得到小型汽车污染物排放量,NO浓度为0.18g/km,CO浓度为1.0g/km,PM浓度为0.0045g/km[8]:

于2018年4月10日对研究道路进行现场监测,得出平峰11:00~13:00和高峰18:00~20:00 2个时期的4条道路车流量,如表3所示.

表3 平、高峰时期车流量

计算得出排放源污染物排放量[g/(km×h)]如表4所示:

表4 排放源污染物排放量[g/(km×h)]

图5 地形模型

在确定污染物种类和污染物排放数据后,对污染物排放源进行设置,将城市道路设为污染物排放源.在计算域中将道路作为排放源,输入排放源在平峰和高峰时的污染物排放量数据,根据实际距离在道路上通过Terrain绘制声屏障,得到最终地形模型,如图5所示.

2.4 设定气象参数

用AirVisual软件每30min对高粱桥斜街无声屏障路段的气象数据进行实时监测,如表5所示,根据表所列数据分别设定平、高峰时的气象参数.

表5 平峰、高峰时期气象数据

2.5 划分网格

采用Panache内嵌的网格划分工具划分网格,通过不同划分方式对比确定网格参数.在无需计算结果的地方将网格设置较为稀疏;而在排放源附近网格则设置较为紧密,网格可以准确捕捉到声屏障,从而得出划分后的网格图,如图6所示.

3 基于计算流体力学CFD的仿真分析

表6 监测点平、高峰时期污染物浓度(mg/g)

CFD求解器不同于很多其它常用传统工具,它可以考虑城市中复杂建筑、复杂地形、低和高风速、近场和远场,进行风场计算和污染物浓度扩散的计算.针对本次研究对象,有两组数据共四种情况需要进行仿真模拟.分别为平峰和高峰时期有无声屏障时的污染物扩散情况对比.

各监测点污染物浓度数据如表6所示:

对所得结果进行分析处理,需进行分析的结果主要有四种,包括:(1)某时刻研究域中,风场、污染物浓度、温度及其它流动特性的空间分布;(2)监测点的风场、污染物浓度、温度及其它流动特性的时间分布;(3)给定时间间隔内,地面浓度的平均时间与空间分布;(4)数值求解的收敛性的结果.

对于本次研究对象,分别针对本分分别平峰和高峰两部分,进行后处理分析.

3.1 平峰时期

3.1.1 残差图 绘制残差图,用于在模拟过程中检查求解的收敛情况,如图7所示.

残差绘图沿纵坐标采用对数模式,可以看出,所有图形最后的纵坐标数值均小于-3,所以污染物浓度的观察值与拟合值之差较小,拟合程度很高,数据均较为精确,误差较小,可以进行进一步处理分析.

3.1.2 矢量图 速度矢量显示了风场,矢量用箭头表示,箭头的方向指风向,大小和颜色代表风速.分别绘制有声屏障时和无声屏障的时水平地面平面风速矢量图,如图8.

图8 有、无声屏障时速度矢量图(km/h)

对比可以发现,有、无声屏障对城市道路内风速大小有较大影响.有声屏障时城市道路水平面上的风速基本集中在0.03~3m/s之间,而无声屏障区域则大多集中在3~6m/s之间,声屏障的存在减少了道路内的水平面风速.而对于处于道路两侧、建筑群内的空间,同样可由图看出,相同的位置有声屏障算例里风速仍然小于无声屏障算例风速.

在风速矢量图上,除了速度大小外,风速的方向也是重要的指标之一.以下通过局部对比观察声屏障的存在对于风速方向的影响,如图9所示.

图9 有、无声屏障时局部风向

可以得到声屏障的存在使得风向有了很大的改变.无声屏障时,风向几乎垂直于道路流动,没有受到任何阻挡;当声屏障存在时,会阻挡风的流动,不仅减小了风的流动速度,还改变了风的流动方向,使得原本垂直道路的风向改为沿着道路的方向流动.

3.1.3 浓度分布图 浓度分布图可以显示变量的空间分布.在浓度分布图中,相同颜色的线或条带上的所绘变量为常数.().绘制平峰时有、无声屏障情况的3种污染物浓度浓度分布图,来比较声屏障对于各种污染物浓度扩散的影响.

如图10(a)(b)所示,有声屏障时,道路内CO的浓度明显高于无声屏障道路内相同位置的CO浓度.而在道路外侧的建筑群内内,在道路的顺风边,即道路东西边的建筑领域,有声屏障时相同位置CO的浓度低于无声屏障时CO的浓度.在道路的逆风方向,即西南向,2种情况CO的浓度都接近于0.

如图10(c)(d)所示,NO在有、无声屏障情况下的扩散情况与CO类似.在有声屏障的时候,道路内NO的浓度同样高于无声屏障道路内相同位置的NO浓度.在道路外侧的建筑群中,在道路的顺风边,即道路东北边的建筑领内,有声屏障时相同位置NO的浓度低于无声屏障时NO的浓度.在道路的逆风方向,即西南向,2种情况的CO的浓度都接近于0.

如图10(e)(f)所示,声屏障对于PM的扩散影响程度远大于CO和NO.在有声屏障时,不论在道路内,还是在道路外侧顺风边的建筑群内,相同位置的PM浓度均远低于无声屏障的情况.而且,在无声屏障的情况下,由于缺少声屏障对PM的阻挡作用,PM在较远处的建筑群区域仍有非常大的浓度.但在道路的逆风方向,即西南向,两种情况的PM浓度都接近于0.

综上所述,在平峰的时间段里,声屏障对于污染物的扩散有较大的影响.有声屏障时,声屏障改变了风速的大小和方向,使得道路内的气体污染物(CO、NO)无法被吹散,聚集在道路内部,相对于无声屏障的情况下,道路内的污染物浓度显著增加.但同时由于声屏障的存在,改变了风的方向,降低了污染物向道路两侧扩散的程度,使得道路两侧的污染物浓度相比于无声屏障的情况下得到了一定程度上的降低.由于PM为颗粒状污染物,相对更易扩散,因此声屏障对其扩散的抑制作用更加明显,极大地减少了PM的扩散,PM扩散浓度的降低高达50%以上.

3.2 高峰时期

3.2.1 残差图 绘制残差图,如图11所示.

同平峰时间段情况一样,图中最后的纵坐标数值均小于-3,所以污染物浓度的观察值与拟合值之差较小,拟合程度很高,数据均较为精确,可进行进一步处理分析.

图11 无声屏障时3种污染物浓度残差图Fig.11 Residual history of three pollutants concentration with and without noise barriers

3.2.2 矢量图 分别绘制有、无声屏障时水平地面的风速矢量图如图12所示.

如图12可以发现,现有、无声屏障对城市道路内部区域的风速大小有一些影响,但影响程度无平峰时大.声屏障的存在仍然减少了道路内部水平面的风速.

图13为同一条道路的同一位置有、无声屏障时风的方向图.

图12 有、无声屏障时速度矢量图(km/h)

图13 有、无声屏障时局部风向

图14 道路两侧建筑群

声屏障在高峰时期和平峰时期对风向的改变相同,无声屏障时,风向几乎垂直于道路流动,未受到任何阻挡;当设置声屏障时,会阻挡风的流动,不仅减小了风的流动速度,还改变了风的流动方向,使得原本垂直道路的风向改为沿着道路的方向流动.

通过对高峰时期声屏障对风速影响的分析可得,声屏障对于风速大小和方向的影响与平峰时期类似,均是减小风速,改变风向.但影响程度从图中可以看出,声屏障对风速在高峰时期的影响程度要比平峰时期要小很多,根据对地形条件和气象条件的分析,主要有两点原因:(1)高峰时期的风速为3.6km/h,仅为平峰时期的一半,风速减小,影响程度也减少.(2)平峰时期风向为西南风,而高峰时期为东北风.由地形图可以看出,位于道路西南方向建筑群建筑宽度均较小,且建筑之间缝隙较多,如图14所示,风从西南方向吹来时,建筑对于风的阻挡较弱,所以平峰时期道路附近风的强度较大,声屏障对风的影响也较大.而位于道路东北方的建筑群建筑宽度较大,且建筑之间缝隙较少,风从东北方吹来的时候,建筑对于风的阻挡较强,所以高峰时期道路附近风较小,声屏障对风的影响也较小.所以两种情况之所以会有较大差别主要是由平、高峰时期风速、风向的不同以及道路两侧建筑构造的不同这两种因素共同导致的结果.

3.2.3 浓度分布图 绘制高峰时有、无声屏障时3种污染物浓度浓度分布图,比较声屏障对于各种污染物浓度扩散的影响.

如图15(a)(b)所示,有声屏障时,道路内部有些位置CO的浓度高于无声屏障道路内部相同位置的CO浓度,也有一小部分位置CO的浓度是低于无声屏障时的.而在道路外侧的建筑群内,在道路的顺风边,即道路西南边的建筑领域,有声屏障时,相同位置CO的浓度低于无声屏障时CO的浓度.

如图15(c)(d)所示,在有声屏障时,道路内NO的浓度同样高于无声屏障道路内相同位置的NO浓度.对于道路外侧的建筑群,在道路的顺风边,即道路西南边的建筑领域,有声屏障时,相同位置NO浓度低于无声屏障时NO浓度.在道路的逆风方向,即东北向,两种情况NO浓度都接近于0.

如图15(e)(f)所示,在高峰期,声屏障对于PM扩散的影响程度相对于CO和NO相对较大.在有声屏障时,不管是在道路内部,还是在道路外侧顺风边的建筑群内,相同位置PM浓度均远低于无声屏障情况下PM浓度.同样,在道路的逆风方向,即东北向,两种情况PM的浓度都接近于0.

综上所示,高峰时期声屏障对于CO和NO扩散的影响作用与平峰时期相近,同样是声屏障使得道路内部的大气污染物(CO、NO)无法被吹散,聚集在道路内部,相对于无声屏障的情况下,增加了道路内部的污染物浓度,但同时由于声屏障的存在也改变了风的方向,降低了污染物往道路两侧扩散的程度,使得道路两侧污染物浓度相比于无声屏障的情况得到了一定程度上的降低.而对于PM扩散影响,声屏障对于PM扩散的抑制作用相比于CO、NO更加明显,极大地减少了PM的扩散,对PM扩散浓度的降低高达50%以上.

声屏障对污染物扩散的影响程度在高峰时期没有平峰时期那么显著,由于气象条件和地形条件的不同,使得风的强度在高峰时期相对于平峰时期有了大幅度的下降,很大程度上的减弱了污染物的扩散、流动能力,所以也使得声屏障在高峰时期对于污染物浓度的扩散影响远不如平峰时期那么显著.

4 交通污染物现场监测

采用YT-HPC3000A空气净化检测仪于2018年5月7日对高梁桥斜街声屏障区域进行现场监测,采样时间为60s.

分别在平峰和高峰时期选择相同10个监测点,在所选监测点用仪器进行现场监测,获取PM和PM10在各个监测点的浓度,如表7所示.

表7 平、高峰时期监测点污染物浓度(μg/m3)

由于受到仪器设备的限制,只能现场监测PM2.5和PM10的浓度扩散值.由表7的数据所知,声屏障对PM2.5和PM10污染物浓度的扩散有着非常大的影响.根据比较,监测点1、3、5、7、9中监测点3的PM2.5和PM10浓度最低,9和7处的污染物浓度最高.由监测结果计算出,平峰时期,有声屏障道路附近的PM2.5浓度降低10%左右,PM10浓度降低50%左右;高峰时期,有声屏障道路附近的PM2.5、PM10浓度均降低50%左右.同时,监测点2、4、6的污染物浓度均比监测点1、3、5处的浓度要低,由于声屏障的存在改变了风向,抑制了污染物的扩散,使得远离道路的位置PM2.5和PM10浓度降低.而监测点8和10均比7、9处的污染物浓度高,是由于这两处缺少了声屏障对于污染物的阻挡作用,经过风的扩散作用,离道路稍远的地方污染物的浓度反而增大,这也表明声屏障对于PM颗粒污染物的扩散有着很大的抑制作用,产生较大影响.

5 结论

5.1 声屏障对风速及风向有很大影响.针对监测道路,平峰期风向主要为西向,垂直道路方向为主要风向,高峰期风向主要为东北向,沿道路方向为主要风向.通过矢量图分析,声屏障的存在会阻挡风的流动,减弱了风的强度.平峰无声屏障时,道路内的风速大小相对于有声屏障时从0.03m/s提高到了3m/s,甚至6m/s,风速增加100到200倍.无声屏障时道路内部的风速相对于有声屏障时从0.02m/s上升到近2m/s,风速增加100倍.除了改变风的强度,声屏障的存在还使得风向从原本垂直于道路上升转变为沿着道路方向流动.

5.2 有声屏障时,道路内部风的强度和方向发生很大改变,因此会影响污染物的扩散情况.风向改变使得汽车排放的气体污染物聚集在道路内,增加了道路内部的气体污染物浓度.平峰有声屏障时,道路内部CO的浓度相对于无声屏障时约从0.025´10-6上升到0.05´10-6,NO从0.005´10-6上升到0.01´10-6,上升比均为50%.高峰时期由于风向沿道路方向,影响程度较小,高峰有声屏障时,CO浓度从0.03´10-6上升到0.05´10-6左右,NO则从0.005´10-6上升到0.008´10-6左右,上升比约为40%.

5.3 声屏障的存在不仅改变了道路内部污染物排放浓度,对道路外侧污染物扩散浓度也有较大的影响.由于声屏障改变了风向,减弱了风往道路外侧的流动,降低了气体污染物向道路外侧扩散的程度,从而使得道路外侧气体污染物浓度相对于无声屏障时得到了一定程度上的降低.平峰有声屏障时,道路外侧CO的浓度相对于无声屏障的时候从0.025´10-6下降到约0.0125´10-6,NO浓度则从0.005´10-6下降到0.0025´10-6,下降比均为50%.从浓度分布图中可知,声屏障对道路外侧污染物扩散的影响在距道路50~80米内较为明显.高峰时期由于受地形和气象条件的响,声屏障对于道路外侧污染物扩散影响没有平峰时明显.声屏障存在的时候,使得CO的浓度从0.04´10-6降到约0.03´10-6;NO则从0.0075´10-6降到0.006´10-6,下降比约为20%.这种影响在距离道路外侧50m到80m内效果明显,声屏障在靠近道路处侧对污染物扩散的影响效果并不明显.

5.4 结合仿真结果和现场监测,声屏障对PM(颗粒污染物)的影响显著.有声屏障时,道路内和道路外侧的建筑群内,PM的浓度均远低于无声屏障时.平峰有声屏障时,道路内侧部分区域的PM浓度为0.00015´10-6以下,无声屏障的时候PM浓度为0.0003´10-6以上,声屏障的存在使得PM浓度下降了超过一倍.高峰时期,道路内侧部分区域的PM浓度为0.00025´10-6左右,而无声屏障时PM浓度为0.000375´10-6左右,影响程度依然很高.平峰时期,道路外侧靠近道路的地方,PM2.5和PM10的浓度在有屏障时比无声屏障时降低了将近一倍.同样在有声屏障的地方,距离道路50m处PM2.5和PM10的浓度相对于道路附近的污染物浓度分别下降了将近37%和20%.而在无声屏障的地方,距离道路50m处PM2.5和PM10的浓度相对于道路附近处的污染物浓度分别上升了38%和25%.可见声屏障的存在极大抑制了PM的扩散作用,不仅使得道路附近的PM浓度下降,还阻挡了PM的扩散.

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The impact of sound barriers on air quality of urban road environment.

QIN Xiao-chun*, LIU Rui, HAN Ying

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)., 2019,39(8)：3558~3571

To precisely quantify the impact of sound barriers on air quality of urban road, we applied the fluidyn-Panache simulation and CFD solver to launch numerical models and analysis based on the three-dimensional computational fluid dynamics theory. We compared the wind velocity vector maps and contaminant concentration nephograms of PM2.5, CO and NOnear the road under both presence and absence of noise barriers, monitored the contaminant concentration in the simulation area on the spot, and evaluated the regularity of impacts of barriersbarriers on air quality of urban road environment. Our results showed that 1) the wind speed inside the road decreased from 2m/s to 0.02m/s; 2) the concentration of CO and NOinside the road increased by 40% to 50%;3) the concentration of PM inside the road dropped by 50%;4) the concentration of CO and NO3outside the road decreased by 20% to 50%; and 5) the concentration of PM outside the road reduced by 20% to 38%. We found that 1) the noise barriers blocked the flow of wind, weakened the intensity of wind, and changed the direction of wind from vertical to upward to along the road; 2) by changing the direction of wind pollutants gather in the road, the concentration of gas pollutants rises; and 3) the flow of wind to the outside, gas pollutants out of the road, as well as the extent of lateral diffusion drop. Noise barriers has a significant effect on thePM2.5concentration in the buildings on the inside and outside of the road that PM2.5decreases significantly compared with that of the silent barriers.

road；sound barriers；ambient air quality；pollutant diffusion

X51

A

1000-6923(2019)08-3558-14

秦晓春(1982-),女,内蒙古包头人,副教授,博士,主要从事交通环保与景观、绿色可持续交通等方面的研究工作.发表论文40篇.

2019-02-25

国家自然科学基金资助面上项目(51878039)

* 责任作者, 副教授, xcqin@bjtu.edu.cn