主导风向对不规则建筑群街区污染物扩散的影响*

2020-05-27战乃岩金陶胜

环境污染与防治 2020年5期

战乃岩吕广高政张帅李进金陶胜

(1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春 130118；2.吉林省建苑设计集团有限公司，吉林长春130011；3.南开大学环境科学与工程学院城市交通排放研究中心，天津 300350)

随着我国城市交通保有量不断上升，污染物排放日益严重。同时，随着建筑群密度剧增，道路两侧建筑物与街道形成众多“街道峡谷”[1]，势必影响交通污染物的扩散，严重影响过往行人的健康。来流风对污染物扩散的影响不容忽视，不同城市主导风向差异很大，若能有效利用主导风向，势必能有效控制街区污染物的危害程度。

针对城市街谷交通尾气污染物扩散问题，国内外学者采用数值模拟和风洞试验等手段已做了一些研究。徐伟嘉等[2]研究了街道峡谷内有两车道时的流场与污染物浓度场，结果表明：不同车道位置对街谷底部污染物扩散有较大影响；在道路两侧设置绿化带使车道置于街道峡谷中央，可有效改善空气品质。李志远等[3]测量了高架下街谷内可吸入颗粒物扩散的状况，结果表明，街谷内沿高度方向可吸入颗粒物浓度先逐渐减小，超过高架路面高度后突增。刘慧等[4]采用风洞试验对某城区典型路段的流场和污染物浓度分布展开研究，结果表明：模拟和风洞试验在采样点处污染物浓度的相对误差较小，变化趋势近似相同；竖直高度越高气流速度增大趋势越明显，受其影响污染物浓度下降的趋势越明显。WANIA等[5]研究了绿化带对街道峡谷内颗粒物扩散的影响，研究发现，绿化带的存在影响到街道峡谷内颗粒物的扩散趋势，当有绿化带时颗粒物不易扩散稀释。XIE等[6]现场测量了街道峡谷交通污染物的空间分布，研究表明，机动车排放污染物浓度与交通量变化、风向和风速等具有一定的相关性。

综上，大多数研究多是针对较规则建筑布局下的街道峡谷，忽略了城市道路和建筑的复杂性对道路环境的影响，且主导风向对污染物扩散影响问题分析不详细。因此，本研究以城市道路某段典型的街道峡谷为研究对象，采用ICEM CFD数值模拟技术，分析不同风向对不规则建筑群街区污染物扩散影响，为街区污染物的有效控制提供一定的理论依据。

1 物理和数学模型

1.1 物理模型

街区物理模型如图1所示，街道峡谷区域尺寸为860.0 m×480.0 m，X轴正向为北向，Y轴正向为西向。街区包括4条街道(A、B、C、D)，其中东西方向的街道B为主干道，路宽45.0 m，其余3条为支路，路宽40.0 m，街道形成一个“十”字路口和两个方向相反的“T”型路口。将街谷内交通污染源看作连续发散的线污染源，位于街谷正中间，其宽度×高度为20.0 m×0.5 m。为保证来流充分发展，避免计算域过小引起端部效应，造成计算结果出现偏差，计算域设置X、Y、Z轴向距离为2 780.0 m×2 260.0 m×600.0 m的空间，符合CFD软件应用要求[7]。

选择ICEM CFD对三维模型进行网格划分，采用结构化网格进行划分难以实现，因此采用四面体非结构化网格对长方体模型进行划分。这种网格的适应性较好，更易于计算域划分和网格加密。为提高核心研究区域的计算精度，对建筑群表面和街道等位置进行局部网格加密，不存在负体积出现，网格质量满足计算要求，证明网格不存在畸变的问题，网格质量良好，对后续数值计算结果影响很小，不会产生数值计算结果突变的问题。网格总数为9 900 000，网格节点为1 600 000个。

图1 物理模型

1.2 数学模型

利用ICEM CFD数值模拟进行污染物扩散研究，涉及的物理模型包括Navier-Stokes方程、连续性方程、E-ε方程及污染物扩散模型。Navier-Stokes方程考虑了地球偏转力、浮力的影响，采用三维非静力不可压缩流体模式求解风场。而污染物扩散涉及流体流动，需应用连续性方程[8-9]。气流在墙体表面出现气流速度剪切时会产生湍流，湍流动能及其耗散率被用来计算大气湍流的变化率[10-11]。污染物扩散方程基于颗粒物和气体在大气中和表面上的动力学经典原理[12-13]。

1.3 边界条件

计算域内流体为空气和污染气体CO，两者均为非定常流体，因此将计算域入口条件设置为速度入口，使用FLUENT自带的用户自定义函数(UDF)设定速度轮廓线，入口气流速度采用指数型速度边界条件(见式(1))[14]。出口边界远离街区，故将边界条件设为自由出流。计算域地面及建筑物壁面设置为无滑移边界条件。两侧边界和上边界设置为对称边界，即没有对流通量和扩散通量。CO是城市街区中重要的标识性污染物，其主要来源是城市交通工具的排放，在一般的近地环境中，CO相对稳定并不易与其他气体发生化学反应，故选择CO作为汽车尾气排放物[15]，将CO散发源条件设置为恒定发散，排放源强度为0.000 014 kg/(m3·s)。

Uz=U10(z/10)μ

(1)

式中：Uz为距离地面z高度处的气流速度，m/s；U10为距离地面10.0 m高处的气流速度，m/s，取2.0 m/s；z为Z轴方向距离(即距离地面高度)，m；μ为地面粗糙系数，取0.3。

2 结果与讨论

不同来流风向会在街谷建筑群周围产生不同的气流场，进而影响到污染物的扩散，因此对比分析两种盛行风向(西北风、北风)的气流速度分布和污染物扩散规律。

2.1 典型测试高度选择

为获取更清晰、有效的模拟效果，以北风为例，考察不同高度处污染物摩尔浓度和气流速度分布，结果见图2。在北风下，随高度升高，污染物浓度逐渐降低，气流速度持续上升，两者呈现反相关。距地10.0 m以下为污染物高浓度聚集区域，1.6～20.0 m内污染物浓度变化梯度较大，20.0 m以上污染物浓度变化较小，最后趋于零。高度小于40.0 m的居住建筑和公共建筑占总建筑数量的50%以上，30.0 m高度处的污染物对街谷污染物分布很重要[16]。因此，重点对典型高度，即1.6 m(人体呼吸面)、10.0 m(中低层)、20.0 m(多层)、30.0 m(小高层)进行分析。

图2 不同高度处污染物摩尔浓度和气流速度分布

2.2 1.6 m高度处气流速度和污染物浓度分布

如图3所示，来流风向改变时，街谷内污染物浓度分布变化较大。在西北风下，每条街谷内污染物基本保持连续线状分布。与北风工况相比，污染物在主干道B居中的位置大量聚集，并在临近街谷中央偏西处形成带状浓度极大值区域。在支路A、C、D中，部分线状污染物在街谷入口附近出现断裂，且在街谷中分布不均匀，其中支路C下游区域污染物不断聚集，此处不仅汇集了上游的污染物，还聚集了部分主干道西侧的污染物。同时，部分污染物向建筑群中扩散，危及建筑群内居民的健康。与北风工况相比，图4(a)中西北风时气流受建筑阻挡，在街谷中发生多次绕流，气流沿X轴45°方向进入街谷，在支路中的气流绕流作用和北风工况相比差异极大，街谷越长，气流在街谷中受建筑阻挡发生的绕流次数越多，进而影响街谷内污染物的扩散；主干道中气流的绕流作用减弱。街谷内的平均气流速度比北风工况小很多且较稳定，均不超过4.0 m/s，尤其在支路中A、C、D中极其明显，未在街谷中形成类似于图4(b)中的“狭管效应”，仅在主干道入口和出口处形成大片气流速度极大值区域。

图3 两种风向距地1.6 m处污染物摩尔浓度分布

图4 两种风向距地1.6 m处气流速度流线

图5 两种风向下距地10.0 m处污染物摩尔浓度分布

2.3 10.0 m高度处气流速度和污染物浓度分布

由图5可见，与北风工况相比，西北风时街谷内污染物浓度分布变化较大，每条街谷内污染物基本保持线状和部分团状分布，受来流风的影响污染物整体向东侧和南侧扩散，且污染物也在主干道B居中的位置大量聚集，并在临近街谷中央偏西处受交汇气流的影响形成大片带状高浓度区域；在主干道B居中的两侧，污染物主要聚集在街谷背风面一侧。由图6可见，与北风工况相比，西北风向时支路中形成数片静风区，且气流速度远小于主干道B。远离建筑群东南向形成大面积低气流速度静风区，而在北风时，在远离建筑群南向形成更大面积的静风区。该高度处气流流线部分与1.6 m高度处相似，街谷中气流受建筑物的阻挡发生绕流作用极其明显，北或西北侧流入的气流很大程度上影响到下游侧流场的分布。

2.4 20.0 m高度处气流速度和污染物浓度分布

由图7可见，在20.0 m高度处矩形框位置不存在建筑，上游开敞空间增大，在此处西北风向气流的灌入使街谷中的气流发生了根本变化，导致街谷内污染物扩散趋势也发生了很大变化。此时，矩形框西侧的主干道内已无污染物，矩形框南侧街道受两侧气流的挤压，在此处聚集了大量污染物，而在矩形框东侧的主干道则分裂成多个团状分布的污染物；支路仅在支路C、D处聚集了部分多块断裂团状污染物。总之，东侧建筑群处污染物浓度远大于西侧。在北风气流的作用下，污染物在矩形框东南侧街道呈条状分布，在主干道B及建筑群南侧以团状聚集。由图8和图6相比，在该高度处上游气流的绕流作用减弱，并在矩形框内形成气流速度极大值区域，而在部分支路形成低气流速度的静风区。总之，由于西北风工况迎风面积大于北风工况的迎风面积，因此气流的斜向吹入对此高度处污染物的扩散更有利。

图6 两种风向距地10.0 m处气流速度流线

图7 两种风向下距地20.0 m处污染物摩尔浓度分布

图8 两种风向距地20.0 m处气流速度流线

2.5 30.0 m高度处气流速度和污染物浓度分布

由图9可见，30.0 m高度处建筑群密度降低，矩形框位置不存在建筑，西北风向时街谷西侧基本无污染物，在主干道中仅在矩形框东侧和居中位置存留部分团状污染物，受风向的影响，在支路C、D处受建筑的阻碍作用停留一些污染物，并逐渐向下游扩散。北风向时，团状污染物主要分布于主干道B中，较少污染物位于建筑群南侧，继续向下游扩散。由图10和图6、图8相比，30.0 m高度处西北风向的气流绕流作用减弱。西北侧矩形框处流入的气流将整个街谷分隔成两段，从矩形框流入的大部分气流向南侧和东侧扩散，而在西侧流入街谷的气流受矩形框处流入气流的阻挡顺着来流方向扩散出建筑群外，同时也在建筑群外的东南侧形成大部分静风区。由于建筑群对北风向的气流速度造成的衰减，静风区在建筑群南侧形成。总的来说，通过控制建筑的连续界面诱导街谷中的气流横向绕流，或在临街上游设置合适的开敞空间，以增加来流通风廊道，可有效改善街谷中污染物的扩散。

文献[17]给出了城市街道峡谷中人员停留区内污染物停留时间(τ，s)的计算公式(见式(2))，对分析街道峡谷中污染物扩散有重要价值。其模型以三维城市典型街道峡谷建筑群为对象，与本研究的模型相似，因此同样采用式(2)计算不同风向下街道人员停留区内污染物停留时间，结果如表1所示。两种风向下每条街道人员停留区内污染物停留时间排序规律相同，都满足街道C>街道A>街道B>街道D的规律；不同风向下每条街道人员停留区内污染物停留时间不同，说明风向对每条街道内污染物的影响存在差异，每段街谷内的污染物扩散分布不是孤立系统，而是相互关联的有机整体，具体路段污染物的分布受临街和上下游建筑密度等多重因素的影响，单一因素的改变会对临近等多处位置造成影响。