灌木植被对街道峡谷机动车污染物扩散的影响

徐沛巍，李晓莉，吕 广，张 帅，李 进，战乃岩

(1.吉林省教育学院信息技术系，吉林 长春 130022；2.长春建筑学院城建学院，吉林 长春 130600；3.吉林建筑大学应急科学与工程学院，吉林 长春 130118)

随着机动车保有量的增长，交通尾气排放已成为城市空气污染的主要来源[1-3].而绿色植被作为现代城市的重要组成部分，对街道峡谷内机动车尾气污染物的扩散、稀释和消除影响很大.低矮灌木在城区绿化植被所占比例较大，因此研究低矮灌木对机动车尾气污染物扩散规律的影响意义重大.

针对低矮灌木对机动车尾气污染物扩散的影响，已有一些相关的研究报道.Vos等[4]研究发现，由于街道峡谷中存在灌木，污染物浓度增加.Riccardo Buccolieri等[5]通过风洞试验和数值模拟，研究了林荫道绿化对城市街道峡谷内水流和交通源污染物扩散的空气动力学效应，在有树木的情况下，测量和模拟结果均表明与无树木的情况相比，背风壁附近的污染物浓度较大，迎风壁附近的污染物浓度略低.Annett Wania等[6]通过ENVI-met技术发现，植被可以降低树冠高度处的风速，并破坏树冠附近的流场；随着街道峡谷高宽比的增加，风速降低增加，气流的扰动会影响峡谷的整个宽度.已有的研究[7-9]表明，灌木减少了街道峡谷人行道地区污染物暴露的24%～61%.Wania A.等[10]研究发现，低矮灌木通过产生局部涡流将空气污染物转移至行人区域，低渗透性和较高(2.5 m)的灌木会在人体呼吸高度更多地减少污染.

Antoine[11]研究发现，乔木会降低街道峡谷的风速，导致屋顶上方和峡谷内部之间的空气交换减少，从而导致污染物在街道峡谷内部积聚；Chen X P[9]等通过线性回归分析得出，灌木具有减小街道峡谷空气污染的潜力，灌木通过产生局部涡流将污染物粒子从人行道区域转移；战乃岩等[12]采用ENVI-met技术进行的相关研究表明，街道峡谷内乔木与灌木联合作用时，灌木高度过低并不会改善街道峡谷内污染程度.

上述研究仅单一地分析了低矮灌木对街道峡谷污染物扩散的影响程度，但更详细的影响因素，如灌木高度、排列数及连续性等因素对街道峡谷污染物分布的影响尚未见报道.数值模拟软件ENVI-met的内核模型为标准E-ε湍流模型，利用标准稳态E-ε湍流模型与组分输运方程，并将植被简化为多孔介质的研究方案能够比较好地模拟绿色植被对街道峡谷内机动车污染物扩散的影响.因此，本文利用三维城市微气候模型ENVI-met软件，对街道峡谷污染物浓度分布进行了数值模拟，分析了灌木高度、排列数及连续性等因素对街道峡谷污染物扩散的影响程度，以为城市绿色规划提供理论依据.

1 物理模型与数学模型

1.1 物理模型

街道峡谷是由城市街道与临街两侧连续建筑合围而成的狭长空间[13]，选取任一典型街道峡谷(见图1)作为模拟对象.模型计算域覆盖范围为50 m×50 m×30 m，其中街道宽度(W)18 m，建筑长度(L)27 m，建筑宽度WA=WB=9 m，建筑高度(H)9 m，街道峡谷的高宽比为W/H=1/2，长宽比为L/H=3，为浅街道峡谷[14].建筑物关于街道中心线对称分布.根据相关研究[15]结果，忽略建筑物屋顶形状对街道峡谷内污染物分布的影响，假设建筑物屋顶为平面.

图1 街道峡谷模型平面图

1.2 污染源与监测点设置

颗粒物(PM)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、挥发性有机物(VOCs)等是机动车排放的主要污染物.其中，PM10对人体健康危害较大[16]，因此，选取PM10作为机动车排放示踪污染物.

两条线性污染源对称分布在平行于街道峡谷中心线的机动车道中央，用于模拟实际道路中的双向机动车道.污染物排放高度为0.3 m，单条污染源恒定排放速率为5.56 μg/(s·m)；日车流量为10 000辆，其中4%为重型运输车辆的污染物排放量[17].

为定量分析灌木布置对街道峡谷中人行道处污染物浓度分布的影响程度，建筑A，B两侧等距离分别设置了9个污染物监测点，其中1—3号监测点为区域Ⅰ，4—6号监测点为区域Ⅱ，7—9号监测点为区域Ⅲ(见图2).

图2 污染物监测点位置

1.3 植被布局方案

综合考虑，本文设计了3种植被布局方案5种布局方式(见图3)，其中，黑色方块表示建筑物，深灰色条状表示污染源，浅灰色条状或方块表示灌木.灌木高度(h)1.5～2.25 m.

(a)无植被；(b)方案1；(c)方案2；(d)方案3

方案1：在建筑物和机动车专用道两侧各2 m处设置两排灌木，连续排列，建筑物和灌木之间为人行道；

方案2：在机动车道之间的道路中心布置一排灌木；

方案3：在建筑物和机动车专用道两侧各2 m处设置两排灌木，等间距不连续排列，建筑物和灌木之间为人行道.

根据城市主导风向，来流风风向分别设置为0°和90°(0°：来流风与街道峡谷相互平行；90°：来流风与街道峡谷垂直)，如图3所示；来流风速均为3 m/s，具体参数见表1.

表1 街道峡谷与灌木配置

1.4 数学模型

本文采用的数学模型包括Navier-Stokes方程、连续性方程、E-ε方程及污染物扩散模型.Navier-Stokes方程采用三维非静力不可压缩流体模式求解风场，同时考虑了地转偏向力、浮升力的影响.污染物扩散过程涉及流体流动，需应用连续性方程[18].污染物扩散方程是基于颗粒物和气体在大气中和表面上的经典动力学原理提出的[19].气体在墙体表面出现气流速度剪切时会产生湍流，因此用湍流动能及其耗散率计算大气湍流的变化率[20].

Navier-Stokes方程：

(1)

(2)

(3)

连续性方程：

(4)

式中：u，v，w分别为x，y，z方向的速度分量，m/s；ui为爱因斯坦求和约定，ui=u，v，w，i=1，2，3；p是局部压力扰动值，Pa；Km为湍流动量交换系数；f是科里奥利参数，104(s-1)；ug，vg为地转风在u，v方向上的速度分量，m/s；θ(z)为z高度处的大气温度，θref(z)为基准大气温度，K；局部源/汇项Su，Sv，Sw描述了由于植被的阻力而造成的风速损失.

E-ε方程：

(5)

(6)

式中：E为湍流动能；ε为湍能耗散率；KE，Kε为湍流交换系数；Pr和Th为风切变和浮力热分层引起的湍流能量的产生和耗散；QE和Qε为植物引起的湍能产生及耗散；c1，c2，c3为经验常数，c1=1.44，c2=1.92，c3=1.44.

污染物扩散方程：

(7)

式中：x是区域颗粒物浓度，mg/kg；污染源因子Qx和沉降因子Sx为引起x浓度升降的区域污染源和颗粒物沉降.

模型网格单元的大小设置为1 m×1 m×1 m，最小的5个单元网格尺寸为1 m×1 m×0.2 m.

2 结果与讨论

由于1.5 m人体呼吸高度的污染物浓度是影响城市居民空气污染暴露水平的关键因素之一[21]，且该高度处交通污染影响最为严重[22]，故选此高度平面作为PM10浓度监测平面.

2.1 无植被工况街道峡谷风环境与污染物浓度分布

图4为无植被工况距地1.5 m水平高度处建筑A和B监测点风速及污染物浓度对比图.由图4可见，来流风速在建筑A和B的人行道处沿监测点1—9方向均呈先下降后上升趋势，在接近建筑A和建筑B处相差不大，且在区域Ⅱ内达到最小值.而街道峡谷内污染物浓度与风速呈负相关，污染物浓度随风速减小逐渐增大，在区域Ⅱ达到最大值；同时在区域Ⅰ和区域Ⅲ内，建筑A侧污染物浓度均高于建筑B侧，但在区域Ⅱ内，建筑B侧污染物浓度高于建筑A侧.

图4 无植被工况监测点风速及污染物浓度分布

图5为无植被工况下监测点5处垂直截面风速图.由图5可见，街道峡谷内存在两种不同的涡旋结构，街道峡谷中段(区域Ⅱ)的峡谷涡旋和街道峡谷首尾段(区域Ⅰ和Ⅲ)的街角涡流.在掠过建筑屋顶的空气流的驱动下，街道峡谷中段形成一个逆时针旋转的峡谷涡旋，该涡旋将建筑A侧污染物粒子裹挟至建筑B侧，使建筑B侧污染物浓度高于建筑A侧.因建筑末端街角涡流的影响，环境空气水平进入街道峡谷并起到自然通风作用，对街道峡谷首尾段的污染物起到稀释和去除作用.

图5 无植被工况下监测点5处垂直截面风速

2.2 植被高度和排列数对污染物浓度分布的影响

图6为当空气以3 m/s的速度垂直进入街道峡谷时，几种布局方案在1.5 m水平高度处的PM10浓度分布图.由图6可见，与无植被的街道峡谷内污染物浓度相比，灌木植被的存在加剧了街道峡谷内污染的程度.对比(b)，(c)与(d)，(e)可以看出，临街两排的灌木植被布局与中心一排的灌木布局相比，迎风侧人行道污染物浓度低于背风侧，但在建筑背风侧却呈现了更大范围的污染物浓度分布，这会使行人在背风侧人行道停留时间增加，加剧了污染物对人体的伤害程度.

(a)无植被；(b)h=1.5 m临街两排；(c)h=2.25 m临街两排；(d)h=1.5 m临街一排；(e)h=2.25 m临街一排

图7为街道峡谷内9个监测点污染物浓度分布曲线.由图7可见，灌木植被对街道峡谷内污染物浓度的影响主要在区域Ⅱ，且对建筑B侧(背风侧)的影响程度大于建筑A侧(迎风侧).灌木高度对建筑A侧污染物浓度的影响可忽略不计，而临街两排和中心一排的灌木布局与无植被布局相比，污染物最高浓度分别增加了45.0%和49.5%.在建筑背风侧，灌木高度为1.5 m、中心一排的布局对于街道峡谷污染物浓度增加贡献率最低，为59.8%；灌木高度为2.25 m、临街两排的灌木布局对街道峡谷污染物浓度增加贡献率最高，为78.4%；其余两种布局的污染物浓度增加贡献率约为65.8%.同时，当灌木临街两排和中心一排排列时，灌木高度每增加0.75 m，污染物浓度增加贡献率分别上升7.5%和3.4%.分析主要原因归于街道峡谷内风环境的弱化，过高的灌木高度和灌木密度严重削弱了街道峡谷内的空气流动速度，影响了街道峡谷内的空气流动效果[15-17]，使污染物无法及时稀释和消除，从而加重了街道峡谷内的污染程度.

(a)建筑A侧；(b)建筑B侧

2.3 植被连续性对污染物浓度的影响

图8为当空气以3 m/s的速度垂直进入街道峡谷、灌木连续性不同时，1.5 m水平高度处的PM10浓度分布图.由图8可见，与无植被方案相比，灌木不连续排列的布局对建筑A侧(迎风侧)的污染物浓度影响更大，其污染物浓度增加贡献率为46.2%，比灌木连续排列方案的增加率高3.02%.同样在建筑B侧(背风侧)，当植被高度相同时，较低的灌木密度对街道峡谷污染物浓度增加的贡献率较低，其在区域Ⅱ最大的污染物增加贡献率为64.4%，与连续排列的植被布局相比，污染物浓度增加贡献率低14%(见图9).与灌木连续排列的植被布局相比，不连续排列的结构污染物浓度增加贡献率低的原因主要是相邻灌木之间的空地内存在局部涡流，这些局部涡流使建筑背风侧污染物增加趋势大幅降低，但其代价是建筑迎风侧污染物浓度的小幅度增加.

3 结论

本文利用ENVI-met三维城市微气候模拟软件，针对城市主导风向，在建筑高宽比W/H=2工况条件下，分析了灌木高度、排列数及连续性对街道峡谷内污染物浓度分布的影响，结果表明：

(1)主导风向会使街道峡谷污染物在峡谷涡旋的作用下，由建筑迎风侧裹挟至建筑背风侧，加剧背风侧的污染程度.

(2)在浅街道峡谷，污染物浓度会由于灌木的存在而增加.当灌木临街两排和中间一排排列时，灌木高度每增加0.75 m，浅街道峡谷内污染物增加贡献率分别上升7.5%和3.4%.即灌木高度增加、污染程度加重.

(3)临街两排布局与中心一排布局相比，因植被密度增加，削弱了风速，污染程度加重.灌木高度和排列数的相互作用进一步加重了空气污染程度，灌木越高、排数越多，污染程度越严重.灌木高度为2.25 m、临街两排的植被布局与其他植被布局相比，建筑背风侧污染物浓度增加程度达到最大值，为78.4%.

(4)灌木不连续排列，会降低浅街道峡谷背风侧污染物浓度，但会加剧迎风侧污染程度.因此，当街道峡谷类型为浅街道峡谷时，配置灌木作为缓解空气污染的方法并不适合.