楊 方，鐘 珂，亢燕銘（東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

街道峽谷對稱性對污染物擴散的影響

楊 方，鐘 珂，亢燕銘*（東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

采用數(shù)值模擬的方法，研究了行列式和錯列式街谷兩側建筑物的對稱性對街谷內(nèi)和下游建筑尾流區(qū)污染物濃度的影響，并引入3個用于評價室內(nèi)空氣環(huán)境的指標來描述街谷中人員區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量.結果表明，平均殘留時間（ART）和有效通風率（PFR）可用于評價不對稱街谷內(nèi)的空氣質(zhì)量.街谷的不對稱性對街谷內(nèi)部和下游建筑尾流區(qū)污染物濃度分布均有明顯影響.下游建筑越低，則尾流區(qū)的濃度越高.行列式和錯列式街谷中人員活動空間的無量綱平均濃度分別在建筑高度比例為7/3和7/2時最大.為在城市規(guī)劃中盡可能避免出現(xiàn)最不利比例的街谷，根據(jù)平均殘留時間和有效通風率等指標，給出了上下游建筑高度比與最不利街谷改善率的關系.

非對稱街道峽谷；街谷上下游建筑高度比；最不利比例街谷；有效通風率；平均殘留時間

隨著我國機動車保有量的逐年增加，道路交通排放已成為導致城市空氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化的主因之一.城市街道峽谷（簡稱“街谷”）中的流場性質(zhì)和機動車尾氣擴散特征與街谷結構密切相關.街道兩側的臨街建筑高度相等時，構成對稱型街谷；道路兩側建筑高度相差較大時，則構成非對稱街谷.隨著城市規(guī)劃的多樣性發(fā)展，不對稱街谷越來越普遍.

大量文獻針對街谷流場和污染物分布特征進行了研究［1-9］，但大多數(shù)都是關于街道兩側建筑物高度相等的情況［1-6］，而關于非對稱街谷內(nèi)部流場和污染物濃度分布特征的研究較少.Xie等［8］研究了街道兩側建筑物高度的比值對街谷內(nèi)渦流結構的影響.何澤能等［9］通過模擬不同高度比的街谷內(nèi)流場，指出峽谷的對稱性對其內(nèi)部氣流場有顯著影響.Hang等［10］的研究表明，在非對稱建筑群中，相對于湍流作用，水平和垂直方向的平均流對污染物擴散的影響較大.汪立敏等［11］指出，當下游建筑高度低于上游建筑時，街谷內(nèi)的流場及濃度場與對稱街谷時相似.當下游建筑高于上游建筑時，街谷內(nèi)的流場較之對稱街道峽谷有較大的變化.羅昔聯(lián)等［12］的研究表明，上游建筑高于下游建筑的非對稱街谷中，街谷內(nèi)顆粒物濃度遠高于同類型其它幾何尺寸街谷.

盡管上述研究考慮了非對稱街谷中的氣流運動和污染物空間分布特征，但關于不對稱性對街谷內(nèi)人員活動區(qū)空氣品質(zhì)的影響效果尚未涉及，缺乏可供城市規(guī)劃設計師參考的合理建議.為深入了解街谷不對稱性形成的氣流特征對機動車尾氣擴散的影響，以尋求街谷不對稱程度與街谷內(nèi)空氣品質(zhì)的量化關系，本文利用計算流體力學方法，研究分析三維街谷中上、下游建筑高度比對街谷內(nèi)以及下游建筑尾流區(qū)氣流和污染物濃度分布的影響.同時，為了更好地評價氣流對街谷中污染物的清除效果，引入相關的通風效率指標對街谷內(nèi)空氣質(zhì)量進行評價，為城市的合理規(guī)劃提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù).

1 物理模型與計算方法

為獲得街谷不對稱性對氣流和污染物擴散影響的詳細信息，對街道邊界做了簡化，分別對街道兩側建筑為規(guī)則排列的行列式布局和錯列式布局的街道模型結構進行數(shù)值模擬.圖1給出了行列式和錯列式建筑布局構成的街谷，以及計算域尺寸.圖中還給出了隨后分析中涉及到的部分幾何參數(shù)（圖中A-A為垂直方向剖面，位于建筑物1/4長度處；L1、L2為街谷呼吸高度處沿街道分布的直線，分別靠近街谷端部和中心）.

圖1 不同建筑布局構成的街谷模型和計算域的尺寸Fig.1 Sketch of street canyon models for different building arrangements and the computational domain

設所有臨街建筑長60m （L），寬15m （B），街寬為30m （W），街道同側相鄰建筑間距S=20m，因而臨街建筑物在y方向成周期性排列.考慮街谷內(nèi)污染物擴散最不利的情況，設來流風向垂直于街谷軸線.此時，所形成的街谷流場也呈周期性空間分布.因此，為節(jié)約計算成本，采用鏡像法，通過設置對稱面，僅計算圖1（a）和（b）中虛線區(qū)域.本文針對臨街為多層建筑的街谷進行研究，建筑物最大高度為21m.數(shù)值模擬中，為盡量消除計算區(qū)域有限導致的端部效應，模擬時做如下處理［13-14］，迎風的首排建筑距求解區(qū)域上游邊界為12H，末排建筑距區(qū)域下游出口17H，建筑頂部距上方自由邊界面5H.如圖1（c）所示.使用非結構網(wǎng)格劃分計算空間，為保證給出更細致的近壁面處的計算結果.經(jīng)過網(wǎng)格獨立性測試后，建筑物附近最細網(wǎng)格為0.3m，模擬區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為310～370萬.

設街谷兩側上游和下游建筑物高度分別為H1和H2，分別針對不同的H1和H2組合進行模擬計算，具體組合情況見表1.

設模擬區(qū)域的入口處流速均勻，并將其邊界設為速度進口；由于出口處可視為充分發(fā)展湍流，故將出口邊界條件設為outflow.地面和建筑表面為無滑移壁面，計算域壁面則設為有滑移壁面.

湍流特性和風速的垂直特性受地形的影響，并與地形的粗糙度有著密切的關系.計算域入口風速的垂直特性由冪指數(shù)律給出，如下式所示：

表1 上、下游建筑的高度Table 1 Heights of upwind and downwind buildings

式中：z為任一高度，m；Vz為任一高度處的平均風速，m/s；α為地面粗糙度指數(shù)，地形越粗糙，地表對氣流的阻滯作用越強，α也越大，根據(jù)相關文獻［16］，這里α=0.25；h為標準參考高度，m；Vh為在此高度處測得的標準參考風速，m/s，在本文中定義最高建筑屋頂高度處（H=21m）的風速為屋頂風速Vr.我國長江中下游地區(qū)平均風速通常在1.4～5.3m/s［17］，對應的流動Reynolds為2×106～7.6×106.此時流場處于自模區(qū)范圍內(nèi)［18］，即風速的變化不會對研究結論有較大的影響.本文對屋頂來流風速Vr=2.0m/s時進行模擬計算.

為模擬機動車尾氣排放，將交通污染源視作連續(xù)均勻散發(fā)的線源，設置于街谷底部，它的中心軸線與街谷的中心線重合，寬10m，高0.5m.本文研究粒徑為1μm的顆粒污染物的擴散和分布規(guī)律，污染源強度q0=0.02kg/s.為了便于比較，顆粒物濃度用無因次濃度C*的形式表示：

式中：Ci是i點處的顆粒物濃度，kg/m3；Ls為污染源長度，m.

2 模型的合理性驗證

為了對所采用的數(shù)值模型進行可靠性驗證，分別以Li等［19］和Meroney等［20］關于街谷流場和濃度分布的實驗參數(shù)（包括街谷幾何參數(shù)、流動參數(shù)和污染物參數(shù)）為基本數(shù)據(jù)，利用本文擬采用的離散模式、網(wǎng)格劃分方法和計算控制等對二者的實驗分別做了數(shù)值再現(xiàn).其中速度場采用Li等［19］的水槽實驗結果，并沿水平（x方向）和垂直（z方向）兩個方向同時考察風速廓線；在速度場得到驗證后，繼續(xù)求解濃度場，對比數(shù)據(jù)采用Meroney等的實驗結果.圖2給出了數(shù)值計算結果與上述實驗研究結果的比較.由于近年來，有研究建議用大渦模擬分析街谷流動問題，圖中也以Liu等［21］的模擬為例，給出了大渦模擬速度場計算曲線.

圖2 風速和濃度數(shù)值計算結果與實驗數(shù)據(jù)的比較Fig.2 Comparisons of wind speed and concentration between numerical results and the experimental data Vzx和Vzz為分z方向的風速分量

由圖2（a）和圖2（b）可以看到，本文與Liu等［21］的大渦模擬結果在街谷內(nèi)大部分區(qū)域均與實驗結果吻合得較好，這說明本文的湍流模型能夠正確計算街谷內(nèi)流場情況.圖2（c）中的背風區(qū)濃度計算結果與實測也符合得較好，迎風區(qū)則完全吻合.表明本文采用的計算方法可以很好地預測街谷內(nèi)的氣流流動和污染物濃度分布.

3 結果與討論

3.1 街谷對稱性對建筑周圍流場和顆粒物平均濃度的影響

街谷兩側建筑物高度不同時，來流受到的阻擋作用不同，從而導致街谷內(nèi)渦流結構與對稱性密切相關.圖3僅以行列式的A-A剖面［圖1（a）］為例，給出了H1/H2不同時，建筑周圍氣流的流線和顆粒物濃度分布情況.

圖3 行列式街谷中A-A剖面上（y=25m）流場和污染物無量綱濃度分布Fig.3 Flow field and dimensionless concentration distributions at A-A plane （y = 25m） for regular arrangement

從圖3可以看出，當H1/H2不同時，不僅街谷內(nèi)的氣流分布和濃度分布不同，下游建筑尾流區(qū)域的流場和濃度場分布也不同.對于上階梯型街谷［圖3（a）］，來流在下游建筑的阻擋下，在街谷內(nèi)存在兩個順時針旋轉(zhuǎn)的渦流，在橫向方向上幾乎各占街谷的一半.在渦流的作用下，機動車排放的污染物被輸送到背風面，再通過背風面屋頂處排出街谷，并很快被來流稀釋，已流出污染物幾乎沒有再次流進街谷，街谷中機動車排放的污染物流入下游建筑尾流區(qū)的量很小.在完全對稱的等高街谷中，街谷內(nèi)僅有一個順時針渦流［圖3（b）］，在渦流的作用下，污染物在背風面和地面產(chǎn)生堆積，濃度隨著高度的遞增而減少.此時從背風面屋頂排出的污染物一部分再次流進街谷，一部分流入尾流區(qū).對于下階梯型街谷［圖3（c）］，街谷中存在一個范圍相對較大的渦流，渦流通過下游建筑屋頂延伸至尾流區(qū)，因而街谷中污染物容易被帶出街谷，進入尾流區(qū)，使得尾流區(qū)濃度相對較高.

街谷內(nèi)不同高度處的污染物濃度有很大區(qū)別，因此以不同的高度（或高度范圍）的污染物濃度數(shù)據(jù)進行分析討論產(chǎn)生的結論可能是不同的，降低街谷內(nèi)行人的呼吸濃度是改善街谷空氣品質(zhì)的根本目的，因此本文針對人員活動空間內(nèi)（高度在2m以下）的平均濃度進行分析討論.并統(tǒng)一采用人員活動空間內(nèi)（高度在2m以下）的平均濃度來評價街谷空氣品質(zhì).

本文關注尾流區(qū)內(nèi)距離下游建筑背風面30m以內(nèi)區(qū)域的污染物濃度.圖4給出了街谷中和下游建筑尾流區(qū)的人員活動空間內(nèi)污染物濃度的無量綱值與建筑高度比（即不對稱性）的關系，同時也給出了尾流區(qū)和街谷中人員活動空間污染物濃度之比k，即：

從圖4（a）可以看出，行列式街谷人員活動空間內(nèi)平均濃度受對稱性影響很大，在H1/H2=7/3時，街谷人員活動空間內(nèi)平均濃度最大.而尾流區(qū)人員活動空間中的平均濃度幾乎不隨對稱性變化而改變，在H1/H2=3/7～7/2，幾乎為常數(shù)，并且相對街谷人員活動空間內(nèi)濃度都很小.這使得尾流區(qū)和街谷中人員活動空間污染物濃度的比值k幾乎完全受控于街谷濃度.還可以看到，當街谷為上階梯極不對稱（H1/H2=1/7）時，下游建筑有效地保護了尾流區(qū)；當街谷為下階梯極不對稱（H1/H2=7/1）時，上游建筑對污染物擴散的阻擋作用迫使機動車尾氣在近地面區(qū)域擴散開，由于下游建筑過低，造成尾流區(qū)的人員活動空間濃度相對于街谷內(nèi)人員活動空間濃度不可忽略.

圖4 下游建筑尾流區(qū)與街谷人員活動空間的無量綱濃度及其濃度比Fig.4 Dimensionless pollutant concentrations in the downstream building wake regions and street canyons and the ratios between the two

由圖4（b）可以看到，對于H1/H2＜1的上階梯式街谷，錯列式街谷尾流區(qū)的人員活動空間幾乎不受污染；而在下階梯式街谷中，尾流區(qū)濃度隨著下游建筑高度的降低而增大，同樣是因為下游建筑越低，對尾流區(qū)的保護作用越弱.街谷人員活動空間內(nèi)平均濃度最大值出現(xiàn)在H1/H2=7/2.尾流區(qū)和街谷中人員活動空間污染物濃度之比k隨著H1/H2單調(diào)增大.

3.2 街谷不對稱性對街谷內(nèi)濃度分布規(guī)律的影響離地1.5m高度處是行人平均呼吸高度.為了比較街谷不對稱性對街谷內(nèi)顆粒物濃度水平分布的影響，圖5和圖6分別給出了1.5m高度處行列式和錯列式街谷在靠近上游建筑端部和中心［具體位置見圖1（a）和圖1（b）中的直線L1和L2］處顆粒物濃度的水平變化曲線.

圖5 行列式街谷內(nèi)行人呼吸高度處（z = 1.5m）顆粒物濃度分布Fig.5 Dimensionless pollutant concentration distributions along the streets at the breathing levels （z = 1.5m） inregular canyons

由圖5（a）可以看出，在靠近行列式街谷缺口處，H1/H2=7/3是臨界點，這時最大濃度值發(fā)生在街谷中央附近.當H1/H2≤7/5時，濃度峰值發(fā)生在背風面附近.這是由于下游建筑高，對來流產(chǎn)生的較強阻擋作用所誘發(fā)的渦流將機動車排放的污染物輸送至背風面，如圖3（a）和（b）所示.此外還可以看到，H1/H2越接近1，即對稱性越強，街谷內(nèi)濃度最大值越高.當H1/H2＞7/3時，盡管濃度沿街道寬度方向變化較小，但明顯可以看到迎風面附近濃度最大.同時街谷越對稱，即H1/H2越接近1，濃度越大.

從圖5（b）可以看出，不論對稱性如何，街谷中心區(qū)的濃度分布特征均為背風區(qū)濃度高于迎風區(qū)濃度.同樣，H1/H2=7/3是臨界點，此時街谷中的濃度最大值最高，隨著H1/H2偏離7/3，最大濃度逐漸變小.

圖6 錯列式街谷內(nèi)行人呼吸高度處（z = 1.5m）顆粒物濃度分布Fig.6 Dimensionless pollutant concentration distributions along the streets at the breathing levels （z = 1.5m） instaggered canyons

由圖6（a）和6（b）可以看到，錯列式街谷中，除了極不對稱的下階梯街谷中靠近上游建筑端部位置外，街谷不對稱性不會改變背風區(qū)濃度偏高的特性，但濃度最大值會受到對稱性的影響.與圖5比較，可以認為，街谷不對稱性對街道內(nèi)污染物濃度分布規(guī)律的影響，在行列式街谷中的作用明顯大于錯列式街谷.

為了綜合比較建筑布局對街谷行人呼吸域內(nèi)污染物擴散的影響，引入3種原本用于評價室內(nèi)空氣質(zhì)量的指標來描述街谷呼吸域內(nèi)的空氣質(zhì)量.

有效通風率（PFR）：可以理解為將污染物趕出空間所需要的空氣量，它反應了空氣清除污染物的能力，其表達式為［22］：

式中：qp為污染物的產(chǎn)生速率，kg/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空間內(nèi)污染物平均濃度，kg/kg.

訪問頻率（VF） 街谷內(nèi)部分污染物在渦流作用下，可能出現(xiàn)被氣流帶出街谷后有再次進入街區(qū)的情況，訪問頻率VF用于表示一個污染氣體微團進入空間的次數(shù).空間中所有污染空氣微團的平均訪問次數(shù)可用公式（5）計算，VF值越小，表示較少的污染氣體返回空間，氣流清除污染物的能力較高.

式中：Δqp是顆粒物進入空間的流量，kg/s；Si為空間邊界平面i的面積，m2；u是空氣進入空間通過邊界平面i時的平均速度，m/s；c是邊界平面i的污染物濃度，kg/kg；n為空氣進入空間通過的邊界平面總數(shù)，u′是速度的波動量，m/s；c′是濃度的波動量，kg/kg.uc與ρSi相乘代表空間進氣量，kg/s與ρSi相乘代表湍流擴散部分的進氣量，kg/s.

平均殘留時間（ART） 對于一個顆粒物或污染氣體微團來說，殘留時間被定義為污染物從最開始進入空間到最后離開空間的時間.可用下式計算：

應用平均值的概念，將VF和ART相乘表明空間內(nèi)所有顆粒物的平均殘留時間.V為空間體積，m3.

根據(jù)以上公式分別計算H1/H2不同時街谷各項指標的變化，圖7分別給出了街谷內(nèi)平均濃度和以上3種指標隨著H1/H2的變化曲線.

圖7 H1/H2對街谷人員活動空間內(nèi)各項指標的影響Fig.7 Effect of ratios H1/H2on indices in the pedestrian domains

由圖7可以看到，除了訪問頻率（VF），行列式街谷中另外兩個指標和平均濃度的最不利值都出現(xiàn)在7/3，錯列式街谷中另外3個指標的最不利值都出現(xiàn)在7/2，表明平均殘留時間（ART）、有效通風率（PFR）和街谷人員空間平均濃度（C）都可以用于評價街谷不對稱性對濃度分布的影響.本文中污染物產(chǎn)生速率恒定，此時有效通風率（PFR）與濃度（C）成反比關系，使用濃度（C）評價街谷內(nèi)空氣品質(zhì)更直接明了，但若顆粒物產(chǎn)生速率或空氣密度隨時間發(fā)生變化，則適合采用有效通風率（PFR）評價街谷內(nèi)的空氣品質(zhì).

圖7表明，行列式街谷和錯列式街谷中，人員空間濃度最大值分別在H1/H2=7/3和7/2時，均為下階梯式街谷.因此在規(guī)劃街道時.應結合當?shù)刂鲗эL向.盡可能避免這種街谷出現(xiàn).

3.3 街谷不對稱性與最不利街谷空氣品質(zhì)改善率

在城市規(guī)劃中，應盡可能偏離最不利街谷比例，為此定義相對于最不利街谷時，實際街谷空氣品質(zhì)的改善率ηi為：

式中：Ai為待規(guī)劃街谷的第i個評價指標的預測值；Ai0為最不利比例街谷內(nèi)第i個評價指標的預測值.在本文條件下，有效通風率PFR與平均濃度C的改善率完全一致.但為了在污染物強度隨時間發(fā)生變化時也能夠全面反應空氣品質(zhì)的改善情況，圖8給出街谷人員活動空間中指標PFR和ART的改善率ηi與建筑高度比的關系.

圖8 H1/H2對街谷人員活動空間內(nèi)各項指標改善率的影響Fig.8 Effect of ratios H1/H2on percentage decrease of the indices in the pedestrian domains

從圖8可以看到，結合城市主導風向形成上階梯式街谷，對街道內(nèi)空氣品質(zhì)改善作用大于下階梯式街谷.上階梯式街谷兩側建筑的最佳比例H1/H2為3/7，此時空氣品質(zhì)改善率高達70～92%.據(jù)此，城市規(guī)劃設計人員可以根據(jù)實際環(huán)境盡可能地避免出現(xiàn)最不利街谷設計，并明確由此對街谷空氣品質(zhì)的改善程度.

4 結論

利用三維數(shù)值模擬分別研究了行列式和錯列式建筑布局中上、下游建筑高度比例對街谷內(nèi)和下游建筑尾流區(qū)污染物分布的影響，并引入3種原本用于評價室內(nèi)空氣質(zhì)量的指標來描述街谷人員活動空間內(nèi)的空氣質(zhì)量.

4.1 街谷不對稱性對街谷內(nèi)部和下游建筑尾流區(qū)污染物濃度分布均有明顯影響.下游建筑越低矮，下游建筑尾流區(qū)濃度越高.

4.2 盡管平均殘留時間ART和有效通風率PFR是為評價對稱街谷空氣品質(zhì)而提出的，但本文計算結果表明，在評價不對稱街谷空氣品質(zhì)時，平均殘留時間ART和有效通風率PFR是適用的.

4.3 當街谷兩側為多層建筑時，行列式和錯列式街谷中上下游建筑高度比例分別為7/3、7/2時為最不利于機動車尾氣擴散的街谷尺寸，相對于最不利比例街谷，上階梯式街谷的空氣品質(zhì)改善率高于下階梯式街谷.為便于城市規(guī)劃中盡可能避免出現(xiàn)最不利比例街谷，本文給出了上下游建筑高度比與最不利街谷空氣品質(zhì)間的關系.

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Effects of street geometric configurations on the pollutant dispersion around the canyons.

YANG Fang， ZHONG Ke，KANG Yan-ming*（School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：706～713

The effect of street geometric configurations， i.e.， building height layout， on pollutant distributions in both regular and staggered street canyons and the wake region of the downstream buildings are estimated by using the computational fluid dynamic （CFD） simulations. Three ventilation efficiency indices for evaluating indoor environment are applied to assess the air quality in the pedestrian domain. The numerical results show that average residence time（ART） and purging flow rate （PFR） can be used to evaluate the air quality inside the street canyons. The flow field and pollutant distribution inside and outside the canyon are greatly influenced by the building height layout， and the pollutant concentration in the wake region increases with decreasing the downstream building height. The highest values of the average concentration may occur in the pedestrian domain when the height ratios of the upstream building to the downstream building， i.e.， H1/H2， are 7/3 and 7/2 for regular and staggered canyons， respectively. In order to avoid these unfavorable building height layouts during urban planning， the relationships between H1/H2and the percentage reductions in PFR and ART are analyzed for both the regular and staggered arrangements.

asymmetrical street canyon；height ratio of upstream building to downstream building；worst building height layout；purging flow rate；average residence time

X51， P463， TU119， TU984

A

1000-6923（2015）03-0706-08

楊 方（1988-），女，江蘇連云港人，博士研究生，主要從事城市大氣環(huán)境與室內(nèi)空氣品質(zhì)研究.發(fā)表論文4篇.

2014-07-20

國家自然科學基金（40975093，41275157）；上海市教委科研創(chuàng)新重點項目（14ZZ073）

* 責任作者， 教授， ymkang@dhu.edu.cn