秦曉春,劉 睿,韓 瑩

聲屏障對城市道路環(huán)境空氣質量的影響規(guī)律研究

秦曉春*,劉 睿,韓 瑩

(北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

為研究聲屏障對道路交通污染擴散和空氣質量的影響規(guī)律,基于三維計算流體動力學理論,運用Fluidyn-Panache仿真及CFD求解器進行數值模型計算分析,對比有、無聲屏障情況下的風速矢量圖與PM2.5、CO、NO3種主要污染物濃度分布圖,并對仿真區(qū)域污染物濃度進行現場監(jiān)測,得出聲屏障對城市道路環(huán)境空氣質量影響規(guī)律.研究結果顯示,有聲屏障時道路內側風速由2m/s降低至0.02m/s;CO、NO濃度上升40%~50%,道路內側PM濃度下降50%;道路外側CO、NO濃度下降20%~50%,PM濃度下降20%~38%.聲屏障的存在會阻擋風的流動,減弱風的強度,使風向從垂直于道路上升轉變?yōu)檠刂缆贩较蛄鲃?風向改變使污染物聚集在道路內,增加道路內的氣體污染物濃度,減弱風往道路外側流動,同時也降低了氣體污染物向道路外側擴散的程度.聲屏障對PM2.5的影響顯著,設置聲屏障的道路內側和道路外側建筑群內,PM的濃度相較于無聲屏障均得到大幅度降低.

道路；聲屏障；環(huán)境空氣質量；污染物擴散

我國城市道路在飛速建設發(fā)展的同時帶來了嚴重的環(huán)境污染問題,車流量的增加造成道路嚴重擁堵,汽車排放的尾氣也給環(huán)境帶來了嚴重負荷,甚至已經成為很多城市的首要污染物[1].機動車排放顯著增加了PM2.5和CO、NO等污染物濃度,據調查,公路路側污染物濃度明顯高于幾百米外城市區(qū)域[2].近公路區(qū)域高水平的空氣污染還帶來了健康影響,包括出生缺陷、肺部疾病和心血管疾病[3].因此,對道路交通污染擴散的治理和對空氣質量的改善是十分必要的.

國外在交通污染防治方面的研究,主要集中在汽車尾氣污染物排放對于城市道路環(huán)境的影響,以及道路擁擠引起的環(huán)境影響方面,國外在城市道路交通規(guī)劃對環(huán)境影響的研究與實踐較多,在進行城市道路交通規(guī)劃的時候,美國更加注重土地的利用率和經濟情況分析,對道路交通環(huán)境污染因素及城市道路環(huán)境空氣質量的研究較少[4-6].

路側植被屏障可以有效降低路側空氣污染水平,目前國內外在城市道路路側植被屏障方面開展了大量研究[7-8].通過實體構造物減緩城市道路交通污染影響的研究尚不多見.在使用示蹤氣體的現場研究中,發(fā)現路側聲屏障將順風方向污染物濃度降低20%~50%,聲屏障的結構改變了附近的風動氣流場,將車輛排放的空氣污染物由地面帶入障礙物上方區(qū)域[9].因此,聲屏障有助于降低空氣污染物的額外分散度,使空氣污染物水平相較于附近道路開放區(qū)域降低約15%~80%[10].

在城市道路交通污染物控制方面,我國相對于國外研究較晚.目前我國在對于汽車尾氣擴散方面的研究中,主要運用的模型大部分從國外引進.將國外的模型引入到我國,對該模型進行分析,并分析其對于我國污染物擴散情況的適用性[11].劉永紅等[12]建立了一個有關于機動車尾氣擴散的模型,該模型在高斯擴散理論的基礎上,針對于線源擴散的特點,主要用于計算城市復雜道路、城市建筑群、高架橋上的汽車尾氣污染物濃度.張文杰等[13]人也指出了幾個在高斯模型的理論基礎上建立的有關污染物擴散的模型,并且根據各自模型的特點,分析了我國將來建立有關污染物擴散新模型亟待解決的難題.國內學者研究城市街道峽谷內機動車排放污染物擴散規(guī)律也是在國外學者研究的基礎上發(fā)展起來的.劉寶章[14]基于澳門復雜街區(qū)進行了風洞試驗,分析了交通堵塞和交通順暢時汽車排放的污染物擴散規(guī)律.周洪昌[15]通過風洞實驗分析了不同風向來流以及不同形狀街道峽谷對街道峽谷內機動車排放污染物濃度場的影響.何澤能等[16]應用雷諾應力瑞流模型模擬了不同幾何結構的城市街道峽谷的氣體流場.

汽車尾氣對城市大氣環(huán)境造成污染,嚴重威脅,人類健康,其中CO、NO、HC與NO等危害最大,此類污染物易引發(fā)生理障礙、中毒等多種疾病,威脅著人類健康;近年來,PM造成的霧霾問題也不斷引起重視.

盡管國內目前已經開展交通尾氣影響的大量研究,但在汽車尾氣對于城市道路環(huán)境空氣污染的減緩方法和措施上還較為局限.在城市交通環(huán)境空氣污染防治主要集中在政策制定、燃料改革、減少排放量、增加綠化面積或使用功能性路面等手段來解決,有關實體設施對城市道路交通污染控制的研究基本還是空白.因此本研究以北京城市道路典型聲屏障為例,運用Fluidyn分析軟件,研究聲屏障對道路交通污染擴散和空氣質量的影響規(guī)律.

(1)考慮污染物源強、氣象條件和道路條件等,選取典型路段,建立地形數值模型和氣象數據庫.運用Fluidyn軟件對典型路段主要交通污染物(CO、NO、PM)擴散進行仿真模擬,提出基于仿真分析的聲屏障對于道路交通污染擴散和空氣質量的影響規(guī)律.

(2)對典型路段聲屏障區(qū)域交通污染狀況進行現場監(jiān)測,提出基于現場實驗監(jiān)測的聲屏障對于道路交通污染擴散和空氣質量的影響規(guī)律.

(3)結合仿真結果與現場監(jiān)測數據,考慮交通量、車速、車型等影響因素,確定聲屏障對城市道路環(huán)境空氣質量影響規(guī)律.

1 計算原理與方法

本研究采用法國Fluidyn軟件對典型路段交通污染擴散進行仿真模擬分析,采用三維計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型計算復雜地形的風速矢量場和污染物擴散情況由于三維計算流體力學(CFD)模型能夠考慮障礙物(城市中建筑)、復雜地形、底和高風速、近場和運場,因此在計算復雜地形的風速矢量場和污染物擴散等情況都是基于CFD模型.

1.1 大氣邊界層(PBL)模型

PBL位于地表附近的大氣區(qū)域.大氣與外界相互作用是以湍流運動體現的,是小尺度、次網格的,有必要進行參數化建模來分析.

PBL用于創(chuàng)立CFD求解器里需要的氣象觀測數據和邊界條件之間的接口.它由兩部分組成:(1)微氣象模型,是由觀測數據計算PBL的基本物理參數模型;(2)邊界層模型,是一個規(guī)定湍流、風速和溫度的垂直剖面模型.

1.2 邊界條件

在求解時,主區(qū)域邊界、地面以及障礙物上需要給定邊界條件,邊界條件分為3類,如表1所示.

表1 邊界條件

注:——速度矢量;y——物種m的質量分數;——溫度;——濃度;——耗散率;——速率.

頂部界限通常認為是出流邊界,地域的側邊界通常憑借風向認為是入口或出口界限,如圖1所示.

1.2.1 入口 在入口的邊界處,需給出溫度、物種的濃度、湍流變量、速率,壓力由區(qū)域內部計算得到,用物種的背景濃度來確定物種的濃度.入口邊界的速度設為:

1.2.2 出口 如果出口的邊界由一個界限所確定,但因為受到了冠層或障礙物等因素的影響,那么風仍然有能力由這里流動進入區(qū)域中.因此, PANACHE軟件不僅會確定出來一些變量,還會從域內推導出一些變量.表2列出了幾類出口邊界條件.

環(huán)境的壓力一般是由出口邊界的靜壓力來確定.

1.2.3 壁面 PANACHE軟件是運用壁面函數來計算位于湍流邊界層中固體壁面的拖曳力,而壁面函數則是在平衡條件下,由湍流邊界層的N-S方程中計算來獲得.

表2 出口邊界條件

1.3 CFD求解

PANACHE的CFD求解器在三維空間和時間上求解控制方程,而這些控制方程則可以用以下一般形式的對流擴散方程來表示:

式中:為待求變量(動量、溫度、濃度等);G為的交換系數(粘度,熱擴散系數等);為的源項(污染物排放等);其中,(Ⅰ)為時間微分項,(Ⅱ)為對流項,(Ⅲ)為耗散項,(Ⅳ)為源項.

1.3.2 空間差分 空間離散的實現通過由單元(控制體)構成的立體三維網格來完成的.控制體或整體平衡方法()用于構造每個單元的有限差分近似(控制體),以保證差分變量的局部守恒.PANACHE求解速度向量笛卡爾坐標系下分量的NS方程.所有變量(壓力、速度分量、溫度、濃度、湍流等)在同一控制量()內求解得到.

二階精度方法用于對耗散項的離散.通常情況下,對流項的離散對于求解的精度有著決定性的作用.數值格式是指對對流項的離散.當使用有限體積法離散時對流項表示如下:

式中:f為控制體的面;A為面積;N為面上的法向量;為流過面的質量通量;由連續(xù)性方程求解得到.因此ff的計算決定了所采用計算格式的精度.變量f在面f附近的變化如圖2所示:

C為上風單元,D為下風單元,U為遠處上風單元.可由、及的函數表示

2 交通污染物擴散仿真模型建立

2.1 確定仿真地段

通過google earth在北京市域內找到有聲屏障的2~3條典型城市道路,通弄過分析,確定高粱橋斜街聲屏障路段是研究聲屏障對城市道路環(huán)境空氣質量的典型路段,如圖3(a)所示.

綜上所述選取高粱橋斜街路段聲屏障作為本次課題的研究對象.結合google earth與實地測量,得到建筑本身的長與寬、建筑之間的距離、道路的寬度等數據,如圖3(b).

將數據標記在地形圖上,并且建立坐標系,得出各個建筑物的坐標,確定各建筑物的空間位置.

圖3 典型路段信息

2.2 建立地形模型

圖4 地形模型

考慮到CFD算法劃分網格需設定一定范圍的計算域.Panache軟件計算域范圍的設定需要通過外部文件來獲得.設定600m*600m的數值作為計算域的平面范圍,并設置計算域的高度為最高建筑高度(70m)的3倍,即為210m,從而開展CFD模擬大氣擴散的仿真研究.

通過Terrain Objects繪制各個建筑物,并輸入已測得的對應地形數據.通過繪制建筑物和不規(guī)則建筑物(圖中紅圈所標),并繪制監(jiān)測點(圖中藍圈所標),以便于后期處理中記錄數據,得出所有建筑和監(jiān)測點,如圖4所示.

2.3 設定污染物參數

研究表明,汽車尾氣排放主要污染物一般為NO、CO和PM,監(jiān)測道路車輛以小型汽車為主,經查閱文獻,得到小型汽車污染物排放量,NO濃度為0.18g/km,CO濃度為1.0g/km,PM濃度為0.0045g/km[8]:

于2018年4月10日對研究道路進行現場監(jiān)測,得出平峰11:00~13:00和高峰18:00~20:00 2個時期的4條道路車流量,如表3所示.

表3 平、高峰時期車流量

計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)]

圖5 地形模型

在確定污染物種類和污染物排放數據后,對污染物排放源進行設置,將城市道路設為污染物排放源.在計算域中將道路作為排放源,輸入排放源在平峰和高峰時的污染物排放量數據,根據實際距離在道路上通過Terrain繪制聲屏障,得到最終地形模型,如圖5所示.

2.4 設定氣象參數

用AirVisual軟件每30min對高粱橋斜街無聲屏障路段的氣象數據進行實時監(jiān)測,如表5所示,根據表所列數據分別設定平、高峰時的氣象參數.

表5 平峰、高峰時期氣象數據

2.5 劃分網格

采用Panache內嵌的網格劃分工具劃分網格,通過不同劃分方式對比確定網格參數.在無需計算結果的地方將網格設置較為稀疏;而在排放源附近網格則設置較為緊密,網格可以準確捕捉到聲屏障,從而得出劃分后的網格圖,如圖6所示.

3 基于計算流體力學CFD的仿真分析

表6 監(jiān)測點平、高峰時期污染物濃度(mg/g)

CFD求解器不同于很多其它常用傳統(tǒng)工具,它可以考慮城市中復雜建筑、復雜地形、低和高風速、近場和遠場,進行風場計算和污染物濃度擴散的計算.針對本次研究對象,有兩組數據共四種情況需要進行仿真模擬.分別為平峰和高峰時期有無聲屏障時的污染物擴散情況對比.

各監(jiān)測點污染物濃度數據如表6所示:

對所得結果進行分析處理,需進行分析的結果主要有四種,包括:(1)某時刻研究域中,風場、污染物濃度、溫度及其它流動特性的空間分布;(2)監(jiān)測點的風場、污染物濃度、溫度及其它流動特性的時間分布;(3)給定時間間隔內,地面濃度的平均時間與空間分布;(4)數值求解的收斂性的結果.

對于本次研究對象,分別針對本分分別平峰和高峰兩部分,進行后處理分析.

3.1 平峰時期

3.1.1 殘差圖 繪制殘差圖,用于在模擬過程中檢查求解的收斂情況,如圖7所示.

殘差繪圖沿縱坐標采用對數模式,可以看出,所有圖形最后的縱坐標數值均小于-3,所以污染物濃度的觀察值與擬合值之差較小,擬合程度很高,數據均較為精確,誤差較小,可以進行進一步處理分析.

3.1.2 矢量圖 速度矢量顯示了風場,矢量用箭頭表示,箭頭的方向指風向,大小和顏色代表風速.分別繪制有聲屏障時和無聲屏障的時水平地面平面風速矢量圖,如圖8.

圖8 有、無聲屏障時速度矢量圖(km/h)

對比可以發(fā)現,有、無聲屏障對城市道路內風速大小有較大影響.有聲屏障時城市道路水平面上的風速基本集中在0.03~3m/s之間,而無聲屏障區(qū)域則大多集中在3~6m/s之間,聲屏障的存在減少了道路內的水平面風速.而對于處于道路兩側、建筑群內的空間,同樣可由圖看出,相同的位置有聲屏障算例里風速仍然小于無聲屏障算例風速.

在風速矢量圖上,除了速度大小外,風速的方向也是重要的指標之一.以下通過局部對比觀察聲屏障的存在對于風速方向的影響,如圖9所示.

圖9 有、無聲屏障時局部風向

可以得到聲屏障的存在使得風向有了很大的改變.無聲屏障時,風向幾乎垂直于道路流動,沒有受到任何阻擋;當聲屏障存在時,會阻擋風的流動,不僅減小了風的流動速度,還改變了風的流動方向,使得原本垂直道路的風向改為沿著道路的方向流動.

3.1.3 濃度分布圖 濃度分布圖可以顯示變量的空間分布.在濃度分布圖中,相同顏色的線或條帶上的所繪變量為常數.().繪制平峰時有、無聲屏障情況的3種污染物濃度濃度分布圖,來比較聲屏障對于各種污染物濃度擴散的影響.

如圖10(a)(b)所示,有聲屏障時,道路內CO的濃度明顯高于無聲屏障道路內相同位置的CO濃度.而在道路外側的建筑群內內,在道路的順風邊,即道路東西邊的建筑領域,有聲屏障時相同位置CO的濃度低于無聲屏障時CO的濃度.在道路的逆風方向,即西南向,2種情況CO的濃度都接近于0.

如圖10(c)(d)所示,NO在有、無聲屏障情況下的擴散情況與CO類似.在有聲屏障的時候,道路內NO的濃度同樣高于無聲屏障道路內相同位置的NO濃度.在道路外側的建筑群中,在道路的順風邊,即道路東北邊的建筑領內,有聲屏障時相同位置NO的濃度低于無聲屏障時NO的濃度.在道路的逆風方向,即西南向,2種情況的CO的濃度都接近于0.

如圖10(e)(f)所示,聲屏障對于PM的擴散影響程度遠大于CO和NO.在有聲屏障時,不論在道路內,還是在道路外側順風邊的建筑群內,相同位置的PM濃度均遠低于無聲屏障的情況.而且,在無聲屏障的情況下,由于缺少聲屏障對PM的阻擋作用,PM在較遠處的建筑群區(qū)域仍有非常大的濃度.但在道路的逆風方向,即西南向,兩種情況的PM濃度都接近于0.

綜上所述,在平峰的時間段里,聲屏障對于污染物的擴散有較大的影響.有聲屏障時,聲屏障改變了風速的大小和方向,使得道路內的氣體污染物(CO、NO)無法被吹散,聚集在道路內部,相對于無聲屏障的情況下,道路內的污染物濃度顯著增加.但同時由于聲屏障的存在,改變了風的方向,降低了污染物向道路兩側擴散的程度,使得道路兩側的污染物濃度相比于無聲屏障的情況下得到了一定程度上的降低.由于PM為顆粒狀污染物,相對更易擴散,因此聲屏障對其擴散的抑制作用更加明顯,極大地減少了PM的擴散,PM擴散濃度的降低高達50%以上.

3.2 高峰時期

3.2.1 殘差圖 繪制殘差圖,如圖11所示.

同平峰時間段情況一樣,圖中最后的縱坐標數值均小于-3,所以污染物濃度的觀察值與擬合值之差較小,擬合程度很高,數據均較為精確,可進行進一步處理分析.

圖11 無聲屏障時3種污染物濃度殘差圖Fig.11 Residual history of three pollutants concentration with and without noise barriers

3.2.2 矢量圖 分別繪制有、無聲屏障時水平地面的風速矢量圖如圖12所示.

如圖12可以發(fā)現,現有、無聲屏障對城市道路內部區(qū)域的風速大小有一些影響,但影響程度無平峰時大.聲屏障的存在仍然減少了道路內部水平面的風速.

圖13為同一條道路的同一位置有、無聲屏障時風的方向圖.

圖12 有、無聲屏障時速度矢量圖(km/h)

圖13 有、無聲屏障時局部風向

圖14 道路兩側建筑群

聲屏障在高峰時期和平峰時期對風向的改變相同,無聲屏障時,風向幾乎垂直于道路流動,未受到任何阻擋;當設置聲屏障時,會阻擋風的流動,不僅減小了風的流動速度,還改變了風的流動方向,使得原本垂直道路的風向改為沿著道路的方向流動.

通過對高峰時期聲屏障對風速影響的分析可得,聲屏障對于風速大小和方向的影響與平峰時期類似,均是減小風速,改變風向.但影響程度從圖中可以看出,聲屏障對風速在高峰時期的影響程度要比平峰時期要小很多,根據對地形條件和氣象條件的分析,主要有兩點原因:(1)高峰時期的風速為3.6km/h,僅為平峰時期的一半,風速減小,影響程度也減少.(2)平峰時期風向為西南風,而高峰時期為東北風.由地形圖可以看出,位于道路西南方向建筑群建筑寬度均較小,且建筑之間縫隙較多,如圖14所示,風從西南方向吹來時,建筑對于風的阻擋較弱,所以平峰時期道路附近風的強度較大,聲屏障對風的影響也較大.而位于道路東北方的建筑群建筑寬度較大,且建筑之間縫隙較少,風從東北方吹來的時候,建筑對于風的阻擋較強,所以高峰時期道路附近風較小,聲屏障對風的影響也較小.所以兩種情況之所以會有較大差別主要是由平、高峰時期風速、風向的不同以及道路兩側建筑構造的不同這兩種因素共同導致的結果.

3.2.3 濃度分布圖 繪制高峰時有、無聲屏障時3種污染物濃度濃度分布圖,比較聲屏障對于各種污染物濃度擴散的影響.

如圖15(a)(b)所示,有聲屏障時,道路內部有些位置CO的濃度高于無聲屏障道路內部相同位置的CO濃度,也有一小部分位置CO的濃度是低于無聲屏障時的.而在道路外側的建筑群內,在道路的順風邊,即道路西南邊的建筑領域,有聲屏障時,相同位置CO的濃度低于無聲屏障時CO的濃度.

如圖15(c)(d)所示,在有聲屏障時,道路內NO的濃度同樣高于無聲屏障道路內相同位置的NO濃度.對于道路外側的建筑群,在道路的順風邊,即道路西南邊的建筑領域,有聲屏障時,相同位置NO濃度低于無聲屏障時NO濃度.在道路的逆風方向,即東北向,兩種情況NO濃度都接近于0.

如圖15(e)(f)所示,在高峰期,聲屏障對于PM擴散的影響程度相對于CO和NO相對較大.在有聲屏障時,不管是在道路內部,還是在道路外側順風邊的建筑群內,相同位置PM濃度均遠低于無聲屏障情況下PM濃度.同樣,在道路的逆風方向,即東北向,兩種情況PM的濃度都接近于0.

綜上所示,高峰時期聲屏障對于CO和NO擴散的影響作用與平峰時期相近,同樣是聲屏障使得道路內部的大氣污染物(CO、NO)無法被吹散,聚集在道路內部,相對于無聲屏障的情況下,增加了道路內部的污染物濃度,但同時由于聲屏障的存在也改變了風的方向,降低了污染物往道路兩側擴散的程度,使得道路兩側污染物濃度相比于無聲屏障的情況得到了一定程度上的降低.而對于PM擴散影響,聲屏障對于PM擴散的抑制作用相比于CO、NO更加明顯,極大地減少了PM的擴散,對PM擴散濃度的降低高達50%以上.

聲屏障對污染物擴散的影響程度在高峰時期沒有平峰時期那么顯著,由于氣象條件和地形條件的不同,使得風的強度在高峰時期相對于平峰時期有了大幅度的下降,很大程度上的減弱了污染物的擴散、流動能力,所以也使得聲屏障在高峰時期對于污染物濃度的擴散影響遠不如平峰時期那么顯著.

4 交通污染物現場監(jiān)測

采用YT-HPC3000A空氣凈化檢測儀于2018年5月7日對高梁橋斜街聲屏障區(qū)域進行現場監(jiān)測,采樣時間為60s.

分別在平峰和高峰時期選擇相同10個監(jiān)測點,在所選監(jiān)測點用儀器進行現場監(jiān)測,獲取PM和PM10在各個監(jiān)測點的濃度,如表7所示.

表7 平、高峰時期監(jiān)測點污染物濃度(μg/m3)

由于受到儀器設備的限制,只能現場監(jiān)測PM2.5和PM10的濃度擴散值.由表7的數據所知,聲屏障對PM2.5和PM10污染物濃度的擴散有著非常大的影響.根據比較,監(jiān)測點1、3、5、7、9中監(jiān)測點3的PM2.5和PM10濃度最低,9和7處的污染物濃度最高.由監(jiān)測結果計算出,平峰時期,有聲屏障道路附近的PM2.5濃度降低10%左右,PM10濃度降低50%左右;高峰時期,有聲屏障道路附近的PM2.5、PM10濃度均降低50%左右.同時,監(jiān)測點2、4、6的污染物濃度均比監(jiān)測點1、3、5處的濃度要低,由于聲屏障的存在改變了風向,抑制了污染物的擴散,使得遠離道路的位置PM2.5和PM10濃度降低.而監(jiān)測點8和10均比7、9處的污染物濃度高,是由于這兩處缺少了聲屏障對于污染物的阻擋作用,經過風的擴散作用,離道路稍遠的地方污染物的濃度反而增大,這也表明聲屏障對于PM顆粒污染物的擴散有著很大的抑制作用,產生較大影響.

5 結論

5.1 聲屏障對風速及風向有很大影響.針對監(jiān)測道路,平峰期風向主要為西向,垂直道路方向為主要風向,高峰期風向主要為東北向,沿道路方向為主要風向.通過矢量圖分析,聲屏障的存在會阻擋風的流動,減弱了風的強度.平峰無聲屏障時,道路內的風速大小相對于有聲屏障時從0.03m/s提高到了3m/s,甚至6m/s,風速增加100到200倍.無聲屏障時道路內部的風速相對于有聲屏障時從0.02m/s上升到近2m/s,風速增加100倍.除了改變風的強度,聲屏障的存在還使得風向從原本垂直于道路上升轉變?yōu)檠刂缆贩较蛄鲃?

5.2 有聲屏障時,道路內部風的強度和方向發(fā)生很大改變,因此會影響污染物的擴散情況.風向改變使得汽車排放的氣體污染物聚集在道路內,增加了道路內部的氣體污染物濃度.平峰有聲屏障時,道路內部CO的濃度相對于無聲屏障時約從0.025′10-6上升到0.05′10-6,NO從0.005′10-6上升到0.01′10-6,上升比均為50%.高峰時期由于風向沿道路方向,影響程度較小,高峰有聲屏障時,CO濃度從0.03′10-6上升到0.05′10-6左右,NO則從0.005′10-6上升到0.008′10-6左右,上升比約為40%.

5.3 聲屏障的存在不僅改變了道路內部污染物排放濃度,對道路外側污染物擴散濃度也有較大的影響.由于聲屏障改變了風向,減弱了風往道路外側的流動,降低了氣體污染物向道路外側擴散的程度,從而使得道路外側氣體污染物濃度相對于無聲屏障時得到了一定程度上的降低.平峰有聲屏障時,道路外側CO的濃度相對于無聲屏障的時候從0.025′10-6下降到約0.0125′10-6,NO濃度則從0.005′10-6下降到0.0025′10-6,下降比均為50%.從濃度分布圖中可知,聲屏障對道路外側污染物擴散的影響在距道路50~80米內較為明顯.高峰時期由于受地形和氣象條件的響,聲屏障對于道路外側污染物擴散影響沒有平峰時明顯.聲屏障存在的時候,使得CO的濃度從0.04′10-6降到約0.03′10-6;NO則從0.0075′10-6降到0.006′10-6,下降比約為20%.這種影響在距離道路外側50m到80m內效果明顯,聲屏障在靠近道路處側對污染物擴散的影響效果并不明顯.

5.4 結合仿真結果和現場監(jiān)測,聲屏障對PM(顆粒污染物)的影響顯著.有聲屏障時,道路內和道路外側的建筑群內,PM的濃度均遠低于無聲屏障時.平峰有聲屏障時,道路內側部分區(qū)域的PM濃度為0.00015′10-6以下,無聲屏障的時候PM濃度為0.0003′10-6以上,聲屏障的存在使得PM濃度下降了超過一倍.高峰時期,道路內側部分區(qū)域的PM濃度為0.00025′10-6左右,而無聲屏障時PM濃度為0.000375′10-6左右,影響程度依然很高.平峰時期,道路外側靠近道路的地方,PM2.5和PM10的濃度在有屏障時比無聲屏障時降低了將近一倍.同樣在有聲屏障的地方,距離道路50m處PM2.5和PM10的濃度相對于道路附近的污染物濃度分別下降了將近37%和20%.而在無聲屏障的地方,距離道路50m處PM2.5和PM10的濃度相對于道路附近處的污染物濃度分別上升了38%和25%.可見聲屏障的存在極大抑制了PM的擴散作用,不僅使得道路附近的PM濃度下降,還阻擋了PM的擴散.

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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

秦曉春(1982-),女,內蒙古包頭人,副教授,博士,主要從事交通環(huán)保與景觀、綠色可持續(xù)交通等方面的研究工作.發(fā)表論文40篇.

2019-02-25

國家自然科學基金資助面上項目(51878039)

* 責任作者, 副教授, xcqin@bjtu.edu.cn