肖正強(qiáng) 李明柱 趙麒 金洪文 馬爽

1.吉林建筑大學(xué)；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)和機(jī)動(dòng)車保有量的逐年增加，室外空氣污染問(wèn)題日益凸顯。機(jī)動(dòng)車保有量的增長(zhǎng)導(dǎo)致城市環(huán)境在白天受尾氣排放影響極大[1]，汽車尾氣中含有CO、NOx、PM2.5、PM10等多種污染物，可以對(duì)人體造成諸多損傷，如一氧化碳可與人體中的血紅蛋白結(jié)合導(dǎo)致人體缺氧[2]。近年來(lái)，霧霾現(xiàn)象在京津冀等地區(qū)頻繁發(fā)生且規(guī)模較大[3]，城市化和工業(yè)化對(duì)室外環(huán)境的影響催生著相關(guān)研究的發(fā)展，1975年Nicholson[4]提出了“街道峽谷”概念，指街道兩側(cè)有密集高大建筑物的街道。隨著人們對(duì)美好生活環(huán)境的不斷追求，街道峽谷相關(guān)研究正受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文將采用CFD模擬手段，對(duì)比不同錯(cuò)落程度下街道峽谷的污染物濃度場(chǎng)，研究街谷錯(cuò)落度對(duì)街道峽谷污染物擴(kuò)散的影響以及街谷內(nèi)不同位置的污染物濃度分布規(guī)律，并對(duì)部分典型區(qū)域進(jìn)行定量分析。

2 模型建立

本文的模型建立如圖1所示，其中街谷尺寸和計(jì)算域設(shè)置參考文獻(xiàn)[5]，建筑為40m×20m×20m，污染源寬度為8m。本文中共采用2種街谷錯(cuò)落度：全錯(cuò)落（相鄰兩排建筑之間的東西向位置差為30m，即上游兩建筑間的縫隙正對(duì)下游建筑）與半錯(cuò)落（相鄰兩排建筑之間的東西向位置差為全錯(cuò)落街谷的一半）。環(huán)境風(fēng)入口的速度廓線和湍流參數(shù)參考文獻(xiàn)[6]設(shè)置為非定值，計(jì)算域的頂面和側(cè)面設(shè)置為Symmetry邊界，污染物源設(shè)置參考文獻(xiàn)[7]并依照街谷規(guī)模差異進(jìn)行放大。

圖1 街道峽谷模型（以全錯(cuò)落街谷為例）

環(huán)境條件的選擇方面，以蒲福風(fēng)級(jí)為參考，將陸地2級(jí)風(fēng)和3級(jí)風(fēng)作為常見(jiàn)風(fēng)速，并取區(qū)間中位數(shù)為本次模擬的環(huán)境風(fēng)速，方向?yàn)橛杀敝聊希磮D1中由上至下）。

3 結(jié)果分析

本文中的濃度場(chǎng)表示方法參考文獻(xiàn)[8]，用濃度比作為污染評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文中出現(xiàn)的污染物濃度比均為當(dāng)前位置的污染物濃度值與當(dāng)前剖面中污染物濃度最大處的濃度數(shù)值之比。

3.1 半錯(cuò)落街谷內(nèi)部不同剖面位置的濃度場(chǎng)對(duì)比

對(duì)比圖2（a）和2（c）可知，半錯(cuò)落幾何條件下機(jī)動(dòng)車污染物在街谷不同位置的擴(kuò)散情況有很大不同。進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)，上風(fēng)建筑中央位置的居民受污染物影響比街谷中央位置居民更明顯，開(kāi)窗通風(fēng)時(shí)將面臨0.25以上的污染物濃度比；而在街谷中央位置，該濃度比可覆蓋的高度范圍僅為前者的一半，中等高度以上的居民受機(jī)動(dòng)車污染影響則相對(duì)較小。若對(duì)人行道的污染物濃度水平進(jìn)行考察，則兩剖面位置在下風(fēng)側(cè)人行道的污染物濃度比較為接近。而對(duì)于上風(fēng)側(cè)人行道，兩剖面的污染物濃度比差異較大，上風(fēng)建筑中央剖面遠(yuǎn)高于街谷中央剖面。

圖2 不同剖面位置的街谷污染物濃度分布

3.2 全錯(cuò)落街谷內(nèi)部不同剖面位置的濃度場(chǎng)對(duì)比

觀察圖2（b）和2（d）可知，上風(fēng)建筑中央位置的居民受污染物影響比街谷中央位置居民更明顯：在街谷中央剖面，建筑外立面附近的污染物濃度水平整體較低，僅頂部樓層和近地樓層的居民開(kāi)窗通風(fēng)時(shí)會(huì)受到一定的污染物影響。而在上風(fēng)建筑中央剖面，建筑外立面附近的污染物濃度水平整體高于街谷中央剖面。在此二剖面，上風(fēng)側(cè)人行道的污染物濃度比均較高，建議上風(fēng)建筑的底層商戶在通勤時(shí)間盡量減少開(kāi)窗時(shí)間。

3.3 街谷中央剖面濃度比隨位置變化定量分析

在街谷中央剖面設(shè)置高為1.5m（人體呼吸面高度）的監(jiān)測(cè)帶，提取監(jiān)測(cè)帶上污染物濃度比隨水平位置變化曲線如圖3。

圖3 街谷中央剖面濃度比隨水平位置變化曲線

由圖3可知，在大多數(shù)位置區(qū)間內(nèi)全錯(cuò)落街谷的污染物濃度比明顯高于半錯(cuò)落街谷。兩種街谷在迎風(fēng)側(cè)的污染物濃度比均呈遞增趨勢(shì)，隨后分別在約15m處和10m處達(dá)到峰值，最后全錯(cuò)落街谷在背風(fēng)側(cè)人行道處再次轉(zhuǎn)為增函數(shù)，說(shuō)明此處出現(xiàn)了污染物聚集。若考察機(jī)動(dòng)車道位置的污染物濃度比，則半錯(cuò)落街谷的下風(fēng)側(cè)機(jī)動(dòng)車道顯著優(yōu)于上風(fēng)側(cè)機(jī)動(dòng)車道，而全錯(cuò)落街谷的雙側(cè)機(jī)動(dòng)車道的污染物濃度比差異則相對(duì)較小。在街谷中央剖面的背風(fēng)側(cè)人行道處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，提取該位置污染物濃度比隨高度變化曲線如圖4。

圖4 街谷中央剖面濃度比隨高度變化曲線

由圖4可知，兩種街谷在此處的污染物濃度比區(qū)間有明顯差異，半錯(cuò)落街谷的濃度比最大值約為0.3，而全錯(cuò)落街谷的濃度比最大值則可達(dá)到半錯(cuò)落街谷的2倍。在近地區(qū)域和街谷頂部全錯(cuò)落街谷的污染物濃度比明顯高于半錯(cuò)落街谷，而在中等高度區(qū)間情況則相反。對(duì)兩種街谷的污染物濃度曲線進(jìn)行擬合，R2均大于0.9，所得函數(shù)表達(dá)式如圖3、圖4。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)全錯(cuò)落和半錯(cuò)落街谷在不同位置的濃度分布進(jìn)行對(duì)比分析，可得到如下結(jié)論。

（1）半錯(cuò)落幾何條件下，上風(fēng)建筑中央位置的背風(fēng)側(cè)居民在開(kāi)窗通風(fēng)時(shí)都將面臨0.25以上的污染物濃度比；而在街谷中央位置，該濃度比可覆蓋的高度范圍僅為前者的一半，中等高度以上的居民受機(jī)動(dòng)車污染影響則相對(duì)較小。

（2）全錯(cuò)落幾何條件下，上風(fēng)建筑中央位置的居民受污染物影響比街谷中央位置居民更明顯。

（3）比較機(jī)動(dòng)車道的污染物濃度比，半錯(cuò)落街谷的下風(fēng)側(cè)機(jī)動(dòng)車道顯著優(yōu)于上風(fēng)側(cè)機(jī)動(dòng)車道；而對(duì)于全錯(cuò)落街谷，其雙側(cè)機(jī)動(dòng)車道的污染物濃度比差異相對(duì)較小。