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        灌木植被對(duì)街道峽谷機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散的影響

        2023-01-16 03:34:08徐沛巍李曉莉戰(zhàn)乃巖
        關(guān)鍵詞:臨街峽谷灌木

        徐沛巍,李曉莉,呂 廣,張 帥,李 進(jìn),戰(zhàn)乃巖

        (1.吉林省教育學(xué)院信息技術(shù)系,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春建筑學(xué)院城建學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130600;3.吉林建筑大學(xué)應(yīng)急科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

        隨著機(jī)動(dòng)車保有量的增長(zhǎng),交通尾氣排放已成為城市空氣污染的主要來(lái)源[1-3].而綠色植被作為現(xiàn)代城市的重要組成部分,對(duì)街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車尾氣污染物的擴(kuò)散、稀釋和消除影響很大.低矮灌木在城區(qū)綠化植被所占比例較大,因此研究低矮灌木對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響意義重大.

        針對(duì)低矮灌木對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散的影響,已有一些相關(guān)的研究報(bào)道.Vos等[4]研究發(fā)現(xiàn),由于街道峽谷中存在灌木,污染物濃度增加.Riccardo Buccolieri等[5]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了林蔭道綠化對(duì)城市街道峽谷內(nèi)水流和交通源污染物擴(kuò)散的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng),在有樹木的情況下,測(cè)量和模擬結(jié)果均表明與無(wú)樹木的情況相比,背風(fēng)壁附近的污染物濃度較大,迎風(fēng)壁附近的污染物濃度略低.Annett Wania等[6]通過(guò)ENVI-met技術(shù)發(fā)現(xiàn),植被可以降低樹冠高度處的風(fēng)速,并破壞樹冠附近的流場(chǎng);隨著街道峽谷高寬比的增加,風(fēng)速降低增加,氣流的擾動(dòng)會(huì)影響峽谷的整個(gè)寬度.已有的研究[7-9]表明,灌木減少了街道峽谷人行道地區(qū)污染物暴露的24%~61%.Wania A.等[10]研究發(fā)現(xiàn),低矮灌木通過(guò)產(chǎn)生局部渦流將空氣污染物轉(zhuǎn)移至行人區(qū)域,低滲透性和較高(2.5 m)的灌木會(huì)在人體呼吸高度更多地減少污染.

        Antoine[11]研究發(fā)現(xiàn),喬木會(huì)降低街道峽谷的風(fēng)速,導(dǎo)致屋頂上方和峽谷內(nèi)部之間的空氣交換減少,從而導(dǎo)致污染物在街道峽谷內(nèi)部積聚;Chen X P[9]等通過(guò)線性回歸分析得出,灌木具有減小街道峽谷空氣污染的潛力,灌木通過(guò)產(chǎn)生局部渦流將污染物粒子從人行道區(qū)域轉(zhuǎn)移;戰(zhàn)乃巖等[12]采用ENVI-met技術(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究表明,街道峽谷內(nèi)喬木與灌木聯(lián)合作用時(shí),灌木高度過(guò)低并不會(huì)改善街道峽谷內(nèi)污染程度.

        上述研究?jī)H單一地分析了低矮灌木對(duì)街道峽谷污染物擴(kuò)散的影響程度,但更詳細(xì)的影響因素,如灌木高度、排列數(shù)及連續(xù)性等因素對(duì)街道峽谷污染物分布的影響尚未見(jiàn)報(bào)道.數(shù)值模擬軟件ENVI-met的內(nèi)核模型為標(biāo)準(zhǔn)E-ε湍流模型,利用標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)E-ε湍流模型與組分輸運(yùn)方程,并將植被簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)的研究方案能夠比較好地模擬綠色植被對(duì)街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散的影響.因此,本文利用三維城市微氣候模型ENVI-met軟件,對(duì)街道峽谷污染物濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了灌木高度、排列數(shù)及連續(xù)性等因素對(duì)街道峽谷污染物擴(kuò)散的影響程度,以為城市綠色規(guī)劃提供理論依據(jù).

        1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

        1.1 物理模型

        街道峽谷是由城市街道與臨街兩側(cè)連續(xù)建筑合圍而成的狹長(zhǎng)空間[13],選取任一典型街道峽谷(見(jiàn)圖1)作為模擬對(duì)象.模型計(jì)算域覆蓋范圍為50 m×50 m×30 m,其中街道寬度(W)18 m,建筑長(zhǎng)度(L)27 m,建筑寬度WA=WB=9 m,建筑高度(H)9 m,街道峽谷的高寬比為W/H=1/2,長(zhǎng)寬比為L(zhǎng)/H=3,為淺街道峽谷[14].建筑物關(guān)于街道中心線對(duì)稱分布.根據(jù)相關(guān)研究[15]結(jié)果,忽略建筑物屋頂形狀對(duì)街道峽谷內(nèi)污染物分布的影響,假設(shè)建筑物屋頂為平面.

        圖1 街道峽谷模型平面圖

        1.2 污染源與監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

        顆粒物(PM)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等是機(jī)動(dòng)車排放的主要污染物.其中,PM10對(duì)人體健康危害較大[16],因此,選取PM10作為機(jī)動(dòng)車排放示蹤污染物.

        兩條線性污染源對(duì)稱分布在平行于街道峽谷中心線的機(jī)動(dòng)車道中央,用于模擬實(shí)際道路中的雙向機(jī)動(dòng)車道.污染物排放高度為0.3 m,單條污染源恒定排放速率為5.56 μg/(s·m);日車流量為10 000輛,其中4%為重型運(yùn)輸車輛的污染物排放量[17].

        為定量分析灌木布置對(duì)街道峽谷中人行道處污染物濃度分布的影響程度,建筑A,B兩側(cè)等距離分別設(shè)置了9個(gè)污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中1—3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為區(qū)域Ⅰ,4—6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為區(qū)域Ⅱ,7—9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為區(qū)域Ⅲ(見(jiàn)圖2).

        圖2 污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

        1.3 植被布局方案

        綜合考慮,本文設(shè)計(jì)了3種植被布局方案5種布局方式(見(jiàn)圖3),其中,黑色方塊表示建筑物,深灰色條狀表示污染源,淺灰色條狀或方塊表示灌木.灌木高度(h)1.5~2.25 m.

        (a)無(wú)植被;(b)方案1;(c)方案2;(d)方案3

        方案1:在建筑物和機(jī)動(dòng)車專用道兩側(cè)各2 m處設(shè)置兩排灌木,連續(xù)排列,建筑物和灌木之間為人行道;

        方案2:在機(jī)動(dòng)車道之間的道路中心布置一排灌木;

        方案3:在建筑物和機(jī)動(dòng)車專用道兩側(cè)各2 m處設(shè)置兩排灌木,等間距不連續(xù)排列,建筑物和灌木之間為人行道.

        根據(jù)城市主導(dǎo)風(fēng)向,來(lái)流風(fēng)風(fēng)向分別設(shè)置為0°和90°(0°:來(lái)流風(fēng)與街道峽谷相互平行;90°:來(lái)流風(fēng)與街道峽谷垂直),如圖3所示;來(lái)流風(fēng)速均為3 m/s,具體參數(shù)見(jiàn)表1.

        表1 街道峽谷與灌木配置

        1.4 數(shù)學(xué)模型

        本文采用的數(shù)學(xué)模型包括Navier-Stokes方程、連續(xù)性方程、E-ε方程及污染物擴(kuò)散模型.Navier-Stokes方程采用三維非靜力不可壓縮流體模式求解風(fēng)場(chǎng),同時(shí)考慮了地轉(zhuǎn)偏向力、浮升力的影響.污染物擴(kuò)散過(guò)程涉及流體流動(dòng),需應(yīng)用連續(xù)性方程[18].污染物擴(kuò)散方程是基于顆粒物和氣體在大氣中和表面上的經(jīng)典動(dòng)力學(xué)原理提出的[19].氣體在墻體表面出現(xiàn)氣流速度剪切時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流,因此用湍流動(dòng)能及其耗散率計(jì)算大氣湍流的變化率[20].

        Navier-Stokes方程:

        (1)

        (2)

        (3)

        連續(xù)性方程:

        (4)

        式中:u,v,w分別為x,y,z方向的速度分量,m/s;ui為愛(ài)因斯坦求和約定,ui=u,v,w,i=1,2,3;p是局部壓力擾動(dòng)值,Pa;Km為湍流動(dòng)量交換系數(shù);f是科里奧利參數(shù),104(s-1);ug,vg為地轉(zhuǎn)風(fēng)在u,v方向上的速度分量,m/s;θ(z)為z高度處的大氣溫度,θref(z)為基準(zhǔn)大氣溫度,K;局部源/匯項(xiàng)Su,Sv,Sw描述了由于植被的阻力而造成的風(fēng)速損失.

        E-ε方程:

        (5)

        (6)

        式中:E為湍流動(dòng)能;ε為湍能耗散率;KE,Kε為湍流交換系數(shù);Pr和Th為風(fēng)切變和浮力熱分層引起的湍流能量的產(chǎn)生和耗散;QE和Qε為植物引起的湍能產(chǎn)生及耗散;c1,c2,c3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),c1=1.44,c2=1.92,c3=1.44.

        污染物擴(kuò)散方程:

        (7)

        式中:x是區(qū)域顆粒物濃度,mg/kg;污染源因子Qx和沉降因子Sx為引起x濃度升降的區(qū)域污染源和顆粒物沉降.

        模型網(wǎng)格單元的大小設(shè)置為1 m×1 m×1 m,最小的5個(gè)單元網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×0.2 m.

        2 結(jié)果與討論

        由于1.5 m人體呼吸高度的污染物濃度是影響城市居民空氣污染暴露水平的關(guān)鍵因素之一[21],且該高度處交通污染影響最為嚴(yán)重[22],故選此高度平面作為PM10濃度監(jiān)測(cè)平面.

        2.1 無(wú)植被工況街道峽谷風(fēng)環(huán)境與污染物濃度分布

        圖4為無(wú)植被工況距地1.5 m水平高度處建筑A和B監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速及污染物濃度對(duì)比圖.由圖4可見(jiàn),來(lái)流風(fēng)速在建筑A和B的人行道處沿監(jiān)測(cè)點(diǎn)1—9方向均呈先下降后上升趨勢(shì),在接近建筑A和建筑B處相差不大,且在區(qū)域Ⅱ內(nèi)達(dá)到最小值.而街道峽谷內(nèi)污染物濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān),污染物濃度隨風(fēng)速減小逐漸增大,在區(qū)域Ⅱ達(dá)到最大值;同時(shí)在區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ內(nèi),建筑A側(cè)污染物濃度均高于建筑B側(cè),但在區(qū)域Ⅱ內(nèi),建筑B側(cè)污染物濃度高于建筑A側(cè).

        圖4 無(wú)植被工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速及污染物濃度分布

        圖5為無(wú)植被工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處垂直截面風(fēng)速圖.由圖5可見(jiàn),街道峽谷內(nèi)存在兩種不同的渦旋結(jié)構(gòu),街道峽谷中段(區(qū)域Ⅱ)的峽谷渦旋和街道峽谷首尾段(區(qū)域Ⅰ和Ⅲ)的街角渦流.在掠過(guò)建筑屋頂?shù)目諝饬鞯尿?qū)動(dòng)下,街道峽谷中段形成一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的峽谷渦旋,該渦旋將建筑A側(cè)污染物粒子裹挾至建筑B側(cè),使建筑B側(cè)污染物濃度高于建筑A側(cè).因建筑末端街角渦流的影響,環(huán)境空氣水平進(jìn)入街道峽谷并起到自然通風(fēng)作用,對(duì)街道峽谷首尾段的污染物起到稀釋和去除作用.

        圖5 無(wú)植被工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處垂直截面風(fēng)速

        2.2 植被高度和排列數(shù)對(duì)污染物濃度分布的影響

        圖6為當(dāng)空氣以3 m/s的速度垂直進(jìn)入街道峽谷時(shí),幾種布局方案在1.5 m水平高度處的PM10濃度分布圖.由圖6可見(jiàn),與無(wú)植被的街道峽谷內(nèi)污染物濃度相比,灌木植被的存在加劇了街道峽谷內(nèi)污染的程度.對(duì)比(b),(c)與(d),(e)可以看出,臨街兩排的灌木植被布局與中心一排的灌木布局相比,迎風(fēng)側(cè)人行道污染物濃度低于背風(fēng)側(cè),但在建筑背風(fēng)側(cè)卻呈現(xiàn)了更大范圍的污染物濃度分布,這會(huì)使行人在背風(fēng)側(cè)人行道停留時(shí)間增加,加劇了污染物對(duì)人體的傷害程度.

        (a)無(wú)植被;(b)h=1.5 m臨街兩排;(c)h=2.25 m臨街兩排;(d)h=1.5 m臨街一排;(e)h=2.25 m臨街一排

        圖7為街道峽谷內(nèi)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度分布曲線.由圖7可見(jiàn),灌木植被對(duì)街道峽谷內(nèi)污染物濃度的影響主要在區(qū)域Ⅱ,且對(duì)建筑B側(cè)(背風(fēng)側(cè))的影響程度大于建筑A側(cè)(迎風(fēng)側(cè)).灌木高度對(duì)建筑A側(cè)污染物濃度的影響可忽略不計(jì),而臨街兩排和中心一排的灌木布局與無(wú)植被布局相比,污染物最高濃度分別增加了45.0%和49.5%.在建筑背風(fēng)側(cè),灌木高度為1.5 m、中心一排的布局對(duì)于街道峽谷污染物濃度增加貢獻(xiàn)率最低,為59.8%;灌木高度為2.25 m、臨街兩排的灌木布局對(duì)街道峽谷污染物濃度增加貢獻(xiàn)率最高,為78.4%;其余兩種布局的污染物濃度增加貢獻(xiàn)率約為65.8%.同時(shí),當(dāng)灌木臨街兩排和中心一排排列時(shí),灌木高度每增加0.75 m,污染物濃度增加貢獻(xiàn)率分別上升7.5%和3.4%.分析主要原因歸于街道峽谷內(nèi)風(fēng)環(huán)境的弱化,過(guò)高的灌木高度和灌木密度嚴(yán)重削弱了街道峽谷內(nèi)的空氣流動(dòng)速度,影響了街道峽谷內(nèi)的空氣流動(dòng)效果[15-17],使污染物無(wú)法及時(shí)稀釋和消除,從而加重了街道峽谷內(nèi)的污染程度.

        (a)建筑A側(cè);(b)建筑B側(cè)

        2.3 植被連續(xù)性對(duì)污染物濃度的影響

        圖8為當(dāng)空氣以3 m/s的速度垂直進(jìn)入街道峽谷、灌木連續(xù)性不同時(shí),1.5 m水平高度處的PM10濃度分布圖.由圖8可見(jiàn),與無(wú)植被方案相比,灌木不連續(xù)排列的布局對(duì)建筑A側(cè)(迎風(fēng)側(cè))的污染物濃度影響更大,其污染物濃度增加貢獻(xiàn)率為46.2%,比灌木連續(xù)排列方案的增加率高3.02%.同樣在建筑B側(cè)(背風(fēng)側(cè)),當(dāng)植被高度相同時(shí),較低的灌木密度對(duì)街道峽谷污染物濃度增加的貢獻(xiàn)率較低,其在區(qū)域Ⅱ最大的污染物增加貢獻(xiàn)率為64.4%,與連續(xù)排列的植被布局相比,污染物濃度增加貢獻(xiàn)率低14%(見(jiàn)圖9).與灌木連續(xù)排列的植被布局相比,不連續(xù)排列的結(jié)構(gòu)污染物濃度增加貢獻(xiàn)率低的原因主要是相鄰灌木之間的空地內(nèi)存在局部渦流,這些局部渦流使建筑背風(fēng)側(cè)污染物增加趨勢(shì)大幅降低,但其代價(jià)是建筑迎風(fēng)側(cè)污染物濃度的小幅度增加.

        3 結(jié)論

        本文利用ENVI-met三維城市微氣候模擬軟件,針對(duì)城市主導(dǎo)風(fēng)向,在建筑高寬比W/H=2工況條件下,分析了灌木高度、排列數(shù)及連續(xù)性對(duì)街道峽谷內(nèi)污染物濃度分布的影響,結(jié)果表明:

        (1)主導(dǎo)風(fēng)向會(huì)使街道峽谷污染物在峽谷渦旋的作用下,由建筑迎風(fēng)側(cè)裹挾至建筑背風(fēng)側(cè),加劇背風(fēng)側(cè)的污染程度.

        (2)在淺街道峽谷,污染物濃度會(huì)由于灌木的存在而增加.當(dāng)灌木臨街兩排和中間一排排列時(shí),灌木高度每增加0.75 m,淺街道峽谷內(nèi)污染物增加貢獻(xiàn)率分別上升7.5%和3.4%.即灌木高度增加、污染程度加重.

        (3)臨街兩排布局與中心一排布局相比,因植被密度增加,削弱了風(fēng)速,污染程度加重.灌木高度和排列數(shù)的相互作用進(jìn)一步加重了空氣污染程度,灌木越高、排數(shù)越多,污染程度越嚴(yán)重.灌木高度為2.25 m、臨街兩排的植被布局與其他植被布局相比,建筑背風(fēng)側(cè)污染物濃度增加程度達(dá)到最大值,為78.4%.

        (4)灌木不連續(xù)排列,會(huì)降低淺街道峽谷背風(fēng)側(cè)污染物濃度,但會(huì)加劇迎風(fēng)側(cè)污染程度.因此,當(dāng)街道峽谷類型為淺街道峽谷時(shí),配置灌木作為緩解空氣污染的方法并不適合.

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