上游建筑對街道峽谷內(nèi)流場和污染物分布特征的影響

朱 強(qiáng)，亢燕銘，楊 方，鐘 珂（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

上游建筑對街道峽谷內(nèi)流場和污染物分布特征的影響

朱 強(qiáng)，亢燕銘，楊 方，鐘 珂*（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

利用數(shù)值模擬方法研究了不同的上游阻擋建筑布局下，行列式和錯(cuò)列式街谷內(nèi)氣流速度和污染物濃度場特征.結(jié)果指出，阻擋建筑的存在改變了街谷內(nèi)的二次流，從而對流場和濃度場均有明顯影響.在行列式街谷中，無論上游建筑以何種布局存在，都會減小街谷內(nèi)污染物濃度.若不考慮上游建筑的存在，將會過高估計(jì)行列式街谷內(nèi)污染程度；在錯(cuò)列式街谷中，與街谷建筑并列的上游阻擋建筑會減小街谷內(nèi)污染物濃度，而與街谷建筑錯(cuò)列布置的阻擋建筑會增大街谷內(nèi)污染物濃度；數(shù)值模擬結(jié)果還表明，街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散和清除效果受氣流速度和渦流特性的共同作用.

上游建筑；行列式街谷；錯(cuò)列式街谷；平均風(fēng)速；污染物濃度

隨著建筑密度的增加和道路交通污染狀況的加劇，我國城市大氣環(huán)境問題已日益突出.作為建筑群與街道共同構(gòu)成的城市區(qū)域微環(huán)境單元，街谷（street canyon）內(nèi)的空氣質(zhì)量是城市大氣環(huán)境的重要組成部分，而影響街谷內(nèi)氣流和污染物分布的因素除了氣象條件和污染源特性外，建筑布局顯然是重要因素之一［1-6］.由于街谷是微環(huán)境的基本結(jié)構(gòu)，因此，過去30年來，許多人對街谷空氣微環(huán)境的不同特征進(jìn)行了研究［4-5，7］.根據(jù)Xie等［8］的數(shù)值模擬結(jié)果，街谷布局對街谷內(nèi)風(fēng)場有直接作用，污染物擴(kuò)散主要受街谷內(nèi)渦流結(jié)構(gòu)的影響.Gu等［3］的研究表明，非均勻建筑布局更有利于微環(huán)境中的污染物擴(kuò)散.汪立敏等［9］的結(jié)果指出，非孤立型街谷中污染物濃度遠(yuǎn)高于孤立街谷中的污染物濃度.趙寶芹等［10］的研究表明，隨著建筑物高度的增加，污染物難以擴(kuò)散，從而使峽谷近地面處的污染物濃度增大.何澤能等［11］的結(jié)果顯示出，前低后高型的峽谷形式對峽谷內(nèi)部污染物的遷移和擴(kuò)散更加有效，而Yassin［6］則認(rèn)為合適的建筑物頂部形狀對街道峽谷內(nèi)的污染物擴(kuò)散更為有利.

必須指出，大部分已有研究均未考慮街谷上游的阻擋建筑（以下簡稱“阻擋建筑”）對街谷內(nèi)部氣流的影響.這些研究將阻擋建筑對近地面風(fēng)速的影響通過風(fēng)速廓線函數(shù)中的粗糙度參數(shù)體現(xiàn)出來，雖然這種設(shè)定可以很好體現(xiàn)城市下墊面對氣流的平均影響效果，但卻使阻擋建筑對街谷內(nèi)部渦流分布的影響因此被忽略.DePaul等［12］，Murena等［13］及Ghenu等［14］通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究指出，障礙物之間或城市冠層下的再循環(huán)渦流對近地區(qū)域污染物的擴(kuò)散和清除十分重要.為此，有必要研究和分析上游阻擋建筑對街谷內(nèi)流場和污染物擴(kuò)散的影響.

若以街谷形式為準(zhǔn)來劃分，則建筑群平面布局可簡單歸為行列式、錯(cuò)列式及兩者結(jié)合的混合模式等［1］.本文將針對兩種典型建筑布局下的街谷結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值流體力學(xué)方法，研究存在上游阻擋建筑物時(shí)，街谷內(nèi)部流場和污染物濃度場基本特征，并與忽略阻擋建筑影響的情形做對比和分析，為更加合理地預(yù)測街谷內(nèi)空氣質(zhì)量提供必要的信息和參考依據(jù).

1 計(jì)算模型與方法

1.1 建筑模型與計(jì)算方法

圖1給出了6種建筑布局平面構(gòu)成的街谷，及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）.其中布局1和布局4是已有研究中常見的孤立街谷形式，即不存在上游阻擋建筑；二者的不同之處是，布局1為行列式街谷，布局4則為錯(cuò)列式街谷.其余4種布局則分別為布局1和布局4的變化型式，即街谷上游存在阻擋建筑.

圖1 不同建筑布局構(gòu)成的街谷模型Fig.1 Sketch of street canyon models for different building layouts

實(shí)際中，街谷兩側(cè)建筑物高度越大，街谷內(nèi)氣流形態(tài)受兩側(cè)建筑的約束和影響亦越強(qiáng)，上游阻擋建筑對街谷流場的干擾和影響越小.因此，為獲得一般性結(jié)果，本文以常見的多層建筑為研究對象，通過數(shù)值模擬來分析街谷兩側(cè)建筑高度相等且為15m的情況.為簡明起見，圖1中，設(shè)所有建筑物長均為65m （L），寬15m （B），高15m （H），阻擋建筑與街谷迎風(fēng)建筑的間距和街寬均為30m （W），街谷同側(cè)相鄰建筑間距亦為30m （R），臨街建筑物在沿街谷軸線方向呈周期性排列.

風(fēng)向?qū)止葍?nèi)流場和污染物擴(kuò)散的影響很大，其中風(fēng)垂直吹向街谷時(shí)，街谷內(nèi)氣流受兩側(cè)建筑物的約束作用最強(qiáng)，也是污染物擴(kuò)散最不利的情況.因此，本文主要考慮垂直風(fēng)向的情形.設(shè)來流風(fēng)向垂直于街谷軸線.此時(shí)，所形成的街谷流場也呈周期性空間分布.因此，對圖中各布局均采用鏡像法設(shè)置對稱面，僅計(jì)算街谷涂灰部分的區(qū)域.本文重點(diǎn)考察建筑布局對氣流和污染物擴(kuò)散的作用，故不考慮太陽輻射導(dǎo)致的熱效應(yīng)可能產(chǎn)生的附加影響.

數(shù)值模擬采用FLUENT-6.3.26為基本程序?qū)η蠼鈪^(qū)域內(nèi)的氣流速度和污染物濃度場進(jìn)行三維模擬.為盡量消除區(qū)域有限導(dǎo)致的端部效應(yīng)，模擬時(shí)做如下處理［15-16］，迎風(fēng)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.由于為三維模擬，為節(jié)約計(jì)算成本并保證結(jié)果的可靠性，根據(jù)已有研究的分析［17］，湍流模型取標(biāo)準(zhǔn)k - ε模型，有限容積法離散控制方程.為保證計(jì)算精度，控制方程的離散用二階迎風(fēng)格式，污染物擴(kuò)散方程則用QUICK格式.

數(shù)值區(qū)域離散后，布局1和4的總網(wǎng)格數(shù)約為1.3×106，其余4種布局的網(wǎng)格數(shù)約為3.2×106.關(guān)于流動(dòng)和污染物輸送控制方程的描述、網(wǎng)格可靠性與穩(wěn)定性分析方法及其他數(shù)值模擬參數(shù)選擇的細(xì)節(jié)可參閱文獻(xiàn)［18］.

模擬時(shí)將計(jì)算域入口條件設(shè)為速度入口（Velocity inlet），通過用戶自定義函數(shù)（UDF）描述速度廓線.出口處視為充分發(fā)展湍流，故將邊界條件設(shè)為自由出流（Outflow），由于模擬的建筑呈對稱分布，故設(shè)置對稱邊界條件（Symmetry）.對于建筑物壁面和計(jì)算域地面，釆用無滑移邊界，而對于計(jì)算域的頂面和側(cè)面采用滑移邊界條件.

湍流特性和風(fēng)速的垂直分布受地形的影響，并與地面粗糙度有密切關(guān)系.根據(jù)已有研究，本文采用冪指數(shù)風(fēng)速廓線［19-20］

式中:z和Vz分別為任一高度（m）和任一高度處的平均風(fēng)速（m/s）；α為地面粗糙度指數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)［20］，這里取α = 0.25；h和Vh分別為標(biāo)準(zhǔn)參考高度（m）和此高度處測得的標(biāo)準(zhǔn)參考風(fēng)速（m/s），注意到本文設(shè)置的建筑物模型高度為15m，故定義屋頂高度處（H = 15m）的風(fēng)速為屋頂風(fēng)速Vh.

本文對屋頂來流風(fēng)速Vh= 1.0m/s時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算，以反映在近地大氣擴(kuò)散條件較差時(shí)街谷內(nèi)污染物分布的情況.容易估計(jì)出，求解區(qū)域的Reynolds數(shù)Re的量級為105.

將交通污染源視作連續(xù)散發(fā)的線源，污染物均勻分布在一個(gè)高 × 寬 = 0.1m × 0.5m并與計(jì)算域同長的區(qū)域，區(qū)域底面距地面0.3m，置于街谷中央.以汽車尾氣的重要成分CO為代表污染物.為了便于比較，采用如下無量綱污染物濃度C*

式中:Ci是i點(diǎn)處的污染物濃度， kg/m3；q0為污染源強(qiáng)度， kg/s.

1.2 數(shù)值計(jì)算方法的合理性驗(yàn)證

首先需要對數(shù)值模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證.為此，將圖1中的布局1改為無缺口的無限長街谷，分別以Li等［21］和Meroney等［22］的實(shí)驗(yàn)參數(shù)（包括街谷幾何參數(shù)、流動(dòng)參數(shù)和污染物參數(shù)），利用本文擬采用的離散模式、網(wǎng)格劃分方法和計(jì)算控制等對二者的實(shí)驗(yàn)分別做了數(shù)值再現(xiàn)，以驗(yàn)證本研究的數(shù)值方案.其中速度場采用Li等的水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并沿水平（x方向）和垂直（z方向）兩個(gè)方向同時(shí)考察風(fēng)速廓線；在速度場得到驗(yàn)證后，繼續(xù)求解濃度場，對比數(shù)據(jù)采用Meroney等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖2給出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的比較.圖中Vzx和Vzz分別為街谷內(nèi)無量綱高度Z（= z/H）處考察點(diǎn)沿x和z方向的風(fēng)速分量.由于近年來，有研究建議用大渦模擬分析街谷流動(dòng)問題，圖中也以Liu等［23］的模擬為例，給出了大渦模擬速度場計(jì)算曲線.

圖2 風(fēng)速和濃度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Fig.2 Comparisons of wind speed and concentration between numerical results and the experimental data

圖2的結(jié)果表明，對于街谷內(nèi)的速度場，本文與Liu等人的大渦模擬結(jié)果在街谷內(nèi)大部分區(qū)域均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，這說明本文的湍流模型與大渦并無本質(zhì)差別，另一方面，說明本文的數(shù)值方案可以獲得可靠的數(shù)值結(jié)果.濃度場驗(yàn)證進(jìn)一步證實(shí)了本文數(shù)值方案的合理性.通常迎風(fēng)區(qū)渦流會干擾實(shí)測，因此，圖2（c）中的迎風(fēng)區(qū)濃度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測也符合得較好，背風(fēng)區(qū)則完全吻合.驗(yàn)證比較說明，本文采用的計(jì)算方法可以很好地預(yù)測街谷內(nèi)的氣流流動(dòng)和污染物濃度分布.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 上游建筑對街谷內(nèi)典型位置流動(dòng)和濃度分布的影響

2.1.1 行列式街谷 數(shù)值模擬分別對圖1給出的6種布局進(jìn)行.為獲得簡單明了的圖像，圖3僅以布局1至3的A-A剖面（y =16.3m）為例，給出了街谷缺口中心處豎向平面內(nèi)的流動(dòng)和濃度分布.為考慮污染物對街道中人員的影響，圖4給出了布局1至3在呼吸面高度（z = 1.5m）處的流場和濃度分布情況.

圖3 A - A剖面處（y =16.3m）布局1至3流場與濃度分布比較Fig.3 Flow fields and concentration distributions at A - A plan （y =16.3m） for Models 1to 3

自圖3可見，街谷外的上游阻擋建筑對街谷內(nèi)的氣流和污染物分布影響明顯.當(dāng)存在阻擋建筑物時(shí)，如圖3（b）和（c），街谷內(nèi)氣流流動(dòng)與圖3（a）給出的孤立街谷內(nèi)的情況不同.上游阻擋建筑物的存在將對街谷內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生影響，布局2中，阻擋建筑削弱了街谷上風(fēng)建筑在屋頂處的分離效應(yīng)，雖然對谷內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)起到了減弱作用，但卻將渦流限制在了街谷內(nèi)，導(dǎo)致污染物不易自高度方向擴(kuò)散出街谷；類似地，布局3使污染物在上風(fēng)建筑背風(fēng)面進(jìn)一步聚集.布局2和3均減少了街谷下風(fēng)建筑尾流區(qū)的渦流強(qiáng)度和范圍.結(jié)果，圖3（a）所示的孤立街谷中的污染物分布因阻擋建筑的作用而發(fā)生改變.同時(shí)，如圖3（b）和3（c），在上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑之間會首先出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的回流渦旋（以下稱“前導(dǎo)渦”）.

圖4 上游阻擋建筑不同時(shí)行列式街谷內(nèi)呼吸面高度（z = 1.5m）的速度與濃度分布Fig.4 Wind speed and concentration distributions at the breathing levels （z = 1.5m） in regular canyons for Models 1to 3

但布局2和布局3對街谷內(nèi)流動(dòng)和污染物分布的影響亦不同.圖4從水平方向氣流和污染物分布情況說明了這些區(qū)別.分別對照圖3（a）和3（c）及圖4（a）和4（c），可發(fā)現(xiàn)阻擋建筑錯(cuò)列布置時(shí)（即布局3），前導(dǎo)渦出現(xiàn)在阻擋建筑的側(cè)墻，街谷上風(fēng)建筑側(cè)墻處也多出一個(gè)小的渦旋，其結(jié)果是將污染物進(jìn)一步限制在上風(fēng)建筑的背風(fēng)區(qū).布局2則不同，因阻擋建筑與街谷建筑平行布置，街谷內(nèi)二次流水平位置雖然移向缺口一側(cè)，但仍被限制在街谷內(nèi)，比較圖4（a）和（b）可知，平行布置的阻擋建筑減弱了上風(fēng)建筑側(cè)墻處的流動(dòng)分離效應(yīng)，污染物反倒被推向街谷內(nèi)部.這是導(dǎo)致布局2和3在街谷內(nèi)污染物濃度分布不同的主要原因.

上述結(jié)果說明，上游阻擋建筑對街谷內(nèi)速度和污染物濃度場的影響不可忽略.圖5給出了布局1至3街谷內(nèi)典型位置處氣流速度沿高度分布的數(shù)值結(jié)果.其中“建筑中心”位置和“街谷缺口”以圖4（c）為例，分別用“P1”和“P2”標(biāo)出.

圖5 布局1～3街谷內(nèi)典型位置處氣流速度沿高度的分布Fig.5 Variations of wind speed in the canyon along the height at two positions for Models 1to 3

從圖5的結(jié)果可以看到，對于靠近缺口的街谷區(qū)域，阻擋建筑的存在增大了近地面處的氣流速度，減小了上空的風(fēng)速；在街谷建筑中心位置，布局2則與布局1的風(fēng)速廓線很接近，而布局3明顯減小了街谷建筑中心位置處的氣流速度.

為進(jìn)一步分析不同布局對污染物擴(kuò)散的影響，圖6給出了布局1至3街谷不同位置處污染物濃度沿高度方向分布的數(shù)值結(jié)果.

從圖6中可知，存在阻擋建筑時(shí)，街谷建筑中心位置的濃度均大于布局1給出的孤立街谷的情形；但在街谷缺口位置，布局3的濃度低于布局1，而布局2與布局1的濃度接近，在貼近地面位置的濃度較高，并且街谷上部空間布局2濃度較布局1高.這些特點(diǎn)與圖2和3給出的整體圖譜一致.

圖6 布局1～3街谷內(nèi)典型位置處污染物濃度沿高度的分布Fig.6 Concentration variations in the canyon along the height at two positions for Models 1to 3

圖7 A - A剖面處（y =16.3m）布局1至3流場與湍流強(qiáng)度分布比較Fig.7 Comparisons of the distributions of turbulent intensity and flow field at A - A plan （y =16.3m） for Models 1to 3

為考察氣流湍流強(qiáng)度分布對污染物擴(kuò)散的影響，圖7給出了A-A剖面上的湍流強(qiáng)度分布的比較.可以看到，3種布局下，屋頂高度及以上掠流區(qū)域內(nèi)湍流度分布存在較明顯差異，但街谷內(nèi)部湍流分布非常相似.

2.1.2 錯(cuò)列式街谷 數(shù)值結(jié)果表明，錯(cuò)列式與平行式街谷布局內(nèi)的流動(dòng)和污染物分布具有不同的特點(diǎn).圖8給出了上游阻擋建筑排列方式不同時(shí)，錯(cuò)列式街谷（即圖1中布局4至6）中呼吸高度平面的流動(dòng)和污染物濃度分布圖譜.

從圖8可以看出，雖同為錯(cuò)列式街谷，但布局4至6中的流動(dòng)特征有差別.布局4在上風(fēng)和下風(fēng)建筑的側(cè)墻處各有一個(gè)氣流漩渦；布局5中，上風(fēng)建筑的氣流漩渦中心位置在建筑背風(fēng)區(qū)，下風(fēng)建筑側(cè)面渦旋增強(qiáng)；而布局6中則出現(xiàn)了3個(gè)強(qiáng)度不同的局部渦旋.

圖8給出的污染物濃度分布表明，阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑平行布置時(shí)，即圖8（b），上風(fēng)建筑附近的繞流將污染物向街谷內(nèi)推移；圖8（c）給出的完全錯(cuò)列式布局中，下風(fēng)建筑附近的氣流速度要比布局4和5中的低.于是缺口位置的濃度要比街谷中心位置的低，由于布局6中上風(fēng)建筑物擋在了街谷缺口的中心，減少了進(jìn)入街谷的氣流，如圖8（c），故在下風(fēng)建筑的迎風(fēng)和上風(fēng)建筑的背風(fēng)區(qū)都將出現(xiàn)污染物聚集現(xiàn)象.

2.2 阻擋建筑對街谷空間風(fēng)速和濃度影響的統(tǒng)計(jì)分析

為得到阻擋建筑對街谷內(nèi)氣流和濃度分布影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，根據(jù)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)，在圖9所示的兩種街谷布局的迎風(fēng)區(qū)、中心區(qū)和背風(fēng)區(qū)圍成的高度分別為15m和2m的空間內(nèi)均勻取值，取值點(diǎn)總數(shù)分別為3696點(diǎn)和693點(diǎn).

圖8 上游阻擋建筑布局不同時(shí)錯(cuò)列式街谷呼吸高度平面的速度場和濃度場Fig.8 Wind speed and concentration distributions at the breathing levels in staggered canyons for Models 4to 6

圖9 兩種街谷布局下速度和濃度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的劃分Fig.9 Zones for statistical analysis of wind speed and concentration in the two types of street canyon

2.2.1 街谷內(nèi)整體統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析 圖10和圖11分別給出了平行式街谷（布局1至3）和錯(cuò)列式街谷（布局4至6）下，數(shù)值模擬得到的街谷整個(gè)高度上不同區(qū)域內(nèi)的氣流速度VZ、湍流強(qiáng)度I和無量綱濃度C*的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果.

圖10 行列式街谷內(nèi)風(fēng)速、湍流強(qiáng)度與污染物濃度的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果Fig.10 Statistical results of the averaged wind speed，turbulent intensity and dimensionless concentration in different zones of regular canyons

由圖10（a）可以看出，對于行列式街谷，布局1至3均為迎風(fēng)區(qū)氣流平均速度最大，中心區(qū)其次，背風(fēng)區(qū)最小.存在并列式阻擋建筑（即布局2）時(shí)，增大了背風(fēng)區(qū)和中心區(qū)的平均風(fēng)速，但對迎風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速幾乎無影響；存在錯(cuò)列式阻擋建筑（即布局3）時(shí)，則減小了背風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速，增大了中心區(qū)平均風(fēng)速，迎風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速幾乎不變.圖10（b）是不同區(qū)域內(nèi)湍流強(qiáng)度數(shù)值結(jié)果的統(tǒng)計(jì)平均.可以看到，3種布局下中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū)的湍流強(qiáng)度均增加約20%，背風(fēng)區(qū)湍流強(qiáng)均增大約10%.圖10（c）是不同區(qū)域內(nèi)污染物濃度的數(shù)值結(jié)果統(tǒng)計(jì)平均.顯見，兩種阻擋建筑布置都減小了街谷內(nèi)的污染物平均濃度，只是各區(qū)域減小程度不同而已.

圖11（a）說明，與行列式街谷一樣，錯(cuò)列式街谷的3種布局都是在街谷迎風(fēng)區(qū)流速最大，中心區(qū)其次，背風(fēng)區(qū)最小.此外，還可以看到，布局5街谷內(nèi)的氣流速度并沒有因上游多出一個(gè)并列的阻擋建筑物而變小，其氣流速度大小與布局4（錯(cuò)列式孤立街谷）中的幾乎沒有明顯差別.當(dāng)錯(cuò)列式街谷上游布置一個(gè)錯(cuò)列的阻擋建筑（即布局6）時(shí)，其內(nèi)部流速將明顯下降.圖11（b）表明，布局4、5、6下中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū)的湍流強(qiáng)度均增加約25%，背風(fēng)區(qū)湍流強(qiáng)均增大約15%.從圖11（c）來看，與行列式街谷不同，阻擋建筑對錯(cuò)列式街谷內(nèi)污染物濃度的整體分布特征影響明顯.阻擋建筑對街谷內(nèi)各區(qū)域污染物分布的影響在布局5中均表現(xiàn)為濃度明顯降低，而在布局6中則為濃度升高.此外，對比圖11和圖10可知，同樣的上游阻擋建筑下，布局4至6在街谷內(nèi)對應(yīng)區(qū)域的濃度顯著低于布局1至3.

2.2.2 街谷內(nèi)呼吸區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析 考慮到街谷內(nèi)2m以下區(qū)域?yàn)槿藛T活動(dòng)區(qū)，圖12（a）和圖12（b）分別給出了布局1至3和布局4至6時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬得到的街谷2m以下區(qū)域內(nèi)的無量綱濃度統(tǒng)計(jì)平均情況.

從圖12來看，人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的局部污染物濃度分布與街谷整體平均情況不同.在行列式街谷中，如圖12（a），背風(fēng)區(qū)呼吸高度以下空間的污染物濃度比同一區(qū)域整體平均濃度高出35%以上，相應(yīng)的中心區(qū)高出約50%，但迎風(fēng)區(qū)則略有降低；圖12（b）則指出，錯(cuò)列式街谷中，中心區(qū)域呼吸高度以下空間濃度顯著高于整體平均濃度，三種布局下平均高出150%，而其他兩個(gè)區(qū)域的濃度則基本沒有變化，僅在布局6時(shí)，背風(fēng)區(qū)濃度增加約40%.

圖11 錯(cuò)列式街谷內(nèi)無量綱風(fēng)速、湍流強(qiáng)度與污染物濃度的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果Fig.11 Statistical results of the averaged wind speed，turbulent intensity and dimensionless concentration in different zones of staggered canyons

2.2.3 上游阻擋建筑對流動(dòng)和污染物濃度影響相對大小的估計(jì) 根據(jù)前述分析，為整體評價(jià)上游阻擋建筑的出現(xiàn)對街谷內(nèi)流場和濃度場的影響，分別定義平均風(fēng)速、污染物平均濃度和湍流強(qiáng)度改變率ηV、ηC和ηi分別為:

圖12 街谷內(nèi)呼吸區(qū)污染物無量綱平均濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.12 Statistics of the dimensionless averaged concentrations in breathing regions for different zones in the canyons

式中:V0和Vi分別為街谷建筑上游沒有和有建筑物時(shí)的平均氣流速度， m/s；C0和Ci分別為街谷上游沒有和有建筑時(shí)的污染物無量綱平均濃度；I0和Ii分別為街谷上游沒有和有建筑時(shí)的湍流強(qiáng)度.當(dāng)i = 1時(shí)，街谷上游阻擋建筑物并列布置；i = 2時(shí)，阻擋建筑物為錯(cuò)列布置.

圖13給出了由此得到的阻擋建筑不同時(shí)，兩種街谷型式下，街谷內(nèi)不同區(qū)域的速度和濃度變化率統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果.

由圖13（a）可以看到，阻擋建筑對平行式街谷迎風(fēng)區(qū)內(nèi)的平均風(fēng)速影響很小，但對背風(fēng)區(qū)和中心區(qū)平均風(fēng)速的作用超過了10%，且布局2的影響作用略大于布局3.自圖13（a）還可以看到，阻擋建筑對街谷內(nèi)濃度的降低率遠(yuǎn)大于對平均速度的改變率，布局2時(shí)上游阻擋建筑對街谷各區(qū)域濃度的改變率約為15%，布局3則大于20%，其中對街谷中心區(qū)域污染物濃度的減小作用最顯著.布局2中的上游建筑對街谷內(nèi)風(fēng)速以增大為主，而布局3的阻擋建筑對街谷整個(gè)區(qū)域風(fēng)速的影響不大，但對污染物濃度的降低作用卻明顯大于布局2，這是因?yàn)橛绊懡止葍?nèi)污染物擴(kuò)散的因素除了氣流速度外，渦流特征也是重要因素.由圖13（a）可以看到，布局3中街谷內(nèi)渦流有利于污染物擴(kuò)散出去.

圖13 上游建筑布局不同時(shí)行列式街谷內(nèi)氣流速度、湍流強(qiáng)度和濃度的改變比率Fig.13 Changed ratios of the wind speed， turbulent intensity and concentration in the street canyons

圖13（b）與圖11（c）均說明，對錯(cuò)列式街谷，布局5的上游阻擋建筑總體上并未明顯增大街谷內(nèi)風(fēng)速，但街谷內(nèi)污染物濃度下降率卻高達(dá)30 ～60%，濃度大幅度下降的另一個(gè)原因，是上游阻擋建筑改變了街谷的渦流特征，見圖8（a）和8（b）.布局6中，阻擋建筑大大降低了街谷內(nèi)風(fēng)速，特別是靠近下風(fēng)建筑缺口處的氣流速度，如圖11（c），而這一缺口為污染物在水平方向的主要輸送通道，因此，街谷背風(fēng)區(qū)和迎風(fēng)區(qū)的污染物濃度可能都將增加60 %以上.

圖13（a）和圖13（b）還表明，上游阻擋建筑僅對行列式迎風(fēng)區(qū)的湍流強(qiáng)度有不大于15%的影響，但由于迎風(fēng)區(qū)氣流速度較大，氣流速度對污染物擴(kuò)散的影響更顯著.其他區(qū)域湍流強(qiáng)度的變化均在5%以內(nèi)，說明所討論的布局型式對街谷內(nèi)湍流的影響大體相似.

3 結(jié)論

3.1 無論行列式還是錯(cuò)列式街谷，上游阻擋建筑的存在對街谷內(nèi)流場和濃度場均有明顯影響，對湍流強(qiáng)度分布的影響相似.由于對街谷內(nèi)平均風(fēng)速和渦流特征的改變，不同布置方式的阻擋建筑對街谷內(nèi)污染物平均濃度的影響明顯大于平均風(fēng)速的影響.

3.2 在行列式街谷中，無論上游阻擋建筑以何種方式布置，都會降低街谷內(nèi)的污染物濃度.在本文的計(jì)算條件下，減小率大約為20 ～ 60%.由此看來，在行列式街谷污染特征的研究中，若不考慮上游建筑的存在，將會過高估計(jì)街谷內(nèi)的污染物濃度.

3.3 在錯(cuò)列式街谷中，與街谷建筑并列布置的上游阻擋建筑會降低街谷內(nèi)污染物濃度，而與街谷建筑錯(cuò)列的阻擋建筑可能會增大街谷內(nèi)污染物濃度.

3.4 存在上游阻擋建筑時(shí)，行列式和錯(cuò)列式兩類街谷內(nèi)流動(dòng)和污染物分布的數(shù)值圖像表明，實(shí)際中街谷外建筑物的存在將改變街谷內(nèi)的流速和局部渦流的特征，并影響街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散和清除效果.

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Impacts of upstream buildings on the flow fields and pollutant distributions in street canyons.

ZHU Qiang， KANG Yan-ming， YANG Fang， ZHONG Ke*（School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：45～54

Numerical simulations were conducted to study the flow and concentration fields in both regular and staggered street canyons with different layouts of the upstream buildings. The results showed that the upstream buildings changed the wind speed and distorted the secondary flows in the canyons thus had significant effects on the flow and concentration fields. In the regular street canyons， the average pollutant concentrations could be reduced regardless of layout of the upstream buildings. The average concentration would be overestimated by numerical simulations without considering the existence of the upstream buildings in practice. In the staggered street canyons， when upstream buildings are aligned with street canyons，the pollutant concentrations in the street canyon could be reduced by the blocking effect. In contrast， when the upstream buildings are staggered with the canyons， the concentrations could be increased. The results also showed that the pollutant dispersion and removal in street canyons are effected by both the airflow velocity and local vortex characteristics.

upstream building；regular street canyon；staggered street canyon；averaged wind speed；pollutant concentration

X51，P463，TU119，TU984

A

1000-6923（2015）01-0045-10

朱 強(qiáng)（1989-），男，安徽蕪湖人，東華大學(xué)碩士研究生，主要從事城市大氣環(huán)境與室內(nèi)空氣品質(zhì)研究.

2014-04-02

國家自然科學(xué)基金（40975093，41275157）；上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（14ZZ073）

* 責(zé)任作者， 教授， zhongkeyx@dhu.edu.cn