聲屏障對(duì)城市道路環(huán)境空氣質(zhì)量的影響規(guī)律研究

秦曉春,劉 睿,韓 瑩

聲屏障對(duì)城市道路環(huán)境空氣質(zhì)量的影響規(guī)律研究

秦曉春*,劉 睿,韓 瑩

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

為研究聲屏障對(duì)道路交通污染擴(kuò)散和空氣質(zhì)量的影響規(guī)律,基于三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論,運(yùn)用Fluidyn-Panache仿真及CFD求解器進(jìn)行數(shù)值模型計(jì)算分析,對(duì)比有、無(wú)聲屏障情況下的風(fēng)速矢量圖與PM2.5、CO、NO3種主要污染物濃度分布圖,并對(duì)仿真區(qū)域污染物濃度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),得出聲屏障對(duì)城市道路環(huán)境空氣質(zhì)量影響規(guī)律.研究結(jié)果顯示,有聲屏障時(shí)道路內(nèi)側(cè)風(fēng)速由2m/s降低至0.02m/s;CO、NO濃度上升40%~50%,道路內(nèi)側(cè)PM濃度下降50%;道路外側(cè)CO、NO濃度下降20%~50%,PM濃度下降20%~38%.聲屏障的存在會(huì)阻擋風(fēng)的流動(dòng),減弱風(fēng)的強(qiáng)度,使風(fēng)向從垂直于道路上升轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂缆贩较蛄鲃?dòng),風(fēng)向改變使污染物聚集在道路內(nèi),增加道路內(nèi)的氣體污染物濃度,減弱風(fēng)往道路外側(cè)流動(dòng),同時(shí)也降低了氣體污染物向道路外側(cè)擴(kuò)散的程度.聲屏障對(duì)PM2.5的影響顯著,設(shè)置聲屏障的道路內(nèi)側(cè)和道路外側(cè)建筑群內(nèi),PM的濃度相較于無(wú)聲屏障均得到大幅度降低.

道路；聲屏障；環(huán)境空氣質(zhì)量；污染物擴(kuò)散

我國(guó)城市道路在飛速建設(shè)發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題,車(chē)流量的增加造成道路嚴(yán)重?fù)矶?汽車(chē)排放的尾氣也給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重負(fù)荷,甚至已經(jīng)成為很多城市的首要污染物[1].機(jī)動(dòng)車(chē)排放顯著增加了PM2.5和CO、NO等污染物濃度,據(jù)調(diào)查,公路路側(cè)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(lái)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(duì)道路交通污染擴(kuò)散的治理和對(duì)空氣質(zhì)量的改善是十分必要的.

國(guó)外在交通污染防治方面的研究,主要集中在汽車(chē)尾氣污染物排放對(duì)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(guó)外在城市道路交通規(guī)劃對(duì)環(huán)境影響的研究與實(shí)踐較多,在進(jìn)行城市道路交通規(guī)劃的時(shí)候,美國(guó)更加注重土地的利用率和經(jīng)濟(jì)情況分析,對(duì)道路交通環(huán)境污染因素及城市道路環(huán)境空氣質(zhì)量的研究較少[4-6].

路側(cè)植被屏障可以有效降低路側(cè)空氣污染水平,目前國(guó)內(nèi)外在城市道路路側(cè)植被屏障方面開(kāi)展了大量研究[7-8].通過(guò)實(shí)體構(gòu)造物減緩城市道路交通污染影響的研究尚不多見(jiàn).在使用示蹤氣體的現(xiàn)場(chǎng)研究中,發(fā)現(xiàn)路側(cè)聲屏障將順風(fēng)方向污染物濃度降低20%~50%,聲屏障的結(jié)構(gòu)改變了附近的風(fēng)動(dòng)氣流場(chǎng),將車(chē)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(kāi)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(guó)相對(duì)于國(guó)外研究較晚.目前我國(guó)在對(duì)于汽車(chē)尾氣擴(kuò)散方面的研究中,主要運(yùn)用的模型大部分從國(guó)外引進(jìn).將國(guó)外的模型引入到我國(guó),對(duì)該模型進(jìn)行分析,并分析其對(duì)于我國(guó)污染物擴(kuò)散情況的適用性[11].劉永紅等[12]建立了一個(gè)有關(guān)于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣擴(kuò)散的模型,該模型在高斯擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上,針對(duì)于線(xiàn)源擴(kuò)散的特點(diǎn),主要用于計(jì)算城市復(fù)雜道路、城市建筑群、高架橋上的汽車(chē)尾氣污染物濃度.張文杰等[13]人也指出了幾個(gè)在高斯模型的理論基礎(chǔ)上建立的有關(guān)污染物擴(kuò)散的模型,并且根據(jù)各自模型的特點(diǎn),分析了我國(guó)將來(lái)建立有關(guān)污染物擴(kuò)散新模型亟待解決的難題.國(guó)內(nèi)學(xué)者研究城市街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物擴(kuò)散規(guī)律也是在國(guó)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的.劉寶章[14]基于澳門(mén)復(fù)雜街區(qū)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),分析了交通堵塞和交通順暢時(shí)汽車(chē)排放的污染物擴(kuò)散規(guī)律.周洪昌[15]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分析了不同風(fēng)向來(lái)流以及不同形狀街道峽谷對(duì)街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物濃度場(chǎng)的影響.何澤能等[16]應(yīng)用雷諾應(yīng)力瑞流模型模擬了不同幾何結(jié)構(gòu)的城市街道峽谷的氣體流場(chǎng).

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

盡管?chē)?guó)內(nèi)目前已經(jīng)開(kāi)展交通尾氣影響的大量研究,但在汽車(chē)尾氣對(duì)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(lái)解決,有關(guān)實(shí)體設(shè)施對(duì)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(yùn)用Fluidyn分析軟件,研究聲屏障對(duì)道路交通污染擴(kuò)散和空氣質(zhì)量的影響規(guī)律.

(1)考慮污染物源強(qiáng)、氣象條件和道路條件等,選取典型路段,建立地形數(shù)值模型和氣象數(shù)據(jù)庫(kù).運(yùn)用Fluidyn軟件對(duì)典型路段主要交通污染物(CO、NO、PM)擴(kuò)散進(jìn)行仿真模擬,提出基于仿真分析的聲屏障對(duì)于道路交通污染擴(kuò)散和空氣質(zhì)量的影響規(guī)律.

(2)對(duì)典型路段聲屏障區(qū)域交通污染狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),提出基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的聲屏障對(duì)于道路交通污染擴(kuò)散和空氣質(zhì)量的影響規(guī)律.

(3)結(jié)合仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),考慮交通量、車(chē)速、車(chē)型等影響因素,確定聲屏障對(duì)城市道路環(huán)境空氣質(zhì)量影響規(guī)律.

1 計(jì)算原理與方法

本研究采用法國(guó)Fluidyn軟件對(duì)典型路段交通污染擴(kuò)散進(jìn)行仿真模擬分析,采用三維計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型計(jì)算復(fù)雜地形的風(fēng)速矢量場(chǎng)和污染物擴(kuò)散情況由于三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型能夠考慮障礙物(城市中建筑)、復(fù)雜地形、底和高風(fēng)速、近場(chǎng)和運(yùn)場(chǎng),因此在計(jì)算復(fù)雜地形的風(fēng)速矢量場(chǎng)和污染物擴(kuò)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(yùn)動(dòng)體現(xiàn)的,是小尺度、次網(wǎng)格的,有必要進(jìn)行參數(shù)化建模來(lái)分析.

PBL用于創(chuàng)立CFD求解器里需要的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)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(guān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算PBL的基本物理參數(shù)模型;(2)邊界層模型,是一個(gè)規(guī)定湍流、風(fēng)速和溫度的垂直剖面模型.

1.2 邊界條件

在求解時(shí),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(lèi),如表1所示.

表1 邊界條件

注:——速度矢量;y——物種m的質(zhì)量分?jǐn)?shù);——溫度;——濃度;——耗散率;——速率.

頂部界限通常認(rèn)為是出流邊界,地域的側(cè)邊界通常憑借風(fēng)向認(rèn)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(nèi)部計(jì)算得到,用物種的背景濃度來(lái)確定物種的濃度.入口邊界的速度設(shè)為:

1.2.2 出口 如果出口的邊界由一個(gè)界限所確定,但因?yàn)槭艿搅斯趯踊蛘系K物等因素的影響,那么風(fēng)仍然有能力由這里流動(dòng)進(jìn)入?yún)^(qū)域中.因此, PANACHE軟件不僅會(huì)確定出來(lái)一些變量,還會(huì)從域內(nèi)推導(dǎo)出一些變量.表2列出了幾類(lèi)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(lái)確定.

1.2.3 壁面 PANACHE軟件是運(yùn)用壁面函數(shù)來(lái)計(jì)算位于湍流邊界層中固體壁面的拖曳力,而壁面函數(shù)則是在平衡條件下,由湍流邊界層的N-S方程中計(jì)算來(lái)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(shí)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(duì)流擴(kuò)散方程來(lái)表示:

式中:為待求變量(動(dòng)量、溫度、濃度等);G為的交換系數(shù)(粘度,熱擴(kuò)散系數(shù)等);為的源項(xiàng)(污染物排放等);其中,(Ⅰ)為時(shí)間微分項(xiàng),(Ⅱ)為對(duì)流項(xiàng),(Ⅲ)為耗散項(xiàng),(Ⅳ)為源項(xiàng).

1.3.2 空間差分 空間離散的實(shí)現(xiàn)通過(guò)由單元(控制體)構(gòu)成的立體三維網(wǎng)格來(lái)完成的.控制體或整體平衡方法()用于構(gòu)造每個(gè)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(biāo)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(nèi)求解得到.

二階精度方法用于對(duì)耗散項(xiàng)的離散.通常情況下,對(duì)流項(xiàng)的離散對(duì)于求解的精度有著決定性的作用.數(shù)值格式是指對(duì)對(duì)流項(xiàng)的離散.當(dāng)使用有限體積法離散時(shí)對(duì)流項(xiàng)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(guò)面的質(zhì)量通量;由連續(xù)性方程求解得到.因此ff的計(jì)算決定了所采用計(jì)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(fēng)單元,D為下風(fēng)單元,U為遠(yuǎn)處上風(fēng)單元.可由、及的函數(shù)表示

2 交通污染物擴(kuò)散仿真模型建立

2.1 確定仿真地段

通過(guò)google earth在北京市域內(nèi)找到有聲屏障的2~3條典型城市道路,通弄過(guò)分析,確定高粱橋斜街聲屏障路段是研究聲屏障對(duì)城市道路環(huán)境空氣質(zhì)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(duì)象.結(jié)合google earth與實(shí)地測(cè)量,得到建筑本身的長(zhǎng)與寬、建筑之間的距離、道路的寬度等數(shù)據(jù),如圖3(b).

將數(shù)據(jù)標(biāo)記在地形圖上,并且建立坐標(biāo)系,得出各個(gè)建筑物的坐標(biāo),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(wǎng)格需設(shè)定一定范圍的計(jì)算域.Panache軟件計(jì)算域范圍的設(shè)定需要通過(guò)外部文件來(lái)獲得.設(shè)定600m*600m的數(shù)值作為計(jì)算域的平面范圍,并設(shè)置計(jì)算域的高度為最高建筑高度(70m)的3倍,即為210m,從而開(kāi)展CFD模擬大氣擴(kuò)散的仿真研究.

通過(guò)Terrain Objects繪制各個(gè)建筑物,并輸入已測(cè)得的對(duì)應(yīng)地形數(shù)據(jù).通過(guò)繪制建筑物和不規(guī)則建筑物(圖中紅圈所標(biāo)),并繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖中藍(lán)圈所標(biāo)),以便于后期處理中記錄數(shù)據(jù),得出所有建筑和監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖4所示.

2.3 設(shè)定污染物參數(shù)

研究表明,汽車(chē)尾氣排放主要污染物一般為NO、CO和PM,監(jiān)測(cè)道路車(chē)輛以小型汽車(chē)為主,經(jīng)查閱文獻(xiàn),得到小型汽車(chē)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(duì)研究道路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),得出平峰11:00~13:00和高峰18:00~20:00 2個(gè)時(shí)期的4條道路車(chē)流量,如表3所示.

表3 平、高峰時(shí)期車(chē)流量

計(jì)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(lèi)和污染物排放數(shù)據(jù)后,對(duì)污染物排放源進(jìn)行設(shè)置,將城市道路設(shè)為污染物排放源.在計(jì)算域中將道路作為排放源,輸入排放源在平峰和高峰時(shí)的污染物排放量數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際距離在道路上通過(guò)Terrain繪制聲屏障,得到最終地形模型,如圖5所示.

2.4 設(shè)定氣象參數(shù)

用AirVisual軟件每30min對(duì)高粱橋斜街無(wú)聲屏障路段的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如表5所示,根據(jù)表所列數(shù)據(jù)分別設(shè)定平、高峰時(shí)的氣象參數(shù).

表5 平峰、高峰時(shí)期氣象數(shù)據(jù)

2.5 劃分網(wǎng)格

采用Panache內(nèi)嵌的網(wǎng)格劃分工具劃分網(wǎng)格,通過(guò)不同劃分方式對(duì)比確定網(wǎng)格參數(shù).在無(wú)需計(jì)算結(jié)果的地方將網(wǎng)格設(shè)置較為稀疏;而在排放源附近網(wǎng)格則設(shè)置較為緊密,網(wǎng)格可以準(zhǔn)確捕捉到聲屏障,從而得出劃分后的網(wǎng)格圖,如圖6所示.

3 基于計(jì)算流體力學(xué)CFD的仿真分析

表6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平、高峰時(shí)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(fù)雜建筑、復(fù)雜地形、低和高風(fēng)速、近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng),進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)計(jì)算和污染物濃度擴(kuò)散的計(jì)算.針對(duì)本次研究對(duì)象,有兩組數(shù)據(jù)共四種情況需要進(jìn)行仿真模擬.分別為平峰和高峰時(shí)期有無(wú)聲屏障時(shí)的污染物擴(kuò)散情況對(duì)比.

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度數(shù)據(jù)如表6所示:

對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析處理,需進(jìn)行分析的結(jié)果主要有四種,包括:(1)某時(shí)刻研究域中,風(fēng)場(chǎng)、污染物濃度、溫度及其它流動(dòng)特性的空間分布;(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)、污染物濃度、溫度及其它流動(dòng)特性的時(shí)間分布;(3)給定時(shí)間間隔內(nèi),地面濃度的平均時(shí)間與空間分布;(4)數(shù)值求解的收斂性的結(jié)果.

對(duì)于本次研究對(duì)象,分別針對(duì)本分分別平峰和高峰兩部分,進(jìn)行后處理分析.

3.1 平峰時(shí)期

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

殘差繪圖沿縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)模式,可以看出,所有圖形最后的縱坐標(biāo)數(shù)值均小于-3,所以污染物濃度的觀(guān)察值與擬合值之差較小,擬合程度很高,數(shù)據(jù)均較為精確,誤差較小,可以進(jìn)行進(jìn)一步處理分析.

3.1.2 矢量圖 速度矢量顯示了風(fēng)場(chǎng),矢量用箭頭表示,箭頭的方向指風(fēng)向,大小和顏色代表風(fēng)速.分別繪制有聲屏障時(shí)和無(wú)聲屏障的時(shí)水平地面平面風(fēng)速矢量圖,如圖8.

圖8 有、無(wú)聲屏障時(shí)速度矢量圖(km/h)

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),有、無(wú)聲屏障對(duì)城市道路內(nèi)風(fēng)速大小有較大影響.有聲屏障時(shí)城市道路水平面上的風(fēng)速基本集中在0.03~3m/s之間,而無(wú)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(nèi)的水平面風(fēng)速.而對(duì)于處于道路兩側(cè)、建筑群內(nèi)的空間,同樣可由圖看出,相同的位置有聲屏障算例里風(fēng)速仍然小于無(wú)聲屏障算例風(fēng)速.

在風(fēng)速矢量圖上,除了速度大小外,風(fēng)速的方向也是重要的指標(biāo)之一.以下通過(guò)局部對(duì)比觀(guān)察聲屏障的存在對(duì)于風(fēng)速方向的影響,如圖9所示.

圖9 有、無(wú)聲屏障時(shí)局部風(fēng)向

可以得到聲屏障的存在使得風(fēng)向有了很大的改變.無(wú)聲屏障時(shí),風(fēng)向幾乎垂直于道路流動(dòng),沒(méi)有受到任何阻擋;當(dāng)聲屏障存在時(shí),會(huì)阻擋風(fēng)的流動(dòng),不僅減小了風(fēng)的流動(dòng)速度,還改變了風(fēng)的流動(dòng)方向,使得原本垂直道路的風(fēng)向改為沿著道路的方向流動(dòng).

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(xiàn)或條帶上的所繪變量為常數(shù).().繪制平峰時(shí)有、無(wú)聲屏障情況的3種污染物濃度濃度分布圖,來(lái)比較聲屏障對(duì)于各種污染物濃度擴(kuò)散的影響.

如圖10(a)(b)所示,有聲屏障時(shí),道路內(nèi)CO的濃度明顯高于無(wú)聲屏障道路內(nèi)相同位置的CO濃度.而在道路外側(cè)的建筑群內(nèi)內(nèi),在道路的順風(fēng)邊,即道路東西邊的建筑領(lǐng)域,有聲屏障時(shí)相同位置CO的濃度低于無(wú)聲屏障時(shí)CO的濃度.在道路的逆風(fēng)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(wú)聲屏障情況下的擴(kuò)散情況與CO類(lèi)似.在有聲屏障的時(shí)候,道路內(nèi)NO的濃度同樣高于無(wú)聲屏障道路內(nèi)相同位置的NO濃度.在道路外側(cè)的建筑群中,在道路的順風(fēng)邊,即道路東北邊的建筑領(lǐng)內(nèi),有聲屏障時(shí)相同位置NO的濃度低于無(wú)聲屏障時(shí)NO的濃度.在道路的逆風(fēng)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(duì)于PM的擴(kuò)散影響程度遠(yuǎn)大于CO和NO.在有聲屏障時(shí),不論在道路內(nèi),還是在道路外側(cè)順風(fēng)邊的建筑群內(nèi),相同位置的PM濃度均遠(yuǎn)低于無(wú)聲屏障的情況.而且,在無(wú)聲屏障的情況下,由于缺少聲屏障對(duì)PM的阻擋作用,PM在較遠(yuǎn)處的建筑群區(qū)域仍有非常大的濃度.但在道路的逆風(fēng)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(shí)間段里,聲屏障對(duì)于污染物的擴(kuò)散有較大的影響.有聲屏障時(shí),聲屏障改變了風(fēng)速的大小和方向,使得道路內(nèi)的氣體污染物(CO、NO)無(wú)法被吹散,聚集在道路內(nèi)部,相對(duì)于無(wú)聲屏障的情況下,道路內(nèi)的污染物濃度顯著增加.但同時(shí)由于聲屏障的存在,改變了風(fēng)的方向,降低了污染物向道路兩側(cè)擴(kuò)散的程度,使得道路兩側(cè)的污染物濃度相比于無(wú)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(duì)更易擴(kuò)散,因此聲屏障對(duì)其擴(kuò)散的抑制作用更加明顯,極大地減少了PM的擴(kuò)散,PM擴(kuò)散濃度的降低高達(dá)50%以上.

3.2 高峰時(shí)期

3.2.1 殘差圖 繪制殘差圖,如圖11所示.

同平峰時(shí)間段情況一樣,圖中最后的縱坐標(biāo)數(shù)值均小于-3,所以污染物濃度的觀(guān)察值與擬合值之差較小,擬合程度很高,數(shù)據(jù)均較為精確,可進(jìn)行進(jìn)一步處理分析.

圖11 無(wú)聲屏障時(shí)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(wú)聲屏障時(shí)水平地面的風(fēng)速矢量圖如圖12所示.

如圖12可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有、無(wú)聲屏障對(duì)城市道路內(nèi)部區(qū)域的風(fēng)速大小有一些影響,但影響程度無(wú)平峰時(shí)大.聲屏障的存在仍然減少了道路內(nèi)部水平面的風(fēng)速.

圖13為同一條道路的同一位置有、無(wú)聲屏障時(shí)風(fēng)的方向圖.

圖12 有、無(wú)聲屏障時(shí)速度矢量圖(km/h)

圖13 有、無(wú)聲屏障時(shí)局部風(fēng)向

圖14 道路兩側(cè)建筑群

聲屏障在高峰時(shí)期和平峰時(shí)期對(duì)風(fēng)向的改變相同,無(wú)聲屏障時(shí),風(fēng)向幾乎垂直于道路流動(dòng),未受到任何阻擋;當(dāng)設(shè)置聲屏障時(shí),會(huì)阻擋風(fēng)的流動(dòng),不僅減小了風(fēng)的流動(dòng)速度,還改變了風(fēng)的流動(dòng)方向,使得原本垂直道路的風(fēng)向改為沿著道路的方向流動(dòng).

通過(guò)對(duì)高峰時(shí)期聲屏障對(duì)風(fēng)速影響的分析可得,聲屏障對(duì)于風(fēng)速大小和方向的影響與平峰時(shí)期類(lèi)似,均是減小風(fēng)速,改變風(fēng)向.但影響程度從圖中可以看出,聲屏障對(duì)風(fēng)速在高峰時(shí)期的影響程度要比平峰時(shí)期要小很多,根據(jù)對(duì)地形條件和氣象條件的分析,主要有兩點(diǎn)原因:(1)高峰時(shí)期的風(fēng)速為3.6km/h,僅為平峰時(shí)期的一半,風(fēng)速減小,影響程度也減少.(2)平峰時(shí)期風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),而高峰時(shí)期為東北風(fēng).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(fēng)從西南方向吹來(lái)時(shí),建筑對(duì)于風(fēng)的阻擋較弱,所以平峰時(shí)期道路附近風(fēng)的強(qiáng)度較大,聲屏障對(duì)風(fēng)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(fēng)從東北方吹來(lái)的時(shí)候,建筑對(duì)于風(fēng)的阻擋較強(qiáng),所以高峰時(shí)期道路附近風(fēng)較小,聲屏障對(duì)風(fēng)的影響也較小.所以?xún)煞N情況之所以會(huì)有較大差別主要是由平、高峰時(shí)期風(fēng)速、風(fēng)向的不同以及道路兩側(cè)建筑構(gòu)造的不同這兩種因素共同導(dǎo)致的結(jié)果.

3.2.3 濃度分布圖 繪制高峰時(shí)有、無(wú)聲屏障時(shí)3種污染物濃度濃度分布圖,比較聲屏障對(duì)于各種污染物濃度擴(kuò)散的影響.

如圖15(a)(b)所示,有聲屏障時(shí),道路內(nèi)部有些位置CO的濃度高于無(wú)聲屏障道路內(nèi)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(wú)聲屏障時(shí)的.而在道路外側(cè)的建筑群內(nèi),在道路的順風(fēng)邊,即道路西南邊的建筑領(lǐng)域,有聲屏障時(shí),相同位置CO的濃度低于無(wú)聲屏障時(shí)CO的濃度.

如圖15(c)(d)所示,在有聲屏障時(shí),道路內(nèi)NO的濃度同樣高于無(wú)聲屏障道路內(nèi)相同位置的NO濃度.對(duì)于道路外側(cè)的建筑群,在道路的順風(fēng)邊,即道路西南邊的建筑領(lǐng)域,有聲屏障時(shí),相同位置NO濃度低于無(wú)聲屏障時(shí)NO濃度.在道路的逆風(fēng)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(duì)于PM擴(kuò)散的影響程度相對(duì)于CO和NO相對(duì)較大.在有聲屏障時(shí),不管是在道路內(nèi)部,還是在道路外側(cè)順風(fēng)邊的建筑群內(nèi),相同位置PM濃度均遠(yuǎn)低于無(wú)聲屏障情況下PM濃度.同樣,在道路的逆風(fēng)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(shí)期聲屏障對(duì)于CO和NO擴(kuò)散的影響作用與平峰時(shí)期相近,同樣是聲屏障使得道路內(nèi)部的大氣污染物(CO、NO)無(wú)法被吹散,聚集在道路內(nèi)部,相對(duì)于無(wú)聲屏障的情況下,增加了道路內(nèi)部的污染物濃度,但同時(shí)由于聲屏障的存在也改變了風(fēng)的方向,降低了污染物往道路兩側(cè)擴(kuò)散的程度,使得道路兩側(cè)污染物濃度相比于無(wú)聲屏障的情況得到了一定程度上的降低.而對(duì)于PM擴(kuò)散影響,聲屏障對(duì)于PM擴(kuò)散的抑制作用相比于CO、NO更加明顯,極大地減少了PM的擴(kuò)散,對(duì)PM擴(kuò)散濃度的降低高達(dá)50%以上.

聲屏障對(duì)污染物擴(kuò)散的影響程度在高峰時(shí)期沒(méi)有平峰時(shí)期那么顯著,由于氣象條件和地形條件的不同,使得風(fēng)的強(qiáng)度在高峰時(shí)期相對(duì)于平峰時(shí)期有了大幅度的下降,很大程度上的減弱了污染物的擴(kuò)散、流動(dòng)能力,所以也使得聲屏障在高峰時(shí)期對(duì)于污染物濃度的擴(kuò)散影響遠(yuǎn)不如平峰時(shí)期那么顯著.

4 交通污染物現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用YT-HPC3000A空氣凈化檢測(cè)儀于2018年5月7日對(duì)高梁橋斜街聲屏障區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),采樣時(shí)間為60s.

分別在平峰和高峰時(shí)期選擇相同10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),在所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)用儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),獲取PM和PM10在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度,如表7所示.

表7 平、高峰時(shí)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度(μg/m3)

由于受到儀器設(shè)備的限制,只能現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)PM2.5和PM10的濃度擴(kuò)散值.由表7的數(shù)據(jù)所知,聲屏障對(duì)PM2.5和PM10污染物濃度的擴(kuò)散有著非常大的影響.根據(jù)比較,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、5、7、9中監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)結(jié)果計(jì)算出,平峰時(shí)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(shí)期,有聲屏障道路附近的PM2.5、PM10濃度均降低50%左右.同時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、4、6的污染物濃度均比監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、5處的濃度要低,由于聲屏障的存在改變了風(fēng)向,抑制了污染物的擴(kuò)散,使得遠(yuǎn)離道路的位置PM2.5和PM10濃度降低.而監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)于污染物的阻擋作用,經(jīng)過(guò)風(fēng)的擴(kuò)散作用,離道路稍遠(yuǎn)的地方污染物的濃度反而增大,這也表明聲屏障對(duì)于PM顆粒污染物的擴(kuò)散有著很大的抑制作用,產(chǎn)生較大影響.

5 結(jié)論

5.1 聲屏障對(duì)風(fēng)速及風(fēng)向有很大影響.針對(duì)監(jiān)測(cè)道路,平峰期風(fēng)向主要為西向,垂直道路方向?yàn)橹饕L(fēng)向,高峰期風(fēng)向主要為東北向,沿道路方向?yàn)橹饕L(fēng)向.通過(guò)矢量圖分析,聲屏障的存在會(huì)阻擋風(fēng)的流動(dòng),減弱了風(fēng)的強(qiáng)度.平峰無(wú)聲屏障時(shí),道路內(nèi)的風(fēng)速大小相對(duì)于有聲屏障時(shí)從0.03m/s提高到了3m/s,甚至6m/s,風(fēng)速增加100到200倍.無(wú)聲屏障時(shí)道路內(nèi)部的風(fēng)速相對(duì)于有聲屏障時(shí)從0.02m/s上升到近2m/s,風(fēng)速增加100倍.除了改變風(fēng)的強(qiáng)度,聲屏障的存在還使得風(fēng)向從原本垂直于道路上升轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂缆贩较蛄鲃?dòng).

5.2 有聲屏障時(shí),道路內(nèi)部風(fēng)的強(qiáng)度和方向發(fā)生很大改變,因此會(huì)影響污染物的擴(kuò)散情況.風(fēng)向改變使得汽車(chē)排放的氣體污染物聚集在道路內(nèi),增加了道路內(nèi)部的氣體污染物濃度.平峰有聲屏障時(shí),道路內(nèi)部CO的濃度相對(duì)于無(wú)聲屏障時(shí)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(shí)期由于風(fēng)向沿道路方向,影響程度較小,高峰有聲屏障時(shí),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(nèi)部污染物排放濃度,對(duì)道路外側(cè)污染物擴(kuò)散濃度也有較大的影響.由于聲屏障改變了風(fēng)向,減弱了風(fēng)往道路外側(cè)的流動(dòng),降低了氣體污染物向道路外側(cè)擴(kuò)散的程度,從而使得道路外側(cè)氣體污染物濃度相對(duì)于無(wú)聲屏障時(shí)得到了一定程度上的降低.平峰有聲屏障時(shí),道路外側(cè)CO的濃度相對(duì)于無(wú)聲屏障的時(shí)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(duì)道路外側(cè)污染物擴(kuò)散的影響在距道路50~80米內(nèi)較為明顯.高峰時(shí)期由于受地形和氣象條件的響,聲屏障對(duì)于道路外側(cè)污染物擴(kuò)散影響沒(méi)有平峰時(shí)明顯.聲屏障存在的時(shí)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(cè)50m到80m內(nèi)效果明顯,聲屏障在靠近道路處側(cè)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響效果并不明顯.

5.4 結(jié)合仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),聲屏障對(duì)PM(顆粒污染物)的影響顯著.有聲屏障時(shí),道路內(nèi)和道路外側(cè)的建筑群內(nèi),PM的濃度均遠(yuǎn)低于無(wú)聲屏障時(shí).平峰有聲屏障時(shí),道路內(nèi)側(cè)部分區(qū)域的PM濃度為0.00015′10-6以下,無(wú)聲屏障的時(shí)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(guò)一倍.高峰時(shí)期,道路內(nèi)側(cè)部分區(qū)域的PM濃度為0.00025′10-6左右,而無(wú)聲屏障時(shí)PM濃度為0.000375′10-6左右,影響程度依然很高.平峰時(shí)期,道路外側(cè)靠近道路的地方,PM2.5和PM10的濃度在有屏障時(shí)比無(wú)聲屏障時(shí)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(duì)于道路附近的污染物濃度分別下降了將近37%和20%.而在無(wú)聲屏障的地方,距離道路50m處PM2.5和PM10的濃度相對(duì)于道路附近處的污染物濃度分別上升了38%和25%.可見(jiàn)聲屏障的存在極大抑制了PM的擴(kuò)散作用,不僅使得道路附近的PM濃度下降,還阻擋了PM的擴(kuò)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(nèi)蒙古包頭人,副教授,博士,主要從事交通環(huán)保與景觀(guān)、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(guó)家自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目(51878039)

* 責(zé)任作者, 副教授, xcqin@bjtu.edu.cn