河南焦作市通風(fēng)廊道的分析與構(gòu)建

來燕妮 馮其林 杜 欽*

城市大氣污染日益嚴(yán)重，城市通風(fēng)廊道有助于大氣污染物的擴散，改善大氣環(huán)境。計算流體力學(xué)可對不同速度場、質(zhì)量濃度場等流場進行分析、計算和預(yù)測，實現(xiàn)對風(fēng)速、大氣顆粒污染物、建筑物密度等因素的模擬。以傳統(tǒng)工業(yè)型城市河南焦作為例，通過分析大氣顆粒污染物的時空分布，確定污染集中地及主要影響空間；結(jié)合城市風(fēng)玫瑰圖和綠色基礎(chǔ)設(shè)施，識別出盛行風(fēng)入城風(fēng)口地帶和識別氧源補給地；利用計算流體力學(xué)模擬確定潛在的通風(fēng)廊道；通過換氣平衡，識別潛在氧源補給廊道?；谟嬎懔黧w力學(xué)的通風(fēng)廊道分析方法，能為城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建提供有益參考。

計算流體力學(xué)；通風(fēng)廊道；大氣顆粒污染物

隨著城市化進程不斷加快，中國城市大氣污染問題日益嚴(yán)重，近年來各地頻發(fā)的大氣污染事件本質(zhì)上都與大氣顆粒物污染密切相關(guān)[1-3]。如何改善城市大氣顆粒物環(huán)境已成為當(dāng)下熱點問題。對此，2016年國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合共同發(fā)布的《城市適應(yīng)氣候變化行動方案》明確提出，可以利用打通城市通風(fēng)廊道，增加城市空氣流動，來緩解和改善城市大氣環(huán)境問題[4]。

目前，通風(fēng)廊道構(gòu)建，特別是運移大氣顆粒污染物的通風(fēng)廊道，難點在于如何對城市顆粒污染物隨風(fēng)運動路徑進行判斷和識別。一些研究通過地面實測觀察數(shù)據(jù)來獲得風(fēng)和顆粒物的數(shù)據(jù)，然而此方法的不足在于難以實現(xiàn)同時在多點、同步收集風(fēng)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。風(fēng)動模型可以在一個地區(qū)上以大比例尺形式再現(xiàn)局地風(fēng)場狀況和污染物分散特性，盡管城市通風(fēng)風(fēng)動研究能提供一定約束條件下的精確模擬，但由于覆蓋區(qū)域小、操作成本昂貴等問題，大大限制了其應(yīng)用[5-7]。近年來，計算流體力學(xué)由于可對不同速度場、質(zhì)量濃度場等流場進行分析、計算和預(yù)測，逐漸應(yīng)用于模擬城市大氣環(huán)境與城市規(guī)劃直接關(guān)系[8]。

國內(nèi)對城市通風(fēng)廊道研究多偏向于半定性研究，較少考慮對城市通風(fēng)廊道的定量計算，特別是定量過程中如何實現(xiàn)關(guān)鍵因子如風(fēng)、污染物、建筑物密度等的梯度變化。由于計算流體力學(xué)模擬平臺能實現(xiàn)對速度場、質(zhì)量濃度場的定義與模擬，因此研究以傳統(tǒng)工業(yè)型城市河南焦作為例，運用計算流體力學(xué)模擬平臺，識別其潛在通風(fēng)廊道，探討如何利用計算流體力學(xué)模擬平臺實現(xiàn)通風(fēng)廊道的構(gòu)建。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

焦作市地處北緯34°48′55″— 35°29′59″，東經(jīng)112°33′40″— 113°38′42″，位于河南省西北隅，北依太行與山西接壤，呈北山中川南灘之勢，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱、春暖秋涼、四季分明。全年主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)，其次是西南風(fēng)，全年平均風(fēng)速為2.3 m/s。城區(qū)地表水資源豐富，國家級引水項目——南水北調(diào)中段工程穿城而過，季節(jié)性河流有白馬門河、影視溝、群英河等12條，目前處于蓄水狀態(tài)的有南水北調(diào)工程焦作市城區(qū)段大沙河。焦作市總面積約407 110 hm2，建成區(qū)面積11 330 hm2[9]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用的數(shù)據(jù)主要包括：Landsat-8分辨率為30 m的遙感數(shù)據(jù)及高程數(shù)據(jù)，源自中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站；焦作市城市總體規(guī)劃（2011 — 2020），源自焦作市住建局；大氣顆粒污染物數(shù)據(jù)，源自焦作市氣象局。

1.3 研究方法

工業(yè)城市通風(fēng)廊道除了考慮本地區(qū)空氣污染物擴散和通風(fēng)良好之外，還應(yīng)盡可能降低或避免空氣污染物對下風(fēng)向地區(qū)的影響。根據(jù)焦作市概況，構(gòu)建既具有良好通風(fēng)能力，又具有一定滯留和吸附空氣污染物能力的綠色廊道，步驟主要包括：（1）確定污染集中地及主要影響空間；（2）確定盛行風(fēng)入城的風(fēng)口地帶；（3）識別城市及周邊的氧源地；（4）確定通風(fēng)廊道和城市氧源補給風(fēng)道；（5）識別城市下風(fēng)向?qū)Τ龀强諝馕廴疚锏臏艉臀教幚韰^(qū)。

1.3.1 確定污染集中地及主要影響空間

將研究范圍云量值小于10%的Landsat8遙感影像（第1-9波段，2019年3月）進行多波段圖像合成和轉(zhuǎn)換，得到Landsat8 OLI432自然真彩色影像。通過ArcGIS Desktop，采取人機交互方式，分別按居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、公眾用地（醫(yī)院、學(xué)校等）、城市綠地、水體、農(nóng)業(yè)用地、生態(tài)防護林、山林等類型，對照參考地物進行解譯，得到焦作土地利用類型圖。將研究范圍內(nèi)2017 — 2019年的大氣污染顆粒物指數(shù)的空間數(shù)據(jù)與土地利用類型圖進行疊加，按季節(jié)識別污染集中地及主要受影響空間。

1.3.2 識別盛行風(fēng)入口區(qū)

在污染集中地和主要影響空間的基礎(chǔ)上，結(jié)合焦作近5年風(fēng)玫瑰數(shù)據(jù)（表1），確定風(fēng)源入城的上風(fēng)向為風(fēng)口地帶。

表1 焦作市近5年月均風(fēng)速風(fēng)向表

1.3.3 識別氧源地

氧源地能稀釋空氣污染物并為城市提供新鮮氧源補給。氧源地主要包括城市綠地系統(tǒng)、城市周邊生態(tài)防護林、山林等。利用城市綠地和城市周邊綠色空間，如自然山林、生態(tài)防護林等的分布，識別氧源補給地。

1.3.4 確定通風(fēng)廊道和氧源補給廊道

利用研究區(qū)道路系統(tǒng)、水系分布等線性空間信息，結(jié)合城市盛行風(fēng)入口、大氣污染物集中區(qū)和主要影響區(qū)，采用計算流體動力學(xué)模型，模擬風(fēng)環(huán)境在研究區(qū)的流動，確定擴散最優(yōu)和擴散次優(yōu)的通風(fēng)廊道，最優(yōu)廊道設(shè)為一級廊道，次優(yōu)廊道設(shè)為二級廊道。計算機流體力學(xué)模型使用的是ANSYS Fluent模擬軟件。它是目前功能最全、適用性最廣的CFD軟件，集成在Workbench下，方便模擬前后處理協(xié)同使用[10]。ANSYS Fluent模擬過程主要分為幾何模型建立、計算網(wǎng)格劃分、初始條件設(shè)置和求解計算。

（1）建立幾何模型。將研究范圍空間在AutoCAD中抽象繪制為幾何圖形，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中，對幾何外形建立節(jié)點和單元[11]。計算區(qū)域尺寸將直接影響模擬的準(zhǔn)確性和計算時間[12]，因此計算區(qū)域與進風(fēng)口的長度為模型長度的1～2倍，出口為最高建筑物高度的8～10倍。

（2）劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響模擬的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和收斂性，可使用ANSYS中Workbench的Mesh工具劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分方式為CutCell，多以六面體網(wǎng)格為主，部分為四面體網(wǎng)格。

（3）設(shè)置邊界條件。入口邊界條件設(shè)置為速度入口邊界條件，使用梯度風(fēng)的指數(shù)率規(guī)律，在大氣邊界層以下，由于摩擦作用的存在使得靠近地面的風(fēng)速較小，而離地越遠風(fēng)速越大。平均風(fēng)剖面用來描述平均風(fēng)隨高度變化的規(guī)律，目前常用的模型有指數(shù)風(fēng)剖面模型、對數(shù)風(fēng)剖面模型等[13]。中國常選用的指數(shù)風(fēng)剖面模型方程見公式（1）。

其中：Zb表示標(biāo)準(zhǔn)參考高度，中國標(biāo)準(zhǔn)參考高度是10 m；Vb表示參考高度處的平均風(fēng)速；z表示任一高度；V(z)表示該高度處的平均風(fēng)速；a是地面粗糙度，較少高層建筑的市區(qū)空間，a取值0.22[14]。

其他邊界中，假設(shè)出流面的空氣流動已恢復(fù)至沒有建筑物阻礙的情況，將出流邊界設(shè)置為壓力出口邊界，相對壓力為0。因城市風(fēng)環(huán)境模擬中所研究的區(qū)域較大，可不考慮頂面及側(cè)面對模擬區(qū)域內(nèi)空氣流動的影響，將其定義為對稱條件。

（4）求解設(shè)置。包括求解模型、求解控制、監(jiān)督控制、迭代次數(shù)等設(shè)置。本次研究采用渦粘模型二方程標(biāo)準(zhǔn)模型，是一種半經(jīng)驗計算模型，是基于湍流動能（k）和湍流擴散率（ε）方程組的湍流模型，分子黏度的影響可忽略不計。在分析較大尺度的模型時，選用該方法可減少計算壓力。采用SIMPLE算法進行壓力與速度的解耦，避免不當(dāng)?shù)乃俣群蛪毫Τ霈F(xiàn)。收斂則是連續(xù)性絕對殘差、動量項絕對殘差、湍流絕對殘差小于10-3。

通過保證換氣平衡，來確定氧源補給廊道。為了確保城市內(nèi)外每日的換氣平衡，設(shè)城市垂直風(fēng)向邊長為L1（km），平行風(fēng)向邊長為L2（km），順風(fēng)風(fēng)速為V（km/h），城市每天的換氣次數(shù)T，則城市風(fēng)道的總寬度W占城市邊長L1的比例應(yīng)是T的倒數(shù)[12]，見計算公式（2）。

其中，T=24 V /L2，將T代入公式（2），則 W=( L1· L2) /24V。

1.3.5 識別下風(fēng)向空氣污染物的滯留和吸附區(qū)

結(jié)合現(xiàn)有城鄉(xiāng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施（即城市綠地、城市外圍生態(tài)防護林地）和規(guī)劃的綠色基礎(chǔ)設(shè)施分布，識別城市下風(fēng)向?qū)Τ龀强諝馕廴疚餃艉臀降奶幚韰^(qū)，降低對下風(fēng)向其他地區(qū)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染集中地及主要影響空間

研究區(qū)污染集中地及主要影響空間見圖1?？傮w上，春季時段大氣污染顆粒物指數(shù)102-120，夏季為73-122，秋季為89-109，冬季為136 -169，冬季污染最為嚴(yán)重，秋季最輕。

1. 焦作市中心城區(qū)大氣污染顆粒物指數(shù)分析圖

2.2 盛行風(fēng)入口區(qū)

影視路以北沿太行山下的生態(tài)保護區(qū)可作為山坡風(fēng)環(huán)流進城的風(fēng)口區(qū)；大沙河及沿岸的帶狀生態(tài)防護綠帶可作為城西部—南部的風(fēng)口區(qū)；東部工業(yè)區(qū)以西的耕地可作為城區(qū)東部各方位的風(fēng)口地帶（圖2）。

2. 焦作市中心城區(qū)風(fēng)口地帶示意圖

2.3 主要氧源地

識別得到的主要氧源地有許衡公園、生態(tài)植物園、森林公園、縫山針公園、月季公園等，它們是重要的氧源補給地（圖3）。

3. 焦作市中心城區(qū)主要氧源地示意圖

2.4 通風(fēng)廊道和氧源補給廊道

2.4.1 通風(fēng)廊道

通過對土地利用類型的空間幾何簡化處理[12]，以盛行風(fēng)年均2.3 m/s為風(fēng)速，進行CFD模擬，確定通風(fēng)風(fēng)道。CFD核心參數(shù)設(shè)置如表2所示，模擬過程如圖4，確定的通風(fēng)廊道如圖5和表3。

4. 焦作市部分地區(qū)風(fēng)場模擬圖

表2 CFD（計算流體動力學(xué)）模擬參數(shù)值

2.4.2 氧源補給廊道

焦作城區(qū)若以單條城市風(fēng)道寬度為100 m估算，大概需要12條城市風(fēng)道才可以完成一日的換氣平衡；若單條城市風(fēng)道寬度為80 m，則需要15條城市風(fēng)道。根據(jù)模擬結(jié)果，擇取普濟路等7條通風(fēng)狀況較為良好、與主體風(fēng)道相連、與組團內(nèi)生態(tài)補償空間相連的道路作為氧源補給廊道（表3）。

表3 焦作市的通風(fēng)廊道

2.5 下風(fēng)向空氣污染物的滯留和吸附區(qū)

由于研究區(qū)主要盛行東北風(fēng)和西南風(fēng)，西南方向和東北方向的城市綠地、城市外圍生態(tài)防護林地以及規(guī)劃的綠色基礎(chǔ)設(shè)施都可成為各自下風(fēng)向污染物的吸附區(qū)（圖5）。

5. 焦作市通風(fēng)廊道構(gòu)建示意圖

3 結(jié)論與討論

焦作是中國典型的工業(yè)污染型城市，研究基于污染集中地及主要影響空間、盛行風(fēng)入城的風(fēng)口地帶和城市及周邊的氧源地，采用計算流體力學(xué)的ANSYS Fluent模擬軟件，確定出相應(yīng)的通風(fēng)廊道和氧源補給廊道。與傳統(tǒng)半定量城市通風(fēng)廊道的識別相比，計算流體力學(xué)可以綜合分析風(fēng)速、污染物質(zhì)量濃度和地表建筑物密度的三維時空變化關(guān)系及相互影響，尋找擴散條件最好的城市通風(fēng)廊道。這種方法可為其他工業(yè)城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建提供參考。

應(yīng)當(dāng)指出，城市大氣顆粒污染物擴散和運移，在三維空間上除了受建筑物密度影響，還受建筑物高度的影響，特別是對于高樓聳立，高樓密度大的大型城市，建筑物單體高度對污染物擴散和通風(fēng)影響極大[11]。本研究因數(shù)據(jù)獲取所限，在進行模擬時沒有設(shè)置建筑物高度作為參數(shù)之一。但研究區(qū)域焦作，屬于典型的中小型工業(yè)城市，建筑物比較低矮，主要影響要素建筑物密度設(shè)為參數(shù)因子，足以滿足要求[12]。另外，通風(fēng)廊道是一個開放、動態(tài)的線性系統(tǒng)，與周邊區(qū)域聯(lián)系密切。如果要發(fā)揮更大的擴散作用，還應(yīng)該從城市群、省域乃至更大區(qū)域尺度，結(jié)合各類綠色空間，進行多層次構(gòu)建，這樣更有利于大氣污染物的緩解和吸附。