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

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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(shù)木的情況下，測(cè)量和模擬結(jié)果均表明與無(wú)樹(shù)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(shù)冠高度處的風(fēng)速，并破壞樹(shù)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(xiàn)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(chē)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(xiàn)對(duì)稱(chēng)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(chē)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(chē)排放示蹤污染物.

兩條線(xiàn)性污染源對(duì)稱(chēng)分布在平行于街道峽谷中心線(xiàn)的機(jī)動(dòng)車(chē)道中央，用于模擬實(shí)際道路中的雙向機(jī)動(dòng)車(chē)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(chē)流量為10 000輛，其中4%為重型運(yùn)輸車(chē)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(chē)專(zhuān)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(chē)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(chē)專(zhuān)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(xiàn).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(lèi)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.