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浅谈街道峡谷气体流动与污染扩散的影响因素周生乐【摘要】现阶段我国城市大气污染日趋严重，城市汽车尾气的排放、燃气管网的泄漏、化工企业废气的排放等等，对城市环境影响较大，而城市街道峡谷效应是影响城市空气污染物扩散的重要方面，文章综述了近年来关于街道峡谷效应的研究概况，以及峡谷效应的影响因素，并展望了今后街道峡谷效应的研究方向。
%The city street canyon effect played an important role in the dispersion of the city pollutants, including ex- hausts emission from construction machines and vehicles. The research summary in recent years and the influencing factor of street canyon effect were discussed, and the research direction of the street canyon effect in the future was prospected.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2012(040)014【总页数】3页(P160-161,223)【关键词】城市街道;峡谷效应;影响因素【作者】周生乐【作者单位】徐州市环境保护科学研究所,江苏徐州221002【正文语种】中文【中图分类】X51Abstract:The city street canyon effect played an important role in the dispersion of the city pollutants，including exhausts emission from construction machines and vehicles.The research summary in recent years and the influencing factor of street canyon effect were discussed，and the research direction of the street canyon effect in the future was prospected. Key words:urban street;canyon effect;influencing factor城市街道峡谷指的是道路两边建筑物及道路构成的狭长型街道。
城市交通道路机动车尾气的扩散模型综述摘要：归纳了国内外机动车尾气扩散模型,基于开阔道路型、街道峡谷型和交叉道路型3类城市典型交通道路,探讨了各种机动车尾气扩散模式的优缺点和适用性。
关键词：扩散模式；城市典型道路；机动车排气引言2009年我国首次成为世界汽车产销第一大国，机动车污染日益严重，机动车尾气排放成为我国大中城市空气污染的主要来源[1]。
机动车排放污染对城市低空大气环境和人体健康危害较大。
近年来，城市热点区域（街道峡谷、交叉道口）的机动车污染扩散问题日益得到广泛重视。
上世纪中页，国外研究专家就开始开发针对城市交通道路机动车尾气的扩散模型[2]。
研究方法基本上是在把握城市道路参数、交通参数和气象参数等的基础上，考察各类机动车排放因子，运用湍流扩散理论及大气化学理论等确定污染物浓度。
其发展经历了从简单到复杂，从计算地面最大浓度到计算地面浓度时空分布，从点源到面源及复合源的过程[3]。
根据城市典型交通道路，可分为三类模型：开阔道路扩散模型、街道峡谷扩散模型、交叉道路扩散模型。
1. 开阔道路扩散模型开阔道路为城市道路的主干，由于路面比较宽阔，车流量大，车速较快，两侧高层建筑物较少，或建筑物的平均高度与道路宽度之比较小，所以污染物易受气象参数影响而快速扩散，尾气污染物浓度与车流量往往有很高的相关性。
适用于此类道路的机动车尾气扩散模型主要为基于高斯理论的扩散模型，主要有CALRoads[4] 、GM[4]、H IWAY[5] 、TEXIN–2[6] 、GFLSM[7]、ISMAP[8]、TRAQSIM[9]等，在我国应用最多的是CALRoads 模型。
1.1CALRoads模型CALRoads[4]模型是由美国加利福尼亚交通部开发的道路大气扩散模型, 包括CALINE4、CAL3QHC 和CAL3QHCR 的3个模块。
CALINE 模型系列的最近版本是CALINE4 模型，它基于高斯扩散方程，应用混合层的概念来描述道路上方污染物的扩散。
污染物扩散模型的构建与模拟分析随着现代工业化及城市化的不断发展，环境污染问题越来越突出，这对人类的健康、生态环境及生物多样性等方面都带来了极大的威胁。
而污染物的扩散是导致环境污染的主要原因之一。
因此，对污染物的扩散模型的构建与模拟分析具有重要的理论和实际意义。
一、污染物扩散模型的基本概念污染物扩散模型是指对污染物在大气、水体、土壤等介质中扩散传播过程进行数学建模的过程。
其核心思想是通过数学公式描述污染物扩散、转化与传递规律，对污染物的特征、分布、浓度、影响等进行评估和预测，为环境保护和污染控制提供支持。
在污染物扩散模型中，其中一个关键要素是扩散系数，它主要考虑污染物的扩散现象。
扩散系数大小与被扩散的分子量、临界温度、扩散介质温度、压力等成正比例关系。
此外，影响扩散的还有风速、风向、湍流强度等气象因素。
因此，在具体构建模型时需要考虑多方面因素的影响。
二、污染物扩散模型的分类理论上，污染物扩散模型可以分为两大类，即基于经典物理学的扩散模型和基于统计物理学的扩散模型。
前者主要是基于物质的微观规律进行建模，如分子运动、质量传递、动能转移等；后者则是基于大量粒子的统计规律，如统计热力学、热力学平衡等。
在实际应用中，也可以根据具体的扩散介质、污染物种类、浓度范围等多种因素，将扩散模型进行进一步分类。
例如，大气扩散模型可以分为高斯模型、拉格朗日模型、欧拉模型等；水体扩散模型可以分为点源模型、面源模型、非定常模型、在线模型等。
在具体的应用中，需要根据污染物的种类、具体的观测数据、模拟环境等情况，选择适合的模型类型。
三、模型参数估计及优化在进行污染物扩散模型构建时，需要确定相关的模型参数。
而在实际操作过程中，往往难以对所有模型参数进行测量和确定。
此时，需要通过已有的或者历史数据，进行参数估计或反演，以得到合理的参数值。
传统的参数估计方法包括拟合法、极大似然法、贝叶斯反演等。
其中，拟合法最为常见，即根据已有的观测数据，通过试探性调整参数值，将模型预测值与实际观测值拟合。
第五章街谷热力环境的数值模拟城市冠层内部的热力场特性城市上空的大气层可以划分好几个部分，与人类生活关系最密切的就是城市冠层，即地表到建筑物顶层之间的高度，城市冠层是城市边界层中受人类活动影响最大的部分。
城市冠层的局地气候与冠层内建筑物的材料、密度、高度、几何形状、涂料颜色、街道宽度走向、路面铺砌材料、不透水面积、绿化面积、空气中污染物浓度以及人为热和人为水汽的排放量密切相关，因此，冠层内部的大气环境也随着诸多因素的改变而发生相应的变化，显得非常复杂。
在过去的几十年内，城市的居民数量大量增长，根据统计结果，到1990年左右，1/3的城镇居民都生活在百万人口以上的特大城市中。
在城市化的进程中，随着城市区域的发展与扩充，城市生活的环境各方面都会影响，如空气污染、水污染等问题，加上人为热的排放所导致的热力环境的改变等。
由于城市生活每天都要消耗大量的能源物资，因此，要想消除人为热以及各种污染物的排放是不可能的。
在城市化区域，建筑物的数量多，增加了接收太阳辐射面积，同时也造成太阳辐射反射率和地面长波净辐射的减小；而下垫面又多是导热率和热容量较高的材料如水泥、砖石、金属板等，再加上植被覆盖面积小，不透水面积大，使得蓄热能力增大而储藏水分和蒸发蒸腾的能力大大下降，这就严重破坏了自然界所固有的平衡调节能力。
通常来说，由于建筑物的拖曳作用与动力阻碍效应，在城市的建筑群内，风速较小，而且街谷内天空视角因子的变化，会增加街谷内部对地表与墙面的长波辐射的吸收，加上人为热的排放与多重散射，街谷内的风场和热力条件会有很大的局地变化。
而城市地表热力条件的改变，会有可能产生一些微尺度方面的气候问题[8,17,141-143]，这些问题体现在很多方面，城市热岛是其中一个。
城市热岛，一直都是城市气候学里面的重要研究对象之一。
城市热岛，是由城市其特殊的热力和机械性质决定的，如粗糙度、热容量、反照率、蒸发、建筑物对太阳反射的多重反射还有大量能源消耗所产生的人为热等，而其中，人为热与粗糙度是两个最重要的因子。
试验新兜清洗世界Cleaning World第36卷第11期2020年11月文章编号：1671-8909 (2020) 11-0019-003空气调节下室内污染物扩散数值模拟的综述孔佑方、耿静亚2，王素英\赵晓丹、赵楠楠1(1.郑州经贸学院，河南郑州 450000 : 2.黄河水利职业技术学院河南开封 475000)摘要：目前，室内外环境污染严重，来自装饰材料的室内污染物越来越多，通常情况下，室内装修多会与空气调节装置相配套。
所以气流组织和室内溫湿度调节对污染物的扩散影响非常重要。
C F D 技术模拟已经非常成熟， 并且已得到多次验证。
但该研究对室内污染物扩散较为单一，多数没有考虑多因素的影响。
对今后的研究展望： 对于模拟研究，要使用实验进行验证，当条件不允许时，尽量采用小型实验补充。
非稳态的研究，对于了解扩散 的细微变化非常重要，但大多数研究并未涉及，在今后的工作中，希望能够增加。
模拟研究的多因素分析，往往只考虑一两个因素对模拟结果的影响，距离实际情况有一关键词：污染物扩散；国内外现状；数值模拟；展望 中图分类号：X 55 文献标识码：A〇引言目前，室内外环境污染严重，来自装饰材料的室内 污染物越来越多。
室内污染物主要来源有室外空气污染；建筑装修材 料和室内设备；人类自身活动。
根据不同污染物的性质， 可以将它们分类：化学污染；放射性污染；生物污染； 磁辐射。
根据研宄，通常人们都会在室内进行工作学习，室 外工作的时间占比非常少，所以研究室内的工作环境的 污染物非常重要。
例如，甲醛超标会导致恶心、呕吐等、 严重的会导致呼吸道疾病和白血病，苯是典型的致癌物， TVOC 可能引起恶心、呕吐。
目前，室内污染物的相关 研究己经越来越受到研宄者的重视，建筑环境学科更是 把室内质量划分为一个重要的独立的组成部分。
世卫组 织对室内污染的研究极度关注。
一般情况下，为了舒适度和整体美观，商场、办公 室和写字楼都会安装空调。
街谷流场及其中污染物扩散数值模拟研究综述郭辉，吴建军河海大学环境学院（210098）E-mail：persevere_gh@摘要：本文综述了街谷流场及其中污染物运移的主要研究方法，具体描述了数值模拟研究方法的研究现状和进展，总结了街谷内流场和污染物的扩散运移特征。
关键词：街谷，流场，污染物扩散，数值模拟1. 引言随着城市的规模不断的扩大，而土地资源总量是不变的，因此，城市街道两旁高楼耸立。
“街道峡谷”指两旁有连续排成一线的建筑物的街道[1]。
近年来，随着经济的发展，环境的污染也更加严重。
城市街区中空气污染程度不断加深，空气中充满汽车尾气、工厂排出的废气和其他等有害气体，直接影响到城市居民的生活质量的污染成份。
研究表明[3-6]，当高大建筑物分布于狭长街道两旁时,污染物容易被困其中,很难扩散出去,这就形成了所谓的街道峡谷效应。
污染物在峡谷内易于形成气流死区，污染带高度接近人的呼吸高度，对人的健康有很大的影响。
因此，研究城市街道峡谷乃至城市街区的流场和污染物在流场内的输运可对城市的规划起指导作用,对城市街区大气环境进行总量控制，进而为人们创造优良的生活环境。
2. 研究现状机动车污染物扩散问题的研究最早起始于20世纪30年代,在70年代以后逐渐成为研究热点[2]，国内对其研究始于20世纪90年代, 起步较晚[7]，是一个比较新的研究方向。
我们对其的研究可分为城市尺度和微尺度两个方向。
目前国外街道峡谷交通大气污染物扩散研究主要有三种方法: 野外测试法、物理模拟法和数值模拟法。
[8]2.1 野外测试法野外测试法始于20世纪70年代[8],国外有人对不同地区进行了实地测试, Johnson[9]从实测数据中得出的街道峡谷内部污染物浓度分布与街道两旁建筑物高度的关系，为污染物扩散模型的建立提供了很好的参考。
DePauh[10]的实测结果表明在建筑物街道高宽比L/H为1.5的情况下，当风速大于2m/s时街道内部会形成一个稳定的漩涡;Kennedy[11]的测量结果表明街道内部的污染物浓度随L/H的增大而增大。
在固定的L/H下，污染物浓度在垂直方向上呈指数下降。
这些研究都显示了在街道峡谷内会形成一个漩涡。
街道峡谷内涡旋的形成与风速有关[12-15], 影响峡谷内污染物扩散最重要的因素是街道峡谷几何结构及街道两侧建筑物屋顶风速特征。
我国在这一领域的研究由于起步较晚，前人的实测成果就为我们提供了不少研究依据，少走了不少弯路。
2.2 物理模拟法物理模拟法始于80年代后期[8], 主要就是利用风洞实验对大气及污染物的扩散进行模拟研究。
物理风洞模型研究较前者容易得出，也容易控制，关键在于能否在风洞中复现大气边界层的动力学和热力学重要特征。
风洞模拟实验必须满足一组相似准则，否则不充分的边界条件和不完全准确的比例换算会导入误差。
[16]国外有人利用风洞模拟了峡谷内污染物扩散行为[17-19,10], 结果发现污染物浓度分布取决于街道峡谷的对称性和街区的高宽比, 在垂直方向上按指数规律递减，在背风侧高于迎风侧。
在我国，周洪昌等人[20-23]也做了物理风洞实验，得出了与前人类似的结论。
研究表明，街道峡谷的结构形式对湍流能量密度的分布影响较大。
2.3 数值模拟法随着计算机技术的发展，很多高性能的计算机不断出现，这就促进了CFD技术的发展。
对流体力学的问题进行数值模拟可以比野外测试和物理模拟更快，而且只需要更少的投入，是一种比较适合的方法。
对街道峡谷内部流场特性和污染物扩散问题的数值模拟法始于90年代[8]。
描述流体运动的核心是Navier-Stokes方程，各种数值模拟都建立在该方程基础之上，可以针对不同的研究对象做不同的简化，得到不同情况下的数学模型。
在街道峡谷扩散模型中，由于流体速度较低，流体均被视为不可压缩的。
Hitoshi[24]用有限差分法汁算了当地街道峡谷离地面200m空间的污染物浓度分布。
Jean[18]用有限体积法模拟了当来流与街道平行且街道两侧建筑物高度对称时,不同街道峡谷几何结构下的污染物浓度分布。
Johnson[5]研究了街道峡谷内的流场运动。
他们的研究验证了一些风洞试验得出的结果，包括当街道顶部风向垂直于峡谷轴线时形成的漩涡流动。
结果表明污染物浓度在地面达到最高值, 背风侧高于迎风侧。
国内此项研究起步较晚, 但也取得了一定的成果。
[25-36]3. 数值模拟的研究进展我国虽然在这方面的研究起步较晚，但也有许多学者进行了一定的研究，得出了许多可贵的成果。
黄远东等[25]基于标准的k-ε双方程湍流模型，对不同建筑物宽高比的街道峡谷内部气流场进行了数值模拟。
他们数值模拟了2 种峡谷宽高比和4 种建筑物宽高比下的开阔地域街道峡谷内部气流场。
模拟结果表明，峡谷上部生成一个顺时针大旋涡，并在此大旋涡的驱动下，峡谷内部形成一个逆时针旋涡。
建筑物宽高比( W/H) 对峡谷内部气流场具有显著影响，在W/H较小的情况下(如W/H =1/5)，峡谷上部顺时针旋涡向峡谷内扩展而挤压峡谷内的逆时针旋涡，在峡谷宽高比( B/H)一定的前提下，上部顺时针旋涡向峡谷内部扩展的程度随W/H的减小而增大，而在W/H一定的条件下，上部顺时针旋涡向峡谷内部扩展的程度随B/H的加大而增强。
从上述峡谷内部流场的特征中可推断出，在建筑物高度一定的条件下，缩小建筑物宽度和加大峡谷宽度会增强峡谷内外空气的交换，从而有利于峡谷内空气品质的改善。
吴志军等[30]对带人行拱廊城市街道机动车污染物扩散规律进行模拟计算。
研究结果表明街道内部形成了一个顺时针的漩涡，涡心位置偏向街道上部，同时在街道迎风面处的拱廊里形成了一个逆时针漩涡；在建筑物背风侧形成了“爬墙效应”，由于人行拱廊的影响，街道内部污染物的总体水平比不带人行拱廊时要高出很多，两侧的人行拱廊里都形成了高污染区域，在背风侧人行拱廊里污染更为严重。
汪立敏等[32]数值模拟了非孤立街道峡谷大气流动及污染物扩散特征。
模拟结果表明与孤立街道峡谷相比，非孤立街道峡谷中污染物的浓度要远高于孤立街道峡谷中污染物的浓度，而且随着上下游建筑物的增加，使到达目标街道峡谷的风速相对减弱，污染物在峡谷中难以扩散，造成了峡谷内部污染物浓度会随着峡谷数的增加而增大。
并且发现不等高峡谷建筑物高度存在一个临界点，目标街道峡谷内部的污染物浓度在上下游建筑物较高(临界点之上)时要大于上下游建筑物较低(临界点之下)时的浓度。
黄远东等[36]又数值模拟了6种带有斜顶建筑物的城市街道峡谷内部气流场。
模拟结果表明建筑物斜顶显著影响峡谷内部的气流场，由于气流绕过斜顶时产生剧烈分离，使得处于背风面的斜顶与处于迎风面的斜顶相比，前者对峡谷内部的气流漩涡结构影响更大；斜顶建筑物高度与峡谷宽度的比是决定峡谷内部漩涡结构的重要因素，其比值愈大愈易于在峡谷内部生成两个旋转方向相反的漩涡，其中峡谷上部为顺时针漩涡，而下部为逆时针漩涡。
在国外，Lee和Parks[37]为了评价不同街道峡谷的外形及不同流动条件对污染物扩散的影响，通过点的逐次超松弛迭代法得到控制方程的解，是一种非定常的二维流动模型.它可模拟计算扩散特性，研究流动条件、建筑物几何外形等对扩散的影响。
结果表明，当街道的高宽比较小时，污染物的消散比较有效，在小雷诺数和风速比较大时更加显著；当街道的高宽比较大时，街道峡谷中会形成二个高低位置不同的旋涡，由下部往上部的污染传输以扩散为主。
Schorling[38]采用Lagrange法分析了污染物扩散过程，并指出大气湍流模型是影响最终结果的主要因素。
Hasson[39]计算了在街道峡谷两旁建筑物等高的情况下，不同高宽比对街道内部的二维浓度场和速度场的影响。
该计算采用适当简化的k-ε模型，没有考虑能量方程，但作者将计算结果与实测结果作了比较，证明该方法是行之有效的。
4. 总结城市区域人口密度较大，尤其是在居民和交通比较密集的地点，居民、行人以及机动车驾驶员暴露于危险空气中的可能性大大增加。
城市特殊下垫面以及微气候特征可能影响污染物的传输扩散，从而产生局地空气污染，如在城市街谷中，可能观测到高浓度污染物[40]。
街谷是城市下垫面的重要组成部分，其动力性质是构成城市局地气候的重要因素，也是居民活动中最为活跃的场所，因而城市街谷环境状态的研究成为城市规划设计、城市气候以及城市空气质量控制等领域的共同课题[41-43]。
目前对二维街谷的研究较多,Oke[41]的研究结果表明，当系统风向垂直街谷时,依据街谷的几何尺寸，流场可描述为3 类:孤立粗糙流(H/W<0.3)；尾流干扰流(H/W>0.5)；滑动流(H/W≈1)。
其中尤以滑动流情况最为复杂,街谷中一般形成典型的涡旋，在相对较深的街谷中(H/W>1.3)，涡旋位置常常向上移动；当H/W≈2时，在上部涡旋下会出现一个反向弱涡旋；当H/W≈3时,还会出现第三个弱涡旋[44]。
当系统风与街谷走向成一夹角时，可观测到流场在迎风区的反射[45]，这种反射可在街谷中诱发螺旋形流场。
当风向平行于街谷时，可形成狭管效应，强迫气流沿街谷流动，并使流动加速。
街谷涡旋强度受系统风的影响，也受街谷中行驶机动车引起的机械湍流的影响，同时还受大气稳定度以及其他热力因素制约，如各墙面和地表加热不均等[43]。
城市街谷的走向和当地盛行风成较小夹角时有利于街谷内污染物的扩散，反之不利。
从街谷的几何形状来说，宽街谷和较深街谷更有利于污染物扩散；短街谷强于长街谷，尤其是风向大致平行于街谷时，可能在长街谷下风向造成污染物累积；当上风向建筑物比下风向建筑物高度低时，有利于污染物的扩散输送，反之不利。
[46]因此，在如此丰富的前人的成果之上，我们可以继续完善二维街谷的数值模拟研究，并且我们可以对三维街谷进行数值模拟，进而对一片街区进行三维数值模拟，预测街区的空气环境质量。
从而，我们可以对城市的大气环境进行总量控制，对城市的发展建设提出总体上的规划，使人们的生活更加美满幸福。
参考文献[1] 李磊，张镭，胡非。
城市街道峡谷汽车尾气污染的数值模拟。
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公路和城市街渠机动车大气污染物扩散模式发展综述。
南京气象学院学报，2005,28(3):423-432.[3] 汪立敏，王嘉松，黄震，谢晓敏。
优选数值计算方法用于不对称街道峡谷的研究。
水动力学研究与进展，2005,20A(1):1-7.[4] 吴志军,黄震,谢拯,王嘉松,周校平。
城市街道峡谷机动车污染物扩散的模拟研究。
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