城市街道峡谷交通空气污染影响分析

城市街道峡谷交通空气污染影响分析 祁志国 摘要：为了研究城市街道峡谷中机动车排放污染物对空气污染的影响，论文提出了基于微观交通排放仿真和CFD数值模拟的分析方法。该方法综合考虑了自然气象条件、街道峡谷几何形态、交通流状况等主要影响因素，能够模拟污染物在街道峡谷内部及周边区域的三维分布状况，可为城市规划设计提供一定的参考依据。本文主要考虑了风速和街道峡谷高宽比两个重要影响因素，模拟了不同情形下街道峡谷内部气体流动和污染物扩散状态，得到了污染物在街道峡谷内的分布规律，可为城市规划及建筑设计提供一定的参考。 关键词：街道峡谷 交通污染 数值模拟 CFD 计算流体力学

1 引言 大城市尤其是中心区的高层建筑分布相对密集，这就形成了城市中常见的几何形态——街道峡谷。街道峡谷的概念首先由Nicholson于1975年提出[1]，是指两旁都有连续的高大建筑物的相对狭长的街道空间。街道峡谷是城市下垫面的重要组成部分，是居民活动中最为活跃的场所[2]。在街道峡谷内，由于建筑物的遮蔽，形成了气流状态复杂的微气候，在这里气流交换与污染物的消散只能通过屋顶完成，容易形成污染物浓度较高的局部区域。而且由于机动车尾气排放高度接近人的呼吸高度，直接危害道路两侧的行人及附近居民。因此，研究街道峡谷内交通污染物的扩散规律，为城市规划设计和控制街道峡谷内机动车尾气污染提供参考依据和技术保障，具有重要的现实意义。 国外学者从20世纪70年代就开始研究街道峡谷内机动车尾气污染问题，研究手段包括实地测量、物理风洞试验、扩散模式和数值模拟。实测研究能够准确获得街道峡谷内部某些位置的气象参数和污染物浓度数据，但是由于受到实验设备的限制，大范围获取参数较为困难。风洞试验可以通过改变试验条件模拟不同条件下污染物的扩散情况，可重复性好，但是其试验成本过高。扩散模式较广泛地应用于实际工作中，但不能方便地给出计算区域各个节点上的污染物浓度值，因而不能直观描述污染物的扩散状态并将浓度分布状态可视化[3]。 近年来，越来越多的学者采用数值模拟手段研究街道峡谷的污染物扩散问题，这是由于数值模拟方法不仅成本低、周期短、可重复性好，而且可以直观地再现街道峡谷内部气流运动和污染物扩散状态。然而，大多数研究者没有考虑实际交通流的动态特性，忽略了交通量变化对污染源强的影响。 论文构建了基于交通微观仿真模型和微观排放模型的模拟计算平台，能够准确计算不同行驶工况下的机动车污染物排放量，反映交通流动态变化对污染源强的影响。在此基础上，将计算得到的污染物排放源强引入CFD（计算流体力学）数值模型，综合考虑气象条件和街道峡谷的几何特征，模拟机动车排放污染物在街道峡谷的扩散状态和浓度分布，研究框架如图1所示。 动态交通流微观仿真模型微观排放模型

各车辆污染物瞬时排放量

气象参数车辆瞬时速度、加速度、车型等地形几何特征机动车排放污染物扩散的CFD数值模拟路段交通量路段排放源强

图1 城市街道峡谷交通空气污染分析方法研究框架 2 街道峡谷几何模型

典型街道峡谷的二维结构如图2所示，H1、H2分别为街道峡谷两侧建筑物的平均高度，W为街道峡谷的宽度。

WH1风向H2

迎风面背风面

图2 街道峡谷示意图 当街道峡谷两侧建筑物对称时，其几何结构的差异主要体现在高宽比H/W上，图3表示的是不同高宽比的街道峡谷。

H/W>1.50..7(a)

(b)H1>H2H12

图3 不同高宽比街道峡谷二维几何模型 3 城市交通对街道峡谷空气污染的影响分析方法 3.1 耦合微观交通和排放模型的排放仿真平台 在城市环境中，机动车运行状态频繁在加速、减速、怠速等工况下变化，而机动车污染物的排放与行驶工况密切相关。因此，为准确计算机动车污染物的排放量，需要考虑机动车的微观行驶状态。论文耦合微观交通仿真模型VISSIM和微观排放模型CMEM，构建交通排放仿真平台。该平台可预测和计算不同交通流状态下的路段交通污染物排放量，为控制路段交通污染和道路设计提供参考。 VISSIM是一种基于时间间隔和驾驶行为的微观仿真建模工具，可根据城市路网拓扑结构建模，考虑信号控制、车型分类、公共交通等要素，分析不同情形下城市交通的运行状况，不仅可以用于优化交通工程设计，还可以评价和比选城市规划方案[4]。 CMEM（Comprehensive Modal Emission Model）模型可以预测一系列技术类型的轻型车在不同状态（如正常运行、劣化、损坏）下的排放因子，以及车辆瞬时的尾气排放和燃料消耗[5]。 论文先利用VISSIM模拟街道峡谷内不同情形下的车辆运行情况，得到车辆的瞬时速度、加速度、车型等数据，然后将其输入CMEM模型，从而得到街道峡谷内不同情形下的机动车污染物排放情况。

3.2 基于CFD的污染物扩散数值模拟方法 CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是流体力学的一个分支，其基本原理是通过数值求解描述流体流动的微分方程组（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等），得到复杂问题基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）在计算区域内各个位置的分布，近似模拟实际的流体流动情况[6]。CFD建模的步骤包括几何建模、边界条件处理、模型选择及控制方程求解、结果输出等过程。 基于微观交通和排放模型的排放仿真平台计算出街道峡谷内的污染物排放源强，作为边界条件之一输入CFD模型，同时考虑气象因素包括风速、风向、温度、街道峡谷几何形态等条件，从而能够描述在各种因素影响下，交通污染物在街道峡谷内的扩散过程与浓度分布状态，以及考察污染物对人们健康的影响程度。

4 不同影响因素下的街道峡谷污染物扩散分析 4.1 峡谷情景 以某一典型街道峡谷为研究对象，该街道为双向四车道，街道峡谷总宽度W为34m，风向沿y轴正方向，单向交通量为1400辆/h。选取在大气中比较稳定的CO作为代表性气体讨论机动车排放污染物扩散情况。分别考虑10m高度处风速V、街道峡谷高宽比H/W等影响因素，设计仿真方案如表1 所示。 表1 街道峡谷污染物扩散仿真方案 序号 V(m/s) H/W 1 3 1 2 7 1 3 12 1 4 7 0.5 5 7 2 为了考察街道峡谷内部污染物的分布情况，分别在背风面和迎风面各选取9个监测点，如图4所

示。其中Ai（i=1,2,3,4,5,6）位于1.5m高度，Bi（i=1,2,3,4,5,6）位于15m高度，Ci（i=1,2,3,4,5,6）位于30m高度；A1~A3、B1~B3、C1~C3位于y轴负方向即背风面一侧，其余监测点位于y轴正方向即迎风面一侧。

XZ

A1(A4)A2(A5)A3(A6)B1(B4)B2(B5)B3(B6)C1(C4)C2(C5)C3(C6)

y轴负方向（y轴正方向） 图4 监测点位置示意图 4.2 风速对街道峡谷污染物扩散的影响 4.2.1 计算区域 建立三维计算区域如图5所示，该计算区域长、宽、高分别为610m、440m、170m。风速入口采用速度入口边界条件，污染面源采用质量入口边界条件，利用交通污染物排放仿真平台计算得到排放源强为6.0466×10-5kg/s，侧面及顶部采用对称边界条件，出口采用自由流出口，地面和建筑物壁面均采用无滑移的壁面条件。 图5 考虑风速影响的街道峡谷计算区域 采用适应性较好的非结构化网格，街道峡谷附近网格最密，最小网格单元大小为1m，递增率为1.3，网格总数为961677。计算区域的网格划分情况如图6所示。

图6 街道峡谷计算区域网格划分 4.2.2 街道峡谷内部流场分析 分别模拟了情景1~3中街道峡谷内的气流运动状况，分别选取街道峡谷中部剖面x=0m及其两侧剖面x=50m（街道峡谷上游）、x=-50m（街道峡谷下游）处分析流场状态。 图7~9所示为情景2中即10m高度处风速为7m/s时上述三个剖面的速度矢量场。对比图7~9发现，沿y轴正方向的来流风在靠近街道峡谷建筑物时，风速明显减小，经过街道峡谷上方时，在迎风壁面处风向发生改变，沿壁面下洗，在街道峡谷内部形成了一个明显的顺时针涡旋后，气流沿背风壁面上爬并在背风建筑物顶部形成了一个小涡旋。这说明当风向垂直于街道走向时，沿街道走向（x轴方向）的横截面上具有相同的气流结构。 图7 V=7m/s时x=0m剖面的速度矢量场（单位：m/s） 图8 V=7m/s时x=50m剖面的速度矢量场（单位：m/s） 图9 V=7m/s时x=-50m剖面的速度矢量场（单位：m/s） 为了比较不同风速大小对街道峡谷内部气流运动的影响，对比情景1~3中x=0m剖面上的流场，研究发现风速的变化没有改变街道峡谷内部相同位置的流场结构，限于篇幅，其他情景的速度矢量场图不再一一列出。

4.2.3 街道峡谷内部污染物浓度场分析 由于上述三个剖面CO浓度场具有相似的结构，仅列出情景2中x=0m剖面的CO浓度场，如图10所示。由该图可知，CO在靠近迎风面一侧浓度较低，而在背风面一侧由于大量堆积而浓度较高，且浓度呈现出沿背风面近地面处向外逐级递减的趋势，一直蔓延到街道峡谷背风面建筑物的顶部。对比该情景的速度矢量场，可知的CO浓度分布与街道峡谷内部的气流结构相对应。

图10 V=7m/s时x=0m剖面的CO浓度场（单位：mg/m3） 由于同一风速条件下不同横截面具有相似的浓度分布趋势，为了研究风速大小对污染物扩散的影响，仅比较三种风速条件下x=0m剖面上各监测点的CO浓度，如表2所示。 表2 不同风速条件下x=0m剖面上各监测点的CO平均浓度（单位：mg/m3） 监测点高度 监测点位置 3m/s 7m/s 12m/s z=1.5m 背风面 11.15 10.91 10.65 迎风面 0.69 0.67 0.59

z=15m 背风面 10.12 9.98 9.80 迎风面 0.81 0.79 0.64

z=30m 背风面 7.72 7.53 7.24 迎风面 0.82 0.80 0.69 从上表可以看出，在同一风速条件下，背风面CO浓度随着高度的增加而降低，迎风面CO浓度

随着高度的增加而增加；在相同位置的监测点上，CO浓度随着风速的增大而降低，但风速的变化没有改变街道峡谷内部浓度场的分布规律。