（环境工程专业论文）机动车尾气对街道空气质量的影响及其数值模拟.pdf

华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 摘要 随着我国城市化和工业化进程的加快，近年来我国大城市机动车保有量迅速 增长，给我国经济带来繁荣的同时，也对城市大气环境造成了严重的污染。目前， 机动车排放的污染物公认为城市街道环境空气的主要污染来源，并且己经证实， 它对临街建筑室内空气质量将产生严重影响。因此，必须对街道机动车污染扩散 规律以及临街建筑室内外空气质量间的关系进行全面研究，以便为评价街道机动 车污染状况、预测和控制室内空气质量以及为城市道路规划提供科学依据。 本研究以武汉市典型交通主干道和次干道为研究对象，对街道内c o 浓度进 行实测，分析交通状况、气象因素、地理条件等因素对污染物扩散的影响；同时 采用计算流体力学c f d 方法对街道峡谷模型进行风场和污染物浓度场模拟，以 确立可以用于预测街道峡谷污染物浓度的的合适的数值模拟方法，并用模拟数据 分析了影响扩散因素的一般规律；此外，对临街建筑室内外c o 浓度进行实测， 分析交通污染对室内空气污染的影响规律。 街道峡谷的实测和分析表明：车流量、风速、温度和高宽比等对c o 浓度扩 散和分布有显著影响。污染物浓度与车流量成正相关，与风速、温度成负相关。 对街道结构的分析可以看出：街道高宽比是影响扩散的最主要因素，高宽比越 大，越不利于扩散，污染物浓度越高。 对交叉口的c o 浓度分布的分析得出，交叉口处污染最重，上风向污染较 轻，合理布置交叉口的角度可以改善污染状况。 数据模拟结果表明：c f d 模型能适用于街道峡谷污染物浓度的模拟。标准k - s 模型比重整化群( r n g ) k - s 模型更适合模拟街谷风场。对浓度场的模拟，在背 风面标准k - e 模型的模拟稍优于r n g k - 模型，而在迎风面r n g k - 模型的模拟稍 优于标准k _ 模型。通过模拟结果分析了风速、高度及其高宽比对污染物扩散的 影响，得出污染物浓度与风速成负相关趋势，污染物浓度随着风速的增大、高度 的增加、高宽比的减少而降低；分析了不同高宽比下背风面和迎风面的污染物浓 度差异，发现高宽比影响流场分布，进而影响污染物浓度在背风面和迎风面的分4 。 布。模拟结果能较好的解释实际街道环境污染物的分布规律。 通过分析临街建筑室内外c o 浓度的监测数据，发现室外污染对室内污染有 很大影响，紧邻交通主干道旁室外c o 浓度对室内浓度影响明显大于远离交通主 干道的室外浓度对室内浓度的影响。室内浓度与室外浓度无明显“延迟效应”。显 然，在临街建筑室内工作的人员的健康受到机动车排放污染物的威胁。 关键词：城市街道；机动车尾气；c o 污染；车流量；数值模拟；室内空气质量 机动车尾气对街道空气质量的影响及其数值模拟 a b s t r a c t 1 1 1 en u m b e ro fm o t o rv e h i c l e si nc h i n ah a sr e c e n t l yi n c r e a s e dr e m a r k e d b l yw i t h t h er a p i du r b a n i z a t i o na n di n d u s t r i a l i s a t i o n , l e a d i n gt ot h ep r o s p e r i t yo ft h ee c o n o m y h o w e v e r i ta l s od e t e r i o r a t e st h ea i rq u a l i t yi nl a r g ec i t i e s n ea i rp o l l u t i o np r o b l e m i nt h ep r o x i m i t yo fu r b a ns t r e e th a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nm a n y s c i e n t i f i cf i e l d s t r a f f i ce m i s s i o ni sn o w a d a y sc o n s i d e r e da st h em a i na i rp o l l u t i o n s o u r c ei nt h eu r b a ne n v i r o n m e n t ，a n di th a sm a n ya d v e r s ee f f e c t so nt h ei n d o o ra i r q u a l i t yo ft h eb u i l d i n g sa l o n gt h es t r e e t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t e t h o r o u g h l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a f f i c r e l a t e da i rp o l l u t i o ni nt h eu r b a ns t r e e ta n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n d o o ra i rq u a l i t ya n dt h eo u t d o o ra i rp o l l u t i o nf o rt h e b u i l d i n g sa l o n gt h es t r e e t 。黝t h e s eu n d e r s t a n d i n g s 。s c i e n t i f i cs u g g e s t i o n sc a nb e m a d ef o rt h ec o n t r o lo ft h ev e h i c u l a re m i s s i o n s f o rt h ei m p r o v e m e n to fi n d o o ra i r q u a l i t yo f t h eb u i l d i n g sa l o n gt h es t r e e t ，a n df o rt h eu r b a nr o a dp l a n n i n g 。 f o rt h ea b o v em e n t i o n e dp u r p o s e s ，c 0c o n c e n t r a t i o na n do t h e rr e l a t e d p a r a m e t e r s 、 陀f em e a s u r e di ns o m er e p r e s e n t a t i v em a i nt r a f f i cr o a d sa n ds e c o n d a r y t r a f f i cr o a d si n 、h a nc i t y p a r a m e t e r sm e a s u r e di n c l u d e dt h et r a f f i cs t a t u s m e t e o r o l o g i c a lq u a n t i t i e s a n ds t r e e td o n f i g u r a t i o n s i na d d i t i o n , t h ec f dm e t h o dw a s a d o p t e dt os i m u l a t et h ew i n df i e l da n dt h ep o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o nf i e l do ft h es t r e e t c a n y o n s m o d e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l tw a su s e dt oa d r e s sh o wt h ev a r i o u sf a c t o r s i n f l u e n c et h ep o l l u t a n td i s p e r s i o na n dt h ep o l l u t a n td i s t r i b u t i o ni nt h eu r b a ns t r e e t f i n a l l y , i n d o o ra n do u t d o o rc oc o n c e n t r a t i o n so ft h eb u i l d i n g sa l o n gt h es t r e e tw e r e m e a s u r e di nt h i ss t u d yt oi l l u m i n a t eh o wt h ei n d o o ra i rq u a l i t yi sa f f e c t e db yt h e t r a f f i ce m i s s i o n s m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i o u sf a c t o r sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo n t h ep o l l u t a n td i s p e r s i o n , i n c l u d i n gt r a f f i cv e h i c l ef l o wr a t e ，w i n ds p e e d ，t e m p e r a t u r e a n ds t r e e tc a n y o na s p e c tr a t i o ，w h i c hi st h er a t i oo ft h eb u i l d i n gh e i g h tt ot h es t r e e t w i d t h t b ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h et r a f f i cv e h i c l ef l o w a n dn e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h ew i n ds p e e da n dt h et e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，i t w a sf o u n dt h a tt h ea s p e c tr a t i oi st h ek e yf a c t o rg o v e r n i n gt h ep o l l u t a n td i s p e r s i o r l n e l a r g e rt h ea s p e c tr a t i oi s ，t h eh 1 0 r ed i 伍c u k l yt h ep o l l u t a n td i m s e s ，t h eh i g h e rt h e p o l u u t a n tc o n c e n t r a t i o ni s f r o mt h ec oc o n c e n t r a t i o nd a t ac o l l e c t e da tt h er o a di n t e r s e c t i o n , c o n c l u s i o nc a l l b ed r a w nt h a tt h et r a 伍c g e n e r a t e dp o l l u t i o na tt h ei n t e r s e c t i o nw a st h em o s ts e r i o u s a n dt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a i o ni nt h ew i n d w a r dw a sl o w e rt h a n 恤ti nt h el e e w a r d t o r e d u c et h ep o l l u t i o na tt h ei n t e r s e c t i o n , i ti sb e t t e rt ol a yt h ea n g l eo ft h ei n t e r s e c t i o n p r o p e r l y f o rt h e2 dc a s e ，w h e r et h ew i n dd i r e c t i o ni sp e r p e n d i c u l a rt ot h es t r e e t 。r e s u k s d e m o n s t r a t et h a tc f dm e t h o di ss u i t a b l ef o rs i m u l a t i n gt h ep o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni n t h es t r e e tc a n y o n i nt e r m so ft u r b u l e n c em o d e lt h es t a n d a r dk - sm o d e lp e r f o r m s m u c hb e t t e rt h a nt h e 砌v gk - sm o d e li ns i m u l a t i n gt h es t r e e tc a n y o n 7 sw i n df i e l d f o r t h ec o n c e n t r a t i o nf i e l ds i m u l a t i o n , t h es t a n d a r dk 一m o d e lg i v e sa l s ob e t t e rr e s u l t s t h a nt h er n gk - sm o d e lt h o u o ar n gk - sm o d e lp r e d i c t st h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n a tt h ew i n d w a r ds i d em o r ea c c u r a t e l yi ns o m ec a s e s d e p e n d i n go nt h ea s p e c tr a t i o 。 t h e r em a ye x i s to n l yo n ev o r t e x , o ro n em a i nv o r t e xp l u sas e c o n c a r yv o r t e x , o ri n o r e t h a nt h r e ev o r t e x e si nt h es t r e e tc a n y o n , a n dt h er o t a t i o nd i r e c t i o no ft h ev o r t e xa l s o r e l i e so l lt h ea s p e c tr a t i o a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o nr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew i n ds p e e d , i na d d i t i o n , t h e c o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n tb e c o m e sl o w e rw h e nm o v i n gu p w a r df r o mt h es t r e e t f l o o r a st h er a t i oo f t h eb u i l d i n gh e i g h tt ot h es t r e e tw i d t hi sd e c r e a s e d , t h ea i rq u a l i t y i nt h es t r e e tp r o x i m i t yc a nb ei m p r o v e d i na l lt h ec a s e sc o n s i d e r e di nt h i ss t u d y , 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na l o n gt h eh e i g h td i f f e r sb e t w e e nt h el e e w a r da n d w i n d w a r ds i d eo ft h es t r e e t e x c e p tf o rt h er e l a t i v e l yh i g hr a t i oo ft h es t r e e tw i d t ht o t h eb u i l d i n gh e i g h t ，t h ec o n c e n t r a t i o na tt h el e e w a r ds i d ei sg e n e r a l l yh i g h e rt h a nt h a t a tt h ew i n d w a r ds i d e c o m p a r s i o no ft h em e a s u r e di n d o o ra n do u t d o o rc 0c o n c e n t r a t i o na tt h e b u i l d i n g sa l o n gt h es t r e e ti n d i c a t e st h a tt h eo u t d o o r sp o l l u t i o nh a sg r e a ti n f l u e n c eo n t h ei n d o o r sp o l l u t i o n , a n dt h ei n f l u e n c en e a rt h et r a 伍cm a i nr o a d si sm o r es i g n i f i c a n t t h a nt h a tf a rf r o mt h em a i nt r a f f i cr o a d s t h ei n d o o rp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nh a sn o o b v i o u s t i m e - d e l a ye f f e c t ”w i t ht h eo u t d o o rp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o 几o b v i o u s l y v e h i c u l a re x h a u s tp o s e sh e a l t hr i s kt ot h o s ep e o p l ew o r k i n gi nt h eb u i l d i n g sa l o n gt h e s t r e e t k e y w o r d s ：u r b a ns t r e e t ；t v e h i c u l a re x h a u s t ；c 0p o l l u t i o n ；t r a 伍cf l o w ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；i n d o o ra i rq u a l i t y m 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：是心月月 时间：z s 年6 月 日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，印学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可阻采用影印j 缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。本人同意华中农业大学可以周不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 文的全部或部分内容 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 糊黼豁灿嗣黼：昆 签名日期：0 8 年6 月i1 日签名日期：- ? 年 月 7 厂日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 1 前言 1 1 课题的提出和意义 随着城市化进程的加快，经济的高速发展，机动车保有量的大幅增加，机动 车排放的尾气对人类和社会的影响越来越严重。在大中型城市，机动车排放污染 物已成为城市的主要污染源。由于机动车排放高度低，在行人、自行车与汽车混 行的交通方式中，这些废气排放直接危害的人数众多，造成局部地区的机动车污 染问题相当严重。 武汉市作为特大型城市，近几年随着经济的发展，从2 0 0 0 年来，机动车数量 以平均每年1 6 3 的速率增长，机动车保有量每6 7 年翻一番，预计这一趋势在未 来1 0 年内不会改变( 武汉市城市规划管理局，2 0 0 1 2 0 0 6 ) 。由于城区道路建设、 交通管理、公共交通服务等软硬件建设未能跟上，致使交通堵塞严重，车流密度 大，并且机动车排气污染并未有效控制，更加重了道路上大气污染程度，汽车尾 气对街道行人的影响正越来越受到人们的关注。因此，有必要对武汉市典型街道 的交通污染状况、街区内部汽车排放污染物的扩散及其对临街建筑室内环境的影 响进行全面研究，以便为交通污染及临街建筑室内空气品质的预测和控制提供实 用的科学模型。 1 2 街道机动车尾气污染的研究现状 由于城区建筑高大密集，污染物不易扩散，加之人口密度大，污染影响严重， 某些气象条件下测得城区内的空气污染超过了国家标准，因此城市交通空气污染 输送与扩散研究已成为近年来大气环境研究的重点内容。城市交通空气污染输送 与扩散的尺度有：街谷( 区) 尺度、城区尺度、城市尺度及区域尺度，其中街谷 尺度对人们健康的影响最为直接。 1 2 1 街谷的定义和分类 街谷概念首先f l 了n i c h o l s o n 提出，道路两边建筑物及道路构成的狭长型街道 ( n i c h o l s o n , 1 9 7 5 ) ，但这一概念目前已得到扩展，也适用于更宽阔的大街或郊区 街道。街谷几何形态各异，其尺寸一般由组成街谷两侧建筑物的高度h 和街谷宽 度w 的比值h w ( 称为街谷高宽比) 表示，其分类大致为：理想街谷h w = 1 ； 宽街谷h w 2 ：1 时，街谷内的流场结构由一个完整的垂直涡旋变为上下两个反向运 动的强弱不同的垂直涡旋( 吕萍等，2 0 0 4 ) 。 汪立敏等将调和q u i c k 格式用于不对称街道峡谷的研究，探讨了不对称街 道峡谷迎风面和背风面的流场和浓度场分布及其漩涡中心位置的变化( 汪立敏 等，2 0 0 5 ) 。吴志军等采用数值模拟技术研究了两边建筑物等高和不等高的街道 内部的气流特征，研究发现：两侧建筑物高度不相等的街道，不管屋顶来流风向 如何，建筑物高度相对矮的一侧总是受到相对严重的污染( 吴志军等，2 0 0 2 ) 。 i i 孤立和非孤立街道 前面所述，主要是针对孤立的街道污染扩散模拟的研究，对于非孤立街道， 汪立敏等曾做过一些研究。其采用数值模拟方法研究了等高与不等高非孤立街道 峡谷的大气流动及汽车排放污染物扩散特征。并与已有的风洞实验结果对比，发 现二者较吻合。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，而且峡谷内部污染物浓度会随着峡谷数的增加而 机动车尾气对街道空气质量的影响及其数值模拟 增大( 汪立敏等，2 0 0 5 ) 。郭辉对简单街区模型( 非孤立街道) 的模拟结果的表 明，上游建筑物对流场有一定的阻碍，使得其中心处流速值要比孤立街谷结构内 衰减6 0 左右，致使街区模型中间街谷内的污染物浓度值也明显比孤立街谷结构 内的高( 郭辉，2 0 0 7 ) 。 i i i 单、双车道 凌英等通过数值计算的方法分析了城市街道峡谷内机动车排气污染物的扩 散特性。对不同风速条件下高宽比为3 ：1 的单车道和街道高宽比为3 ：2 的双车道街 道峡谷内，污染源的位置及强度对街道内机动车排气污染物分布及扩散的影响。 认为在风速为2 - - 3 m s 之间存在一个关键的风速值：小于该风速时，源强浓度则 会对街道峡谷内污染物的浓度分布产生较大的影响( 凌英等，2 0 0 6 ) 。 田丰等对双车道街道峡谷内的流场和气态污染物浓度场进行了研究，并应用 风洞实验数据对模拟进行了验证：模拟结果表明，3 种不同排放情况( 单一车道 有污染源两种情况和双车道都有污染源的情况) 下，流场分布相同，且相同高度 下，上风向污染物浓度均高于下风污染物浓度( 田丰等，2 0 0 7 ) 。 i v 高架道路 高架道路是缓解交通拥堵、改善交通状况、形成快速通道的重要交通枢纽， 对于发展城市经济起着举足轻重的作用。它们对街道峡谷内的局地大气环境有怎 样的影响，是人们所关心的新课题。王嘉松等通过数值模拟研究发现，高架宜设 于原街道气流旋祸中心( 约峡谷高度的一半位置) 或其上方的某一合适的位置，但 不宣设于与峡谷等高的位置；高架道路与两侧建筑物之间的间隙应尽可能大，从 而利于地面大气污染物的扩散和迁移( 王嘉松和黄震，2 0 0 2 ) 。 建筑物结构特征 国内外街道机动车污染物扩散研究大多针对城市常规建筑物的街道，对有辅 助结构的建筑物的街道如带人行拱廊和带斜顶的建筑物的街道机动车污染物扩 散模拟的研究很少。 吴志军等运用风洞实验与数值模拟技术相结合的方法，以上海市金陵东路街 道为对象，研究分析了带人行拱廊街道内部机动车污染物的传输扩散规律。研究 结果表明：在街道迎风面处的拱廊里形成了一个逆时针漩涡；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，在背风侧人行拱 廊里污染更为严重( 吴志军等，2 0 0 3 ) 。王超等更深入的研究了城市带廊道峡谷 内气流运动和污染物扩散特征。其发现峡谷内的旋涡结构形态受人行道高度的影 响，不受入行道宽度和屋顶来流风速的影响( 王超等，2 0 0 6 ) 。 谢晓敏等研究了两侧建筑物不同的屋顶形状对流场以及污染物扩散的影响。 数值模拟结果与风洞实验结果进行了对比，结果显示：二者基本符合，改变屋顶 形状对于街道峡谷内的流场有显着的影响，污染物扩散会发生变化( 谢晓敏等， 2 0 0 5 ) 。黄远东等也模拟了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：处于背风面的斜顶比处于迎风面的斜顶对峡谷内部的气流漩涡结构影 响更大( 黄远东等，2 0 0 5 ) 。 风向和风速 吕萍等利用数值模拟方法对兰州城区街道峡谷内流场进行了数值模拟。结果 表明：涡旋流场的强度随着街道两侧建筑物屋顶来流强度的增大而增大( 吕萍和 袁九毅，2 0 0 2 ) 。 王远成等采用现场观测和数值模拟的方法研究了城市街道内机动车排放污 染物中的n o 扩散特征。结果表明：城市街道中机动车排放污染物的对流扩散取 6 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 决于屋顶风向和风速，随着建筑物顶部气流速度的增大，街道内同样位置的污染 物浓度相对减小；当风向垂直于街道轴线时，街道内同样位置的污染物浓度最大 ( 王远成等，2 0 0 6 ) 。 从上述分析可以看出，数值模拟方法在国内的研究比较多，但大多缺少风洞 实验和实测实验的验证。 1 3 交叉口机动车污染扩散的研究现状 机动车在交叉口的运行时间不少，排队等候、加速或减速，这必然导致交叉 口的污染比其他路段严重。鉴于此，很多学者从实地监测到形成一些的模式来考 察交叉口的污染状况。下面将对交叉口的机动车尾气扩散的研究现状进行介绍。 交叉口机动车污染的研究在国外出现比较早，国内的研究较少。k o n d o 介绍 了日本机械学会( j s m e ) 发展形成了一套用于交叉口污染模拟的空气预报系统的 成就( k o n d o ，1 9 7 3 ) 。c l a g g e t t 等( c l a g g e 牡e ta 1 ，1 9 8 1 ) 介绍了一种建立在扩散模型 基础上的辨别交叉口空气是否超标的方法并分析了有红绿灯路口的监测c o 浓度 的数据( c l a g g e t te ta 1 ，1 9 8 1 ) 。 一些混合模式也应用于交叉1 2 1 污染扩散的研究，如c a l 3 q h c ( n e w e l l19 8 2 ； s c h a t t a n e k , 1 9 9 0 ) 、o s p m ( y a m a r t i n o ，1 9 8 6 ) 。u s e p a 在1 9 8 9 年评价了8 种预测交叉 口污染浓度的模式，发现c a l 3 q h c 的效果最好。p a t e l 等对c a l 3 q h c 在交叉1 2 1 污染物预测的灵敏度进行了分析，发现：在信号时间，交通流量、交通道路的数 量和风速的影响因素中，风速的灵敏度最大( p a t e le ta 1 ，2 0 0 3 ) 。李莉等将 c a l 3 q h c 模式应用于上海市市区典型交叉口，也得到同监测值相对吻合的模拟 结果，但准确性低于郊区( 李莉等，2 0 0 6 ) 。o o k h a l e 等应用混合模型o f l s m 和 o s p m 预测印度德里和法国南特这两个城市的繁忙交叉口的c o 浓度分布，并与实 测数据对比，得到了比较满意的结果( o o k h a l e 既a 1 ，2 0 0 3 ) ；李铁柱和李伟等以 o s p m 模式及n i c h o s o n 箱式模型的修正形式为基础开发了十字交叉口和t 型交叉 口的机动车尾气扩散模型并通过实测数据进行了验证，结果证明了o s p m 的可操 作性，计算结果比较准确( 李铁柱等，2 0 0 2 ；李伟等，2 0 0 5 ) 。0 。 数值模拟方法在交叉口污染预测也有大量的应用。早在1 9 9 6 年，周洪昌已 采用风洞实验和数值计算的方法，研究了市区平面交叉口污染的分布规律( 周洪 昌，1 9 9 6 ) 。金陶胜等建立了一个十字交叉口汽车尾气污染扩散模式，模式加入 了汽车排队等待以及拐弯变速的计算因子，并将其用于g i s 对汽车尾气污染扩散 仿真时交通交叉口的污染模拟，并与实测值进行对比，两者结果基本一致( 金陶 胜和余志，2 0 0 3 ) 。汪新等结合风洞实验和计算流体力学( c f d ) 技术，调查了街 道走向对城市街道交叉路口及其附近区域的流场以及大气污染物扩散的影响。结 果显示，十字交叉路口处的气流流动和污染物扩散形态直接受到上风街道走向的 影响( 汪新和n a m a r a ，2 0 0 6 ) 。 1 4 街道排气污染对室内空气质量影响的研究现状 街谷内的交通污染会因为室内通风对室内空气质量产生影响。临街建筑以自 然通风或机械通风的方式将室外街谷内空气引入室内，改善室内空气质量( i n d o o r a i rq u a f i t y ，i a q ) 。然而在室外空气受污染的情况下，这种措施可能不会起到稀 释室内空气污染的作用，甚至会恶化室内空气品质。因此研究室外交通空气污染 的扩散规律、室内空气质量受其影响的程度以及如何有效利用室外空气稀释室内 空气污染都有相当重要的实用价值。 1 9 6 5 年，荷兰的b i e r s t e k e r 等人首先做了关于i o ( r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n d o o r a n do u t d o o r a i rq u a l i t y ) 的研究。他们测量了鹿特丹的6 0 个房间内外的s 0 2 和香烟 7 机动车尾气对街道空气质量的影响及其数值模拟 颗粒物浓度，第一次指出民用建筑的i a q 与o a q ( o u t d o o r a i rq u a l i t y ) 之间存在着 明显差异，并且提出i a q 是影响人类健康的一个重要因素。这一研究促使更多的 入把目光转向t i o 研究( b i e r s t e k e re ta 1 ，1 9 6 5 ) 。美国在1 9 6 0 年代末第一次进行了 非职业性的i a q 实验性的研究。这个项目主要通过测量室内# b o o ，s 0 2 ，t s p 和 颗粒污染物的浓度来分析一整天室内外观测数据之间的差异。研究表明，煤气炉 及车库是房间c o 的重要来源，且空调系统的运行也会影响c o 的i o ( y o c o ma n d j o h n , 1 9 8 2 ) 。 随后，s h a i r 等逐渐开始从理论上展开了关于i o 关系的研究。他们的工作主 要围绕着应用和发展预i 9 l j j i a q 与o a q 之间关系的模型，并用实测到的数据修正模 型( s h a i ra n dh e i t n e r , 1 9 7 4 ) 。为估计和预测不同形式的建筑室内气、固相有害物 浓度随时间的变化特性，已有不少研究者又进一步提出了相关的数学表述。 街谷内的交通污染物在输送和扩散过程中，不可避免地通过自然通风和机械 通风的方式被引入室内。随着室外污染物浓度的变化，室内浓度也产生相应变化。 不考虑室内污染源的情况下，交通污染影响i a q 的主要因素有：室外污染物浓度， 室内外空气交换，建筑物体积及室内气流组织分布等。由于污染物的性质不同， 上述各因素对不同污染物的影响程度也有所不同。 室内外空气交换率决定着室内浓度响应室外浓度的快慢。在室外污染为室内 污染的主要来源时，通过减少换气次数，可降低室内污染物浓度。b l o n d e a u 等在 法国l ar o c h e l l e 及其郊区的8 所中学进行室内外污染物浓度的测试中显示：尽管 室# b 0 3 浓度较高，但随着建筑密闭性增加，室内浓度保持在较低值( b l o n d e a ue t a 1 ，2 0 0 5 ) 。空气交换的实现方式也会影响室内外浓度比。k u k a d i a 等在伯明翰市 中心某8 车道的主干道旁，测试了室内外的s 0 2 、n o x 、c o 和c 0 2 浓度，室内通 风包括自然通风和机械通风。结果表明就c o 而言，机械通风方式比自然通风能 更有效地降低室内浓度( k u k a d i aa n dp a l m e ，1 9 9 8 ) 。 1 9 9 9 年3 月1 8 日4 月1 日，c h a l o u l a k o u 等对希腊雅典市办公楼和学校两个地方 的的室内外c o 浓度进行了监测研究，结果表明室内外浓度存在相关性 ( c h a l o u l a k o ua n dm a v r o i d i 2 0 0 2 ) 。钟珂以上海市和西安市的三个自然通风房间和 十一条街道作为典型测试点，以c o 浓度和气溶胶粒子数浓度作为测定参数，对 室内外污染物浓度间的关系进行了实验测试和理论研究( 钟珂，2 0 0 4 ) 。 1 5 课题研究内容 通过上面的分析，迄今为止，研究者们已给出了许多街道峡谷污染扩散的预 测或评估模式。数值模拟在探讨流场运动规律、污染物扩散机理方面更具优势， 但在模型选择上未形成统一的定论；或只对影响因素的单一方面进行探讨，如高 宽比、一风速、对称性、单双车道、高架道路等；再者，大多研究缺少风洞实验或 现场监测的数据的验证，与实际街道情况是否相同，还有待进一步研究。 国内外研究者对室内外空气中污染物的扩散规律所做的研究中，多数将注意 力放在讨论污染物在室外的运动和变化情况上，而建筑环境和技术专家更多的是 把研究范围局限于建筑环境内，忽略了室外污染物浓度对室内的影响，对于如何 把两者有机联系起来还缺乏肯定的建议。 综上所述，本研究以武汉市为典型，通过实测街道峡谷内街道和临街建筑物 中c o 浓度，进行理论分析和解释。主要内容如下： ( 1 ) 对不同类型街道机动车污染进行实测和分析，研究武汉市典型街道机动车 污染状况，确定机动车污染物的时间、空间分布； s 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 ( 2 ) 对自然通风房间内气态污染物变化情况进行实测，根据以上对室外空气中 污染物扩散规律的研究结果，选择典型的自然通风房间，实测研究室内气态污染 物浓度变化与室外空气污染物浓度间的关系。 ( 3 ) 建立街道内风场和机动车尾气扩散模拟的c f d 模式，结合实测数据，分析 街道几何结构对街道微环境风场的影响，在此基础上探讨污染物在街道空间内的 浓度分布的影响因素及影响规律，从而为可持续发展的合理街区规划及街道微环 境内空气质量的改善提供依据。 本文将以武汉市不同类型街道和其临街建筑为研究对象，对街道峡谷内c o 浓度的影响因素进行研究，并尝试用c f d 方法对简单街道峡谷的风场和浓度场 进行模拟，以选择合适的模型对污染物扩散进行预测。 9 机动车尾气对街道空气质量的影响及其数值模拟 2 武汉市典型街道中c o 污染现状的实测和分析 前面的分析已经表明，由于在城市规划和建筑设计时很难预料未来的道路交 通情况发展趋势，而大气环境研究又很少对街道污染预测提供可用的建议，以协 调街区和建筑物型式与污染物扩散间的关系。而在道路交通污染源强逐渐增加 后，城市街区中高大建筑物与街道间形成的狭长区域内形成的街道峡谷效应，将 必然导致街道内的交通废气难以扩散。 为此，我们对武汉市几种典型街道峡谷内c o 污染浓度分布进行了一连串的 实测和分析，主要考虑了交通状况、气象条件和街道建筑物结构等参量，讨论了 各个相关因素对c o 污染扩散的影响；为民居与商用建筑室内空气品质研究提供 了可靠的室外污染物浓度的依据。 2 1 实验方案设计 2 1 1 监测对象的选取、测定原理和仪器 机动车排放的尾气成分复杂，其中有毒化合物主要有：c o 、n o x 、h c 有机 化合物等。考虑n c o 在街区空气中相对稳定，很难在通常条件下发生演化与化 合反应，并且其浓度很大程度上与车流强度密切相关，所以，本文将以c o 作为 街道空气污染监测对象。 c o 浓度用非色散红外吸收法测定。非色散红外吸收法的原理：一氧化碳( c o ) 对4 6 7 肛m , 4 7 2 t t m _ t - 波长处的红外辐射具有选择性吸收，在一定波长范围内，吸 收值与一氧化碳的浓度呈线性关系( 遵循朗伯一比耳定律) ，根据吸收值确定样品 中一氧化碳的浓度。一般的测定仪器就是根据此原理设计制造的。 本文c o 浓度用北京市华云分析仪器研究所生产的g 3 0 1l b 型便携式红外 分析器来测定。仪器测定范围：0 - - 5 0 p p m ；分辨率：0 1 p p m ；零点漂移：t o 1 p p m ； 气体湿度： 风速 温度，而南湖路：风速 车流量 温度，这是因为南湖路车 5 4 3 2 l 0 (c量嚣暑v避爨ou 6 5 4 3 2 l 0 (c薯嚣量v毯疑ou 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 流量变化不大，风速成为关键因素。这说明各条街道的污染扩散的关键影响因 素与具体街道的情况有关，不能单一确定； ( 3 ) 对地形条件的分析可以看出：高宽比是影响扩散的最主要因素，高宽比越 大，越不利于扩散，污染相对较高。其他因素如街道布局，建筑物布局对污染 扩散也有影响，但影响相对小些。合理布置街道和建筑物将使污染尽量减少； ( 4 ) 对交叉口的分析，交叉口污染最大，上风向污染较轻，合理布置交叉口的 角度可以改善污染状况。 机动车尾气对街道空气质量的影响及其数值模拟 3 街道峡谷机动车排放污染物扩散的数值模拟 前文已经论述，影响街道污染扩散的因素众多，如气象因素、地形条件和交 通状况等。而从以往的模式研究可以看出，大多研究集中在影响因素的一个方面， 并未将各种因素综合考虑，一些模式也缺乏实测数据的支持，在应用于预测现实 的污染状况方面存在一定的偏差，而现场的环境状况也比较复杂，对预测不利。 本文经过比较分析，拟采用更能反映污染物扩散机理的数值模拟方法，对污染物 扩散的影响因素做一个比较全面的预测分析，并尽量结合实际环境，对预测进行 修正，以期在街道污染扩散得到一些有益的尝试。下面将应用c f d 技术进行模拟 计算，分析街道峡谷内流场以及污染物扩散的影响，并将模拟结果与 m e r o n e y ( 1 9 9 6 ) 的风洞实验结果进行对比，以验证数值模拟结果的可靠性。 数值模拟有以下几个步骤：建立流体流动的数学物理模型，推导得出流体流 动的控制微分方程组；在计算区域对控制微分方程组进行离散，将离散结果化为 代数方程组：运用合适的算法对离散所得代数方程组进行求解，从而得到计算区 域内空气流动的有关信息。并通过求解污染物扩散方程，得到污染物在计算区域 的浓度分布。 3 1 湍流流动概述 自18 8 3 年r e y n o l d s 通过着名的圆管流动状态实验发现湍流流动以来，人们已 经对其进行了长达一个多世纪的研究，形成了很多理论用于解释湍流现象，但是 并未形成统一的湍流理论，有效地描