郭瓊瓊 文遠(yuǎn)高# 唐 虎 夏雨琳 明廷臻 徐千芃

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢地鐵運(yùn)營有限公司，湖北 武漢 430030)

顆粒物是大氣環(huán)境中組分復(fù)雜、危害較大的污染物之一，是造成霧霾的主要原因[1-3]。近年來，顆粒物不僅對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，還對人體健康造成潛在威脅[4]。研究表明，氣象條件對污染物的擴(kuò)散、稀釋和積累有一定的影響，在污染源一定的條件下，污染物濃度的大小主要取決于氣象條件[5-7]。相對濕度是影響顆粒物理化性質(zhì)的重要因素[8]，相對濕度的增加有利于顆粒物的粒徑增長和新顆粒物的形成，而新顆粒物的形成及增長可能導(dǎo)致顆粒物粒徑發(fā)生改變[9]。武漢市江河縱橫，湖泊眾多，雖然近年來水域面積日益減少，但2010年后湖泊水域面積基本趨于穩(wěn)定，總面積為856.27 km2[10]。為了提高居民生活質(zhì)量，美化生活環(huán)境，越來越多的住宅小區(qū)瀕臨水體建設(shè)，然而驟增的人員活動和道路車輛，在一定程度上影響濱江大道及濱水小區(qū)受污染的程度。

城市濱水區(qū)是城市中陸地和水體相連區(qū)域的總稱，由水體、水際線和陸地組成。自然水體或人工水體在實(shí)現(xiàn)自身生態(tài)功能的同時也改善了濱水區(qū)周圍的熱濕環(huán)境，特別是水氣擴(kuò)散和溫度[11]。MARTNEZ ARROYO等[12]對兩個湖泊進(jìn)行了為期兩年的生態(tài)學(xué)研究，分析了城市中河流和大氣之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)湖泊對周圍環(huán)境有降溫增濕的作用。楊凱等[13]的研究表明，水體能使周邊環(huán)境溫度降低1～3 ℃、相對濕度增加6%～14%，且水體面積越大，溫濕效應(yīng)越顯著。

以上學(xué)者在研究氣象因素對污染物擴(kuò)散的影響時多以現(xiàn)場實(shí)測為主，且對水體的研究多集中于水體對周圍環(huán)境的降溫增濕作用，以真實(shí)城市濱水小區(qū)為模型的研究較少。基于此，本研究采用FLUENT軟件對濱水小區(qū)開展氣流及顆粒物擴(kuò)散特性進(jìn)行研究。

1 濱水小區(qū)模型

1.1 幾何模型及邊界條件

本研究根據(jù)某濱水小區(qū)的幾何參數(shù)采用三維計算域構(gòu)建模型，由于建筑物對大氣流動和污染物擴(kuò)散的影響，使得小區(qū)中污染形態(tài)的研究非常復(fù)雜，為提高效率，遵從適當(dāng)?shù)暮喕瓌t，選取尺寸均為20.0 m×10.0 m×30.0 m的6棟建筑物組成規(guī)模較小的模型，6棟建筑物左右間距20.0 m，前后間距30.0 m，距前列建筑物約38.5 m有一寬度為80.0 m的水面。根據(jù)建筑室外風(fēng)環(huán)境計算流體動力學(xué)(CFD)模擬技術(shù)指導(dǎo)[14]，假設(shè)目標(biāo)建筑高度為H，則計算域入口距最近建筑物滿足5H，自由出流邊界距建筑物滿足15H，側(cè)邊邊界距建筑物滿足5H，地面距離計算域上邊界滿足6H，其平面計算域如圖1所示。根據(jù)SOLAZZO等[15]的研究，計算域入口采用速度入口邊界，側(cè)面和頂面采用對稱性邊界；考慮出口流動狀態(tài)充分發(fā)展，計算域出口為自由出流邊界；水面為質(zhì)量入口邊界，且假設(shè)湖面的蒸發(fā)量為定常；建筑物面和地面采用固體壁面邊界。

圖1 濱水小區(qū)模型平面計算域

基于以上原則，計算域尺寸為700.0 m×350.0 m×180.0 m。污染源為濱水小區(qū)外道路上來往車輛排放的細(xì)顆粒物，且采用體污染源形式，距離前列建筑物10.0 m，尺寸為0.5 m×50.0 m×0.5 m。另外，水陸交界處會形成水陸局部環(huán)流，即水陸風(fēng)，白天和晚上風(fēng)向正相反，為了突出研究水體對濱水小區(qū)內(nèi)氣流和顆粒物擴(kuò)散的影響，將風(fēng)向設(shè)為從水體吹向陸地，風(fēng)速參考武漢市全年平均風(fēng)速(3 m/s)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮到湍流應(yīng)變率的影響，采用YAKHOT等[16]提出的RNG K-ε湍流模型模擬濱水小區(qū)內(nèi)連續(xù)相氣流場，空氣按不可壓縮流體處理，具體求解控制方程參見文獻(xiàn)[17]。用歐拉方法描述空氣流場，對離散的顆粒物用拉格朗日方法追蹤其運(yùn)動軌跡，顆粒物濃度分布采用對數(shù)正態(tài)分布法[18]。參考文獻(xiàn)[19]，對顆粒物相做如下假設(shè):(1)所有顆粒物相都為球形；(2)因?yàn)轭w粒物相所占體積比值很小，所以不考慮顆粒物間的碰撞。

1.3 水體蒸發(fā)率的計算

自然水體蒸發(fā)的傳熱和傳質(zhì)機(jī)理主要有兩種：一是分子運(yùn)動(擴(kuò)散)帶來的傳熱和傳質(zhì)；二是水體表面的流體對流帶來的傳熱和傳質(zhì)。當(dāng)空氣與水面接觸時，在貼近水表面處存在一個飽和空氣邊界層，在邊界層周圍，水蒸氣分子做不規(guī)則運(yùn)動，一部分水分子進(jìn)入邊界層中，同時也有一部分水蒸氣離開邊界層進(jìn)入空氣中，當(dāng)由飽和空氣層進(jìn)入空氣中的水分子多于由空氣進(jìn)入飽和空氣層中的水分子時，就會發(fā)生水分蒸發(fā)現(xiàn)象[20]。本研究采用SARTORI[21]提出的自由水面蒸發(fā)公式來計算水面蒸發(fā)率。

1.4 顆粒物源強(qiáng)的計算

細(xì)顆粒物對人體健康和環(huán)境質(zhì)量的影響更大，所以假定污染源來自于濱水小區(qū)外道路上來往車輛排放的細(xì)顆粒物，粒徑取1.0 μm，顆粒物源強(qiáng)的計算公式為：

(1)

式中：Q為單位時間、單位長度道路上汽車排放顆粒物的源強(qiáng)，kg/(s·km)；n為車流量，輛/h；E為車輛排放顆粒物的排放因子，g/(輛·km)。

參考文獻(xiàn)[22]，本研究E取0.02 g/(輛·km)，n取高峰時段平均車流量500輛/h，計算得到Q=3×10-6kg/(s·km)。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對濕度對氣流場的作用與影響

城市水體蒸發(fā)的水蒸氣擴(kuò)散到空氣中，使空氣密度減小，同時伴隨蒸發(fā)過程的氣化潛熱使空氣溫度降低，大氣壓力發(fā)生變化，所以在濕度的影響下，大氣流場會發(fā)生變化，從而影響顆粒物的濃度分布。為了說明空氣中水蒸氣含量的增加對氣流場的影響，在不改變風(fēng)速的條件下，計算得到不同相對濕度下水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水體蒸發(fā)率，結(jié)果見表1。

表1 不同相對濕度下水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水體蒸發(fā)率

圖2為不同相對濕度下，穩(wěn)態(tài)時污染源高度(0.5 m)處大氣的水蒸氣擴(kuò)散分布情況。由圖2可見，水蒸氣在風(fēng)向作用下不斷擴(kuò)散，下風(fēng)向處質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來越小，且隨著相對濕度越來越大，小區(qū)流場內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越來越大，但其增大的幅度逐漸減小。從圖2還可明顯看出，當(dāng)相對濕度較高時，小區(qū)橫向主通道內(nèi)的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可在一定程度上提高人們對小區(qū)內(nèi)熱濕環(huán)境的滿意程度。張培紅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，水體對小區(qū)內(nèi)熱濕環(huán)境的影響不容忽略，水體從溫度、相對濕度等方面改善小區(qū)熱濕環(huán)境，從而提高小區(qū)的熱舒適度。

圖2 不同相對濕度下0.5 m高度處大氣的水蒸氣擴(kuò)散分布

2.2 相對濕度對顆粒物質(zhì)量濃度的影響

大量研究指出，相對濕度對顆粒物質(zhì)量濃度有一定的影響[24-25]。其中，崔術(shù)祥[26]認(rèn)為相對濕度為65%時顆粒物間會發(fā)生凝并現(xiàn)象，但凝并生成的大顆粒結(jié)構(gòu)松散且不緊密；相對濕度為80%時顆粒物間發(fā)生明顯的凝并現(xiàn)象，且生成的大顆粒結(jié)構(gòu)緊密。本研究在不考慮顆粒物凝并的情況下，研究相對濕度≤70%時對顆粒物質(zhì)量濃度的影響。通過模擬計算得到在不同相對濕度下，3個典型截面(截面1～3)在人呼吸高度處(1.5 m)的顆粒物質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在相對濕度≤70%時，顆粒物質(zhì)量濃度與相對濕度呈正比關(guān)系，這與楊志文等[27]和閻蕾等[28]的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果一致。這種現(xiàn)象可以解釋為，當(dāng)相對濕度較低時，顆粒物擴(kuò)散速率較快，不容易積聚，而當(dāng)相對濕度增加時，空氣黏度增大，致使顆粒物擴(kuò)散速率減慢，最后聚集造成質(zhì)量濃度增大。

圖3 典型截面在1.5 m高度處的顆粒物質(zhì)量濃度

2.3 濱水小區(qū)內(nèi)水蒸氣擴(kuò)散特性

據(jù)統(tǒng)計，武漢市全年平均相對濕度為70%，假設(shè)水面蒸發(fā)為定常狀態(tài)，取表1中相對濕度為70%對應(yīng)的水面蒸發(fā)率為水面的定常蒸發(fā)率，即0.065 3 kg/(m2·s)。在西風(fēng)風(fēng)向的作用下， 0.5 m高度以及截面3的水蒸氣在不同時刻的擴(kuò)散情況分別見圖4、圖5。

從圖4可看出，隨著時間的推移，在西風(fēng)風(fēng)向作用下水蒸氣向下風(fēng)向不斷擴(kuò)散移動，擴(kuò)散區(qū)域越來越大，建筑物周圍及橫向主通道內(nèi)水蒸氣的含量越來越高。由于風(fēng)的衰減性和地面的黏滯性，下風(fēng)向處水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較上風(fēng)向處低。受建筑物的阻擋作用，水蒸氣在前列建筑物兩側(cè)發(fā)生繞流，主要在小區(qū)兩側(cè)和橫向主通道內(nèi)擴(kuò)散移動，但擴(kuò)散到濱水小區(qū)豎向主通道內(nèi)的水蒸氣量相對較少。

圖4 0.5 m高度處在不同時刻的水蒸氣擴(kuò)散

由圖5可知，在20 s時截面3的水蒸氣主要在水平方向上擴(kuò)散，而在豎直方向上最高只擴(kuò)散到10 m左右；60 s時第1豎向主通道內(nèi)的水蒸氣在豎直方向上有較為明顯的擴(kuò)散，擴(kuò)散高度約為20 m，100 s時最高擴(kuò)散到35 m左右；由于建筑物的阻擋，第3列建筑物背風(fēng)側(cè)水蒸氣最高擴(kuò)散到21 m左右。整體來說，水蒸氣在水平方向上的擴(kuò)散速率比豎直方向上快。

2.4 濱水小區(qū)內(nèi)顆粒物擴(kuò)散特性

為了突出水體對濱水小區(qū)內(nèi)顆粒物擴(kuò)散的影響，設(shè)計污染源及建筑物參數(shù)相同的非濱水小區(qū)進(jìn)行顆粒物的擴(kuò)散對比分析。為便于比較，取相對濕度為70%、20 s時濱水小區(qū)和非濱水小區(qū)1.5 m高度處的顆粒物擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6所示。在非濱水小區(qū)內(nèi)，顆粒物主要集中于第1列建筑物的迎風(fēng)側(cè)處和橫向主通道內(nèi)，顆粒物質(zhì)量濃度較高；而在濱水小區(qū)內(nèi)，顆粒物在橫向主通道內(nèi)的擴(kuò)散范圍較廣，小區(qū)兩側(cè)的顆粒物質(zhì)量濃度較非濱水小區(qū)兩側(cè)的高，橫向主通道內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度較非濱水小區(qū)內(nèi)的低。整體來說，非濱水小區(qū)體污染源與第1列建筑之間的顆粒物濃度大于濱水小區(qū)。

圖5 截面3在不同時刻水蒸氣擴(kuò)散

圖6 20 s時濱水小區(qū)和非濱水小區(qū)在1.5 m高度處的顆粒物擴(kuò)散情況

此外，根據(jù)模擬結(jié)果，非濱水小區(qū)在20、60、100 s時顆粒物質(zhì)量濃度的最大值分別為1.01×10-8、9.55×10-9、1.14×10-8kg/m3，均大于相同時刻下濱水小區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度的最大值(5.68×10-9、7.47×10-9、6.84×10-9kg/m3)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是濱水小區(qū)水體表面蒸發(fā)不斷進(jìn)行，大氣中水蒸氣的含量越來越多，過多的水氣附著在顆粒物表面使其重力增加，發(fā)生沉降現(xiàn)象，從而使大氣中顆粒物濃度降低。

綜上所述，水體不僅對小區(qū)周圍環(huán)境有降溫增濕的作用，而且還可以有效降低小區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，促進(jìn)顆粒物擴(kuò)散。

3 結(jié) 論

采用FLUENT軟件對濱水小區(qū)內(nèi)的氣流和顆粒物擴(kuò)散特性進(jìn)行分析，結(jié)論表明：(1) 隨著相對濕度越來越大，小區(qū)流場內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越來越大，但其增大的幅度逐漸減??；(2)不考慮顆粒物間的凝并情況，顆粒物質(zhì)量濃度與相對濕度呈正比關(guān)系；(3)隨著時間的推移，在風(fēng)向作用下水蒸氣沿著下風(fēng)向不斷擴(kuò)散移動，擴(kuò)散區(qū)域越來越大，建筑物周圍及橫向主通道內(nèi)水蒸氣的含量越來越高，且由于風(fēng)的衰減性和地面的黏滯性，下風(fēng)向處水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較上風(fēng)向處低；(4)水蒸氣在水平方向上的擴(kuò)散速率大于豎直方向上的擴(kuò)散速率；(5)濱水小區(qū)的水體不僅對小區(qū)有降溫增濕的作用，而且還能有效降低小區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，促進(jìn)顆粒物擴(kuò)散，改善小區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。