陳同，羅銀萍，陳進(jìn)財(cái)，劉永紅

1. 中山大學(xué)智能工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

2. 廣東省交通環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與治理工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275

3. 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045

4. 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，使得街道縱橫交錯(cuò)，交通干道兩側(cè)建筑向高層高密度化發(fā)展，城市街區(qū)大氣環(huán)境不斷惡化，如風(fēng)速降低、空氣污染加重等［1-2］，其中細(xì)顆粒物（PM2.5）污染尤為嚴(yán)重，受到高度關(guān)注。研究表明：城市顆粒物主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的一次排放及二次轉(zhuǎn)化［3］，易導(dǎo)致交通熱點(diǎn)區(qū)域形成高濃度污染分布。城市街區(qū)居民與行人長(zhǎng)期或短期暴露于顆粒物高濃度環(huán)境，易引起心肌梗塞、肺炎等一系列疾?。?-5］。因此，研究城市街區(qū)內(nèi)交通顆粒物擴(kuò)散特征，對(duì)改善人居環(huán)境具有重要意義。

城市大氣污染問(wèn)題是多尺度的大氣流動(dòng)問(wèn)題，按空間尺度可劃分為道路尺度、街區(qū)尺度和城市尺度。大量文獻(xiàn)針對(duì)單條峽谷型道路流場(chǎng)及污染物擴(kuò)散進(jìn)行了研究，主要揭示街道高寬比［6］、綠化帶［7］、地面加熱［8］等對(duì)污染物擴(kuò)散的影響機(jī)理。目前很多大中型城市選擇建立高架橋來(lái)緩解日益嚴(yán)重的城市交通擁堵壓力，高架橋不僅帶來(lái)了新的交通排放源，還破壞了街谷內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增加了街區(qū)交通尾氣污染問(wèn)題的復(fù)雜性。近年來(lái)，部分學(xué)者研究了含高架橋道路的二維理想街谷模型，考慮了高架橋結(jié)構(gòu)、聲屏障、地面及高架橋污染源等參數(shù)的影響［9-12］。與理想街谷型道路相比，城市街區(qū)由結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的道路、建筑物、樹(shù)木等以不同密度、排放方式組成，各道路交通流及氣象參數(shù)具有時(shí)變性，導(dǎo)致城市街區(qū)內(nèi)污染物擴(kuò)散的時(shí)空分布極不均勻。然而，受限于建模復(fù)雜度和計(jì)算成本，目前面向城市復(fù)雜街區(qū)交通污染的數(shù)值模擬研究較為少見(jiàn)。部分學(xué)者針對(duì)榆中縣城、馬德里和首爾的實(shí)際街區(qū)［13-15］，采用CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)一般道路的CO、NO2等氣態(tài)污染物擴(kuò)散進(jìn)行了研究，分析了氣態(tài)污染物在實(shí)際街區(qū)的擴(kuò)散特性。因?qū)Φ缆方Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及交通排放的動(dòng)態(tài)性的考慮有所欠缺，未能真正反映高架橋、臨街建筑結(jié)構(gòu)和氣象等綜合因素影響下復(fù)雜街區(qū)內(nèi)污染物的擴(kuò)散情況。

綜上所述，目前對(duì)交通尾氣污染擴(kuò)散的模擬研究大多集中在單一街谷型道路或簡(jiǎn)單街區(qū)的理想化模型，而實(shí)際街區(qū)流場(chǎng)分布及交通排放污染物擴(kuò)散特性研究尚不完善。受高架橋道路、建筑物布局、風(fēng)速風(fēng)向等多重因素的綜合作用，實(shí)際街區(qū)交通排放顆粒物的三維時(shí)空分布規(guī)律和演化特征不清且機(jī)理不明。因此，本文以含高架橋的實(shí)際街區(qū)為研究對(duì)象，構(gòu)建街區(qū)場(chǎng)景模型，以實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入，利用CFD 技術(shù)對(duì)實(shí)際街區(qū)中不同時(shí)段的交通顆粒物擴(kuò)散進(jìn)行研究，分析風(fēng)向?qū)謪^(qū)流場(chǎng)和顆粒物分布的影響，并探討了高架橋設(shè)置對(duì)于交通排放顆粒物擴(kuò)散的影響，為降低城市居民污染暴露風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 實(shí)地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

選取廣州市人民高架路附近道路作為監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，圖1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)示意圖。人民路為廣州市城區(qū)的主干路，整體呈南北走向，所處街區(qū)建筑分布密集，高低不一，是城市復(fù)雜下墊面的代表。該街區(qū)位于廣州市服裝批發(fā)的繁華物流商圈，日間人流量大，地面交通擁堵情況較嚴(yán)重，機(jī)動(dòng)車(chē)污染對(duì)街區(qū)的活動(dòng)人群污染暴露有較大的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)位于人民路南段，道路與兩側(cè)建筑物構(gòu)成含高架橋的街谷型道路，道路寬20 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩側(cè)建筑為不對(duì)稱(chēng)分布，分別約25 m和20 m，在距離地面1.5、7.7、11.5、15.6、20.3和25 m的垂直方向布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

圖1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)位分布Fig.1 The distribution of observation sampling points

實(shí)驗(yàn)在2017 年10 月29 日連續(xù)進(jìn)行24 h 觀測(cè)，顆粒物濃度測(cè)量采用Grimm 11-A 便攜式氣溶膠粒徑譜儀，采樣間隔為6 s，每個(gè)點(diǎn)位采集48 次，每次采樣時(shí)間取90 s，按照點(diǎn)位順序依次采集。實(shí)驗(yàn)同步采集交通流量數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，交通數(shù)據(jù)通過(guò)視頻錄像機(jī)人工計(jì)數(shù)獲取分車(chē)型的交通流量數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)通過(guò)廣州市五中監(jiān)測(cè)站獲得，其距離實(shí)驗(yàn)點(diǎn)約1.5 km，該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可代表實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的氣象情況，包含風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等。實(shí)驗(yàn)所采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交通、氣象以及顆粒物污染情況Table 1 The traffic，meteorological and PNCs conditions

1.2 物理模型與計(jì)算方法

1.2.1 物理模型選取550 m×580 m 的含高架橋街區(qū)為研究對(duì)象，實(shí)際街區(qū)場(chǎng)景與三維物理模型如圖2 所示。最高建筑物為80.5 m，最低為3 m；高架橋位于街道中央，高9 m，橋面寬10 m，高架橋兩側(cè)設(shè)置3 m 高的聲屏障，計(jì)算域長(zhǎng)、寬、高分別為1 000 m×1 000 m×500 m。由于實(shí)際街區(qū)的建筑物形狀及分布不規(guī)則，采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分難度大，故采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，高架橋壁面網(wǎng)格精度為0.2 m，建筑物壁面網(wǎng)格精度為1 m，總網(wǎng)格數(shù)約635 萬(wàn)個(gè)。實(shí)際物理建模過(guò)程中進(jìn)行了兩組網(wǎng)格劃分，數(shù)量分別約為500 萬(wàn)和635萬(wàn)。模擬結(jié)果表明，兩組網(wǎng)格中某截面上的平均風(fēng)速相差小于1%，因此認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，具備其獨(dú)立性。本文選擇網(wǎng)格數(shù)量為635萬(wàn)的模型作為分析依據(jù)。

圖2 含高架橋?qū)嶋H街區(qū)的街景及物理模型Fig.2 Streetscape and physical model of the real built-up area with a viaduct

1.2.2 計(jì)算方法綜合考慮計(jì)算效率、模型適用性以及模擬效果，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算流場(chǎng)［16-17］。其連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

湍流動(dòng)能傳輸方程為

湍流動(dòng)能耗散率的傳輸方程為

式中ui和uj為空氣流體平均速度在i和j方向上的分量，為雷諾平均應(yīng)力，μ為層流粘度，μt為流體的粘度，μt=ρCμk2/ε，σk和σε分別表示湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，Gk為由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Gb表示浮力項(xiàng)的湍流動(dòng)能，Sk和Sε為源項(xiàng)，Sk湍流動(dòng)能源項(xiàng)考慮了道路車(chē)輛運(yùn)動(dòng)引起的湍流動(dòng)能，YM代表在可壓縮流動(dòng)中湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)整體耗散率ε的貢獻(xiàn)。式中 涉 及 的 常 數(shù) 分 別 取C1= 0.43，C1ε= 1.44，C2=1.9，C3ε= 1.44，Cμ= 0.09，σk= 1.0，σε= 2.2。

采用離散相模型描述和追蹤顆粒物的遷移運(yùn)動(dòng)，顆粒物的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)由拉格朗日法計(jì)算。較多研究均采用該方法跟蹤顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡［18-19］，獲取顆粒物的濃度分布。將顆粒視為惰性污染物，不考慮顆粒之間的相互碰撞、成核及凝結(jié)等，顆粒物碰撞到壁面后將附著被捕捉，對(duì)粒徑為2.5 μm（PM2.5）的顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬。具體方程為

以上方程采用有限體積法求解，流場(chǎng)計(jì)算殘差設(shè)定最大值小于10-6，控制方程的離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力和速度的耦合算法采用SIMPLE算法。在解域內(nèi)追蹤到總顆粒包裹變化數(shù)量及隨機(jī)選取點(diǎn)的顆粒物濃度變化小于1%，視為達(dá)到穩(wěn)定。

1.2.3 邊界條件環(huán)境入口邊界為速度入口邊界，速度入口采用風(fēng)廓線(xiàn)形式定義。出口邊界為壓力出口邊界，計(jì)算域上邊界采用對(duì)稱(chēng)邊界條件，建筑壁面、高架橋壁面和地面為固體壁面邊界。顆粒物移動(dòng)至出口邊界將逃逸出解域，顆粒物碰到壁面則被捕捉。風(fēng)廓線(xiàn)符合指數(shù)形式

式中Uref為參考高度zref處的參考風(fēng)速（m/s），α是風(fēng)速高度指數(shù)，取0.22。定義監(jiān)測(cè)站10 m 高度處風(fēng)速為參考風(fēng)速。

人民南路地面道路、人民高架橋道路及一德路均為雙車(chē)道，機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放入射源設(shè)置為位于車(chē)道中心線(xiàn)兩側(cè)。和平東路為單車(chē)道，排放源設(shè)置為車(chē)道中心線(xiàn)，均為距離路面0.2 m 高的線(xiàn)源模型。基于實(shí)地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)獲取的交通流量及車(chē)流速度數(shù)據(jù)，參照文獻(xiàn)［20］的機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子，計(jì)算顆粒物入射強(qiáng)度

式中Q為線(xiàn)源顆粒物排放強(qiáng)度（kg/s）；EFi為排放因子（kg/（km·輛））；Pi為車(chē)流量（輛/h）；L為線(xiàn)源長(zhǎng)度（km）。

對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即

式中C為顆粒物質(zhì)量濃度（kg/m3）；W為道路寬度（m）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的交通、氣象等數(shù)據(jù)計(jì)算得到人民南路、人民高架路、和平東路以及一德西路共4 條道路24 h 的VIT 強(qiáng)度及排放量，如圖3所示。

圖3 實(shí)際街區(qū)不同時(shí)段的主要輸入?yún)?shù)Fig.3 Main input parameters for different periods

2 分析與討論

2.1 模型的驗(yàn)證

數(shù)值模擬的輸入采用實(shí)驗(yàn)獲得的風(fēng)向、風(fēng)速、交通等數(shù)據(jù)。時(shí)間序列上，選取行人呼吸高度處的顆粒物濃度與計(jì)算得到的24 h 濃度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由于該模擬缺乏背景濃度的輸入，只能反映交通排放對(duì)實(shí)際街區(qū)顆粒物污染的影響，而實(shí)際場(chǎng)景中交通高峰時(shí)段交通排放較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)顆粒物分布的影響遠(yuǎn)大于背景濃度（其他排放源）的影響，因此本研究在空間上選取14：00 時(shí)段實(shí)驗(yàn)獲取的顆粒物垂直分布與模擬的平均濃度分布進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)兩種方法得到的顆粒物濃度進(jìn)行歸一化處理，時(shí)間上以實(shí)驗(yàn)日各自顆粒物濃度的最大值為1進(jìn)行歸一化，空間上以行人呼吸高度（1.5 m）處的顆粒物濃度為1進(jìn)行歸一化，對(duì)比結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，模擬濃度在時(shí)間和空間上的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致，說(shuō)明數(shù)值模擬方案能獲得可靠的計(jì)算結(jié)果。

2.2 實(shí)際街區(qū)不同時(shí)段的流場(chǎng)及顆粒物分布

選擇實(shí)驗(yàn)日14 時(shí)、15 時(shí)及23 時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果為研究對(duì)象。由圖4（a）可知，在14 時(shí)顆粒物污染最為嚴(yán)重。為了與14 時(shí)進(jìn)行對(duì)比，選擇交通排放相當(dāng)?shù)L(fēng)向相差較大的15 時(shí)以及風(fēng)向條件較為一致但交通排放小的23時(shí)進(jìn)行討論。3個(gè)時(shí)間段的風(fēng)向風(fēng)速及交通排放量如表2 所示，14 時(shí)與15 時(shí)為實(shí)驗(yàn)日交通排放量較大時(shí)段，風(fēng)向分別為北風(fēng)和東北風(fēng)，風(fēng)速接近。14 時(shí)與23 時(shí)風(fēng)向風(fēng)速情況基本一致，但23時(shí)為夜間，交通排放較少。

表2 不同時(shí)段的風(fēng)向、風(fēng)速及交通排放量Table 2 Wind conditions and traffic emissions during different periods

圖4 顆粒物濃度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Numerical results and observation data of particle concentrations

2.2.1 街區(qū)流場(chǎng)分布圖5（a）～（d）為14 時(shí)與15時(shí)水平方向及垂直截面上的空氣流場(chǎng)分布情況。水平分布（Z= 1.5 m）上，14 時(shí)流場(chǎng)在含高架橋的街道中部風(fēng)速較小；交叉口附近通風(fēng)良好，流線(xiàn)自街谷向交叉口外延伸，有利于街谷內(nèi)污染物外向擴(kuò)散。15 時(shí)與14 時(shí)流場(chǎng)分布整體差異較小，但局部區(qū)域流場(chǎng)分布對(duì)風(fēng)向擾動(dòng)的響應(yīng)十分敏感，其中15時(shí)交叉口處風(fēng)速較14時(shí)低且15時(shí)流場(chǎng)方向?yàn)樽阅舷虮?。在B1-B1截面處，14 時(shí)為下部向低矮建筑物上方發(fā)展，在高架橋附近形成兩個(gè)較小漩渦，風(fēng)速較小。15 時(shí)與14 時(shí)的流線(xiàn)發(fā)展方向差別較大，15 時(shí)是自低矮建筑物向高架橋底部發(fā)展，高架橋底部風(fēng)速明顯較14 時(shí)高，擴(kuò)散條件較好。雖然14 時(shí)與15 時(shí)風(fēng)向僅相差9.5°，但局部區(qū)域的流場(chǎng)分布存在明顯差異，復(fù)雜街區(qū)入流風(fēng)向較小的擾動(dòng)對(duì)其流場(chǎng)分布的影響顯著。

圖5 街區(qū)內(nèi)不同時(shí)段的流場(chǎng)分布Fig.5 Distributions of flow field in the built-up area during different periods

2.2.2 街區(qū)顆粒物濃度分布圖6（a）～（f）分別為14 時(shí)、15 時(shí)及23 時(shí)在行人呼吸高度及B1-B1截面的顆粒物濃度分布。整體上三個(gè)時(shí)間段交通排放顆粒物均聚集在街道中段，該區(qū)域的來(lái)流風(fēng)受到街區(qū)密集建筑物的遮擋難進(jìn)入街谷內(nèi)，導(dǎo)致街道中部風(fēng)速較低，顆粒物難以擴(kuò)散，從而形成高污染區(qū)。B1-B1截面處，14時(shí)與23時(shí)高架橋底部風(fēng)速低，地面排放的顆粒物難以擴(kuò)散，均隨氣流向低矮建筑側(cè)堆積，而14 時(shí)較大的交通排放量更導(dǎo)致整個(gè)街谷內(nèi)受到顆粒物嚴(yán)重污染。15 時(shí)與14 時(shí)顆粒物垂直分布差異大，15 時(shí)的高架橋底部風(fēng)速較大，地面顆粒物得以擴(kuò)散，顆粒物較少輸送至建筑物兩側(cè)，整體污染濃度明顯較14 時(shí)小。結(jié)果表明：城市街區(qū)的街道中部通風(fēng)條件差，即使交通排放量較小，顆粒物仍會(huì)不斷積累，易造成污染。

圖6 街區(qū)不同時(shí)段的顆粒物濃度分布Fig.6 Distributions of DPM*in the built-up area during different period

2.3 風(fēng)向?qū)謪^(qū)流場(chǎng)及顆粒物濃度分布的影響

實(shí)際街區(qū)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，環(huán)境風(fēng)向的改變會(huì)影響街區(qū)不同位置的流場(chǎng)分布，包括渦流的形成、影響范圍等，更進(jìn)一步會(huì)影響顆粒物擴(kuò)散、積累等，產(chǎn)生不同的顆粒物濃度分布。2.2 節(jié)的模擬結(jié)果也表明顆粒物的擴(kuò)散受來(lái)流風(fēng)向擾動(dòng)影響較大，風(fēng)向的小幅擾動(dòng)（9.5°）會(huì)顯著改變顆粒物水平和垂直方向分布情況。因此，需進(jìn)一步探究風(fēng)向變化對(duì)流場(chǎng)及顆粒物濃度分布的影響。本節(jié)主要討論風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和東風(fēng)時(shí)，在平均風(fēng)速2 m/s 的條件下，風(fēng)向?qū)謪^(qū)沿線(xiàn)以及高架橋附近垂直方向的流場(chǎng)與顆粒物濃度分布的影響。

2.3.1 流場(chǎng)的三維模擬結(jié)果排放強(qiáng)度以實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的交通高峰期時(shí)段為恒定輸入。圖7為不同風(fēng)向下街區(qū)內(nèi)流線(xiàn)的三維空間分布。

圖7 不同風(fēng)向下空氣流線(xiàn)的三維分布Fig.7 Three-dimensional distributions of air streamlines with different wind directions

北風(fēng)時(shí)，來(lái)流風(fēng)近似平行于含高架橋的街谷。受建筑物和街道拐角的作用，進(jìn)入建筑物上部時(shí)稍向東側(cè)偏轉(zhuǎn)，并自北向南在高架橋底部及橋面流入街谷；而部分氣流受到交叉口附近高大建筑物的影響，氣流流向直接發(fā)生改變，偏轉(zhuǎn)為東側(cè)氣流進(jìn)入街區(qū)的街谷內(nèi)，圍繞高架橋形成逆時(shí)針垂直渦流，在高架橋底部從迎風(fēng)面流向背風(fēng)面。

當(dāng)朱利安思考回歸家庭，另一位“大師班”學(xué)生則在寧夏釀酒釀得不亦樂(lè)乎，他就是大陸MW最年輕的申請(qǐng)者——戴鴻靖（Ian）。今年，戴鴻靖換了個(gè)狂野不羈的發(fā)型，頗有沒(méi)睡醒的愛(ài)因斯坦風(fēng)范，從此他有了個(gè)新代號(hào)“Ian·斯坦·戴”。今年他還釀出了很好玩的酒，在朋友圈里不無(wú)自豪地表示：“距離中國(guó)最好，還很遙遠(yuǎn)。距離中國(guó)最好玩，那是不太遠(yuǎn)了！本年度中國(guó)釀造最好玩的葡萄酒，不服來(lái)戰(zhàn)。”

東風(fēng)時(shí)，來(lái)流風(fēng)垂直于含高架橋的街谷，交叉口處及建筑物上部受建筑物影響較小，流場(chǎng)方向與來(lái)流風(fēng)一致。來(lái)流風(fēng)在街谷的中部繞高架橋流動(dòng)，而在交叉口處流線(xiàn)則向街谷內(nèi)發(fā)展，部分繞高架橋從西側(cè)流出，未形成垂直渦流。可見(jiàn)來(lái)流風(fēng)向的改變直接影響街區(qū)內(nèi)氣流的流向變化，使得同一位置的湍流結(jié)構(gòu)（包括渦流數(shù)量、位置等）有較大改變。

2.3.2 街區(qū)沿線(xiàn)流場(chǎng)與顆粒物濃度分布不同風(fēng)向下，街道峽谷內(nèi)、交叉口處以及高架橋附近顆粒物擴(kuò)散條件有顯著差異。不同風(fēng)向下，行人高度處（Z= 1.5 m）的流場(chǎng)及顆粒物分布如圖8 所示。北風(fēng)時(shí)，來(lái)流風(fēng)近似平行于含高架橋的街谷，機(jī)動(dòng)車(chē)排放的顆粒物主要聚集在街道峽谷的中段，而街谷南、北段顆粒物的濃度則較低，下降了約66.7%。這與該風(fēng)向下街谷內(nèi)流場(chǎng)的分布情況相符，街谷中段存在一片低風(fēng)速區(qū)，導(dǎo)致顆粒物在該區(qū)域不斷累積。研究表明［11］，在平行風(fēng)下街道峽谷中的污染物很容易擴(kuò)散出去，難以在街谷中形成較高濃度的污染。在本研究中，雖然街谷的走向與北風(fēng)向較為接近，但是街谷的北段（上風(fēng)向）存在30°左右的拐角，影響了風(fēng)場(chǎng)繼續(xù)向下游傳播，并導(dǎo)致街谷中段形成低風(fēng)速區(qū)，影響顆粒物的擴(kuò)散。這說(shuō)明街道峽谷中的拐角是影響街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的不利因素，應(yīng)盡量避免。

東風(fēng)時(shí)，來(lái)流風(fēng)向與街谷走向接近垂直，顆粒物在街道峽谷的中段附近聚集效應(yīng)增強(qiáng)。與北風(fēng)時(shí)不同的是，東風(fēng)下街谷中段右側(cè)的通風(fēng)走廊起到了一定作用，使得走廊位置處形成一小片低濃度區(qū)。據(jù)田豐等的研究［21］，在垂直風(fēng)下理想的街谷型交叉口外側(cè)氣流在街谷內(nèi)形成垂直渦旋，污染物在背風(fēng)面堆積。在本研究中，雖然街谷整體走向與東風(fēng)近似于垂直，但十字交叉口的東南方向建筑物稀疏，迫使東側(cè)來(lái)流風(fēng)向西側(cè)及北側(cè)街谷內(nèi)流入，使得北側(cè)街谷靠近入口的路段形成平行風(fēng)，排放污染物沿道路方向擴(kuò)散，未向兩側(cè)建筑輸送。這對(duì)于街谷附近的居民健康是非常有利的。因此，可通過(guò)對(duì)交叉口附近建筑的布局進(jìn)行合理設(shè)置，引導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)入街道峽谷內(nèi)部，稀釋交通排放的顆粒物濃度。

交叉口處（Y= 133 m） 延伸至街谷內(nèi)部160 m 范圍內(nèi)街谷兩側(cè)的顆粒物濃度，如圖8（c）和（f）所示。背風(fēng)面（建筑物旁）顆粒物濃度在北風(fēng)下沿交叉口至街谷內(nèi)呈線(xiàn)性上升，至街谷內(nèi)100 m處顆粒物無(wú)量綱濃度約為交叉口處的3.4倍；在東風(fēng)下，距離交叉口0～100 m范圍內(nèi)建筑物附近顆粒物濃度極低，甚至低于交叉口處濃度，在大于100 m的范圍內(nèi)顆粒物濃度急劇增加至北風(fēng)下相同位置的濃度水平。這是由于通風(fēng)較好交叉口的設(shè)置使得垂直風(fēng)能從交叉口延伸至街谷內(nèi)，街谷邊緣處形成風(fēng)速較高的平行風(fēng)，提高了顆粒物的擴(kuò)散效率。迎風(fēng)面在兩種風(fēng)向下的顆粒物濃度則較低，均與交叉口處濃度接近。綜上，無(wú)論在平行風(fēng)（北風(fēng)）還是垂直風(fēng)（東風(fēng)）下，整個(gè)街區(qū)中排放較大的都在含高架橋街道峽谷內(nèi)，較少擴(kuò)散至街谷外的建筑區(qū)域，而該街道中部的風(fēng)速約為0.45 m/s，形成低速區(qū)，導(dǎo)致街谷中部的顆粒物污染最為嚴(yán)重。

圖8 不同風(fēng)向下的流場(chǎng)及顆粒物無(wú)量綱濃度分布Fig.8 Flow field and normalized particle concentration distributions in different wind directions

2.3.3 沿垂直方向流場(chǎng)與顆粒物濃度分布以污染嚴(yán)重的含高架橋街谷區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，選取不同的縱向截面（即圖2 中6 個(gè)截面），得到街道不同位置沿該垂直剖面的流場(chǎng)及顆粒物分布。建筑群的高低組合形成非對(duì)稱(chēng)街谷，街谷形狀對(duì)內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)及污染物分布有明顯影響［22］，為衡量不同截面建筑物組成的街谷形狀，將街谷建筑形狀因子λ定義為街谷內(nèi)較高建筑物高度H1與較矮建筑物高度H2的比值。

圖9（a）～（c）為北風(fēng)下λ= 1.1～1.3 時(shí)靠近交叉口街谷內(nèi)的不同截面流場(chǎng)及顆粒物分布。如圖9所示，A1-A1和A2-A2截面為下階梯型街谷，街谷內(nèi)主要形成一個(gè)繞高架橋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的大渦流。渦流作用下，排放的顆粒物在地面和背風(fēng)面堆積，高架橋排放源導(dǎo)致街谷中部濃度升高，而迎風(fēng)面顆粒物濃度最低。其中，由于A1-A1截面兩側(cè)建筑物更高，高架橋阻擋作用更為明顯，高架橋上部至背風(fēng)面形成低風(fēng)速區(qū)，平均風(fēng)速僅0.4 m/s，擴(kuò)散條件差，使得背風(fēng)面高架橋旁的位置有少量顆粒物積累，濃度隨高度增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。A3-A3截面為上階梯型街谷，受高架橋結(jié)構(gòu)影響，在高架橋的下部和東側(cè)形成渦流，大渦流的中心較一般街谷的渦流高度顯著降低［18］，風(fēng)速較低，地面附近顆粒物污染嚴(yán)重。有研究表明［23］，無(wú)高架橋的上階梯型街谷中，顆粒物在背風(fēng)面有顯著的爬墻效應(yīng)并向下游建筑擴(kuò)散，與本研究A3-A3處的顆粒物分布明顯不同。本研究中由于高架橋的存在，地面產(chǎn)生的顆粒物受到阻擋，僅在高架橋下堆積，背風(fēng)面顆粒物的爬墻效應(yīng)被破壞，而橋上排放的顆粒物向下游建筑物有一定擴(kuò)散。

圖9 北風(fēng)下不同截面的流場(chǎng)及顆粒物無(wú)量綱濃度垂直分布Fig.9 Vertical distributions of section flow field and normalized particle concentration under north wind

圖10 北風(fēng)下B-B截面流場(chǎng)及顆粒物無(wú)量綱濃度垂直分布Fig.10 Vertical distributions of B-B section flow field and normalized particle concentration under north wind

圖11（a）～（c）為東風(fēng)下λ= 1.1～1.3 時(shí)不同截面的流場(chǎng)及顆粒物分布。東風(fēng)下，氣流從交叉口進(jìn)入街谷邊緣處，使得交叉口附近的街谷內(nèi)通風(fēng)條件良好，平均風(fēng)速達(dá)北風(fēng)時(shí)的1.9 倍，A1-A1、A2-A2和A3-A3截面均未形成大渦流。A1-A1和A2-A2截面的地面排放顆粒物受到平行于街道氣流的顯著影響，顆粒物未向兩側(cè)建筑物堆積，一部分在排放源附近小范圍積累，一部分隨氣流沿街道擴(kuò)散。距離交叉口較遠(yuǎn)的A3-A3截面處，地面及高架橋上部風(fēng)速顯著降低，受垂直風(fēng)影響大，地面及高架橋上顆粒物未能向外擴(kuò)散，整個(gè)截面顆粒物污染區(qū)域占比大。因此，與2.3.2節(jié)一致，交叉口處建筑物的合理布局有利于引導(dǎo)垂直風(fēng)進(jìn)入街道峽谷內(nèi)部，在街谷內(nèi)入口路段形成平行風(fēng)，極大改善了垂直風(fēng)下污染物難以擴(kuò)散的情況。

圖11 東風(fēng)下A-A截面的流場(chǎng)及顆粒物無(wú)量綱濃度垂直分布Fig.11 Vertical distributions of A-A section flow field and normalized particle concentration under east wind

圖12（a）～（c）為東風(fēng)下λ= 2.7時(shí)不同截面的流場(chǎng)及顆粒物分布，B1-B1和B3-B3截面的街谷內(nèi)形成較大范圍的逆時(shí)針?shù)鰷u，由于街谷建筑形狀因子較大，其漩渦較λ= 1.1～1.3 截面（圖9）向下游建筑延伸，漩渦中心也偏移至下游建筑物上部，并經(jīng)過(guò)下游建筑物屋頂延伸至尾流區(qū)，與楊方等［22］研究中λ= 7 的理想不對(duì)稱(chēng)街谷流場(chǎng)分布相似。街谷內(nèi)背風(fēng)面建筑物高，來(lái)流風(fēng)不易進(jìn)入，使得高架橋上部區(qū)域整體風(fēng)速偏低，橋上污染物擴(kuò)散條件差，顆粒物濃度明顯增高。漩渦的偏移，使得橋上顆粒物受渦流明顯作用，被帶至背風(fēng)面，進(jìn)一步加重了街谷上部污染，B1-B1截面背風(fēng)面建筑上部顆粒物濃度更增長(zhǎng)至與地面濃度接近，最高達(dá)行人呼吸高度顆粒物濃度的84.00%，較北風(fēng)下同位置顆粒物濃度高出一個(gè)量級(jí)。在高架橋底部，由于B3-B3截面位于彎道處，部分東側(cè)來(lái)流風(fēng)偏轉(zhuǎn)，從高架橋上部進(jìn)入彎道處底部，造成顆粒物在迎風(fēng)面堆積，形成B3-B3迎風(fēng)面下部顆粒物濃度顯著增高，約為其余兩個(gè)截面的2.2倍。東風(fēng)下，較大的街谷內(nèi)顆粒物整體污染嚴(yán)重，背風(fēng)面與迎風(fēng)面顆粒物的垂直分布受到高架橋上排放源影響大，在高架橋上部可能出現(xiàn)突增或保持較高的濃度水平。

圖12 東風(fēng)下的截面流場(chǎng)及顆粒物無(wú)量綱濃度垂直分布Fig.12 Vertical distributions of section flow field and normalized particle concentration under east wind

綜上所述，受建筑物布局、形狀、高架橋布設(shè)、街道位置等因素的影響，不同的邊界來(lái)流風(fēng)向?qū)?shí)際街區(qū)流場(chǎng)方向和風(fēng)速的影響存在區(qū)域差異，并導(dǎo)致不同位置顆粒物垂直分布差異大，背風(fēng)面顆粒物在不同高度處可能出現(xiàn)突增情況。受高架橋遮蓋作用［10］，地面排放顆粒物容易堆積，背風(fēng)面下部顆粒物污染最為嚴(yán)重。建筑物兩側(cè)距離高架橋不同位置處顆粒物垂直分布規(guī)律較為一致，高架橋下部濃度差異較大。

3 結(jié) 論

本文以廣州市含高架橋?qū)嶋H街區(qū)為例，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬了不同時(shí)段空氣流場(chǎng)和顆粒物分布，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為一致，并考察了不同風(fēng)向?qū)α鲌?chǎng)及顆粒物擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明：

（1）實(shí)際街區(qū)內(nèi)高大建筑物的存在會(huì)改變來(lái)流風(fēng)方向，街區(qū)不同位置風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)來(lái)流風(fēng)向變化的響應(yīng)存在明顯差異，而顆粒物的擴(kuò)散受來(lái)流風(fēng)向擾動(dòng)影響較大，風(fēng)向小幅的擾動(dòng)（9.5°）也會(huì)顯著改變顆粒物水平和垂直分布情況。

（2）實(shí)際街區(qū)流場(chǎng)和顆粒物分布存在明顯空間異質(zhì)性，街道的彎道存在會(huì)阻礙來(lái)流風(fēng)進(jìn)入，即使在平行風(fēng)下，彎道仍顯著影響風(fēng)場(chǎng)向下游傳播，導(dǎo)致街谷中部形成低風(fēng)速區(qū)，顆粒物污染最為嚴(yán)重。

（3）街區(qū)十字交叉口的東南方向建筑較少的設(shè)置，迫使東側(cè)入流風(fēng)（近似垂直風(fēng)）分別進(jìn)入北側(cè)及西側(cè)街谷內(nèi)，使得北側(cè)街谷的交通顆粒物僅分布在道路中間，不向街谷兩側(cè)輸送，有效降低了臨街行人與居民的污染物暴露濃度。

（4）高街谷建筑形狀因子下，當(dāng)來(lái)流風(fēng)平行于街道時(shí)，靠近街區(qū)來(lái)流入口的高層建筑仍有滯留效應(yīng)，顆粒物在該側(cè)不同高度處有不同程度的聚集；當(dāng)來(lái)流風(fēng)垂直從高層建筑進(jìn)入時(shí)，街谷內(nèi)高架排放源對(duì)兩側(cè)顆粒物垂直分布影響極大，使得顆粒物在高架橋上部出現(xiàn)明顯突增或保持高濃度水平，最高達(dá)行人高度處顆粒濃度的84%，并比平行風(fēng)時(shí)同位置濃度高出一個(gè)量級(jí)。

（5）高架橋?qū)?shí)際街區(qū)不同街谷內(nèi)流場(chǎng)和顆粒物分布的影響存在差異。在垂直入流下，下階梯型街谷中，高架橋使得渦流中心抬升至高架橋上部，背風(fēng)面顆粒物垂直分布有明顯爬墻效應(yīng)；上階梯型街谷中，渦流中心被壓至高架橋底部，顆粒物在高架橋下方堆積，未被帶至背風(fēng)面上形成滯留。