道路交叉口周圍建筑對pm10擴散的影響--畢業(yè)論文

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文檔簡介

1、　　西安建筑科技大學碩士學位論文　　道路交叉口周圍建筑對 PM10 擴散的影響 　　專業(yè)：供熱、供燃氣、通風及空調(diào)工程 　　碩士生： 　　指導老師：

2、;　　摘要　　伴隨城市化建設的迅速發(fā)展，區(qū)域環(huán)境和交通道路的空氣污染問題也日趨顯著，長期漂浮在空氣中的可吸入顆粒物（Inhalable Particulate Matter, 也稱為PM10）已成為城市的首要污染物。道路交叉口由于其車流量大、建筑物林立和人群較密集的特點，成為了城市污染問題較為突出的區(qū)域。特別地，街區(qū)周圍建筑布

3、局和高度特征將直接決定或影響著道路交叉口周圍可吸入顆粒物（PM10）的分布。 　　本文通過在交叉口街區(qū)一些特征位置選取若干監(jiān)測點的實測，以及數(shù)值模擬的方法，分析了交叉口四周建筑物布局和高度特征對PM10分布的影響。在此基礎上，結合西安市典型道路交叉口的實際情況，重點分析了三種道路交叉口周圍的流場和PM10濃度場的分布，及其不同街區(qū)人行道附近的PM10分布，研究結果可為市政規(guī)劃和城市環(huán)境防護提供合

4、理的參考依據(jù)。現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬的比較表明，Realizable k-ε模型適于模擬街道交叉口處PM10擴散行為。通過對不同建筑高度布局的分析，得出在特定主導風向與街道方向成一定夾角的條件下，上風向迎風建筑物高度的增加，導致不同街道上的風速　　有所降低，對應的PM10濃度在各點呈現(xiàn)波動降低趨勢；下風向迎風建筑對上風向街道影響較小，但使得下風向街道的風速明顯增大，因而建筑兩側街道的PM10的濃度

5、值將急劇下降；而當垂直來流風向的建筑物高度增加時，其兩側兩條街道的PM10濃度都有上升的趨勢。 　　調(diào)查顯示西安市繁華交叉口周圍建筑高度 NE>SE>SW>NW形式（東高西低型）、SW>NE>SE>NW形式（迎風對角建筑高型）和SE>SW>NW>NE形式（南高北低型）占72.2%。在西安市常年主導風向下（東北風），三種典型建筑布局的交叉口會

6、形成不同的流場（包括渦旋）和PM10濃度場：東高西低型道路交叉口的下風街道兩個入口處各存在一個較強的渦旋，使得渦旋中心PM10積聚，而街道的迎　　風側PM10濃度極低；南高北低型道路交叉口僅在下風向街道的西街有較強的渦旋存在，使得PM10積聚，街道的背風側PM10擴散效果不好；迎風對角高型（WS>EN>ES>WN型）道路交叉口產(chǎn)生的低強度渦旋移到上風向街區(qū)（北街），促使上風向

7、街道的PM10很難隨氣流擴散，而下風向街道的PM10濃度都比較低，并且　　分布均勻。此外，受交叉口中心復雜流場的影響，南北街道和東西街道的PM10可以在交叉口交互擴散。這可導致交叉口街道人行道PM10濃度易超出國標。 　　關鍵詞：可吸入顆粒物（PM10）；道路交叉口；建筑物高度；濃度分布；數(shù)值模擬 <b&

8、gt;　　Abstract　　Along with the rapid development of urbanization, air pollution of regional environment and traffic road increase significantly. Inhalable particulate matter (also

9、known as PM10), floating in the air for a long time, thus has become the primary pollutant of city. Considering the heavy traffic flow, a great number of buildings and the large crowds, the intersection cross has become

10、 a prominent area where the urban pollution is significant. In particular, the distribution and height of 　　In this paper, several representative sampling points were labeled in the interse

11、ction blocks to analyze the influences of buildings layout and height on PM10 features. On this basis, three typical road intersections in Xi'an wer investigated and flow field, the PM10 concentrations field and PM10

12、 distribution around the sidewalk were obtained. The results may provide a reasonable foundation for municipal planning and urban environmental protection. 　　Compareing the field experiment

13、al results and different turbulence models, and finally the Realizable k-ε turbulence model was chose as the suitable model to simulate the diffusion and distribution of PM10 around road intersections.Under a c

14、ertain dominant wind, which has a angle with the reference direction of selected streets, the analysis about the impacts of different building height shows that, the increase of height of upwind building at u

15、pstreaming would lead to the 　　The investigation results show that type of NE>SE>SW>NW (East-high and west-low road intersection), type of SW>NE>SE>NW (South-high and north

16、-low road intersection), and type of WS>EN>ES>WN (Windward crossed-high road intersections) occupy 72.2 percent.busy intersection in xi’an .the perennial dominant wind direction is northeasterly in Xi&

17、#39;an, and three typical architectural layouts will form different flow fields (including the vortex) and PM10 concentration fields around th　　South-high and north-low road intersection has single

18、strong vortex in the downwind west street, which causes the PM10 accumulation at the center and the insignificant diffusion of PM10 on the leeward side of the street. Windward crossed-high road intersections

19、(type of WS>EN>ES>WN) will produce low-intensity vortex in upper wind street (North Street), which will hinder the PM10 diffusion in the upper wind streets. However, the PM10 concentrations in downwind

20、streets are re　　Keywords: Inhalable particulate matter (PM10), Road intersection, Building height, Concentrations distribution, Numerical simulation 　　符號表&

21、lt;/p>　　Re 雷諾數(shù) 　　NE 東北角建筑物 　　NW 西北角建筑物 　　SE 東南角建筑物 　　SW 西南角建筑物 　　HNE東北角建筑物高度

22、　　HNW西北角建筑物高度 　　HSE東南角建筑物高度 　　HSW西南角建筑物高度 　　Hmax交叉口最高建筑物高度 　　W 道路寬度 　　ix

23、直角坐標下的三個坐標分量 　　iu 瞬時速度 　　t 時間 　　P 壓力 　　T 局部溫度

24、;　　密度動力粘滯系數(shù)　　運動粘滯系數(shù) 　　iu 時均速度 　　iu? 脈動速度 　　T 湍流粘性系數(shù) 　　k 單位質(zhì)量

25、流體湍流動能 　　? 湍流動能耗散率 　　S 廣義源項 　　*u 摩擦速度　　目錄　　1 緒論.

26、..................................................................................................1 　　1.1 研究背景..............................................................................1 </p&

27、gt;　　1.1.1 城市可吸入顆粒物的危害......................................................1 　　1.1.2 城市可吸入顆粒物的來源.......................................................2 　　1.1.3

28、可吸入顆粒物擴散的影響因素..................................3 　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.........................................................................5 　　1.2.1 理論研究........................

29、.............................................5 　　1.2.2 實驗研究..................................................................................7 　　1.2.3 數(shù)值模擬...................

30、............................................................7 　　1.3 本課題的研究內(nèi)容及意義 ........................................8 　　1.3.1 課題來源........................................

31、.........................................8 　　1.3.2 課題研究意義........................................................................8 　　1.3.3 課題研究內(nèi)容及方法..........................

32、...................................9 　　2 湍流模型選取及可吸入顆粒污染物評價標準.........10 　　2.1 湍流模型......................................................................................10 <

33、/p>　　2.2 數(shù)值模擬結果與采樣實驗比較.................................................13 　　2.2.1 實測結果...................................................................13 　　2.

34、2.2 數(shù)值模擬.............................................................................14 　　2.2.3 模擬結果與實測實驗的比較...............................................17 　　2.3 道路交叉口風速及

35、 PM10 濃度評價標準 ..............18 　　2.3.1 道路交叉口風速評價............................................................18 　　2.3.2 道路交叉口 PM10 評價標準 .............................18 </p&g

36、t;　　2.4 小結.........................................................................................19 　　3 交叉口建筑高度對PM10擴散的影響.......................................20

37、;　　3.1 交叉口建筑物高度的布局和采樣分析...................................20 　　3.2 東北角建筑物高度 HNE對 PM10 分布的影響..............21 　　3.2.1 流場變化特征..................................................

38、.................21 西 　　3.2.2 PM10 濃度分布變化................................................... 22 　　3.2.3 東北角建筑物高度 HNE=75m 時的 PM10 分布............... 23 　　3

39、.3 西北角建筑物（東南角建筑物）高度 HNW的影響............ 24 　　3.3.1 流場變化特征 .................................................. 25 　　3.3.2 PM10 濃度分布變化..........................................

40、........... 26 　　3.3.3 西北角建筑物高度 HNW=30m 的 PM10 分布............... 27 　　3.4 西南角建筑物高度 HSW的影響 ............................................ 28 　　3.4.1 流場變化特

41、征 ............................................................... 28 　　3.4.2 PM10 濃度分布變化................................................. 29 　　3.4.3 西南角建筑物高度 HSW=75m 時的 PM10

42、分布................ 30 　　3.5 建筑物高度組合的交互影響............................................... 31 　　3.6 綜合分析 ................................................................. 32 <

43、;/p>　　3.7 小結......................................................................... 33 　　4 西安市典型交叉口PM10擴散的數(shù)值模擬....................... 35 　　4.1 西安市主干道交叉口的建筑特征

44、................................ 35 　　4.2 西安市典型主干道交叉口模型...................................... 37 　　4.2.1 物理模型............................................................. 37

45、　　4.2.2 控制方程及邊界設定......................................... 37 　　4.3 典型交叉口街區(qū) PM10 模擬結果分析 .................................. 38 　　4.3.1 NE>SE>SW>

46、;NW 型道路交叉口 ..................................... 38 　　4.3.2 SW>NE>SE>NW 型道路交叉口 ................................... 41 　　4.3.3 SE>SW>NW>NE 型道路交叉口 ...........

47、............................ 43 　　4.4 建筑布局對街心人行道 PM10 影響的討論............................ 46 　　4.5 小結...........................................................................

48、............. 47 　　5 結論...................................................... 49 　　致謝....................................................... 51 　　參考文獻......

49、................................................................... 52 　　1 緒論 　　1.1 研究背景 　　隨著我國城市化的迅速發(fā)展及城市交通系統(tǒng)建設的突飛猛進，城市氣污染日趨嚴重[1-3]。C

50、O、NOX、O3、SO2、碳氫化合物和懸浮顆粒物成為城市道路空氣中的典型污染物。而空氣中的懸浮顆粒物，尤其是可吸入顆粒物對人體的危害最大，它們長期懸浮于空氣之中，并通過呼吸系統(tǒng)進入人體，對人體健康產(chǎn)生影響?？晌腩w粒物已成為我國城市首要的污染物[4,5]。因此空氣懸浮顆粒物，特別是可吸入顆粒物成為當前環(huán)境問題重要的研究對象。伴隨著高層和超高層建筑的出現(xiàn)，使得城市道路附近的建筑物特征對污染物擴散產(chǎn)生了嚴重影響。而市區(qū)內(nèi)道路分布縱橫交錯，

51、車流密集，污染物容易在某一空間區(qū)域不斷聚集，造成該區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量超標。道路交叉口是市區(qū)道路的典　　型形式之一。　　道路交叉口具有車流量大、汽車尾氣排放量大和人員密集的特點，受到周圍建筑結構的影響，會出現(xiàn)污染物不易擴散的問題，進而威脅到行人的身體健康。因此針對道路交叉口處周圍建筑環(huán)境對污染物的擴散及聚集的影響規(guī)律有待開

52、展深入細致的研究。 　　1.1.1 　　城市可吸入顆粒物的危害　　可吸入顆粒物（Inhalable Particulate, IP）是指空氣動力學直徑不大于 10μm 的顆粒物，即 PM10，它又可分為細粒 PM2.5 和介于 2.5μm 到 10μm 的粗粒。粗?？蛇M入咽

53、喉，約 90%會沉積于呼吸道的各個部位，其余 10%則可到達肺部深處沉積于肺中。PM2.5 則幾乎 100%可以吸入肺泡中，其中 0.3μm 到 2μm 的粒子幾乎全部沉積于肺部不能呼出，進而進入細胞間質(zhì)和血液循環(huán)系統(tǒng)[6]?？晌腩w粒物本身的化學成分非常復雜，主要成分為 SO42-、NO3-、NH4+、重金屬、有機物及微生物等，其中重金屬和有機物中很多物質(zhì)都有致癌、致畸、致突變的特性，并且顆粒物表面還能吸附空氣中的其它污染[7]<

54、;/p>　　。幾乎所有的研究結果都表明顆粒物吸入會導致肺炎、氣喘、肺功能下降等一系列呼吸系統(tǒng)疾病。生活在可吸入顆粒物濃度較高地區(qū)的人群，此類疾病的死亡率明顯增加[8]。歐美國家的流行病學　　研究表明，哮喘病發(fā)病率、醫(yī)院就診人數(shù)以及死亡人數(shù)都會伴隨可吸入顆粒物濃度的增加而增加。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示當顆粒物日均濃度增加 10μg/m3死亡率會增加 1.5%左右。研究表明，中國近年

55、來肺癌發(fā)病率明顯增高可能與長期持續(xù)的較高可吸入顆粒物污染有關[9]。 　　可吸入顆粒物不僅對人體造成危害，也會對生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。當植物枝葉上沉積過多顆粒物時，不僅影響其外觀，而且妨礙光合作用，對植物的生長造成影響，嚴重時甚至能導致植物死亡　　[10]。由于細顆粒物的散射效應以及　　碳黑、含碳黑顆粒等對

56、光具有較強的吸收作用，會致使大氣能見度顯著降低，使大氣呈現(xiàn)出多云、多霧和渾濁的狀態(tài)，當能見度少于 10 公里就會出現(xiàn)大家熟知的“灰霾天氣”。這給交通運輸和日常生活帶來嚴重的不便，甚至會導致惡性交通事故。此外，顆粒物中的部分有毒有害物質(zhì)受陽光和其它物質(zhì)的共同作用，極容易產(chǎn)生光化學反應，造成其它一系列危害。 　　1.1.2 <p&

57、gt;　　城市可吸入顆粒物的來源 　　大氣中可吸入顆粒物來源比較復雜。一般分為自然產(chǎn)生和人類活動產(chǎn)生兩大　　類。自然產(chǎn)生的包括火山爆發(fā)、森林火災、自然風蝕、土壤塵、鹽塵、花粉孢　　子、植物和昆蟲碎片以及一些地質(zhì)活動等，另外大氣微生物，如病毒、細菌等　　也包括在內(nèi)。人類活動

58、來源是指由人類各種活動產(chǎn)生的大氣顆粒物，比如化石　　燃料的燃燒、汽車尾氣排放、工業(yè)粉塵、廢棄物焚燒等產(chǎn)生的顆粒物等?？晌?lt;/p>　　入顆粒物的來源和產(chǎn)生量會因不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、能源結構、工藝以及管理　　的不同而不同　　[1

59、1, 12]　　。 　　隨著城市化建設的不斷發(fā)展，大部分工廠搬出城市，因而現(xiàn)代城市可吸入顆　　粒物主要來源于街道揚塵、建筑施工揚塵、汽車尾氣排放（部分文獻也把汽車尾　　氣排放歸結到街道揚塵中

60、　　[13]　?。?。大量研究表明，城市道路附近大氣中的顆粒物污　　染嚴重，交叉口更為突出　　[11-16]　　。隨著城市交通的發(fā)展，機動車數(shù)量猛增，可吸入

61、　　顆粒物交通源的污染貢獻率越來越大。研究表明，1999 年北京市城區(qū)汽車尾氣排　　放和交通揚塵分別為大氣 PM10 濃度的 7~14%和 33%　　[11]　??；2000 年 6 月對北京市典　　型交通路口的大氣顆

62、粒物進行了為期三天的監(jiān)測，監(jiān)測結果表明交通排放對交通　　路口的大氣顆粒物的影響和貢獻很大　　[12]　　。實驗研究結果　　[13,17]

63、　　表明北京市機動車尾　　氣排放顆粒物中約 80%為細微顆粒，細微顆粒對全部顆粒物濃度的平均貢獻率為　　55%。假定所有顆粒物的擴散情況相同，那么交通排放對北京市城區(qū)大氣顆粒物　　濃度的貢獻率可達到 10~20%。而 2006 年實驗測得廣州交通產(chǎn)生的顆粒

64、物高達　　50%　　[14]　　，尤其是交叉口的顆粒物量很顯著 　　[15]　　。據(jù)陜西省環(huán)境保護廳發(fā)布的環(huán)境<

65、;/p>　　狀況公報，西安市近年來首要污染物一直是 PM10，其中 2008 年 PM10 占污染負西安建筑科技大學碩士學位論文 　　3 　　荷的比例為 44.8％，2009 年為 43.11％，2010 年為 46.44％；在市區(qū) PM10 中有

66、　　34%-40%是由于機動車燃料燃燒所貢獻，30%-50%是由路面揚塵所貢獻　　[14,16]　　。 　　1.1.3 　　可吸入顆粒物擴散的影響因素<

67、;/p>　　影響市區(qū)可吸入顆粒物擴散的因素很多，歸結起來主要包括源強、風速、風　　向、建筑環(huán)境、有效源高度及湍流擴散系數(shù)等，它們的影響關系如圖 1.1。把這些　　因素可分類為氣象因素、交通因素和地理因素。 　　圖 1.1 市區(qū)道路污染物擴散影響因素 <p

68、>　　1）氣象因素 　　氣象因素包括溫度、濕度和風等。氣溫的垂直分布決定了大氣層的結構狀態(tài)，　　氣溫上高下低時，大氣層結構穩(wěn)定；氣溫下低上高（既逆溫天氣）時則相反。大　　氣層不穩(wěn)定時，湍流擴散運動強。另一方面當環(huán)境溫度較低時，熱浮力會對污染<

69、;p>　　物擴散起作用。因此溫度的空間分布會影響污染物堆積或擴散的程度。受不同的　　日照強度影響，在一天的不同時段，街道區(qū)域內(nèi)氣流的穩(wěn)定性及污染物擴散能力　　明顯不同　　[18]　　。由于直

70、接用 CFD 計算熱浮力以及模擬大氣的不穩(wěn)定性還存在很多　　困難，所以目前大部分計算模擬道路擴散過程中都不考慮溫度場。 　　風的影響由風速和風向兩個要素決定。風速越大時，單位時間混入污染物中　　的清潔空氣越多，越有利于污染物的稀釋；風的方向也決定了污染物的遷移方向。　　風

71、在城市環(huán)境中受建筑物影響極容易形成一些渦旋，這些渦旋很容易導致污染物　　的聚集和擴散。因此風對污染物的擴散起極大的作用。 　　在實際的大氣環(huán)境中空氣濕度對顆粒污染物的影響尤為明顯，相對濕度越高，　　污染物濃度越高

72、[19]　　。研究證實北京市在污染特別嚴重的情況下，全天的相對濕度　　均在 80%以上　　[20]　　。相對濕度主要影響污染物的轉換&

73、lt;b>　　[21]　　，當濕度較大時，水蒸氣容　　易以煙塵、微塵等顆粒為凝結核而形成霧，顆粒物由于變重而下沉，積聚在低層西安建筑科技大學碩士學位論文 　　4 　　空氣中，加重人們活動區(qū)的空氣污染。由于相

74、對濕度主要影響污染物的轉換，所　　以一般在建立擴散模型時不考慮相對濕度的影響。 　　2）交通因素 　　由于城市道路污染物主要來源于機動車行駛排放的廢棄物，其排放量大小用　　源強表示。源強即在特定道路，特定時間內(nèi)通過該道路所有車量的排放

75、量，研究　　污染物擴散必須研究源強。在交通因素中污染物源強主要受交通量、機動車的運　　行狀況、單車排放因子及綜合排放因子等的影響。 　　交通量受各個城市的發(fā)展狀況、人們生活水平、生活觀念影響。以西安市為　　例，2010 年 12 月份以來，市區(qū)平均每天新增機動車 1000

76、輛，最多一天為 1500　　輛。當年 2 月機動車保有量突破了 100 萬輛，年底這個數(shù)字達到 116 萬輛。由于　　受到古城墻的影響道路建設無法應付不了機動車增長的需要，道路總里程約為　　4000 公里的道路里程，這造成西安市區(qū)交通擁堵問題嚴重。其中有 87.8%的路口

77、;　　交通流量超出其最大服務交通量，交叉路口平均停車率為 51.4%，個別路口高達　　90%以上，從而引發(fā)部分主干道交通擁堵，汽車常處于減速、怠速狀態(tài)，因而汽　　車尾氣排放量大。此外由于西安市地處西北地區(qū)，空氣比較干燥，路面灰塵多，　　當汽車駛過后揚塵也較大。因而道路交叉口成為西安市區(qū)中交通排放污染最為嚴<

78、/p>　　重的路段。 　　排放因子大小直接影響源強的大小。在國標 GB5181-58 中，排放因子是指特　　定車輛的某種污染物在各種因素影響下的平均排放量。綜合排放因子即某一特定　　區(qū)域的機動車排放因子，是該區(qū)域中各類機動車排放量的加權值。它們都是

79、治理　　機動車污染最基本的數(shù)據(jù)資料　　[22]　　。根據(jù)西安市的實際情況，李丹等結合已有資料　　用 MOBILE6.2 分析出 2011 年西安市機動車綜合平均排放因子　　[

80、23]　　，如下表所示。 　　表 1.1 2011 年西安市機動車綜合平均排放因子 　　污染物 VOC (g/m·veh) CO (g/m·veh) NO　　X<

81、;/b>　　(g/m·veh) PM (g/m·veh) 　　平均值 1.212 19.530 1.395 0.0428 　　3）地理因素 　　地理條件對污染物擴散影響非常嚴重。地理因素包括道路的幾

82、何形狀和尺寸、　　街道兩側建筑物高度、路面上立交橋特性、樹木的密集程度及高度等。這些因素　　通過影響大氣的流動狀態(tài)進而影響到污染物的擴散。當氣流通過高大建筑物等障　　礙物時，其迎風面氣流會被抬升導致風速加大。由于障礙物的阻擋，在背風面下西安建筑科技大學碩士學位論文 <

83、;b>　　5 　　游流速降低，壓力增大，形成背風渦旋，從而使污染物在背風面打轉，部分污染　　物能排出街道，其余則聚集在渦心處。如果渦旋不存在或位于下游某處，背風面　　將受到強的下沉氣流作用，這會使坡地上污染源排放的污染物直泄到地面從而造　　成嚴重

84、的污染。由于城市的快速發(fā)展，加之土地的稀缺，致使建筑越來密集，高　　度越來越高，因此建筑高度及布局等對污染物的擴散問題已逐漸成為人們研究的　　重點　　[24]　　。 </b

85、>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 　　根據(jù)道路城市交通道路的不同特征，在研究污染物擴散時可分為開闊道路、　　街道峽谷和交叉道路三種類型。城市開闊型道路被定義為道路兩側開闊、無高層　　建筑物且有較少阻礙的平坦路面，其道路特點是車流量大、車速較快、污染物易</p&

86、gt;　　受氣象參數(shù)影響，如城市高架路、城郊高速公路等　　[25,26]　　。街道峽谷最早是指街道　　兩側具有連續(xù)高大建筑物的相對狹長的街道，后來這一概念得到擴展，在相對狹　　長的街道兩側高大建筑物不連續(xù)、存在一

87、部分空白或缺口時也可稱為街道峽谷。　　城市道路的交叉口包括十字交叉口、T 型交叉口和環(huán)行交叉口。交叉口道路特點　　是車流密集，機動車運行狀態(tài)比較復雜，車輛常處于減速、加速、怠速等一系列　　變化過程中，機動車尾氣的排放高于正常情況下的排放（因而道路交叉口通常是　　環(huán)境質(zhì)量容

88、易超標的地段）。同時由于周圍建筑物的存在，使得該處流場非常復雜，　　污染物的擴散很難有明顯的規(guī)律可循。隨著高層的不斷出現(xiàn)現(xiàn)代城市的交叉口總　　體表現(xiàn)為峽谷型道路交叉口，對這種類型的道路交叉口由于其復雜性和污染的嚴　　重性目前亟待展開深入的研究，因此本文的研究主要針對城市峽谷型道路交叉口。&

89、lt;p>　　國內(nèi)外對城市道路污染物擴散的研究包括理論研究、實驗研究和數(shù)值模擬三種方　　法。 　　1.2.1 　　理論研究　　理論研究是利用簡化的模型

90、假設，給出所研究問題的解析解或簡化方程。在　　這個過程中得出了大量的污染物擴散模式。自從 20 世紀 60 年代末以來，歐美和　　日本等國家對機動車排放的污染物擴散模式進行了多方面的研究，開發(fā)了多種用　　于開闊道路、城市街道峽谷的擴散模式。這些擴散模式主要包括以擴散微分方程

91、;　　的解析解為基礎的高斯煙流及煙團模式、直接求解微分方程的數(shù)值模擬模式和以　　觀察實驗結果為基礎的半經(jīng)驗模式。這些模式的驗證和開發(fā)一般采用現(xiàn)場監(jiān)測、西安建筑科技大學碩士學位論文 　　6 　　野外示蹤實驗和風洞模擬實驗。其中基于高斯分布的機動車污染物擴散的典型模</p

92、>　　型可見表 1.2。 　　表 1.2 基于高斯分布的機動車污染物擴散模型 　　模型名稱開發(fā)時間作者作者所屬國 　　CALINE 1972 J. L. Beaton　　[27]</p

93、>　　美國 　　EGAMA 1973 B. A. Egan　　[28]　　美國 　　CALINE-2 1975 C. E.

94、 Ward　　[29]　　美國 　　IMM 1978 美國環(huán)保局　　[30]　　美國 <

95、/b>　　CALINE-3 1979 P. E. Beason　　[31]　　美國 　　HIWAY-2 1980 W. B. Pertersen<p&g

96、t;　　[32]　　美國 　　CALINE-4 1984 P. E. Beason　　[33]　　美國 </p

97、>　　OSPM 1989 O. Hertel 等　　[34]　　丹麥 　　OMG 1990 S. KonoHito　　[35]</b&g

98、t;　　日本 　　CAL3QHC 1990 A. Peter　　36]　　英國 　　從上表可見基于高斯分布的機動

99、車污染物擴散模型有很多，以美國的研究為　　主。在這些模型中 OSPM、CALINE 和 CAL3QHC 模型是后來應用較多的模型。 　　我國從 20 世紀 80 年代才開始城市機動車排放污染擴散模式的研究。起初主　　要介紹國外比較成熟且與我國實際情況符合較好的模式，并結合實際道路情況對&l

100、t;p>　　這些模型加以改進。之后隨著我國城市道路交通污染問題日益嚴重，逐漸開始嘗　　試建立新的模型。清華大學的傅立新等在這方面做了很多研究，1998 年他們改進　　了丹麥開發(fā)的街道峽谷汽車污染物擴散模式（OSPM 模式），并開發(fā)出適合我國城　　市交通路口汽車污染擴散的模式<p

101、>　　[37]　　。2001 年 CAL3QHC 被用來對北京市崇文門路　　口進行模擬　　[38]　　，發(fā)現(xiàn)該模型能較好地模擬開闊型十字路口處機動車排放

102、的 CO 的　　擴散；2002 年東南大學的李鐵柱　　[39]　　通過討論風向與街道不同夾角來對交叉口的污　　染物擴散情況進行研究。2003 年中國科學技術大學的金陶勝　　[

103、40]　　從交通流特性和街　　道交叉角度等方面建立了適用于道路交叉口的擴散模型；2005 年李偉　　[41]　　也開發(fā)了

104、;　　適合我國的交叉口汽車尾氣擴散模式。盡管對于道路交叉口污染物擴散的理論研　　究已經(jīng)有一些進展，但這種研究方法僅適用于一些簡單幾何形狀的簡單流動。峽　　谷型道路交叉口流場形式復雜，建筑高度參差不齊對污染物分布也會產(chǎn)生影響，　　并且相互作用形式多樣，用理論的方法求解實際問題很難建立相應的數(shù)學

105、模型。西安建筑科技大學碩士學位論文 　　7 　　1.2.2 　　實驗研究　　實驗研究包括現(xiàn)場實驗和實驗室模擬兩種方法。由于現(xiàn)場實驗最直接，操作</p

106、>　　簡單，所以國外在上世紀八十年代就開始應用這種方法，Kennedy　　[42]　　測出街道內(nèi)　　部的污染物濃度隨建筑高寬比的增大而增大，在固定的高寬比下，污染物濃度在

107、;　　垂直方向上呈指數(shù)下降。當建筑物街道高寬比為 1.5 時　　[43]　　，且風速大于 2m/s 時街　　道內(nèi)部會形成一個穩(wěn)定的旋渦。為了找到影響垂直濃度梯度的因素，1999 年 A. K. 　　Namdeo<

108、;/b>　　[44]　　等人測量了芬蘭街道峽谷不同高度處氣體污染物 CO、NO　　x　　、O

109、　　3　　以及懸　　浮粒子的濃度。近些年來我國也有不少學者做了現(xiàn)場實驗得出一些寶貴結論。2004　　年于建華　　[45]

110、;　　等人測量了北京地區(qū) PM10 和 PM2.5 質(zhì)量濃度的變化特征，證明了北　　京地區(qū)可吸入顆粒物中細粒子的含量大于粗粒子。在廣州測量也得出了 PM2.5 占　　比例高的事實　　[46]&

111、lt;p>　　。可見現(xiàn)場實驗能夠很好地反應交叉口污染物擴散，如果其它實　　驗條件不具備時可以考慮使用。 　　實驗室模擬應用最多的是環(huán)境風洞。環(huán)境風洞是以大氣邊界層理論和流體力　　學相似理論為基礎建立相關的物理模型，然后利用風洞進行實驗測量。國外從十　　九世紀八十年代

112、就開始應用這種方法，J. B. Wedding　　[47]　　的風洞實驗表明在相同的　　建筑物街道高寬比下，污染物擴散率取決于街道內(nèi)部的流通量大小。W. Hoydysh　　[48]</p&g

113、t;　　在風洞中測試了非對稱街道峽谷內(nèi)部的流場和污染物的擴散。F. Gerdes 和　　Olivari　　[49]　　測試了風向與街道軸線垂直時均勻對稱街道峽谷內(nèi)的風場和濃度場。L. <

114、;p>　　Soulhac 等　　[50]　　將里昂市某區(qū)域的街區(qū)簡化為一個簡單的三維模型放于風洞中，對　　街區(qū)結構街道峽谷中空氣流場及氣態(tài)污染物擴散作了詳盡地研究。我國學者周洪<b&g

115、t;　　昌　　[51]　　等在風洞中研究得出街道峽谷的結構形式對湍流能量密度的分布影響較大　　的結論。對城市街道峽谷內(nèi)部的二維流場進行了測試　　[52]

116、　　，獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)，　　風洞實驗也表明不同氣流的自由來流速度下大氣污染物輸移擴散具有不同的規(guī)律　　[53]　　。 　　總之，實驗方法是研究街道交叉口污染物擴散的有效方法，

117、但無法在研究對　　象出現(xiàn)之前就進行預測，且實驗周期長，成本較高。 　　1.2.3 　　數(shù)值模擬　　相比于理論求解、實驗研究，數(shù)值模擬（CFD, Computational Fluid Dynam

118、ics)　　方法具有成本低、速度快、資料完備、調(diào)整方便且可以模擬各種不同工況的優(yōu)點，　　隨著計算機和計算技術的迅速發(fā)展，CFD 方法逐漸受到人們的青睞。1991 年 F. 西安建筑科技大學碩士學位論文 　　8

119、Johnson　　[54]　　用數(shù)值模擬的方法研究了街道峽谷內(nèi)的流場運動，研究驗證了部分風洞　　實驗得出的結果。1998 年 A. Hasson　　[55]

120、　　采用 FLUENT 軟件包計算了街道兩旁建筑　　物等高的情況下，不同高寬比的街道內(nèi)部的二維濃度場和速度場，將計算結果與　　實測結果進行比較，表明該方法行之有效。2006 年 K. Nazridoust 和 G. Ahmadi　　[56]</p&

121、gt;　　利用 FLUENT 軟件模擬了氣態(tài)污染物和顆粒物在不同街道峽谷內(nèi)的擴散。此外，　　也有開張對街谷外部大氣湍流的驅動　　[57]　　，建筑物偏移街道的影響　　[58]

122、　　的三維數(shù)值模　　擬。2010 年陳義勝等　　[59]　　運用描述湍流運動的 k-ε 雙方程模型，模擬了某城市以公　　路為線性污染源十字路口處在兩種不同

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