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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p> 道路交叉口周圍建筑對(duì) PM10 擴(kuò)散的影響 </p><p> 專 業(yè):供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程 </p><p><b> 碩 士 生: </b></p><p><b> 指導(dǎo)老師:</b></p>
2、;<p><b> 摘 要</b></p><p> 伴隨城市化建設(shè)的迅速發(fā)展,區(qū)域環(huán)境和交通道路的空氣污染問(wèn)題也日趨顯著,長(zhǎng)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(diǎn),成為了城市污染問(wèn)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。 </p><p> 本文通過(guò)在交叉口街區(qū)一些特征位置選取若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè),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(duì)PM10分布的影響。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合西安市典型道路交叉口的實(shí)際情況,重點(diǎn)分析了三種道路交叉口周圍的流場(chǎng)和PM10濃度場(chǎng)的分布,及其不同街區(qū)人行道附近的PM10分布,研究結(jié)果可為市政規(guī)劃和城市環(huán)境防護(hù)提供合
4、理的參考依據(jù)。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(kuò)散行為。通過(guò)對(duì)不同建筑高度布局的分析,得出在特定主導(dǎo)風(fēng)向與街道方向成一定夾角的條件下,上風(fēng)向迎風(fēng)建筑物高度的增加,導(dǎo)致不同街道上的風(fēng)速</p><p> 有所降低,對(duì)應(yīng)的PM10濃度在各點(diǎn)呈現(xiàn)波動(dòng)降低趨勢(shì);下風(fēng)向迎風(fēng)建筑對(duì)上風(fēng)向街道影響較小,但使得下風(fēng)向街道的風(fēng)速明顯增大,因而建筑兩側(cè)街道的PM10的濃度
5、值將急劇下降;而當(dāng)垂直來(lái)流風(fēng)向的建筑物高度增加時(shí),其兩側(cè)兩條街道的PM10濃度都有上升的趨勢(shì)。 </p><p> 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(fēng)對(duì)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(dǎo)風(fēng)向下(東北風(fēng)),三種典型建筑布局的交叉口會(huì)
6、形成不同的流場(chǎng)(包括渦旋)和PM10濃度場(chǎng):東高西低型道路交叉口的下風(fēng)街道兩個(gè)入口處各存在一個(gè)較強(qiáng)的渦旋,使得渦旋中心PM10積聚,而街道的迎</p><p> 風(fēng)側(cè)PM10濃度極低;南高北低型道路交叉口僅在下風(fēng)向街道的西街有較強(qiáng)的渦旋 存在,使得PM10積聚,街道的背風(fēng)側(cè)PM10擴(kuò)散效果不好;迎風(fēng)對(duì)角高型(WS>EN>ES>WN型)道路交叉口產(chǎn)生的低強(qiáng)度渦旋移到上風(fēng)向街區(qū)(北街),促使上風(fēng)向
7、街道的PM10很難隨氣流擴(kuò)散,而下風(fēng)向街道的PM10濃度都比較低,并且</p><p> 分布均勻。此外,受交叉口中心復(fù)雜流場(chǎng)的影響,南北街道和東西街道的PM10可以在交叉口交互擴(kuò)散。這可導(dǎo)致交叉口街道人行道PM10濃度易超出國(guó)標(biāo)。 </p><p> 關(guān)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 </p><p><b&
8、gt; Abstract</b></p><p> 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 </p><p> 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. </p><p> 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 </p><p> 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</p><p> 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</p><p> Keywords: Inhalable particulate matter (PM10), Road intersection, Building height, Concentrations distribution, Numerical simulation </p><p><b> 符 號(hào) 表</b>&
21、lt;/p><p><b> Re 雷諾數(shù) </b></p><p> NE 東北角建筑物 </p><p> NW 西北角建筑物 </p><p> SE 東南角建筑物 </p><p> SW 西南角建筑物 </p><p> HNE東北角建筑物高度
22、</p><p> HNW西北角建筑物高度 </p><p> HSE東南角建筑物高度 </p><p> HSW西南角建筑物高度 </p><p> Hmax交叉口最高建筑物高度 </p><p><b> W 道路寬度 </b></p><p> ix
23、 直角坐標(biāo)下的三個(gè)坐標(biāo)分量 </p><p><b> iu 瞬時(shí)速度 </b></p><p><b> t 時(shí)間 </b></p><p><b> P 壓力 </b></p><p><b> T 局部溫度 </b></p>
24、;<p><b> 密度動(dòng)力粘滯系數(shù)</b></p><p><b> 運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù) </b></p><p> iu 時(shí)均速度 </p><p> iu? 脈動(dòng)速度 </p><p> T 湍流粘性系數(shù) </p><p> k 單位質(zhì)量
25、流體湍流動(dòng)能 </p><p> ? 湍流動(dòng)能耗散率 </p><p><b> S 廣義源項(xiàng) </b></p><p><b> *u 摩擦速度</b></p><p><b> 目 錄</b></p><p> 1 緒論.
26、..................................................................................................1 </p><p> 1.1 研究背景..............................................................................1 </p&
27、gt;<p> 1.1.1 城市可吸入顆粒物的危害......................................................1 </p><p> 1.1.2 城市可吸入顆粒物的來(lái)源.......................................................2 </p><p> 1.1.3
28、 可吸入顆粒物擴(kuò)散的影響因素..................................3 </p><p> 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.........................................................................5 </p><p> 1.2.1 理論研究........................
29、.............................................5 </p><p> 1.2.2 實(shí)驗(yàn)研究..................................................................................7 </p><p> 1.2.3 數(shù)值模擬...................
30、............................................................7 </p><p> 1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容及意義 ........................................8 </p><p> 1.3.1 課題來(lái)源........................................
31、.........................................8 </p><p> 1.3.2 課題研究意義........................................................................8 </p><p> 1.3.3 課題研究?jī)?nèi)容及方法..........................
32、...................................9 </p><p> 2 湍流模型選取及可吸入顆粒污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).........10 </p><p> 2.1 湍流模型......................................................................................10 <
33、/p><p> 2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與采樣實(shí)驗(yàn)比較.................................................13 </p><p> 2.2.1 實(shí)測(cè)結(jié)果...................................................................13 </p><p> 2.
34、2.2 數(shù)值模擬.............................................................................14 </p><p> 2.2.3 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)的比較...............................................17 </p><p> 2.3 道路交叉口風(fēng)速及
35、 PM10 濃度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ..............18 </p><p> 2.3.1 道路交叉口風(fēng)速評(píng)價(jià)............................................................18 </p><p> 2.3.2 道路交叉口 PM10 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) .............................18 </p&g
36、t;<p> 2.4 小結(jié).........................................................................................19 </p><p> 3 交叉口建筑高度對(duì)PM10擴(kuò)散的影響.......................................20 </p><p>
37、; 3.1 交叉口建筑物高度的布局和采樣分析...................................20 </p><p> 3.2 東北角建筑物高度 HNE對(duì) PM10 分布的影響..............21 </p><p> 3.2.1 流場(chǎng)變化特征..................................................
38、.................21 西 </p><p> 3.2.2 PM10 濃度分布變化................................................... 22 </p><p> 3.2.3 東北角建筑物高度 HNE=75m 時(shí)的 PM10 分布............... 23 </p><p> 3
39、.3 西北角建筑物(東南角建筑物)高度 HNW的影響............ 24 </p><p> 3.3.1 流場(chǎng)變化特征 .................................................. 25 </p><p> 3.3.2 PM10 濃度分布變化..........................................
40、........... 26 </p><p> 3.3.3 西北角建筑物高度 HNW=30m 的 PM10 分布............... 27 </p><p> 3.4 西南角建筑物高度 HSW的影響 ............................................ 28 </p><p> 3.4.1 流場(chǎng)變化特
41、征 ............................................................... 28 </p><p> 3.4.2 PM10 濃度分布變化................................................. 29 </p><p> 3.4.3 西南角建筑物高度 HSW=75m 時(shí)的 PM10
42、分布................ 30 </p><p> 3.5 建筑物高度組合的交互影響............................................... 31 </p><p> 3.6 綜合分析 ................................................................. 32 <
43、;/p><p> 3.7 小結(jié)......................................................................... 33 </p><p> 4 西安市典型交叉口PM10擴(kuò)散的數(shù)值模擬....................... 35 </p><p> 4.1 西安市主干道交叉口的建筑特征
44、................................ 35 </p><p> 4.2 西安市典型主干道交叉口模型...................................... 37 </p><p> 4.2.1 物理模型............................................................. 37
45、</p><p> 4.2.2 控制方程及邊界設(shè)定......................................... 37 </p><p> 4.3 典型交叉口街區(qū) PM10 模擬結(jié)果分析 .................................. 38 </p><p> 4.3.1 NE>SE>SW>
46、;NW 型道路交叉口 ..................................... 38 </p><p> 4.3.2 SW>NE>SE>NW 型道路交叉口 ................................... 41 </p><p> 4.3.3 SE>SW>NW>NE 型道路交叉口 ...........
47、............................ 43 </p><p> 4.4 建筑布局對(duì)街心人行道 PM10 影響的討論............................ 46 </p><p> 4.5 小結(jié)...........................................................................
48、............. 47 </p><p> 5 結(jié)論...................................................... 49 </p><p> 致謝....................................................... 51 </p><p> 參考文獻(xiàn)......
49、................................................................... 52 </p><p><b> 1 緒論 </b></p><p> 1.1 研究背景 </p><p> 隨著我國(guó)城市化的迅速發(fā)展及城市交通系統(tǒng)建設(shè)的突飛猛進(jìn),城市氣污染日趨嚴(yán)重[1-3]。C
50、O、NOX、O3、SO2、碳?xì)浠衔锖蛻腋☆w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(duì)人體的危害最大,它們長(zhǎng)期懸浮于空氣之中,并通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體,對(duì)人體健康產(chǎn)生影響??晌腩w粒物已成為我國(guó)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(dāng)前環(huán)境問(wèn)題重要的研究對(duì)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(duì)污染物擴(kuò)散產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。而市區(qū)內(nèi)道路分布縱橫交錯(cuò),
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(biāo)。道路交叉口是市區(qū)道路的典</p><p><b> 型形式之一。</b></p><p> 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(diǎn),受到周圍建筑結(jié)構(gòu)的影響,會(huì)出現(xiàn)污染物不易擴(kuò)散的問(wèn)題,進(jìn)而威脅到行人的身體健康。因此針對(duì)道路交叉口處周圍建筑環(huán)境對(duì)污染物的擴(kuò)散及聚集的影響規(guī)律有待開(kāi)
52、展深入細(xì)致的研究。 </p><p><b> 1.1.1 </b></p><p> 城市可吸入顆粒物的危害</p><p> 可吸入顆粒物(Inhalable Particulate, IP)是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑不大于 10μm 的顆粒物,即 PM10,它又可分為細(xì)粒 PM2.5 和介于 2.5μm 到 10μm 的粗粒。粗??蛇M(jìn)入咽
53、喉,約 90%會(huì)沉積于呼吸道的各個(gè)部位,其余 10%則可到達(dá)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(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞間質(zhì)和血液循環(huán)系統(tǒng)[6]??晌腩w粒物本身的化學(xué)成分非常復(fù)雜,主要成分為 SO42-、NO3-、NH4+、重金屬、有機(jī)物及微生物等,其中重金屬和有機(jī)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><p> 。幾乎所有的研究結(jié)果都表明顆粒物吸入會(huì)導(dǎo)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(guó)家的流行病學(xué)</p><p> 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(huì)伴隨可吸入顆粒物濃度的增加而增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)顆粒物日均濃度增加 10μg/m3死亡率會(huì)增加 1.5%左右。研究表明,中國(guó)近年
55、來(lái)肺癌發(fā)病率明顯增高可能與長(zhǎng)期持續(xù)的較高可吸入顆粒物污染有關(guān)[9]。 </p><p> 可吸入顆粒物不僅對(duì)人體造成危害,也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)植物枝葉上沉積過(guò)多顆粒物時(shí),不僅影響其外觀,而且妨礙光合作用,對(duì)植物的生長(zhǎng)造成影響,嚴(yán)重時(shí)甚至能導(dǎo)致植物死亡</p><p> [10]。由于細(xì)顆粒物的散射效應(yīng)以及</p><p> 碳黑、含碳黑顆粒等對(duì)
56、光具有較強(qiáng)的吸收作用,會(huì)致使大氣能見(jiàn)度顯著降低,使大氣呈現(xiàn)出多云、多霧和渾濁的狀態(tài),當(dāng)能見(jiàn)度少于 10 公里就會(huì)出現(xiàn)大家熟知的“灰霾天氣”。這給交通運(yùn)輸和日常生活帶來(lái)嚴(yán)重的不便,甚至?xí)?dǎo)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(yáng)光和其它物質(zhì)的共同作用,極容易產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng),造成其它一系列危害。 </p><p><b> 1.1.2 </b></p><p&
57、gt; 城市可吸入顆粒物的來(lái)源 </p><p> 大氣中可吸入顆粒物來(lái)源比較復(fù)雜。一般分為自然產(chǎn)生和人類活動(dòng)產(chǎn)生兩大</p><p> 類。自然產(chǎn)生的包括火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、自然風(fēng)蝕、土壤塵、鹽塵、花粉孢</p><p> 子、植物和昆蟲(chóng)碎片以及一些地質(zhì)活動(dòng)等,另外大氣微生物,如病毒、細(xì)菌等</p><p> 也包括在內(nèi)。人類活動(dòng)
58、來(lái)源是指由人類各種活動(dòng)產(chǎn)生的大氣顆粒物,比如化石</p><p> 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><p> 入顆粒物的來(lái)源和產(chǎn)生量會(huì)因不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)、工藝以及管理</p><p><b> 的不同而不同</b></p><p><b> [1
59、1, 12]</b></p><p><b> 。 </b></p><p> 隨著城市化建設(shè)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</p><p> 粒物主要來(lái)源于街道揚(yáng)塵、建筑施工揚(yáng)塵、汽車尾氣排放(部分文獻(xiàn)也把汽車尾</p><p> 氣排放歸結(jié)到街道揚(yáng)塵中</p>
60、<p><b> [13]</b></p><p> ?。4罅垦芯勘砻?,城市道路附近大氣中的顆粒物污</p><p> 染嚴(yán)重,交叉口更為突出</p><p><b> [11-16]</b></p><p> 。隨著城市交通的發(fā)展,機(jī)動(dòng)車數(shù)量猛增,可吸入</p>
61、<p> 顆粒物交通源的污染貢獻(xiàn)率越來(lái)越大。研究表明,1999 年北京市城區(qū)汽車尾氣排</p><p> 放和交通揚(yáng)塵分別為大氣 PM10 濃度的 7~14%和 33%</p><p><b> [11]</b></p><p> ;2000 年 6 月對(duì)北京市典</p><p> 型交通路口的大氣顆
62、粒物進(jìn)行了為期三天的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明交通排放對(duì)交通</p><p> 路口的大氣顆粒物的影響和貢獻(xiàn)很大</p><p><b> [12]</b></p><p><b> 。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果</b></p><p><b> [13,17]</b></p>
63、<p><b> 表明北京市機(jī)動(dòng)車尾</b></p><p> 氣排放顆粒物中約 80%為細(xì)微顆粒,細(xì)微顆粒對(duì)全部顆粒物濃度的平均貢獻(xiàn)率為</p><p> 55%。假定所有顆粒物的擴(kuò)散情況相同,那么交通排放對(duì)北京市城區(qū)大氣顆粒物</p><p> 濃度的貢獻(xiàn)率可達(dá)到 10~20%。而 2006 年實(shí)驗(yàn)測(cè)得廣州交通產(chǎn)生的顆粒
64、物高達(dá)</p><p><b> 50%</b></p><p><b> [14]</b></p><p> ,尤其是交叉口的顆粒物量很顯著 </p><p><b> [15]</b></p><p> 。據(jù)陜西省環(huán)境保護(hù)廳發(fā)布的環(huán)境<
65、;/p><p> 狀況公報(bào),西安市近年來(lái)首要污染物一直是 PM10,其中 2008 年 PM10 占污染負(fù)西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 </p><p><b> 3 </b></p><p> 荷的比例為 44.8%,2009 年為 43.11%,2010 年為 46.44%;在市區(qū) PM10 中有</p><p>
66、 34%-40%是由于機(jī)動(dòng)車燃料燃燒所貢獻(xiàn),30%-50%是由路面揚(yáng)塵所貢獻(xiàn)</p><p><b> [14,16]</b></p><p><b> 。 </b></p><p><b> 1.1.3 </b></p><p> 可吸入顆粒物擴(kuò)散的影響因素<
67、;/p><p> 影響市區(qū)可吸入顆粒物擴(kuò)散的因素很多,歸結(jié)起來(lái)主要包括源強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)</p><p> 向、建筑環(huán)境、有效源高度及湍流擴(kuò)散系數(shù)等,它們的影響關(guān)系如圖 1.1。把這些</p><p> 因素可分類為氣象因素、交通因素和地理因素。 </p><p> 圖 1.1 市區(qū)道路污染物擴(kuò)散影響因素 </p><p
68、><b> 1)氣象因素 </b></p><p> 氣象因素包括溫度、濕度和風(fēng)等。氣溫的垂直分布決定了大氣層的結(jié)構(gòu)狀態(tài),</p><p> 氣溫上高下低時(shí),大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;氣溫下低上高(既逆溫天氣)時(shí)則相反。大</p><p> 氣層不穩(wěn)定時(shí),湍流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)。另一方面當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí),熱浮力會(huì)對(duì)污染</p><
69、;p> 物擴(kuò)散起作用。因此溫度的空間分布會(huì)影響污染物堆積或擴(kuò)散的程度。受不同的</p><p> 日照強(qiáng)度影響,在一天的不同時(shí)段,街道區(qū)域內(nèi)氣流的穩(wěn)定性及污染物擴(kuò)散能力</p><p><b> 明顯不同</b></p><p><b> [18]</b></p><p> 。由于直
70、接用 CFD 計(jì)算熱浮力以及模擬大氣的不穩(wěn)定性還存在很多</p><p> 困難,所以目前大部分計(jì)算模擬道路擴(kuò)散過(guò)程中都不考慮溫度場(chǎng)。 </p><p> 風(fēng)的影響由風(fēng)速和風(fēng)向兩個(gè)要素決定。風(fēng)速越大時(shí),單位時(shí)間混入污染物中</p><p> 的清潔空氣越多,越有利于污染物的稀釋;風(fēng)的方向也決定了污染物的遷移方向。</p><p> 風(fēng)
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(dǎo)致污染物</p><p> 的聚集和擴(kuò)散。因此風(fēng)對(duì)污染物的擴(kuò)散起極大的作用。 </p><p> 在實(shí)際的大氣環(huán)境中空氣濕度對(duì)顆粒污染物的影響尤為明顯,相對(duì)濕度越高,</p><p><b> 污染物濃度越高</b></p><p><b>
72、[19]</b></p><p> 。研究證實(shí)北京市在污染特別嚴(yán)重的情況下,全天的相對(duì)濕度</p><p><b> 均在 80%以上</b></p><p><b> [20]</b></p><p> 。相對(duì)濕度主要影響污染物的轉(zhuǎn)換</p><p>&
73、lt;b> [21]</b></p><p> ,當(dāng)濕度較大時(shí),水蒸氣容</p><p> 易以煙塵、微塵等顆粒為凝結(jié)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(xué)碩士學(xué)位論文 </p><p><b> 4 </b></p><p> 空氣中,加重人們活動(dòng)區(qū)的空氣污染。由于相
74、對(duì)濕度主要影響污染物的轉(zhuǎn)換,所</p><p> 以一般在建立擴(kuò)散模型時(shí)不考慮相對(duì)濕度的影響。 </p><p><b> 2)交通因素 </b></p><p> 由于城市道路污染物主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車行駛排放的廢棄物,其排放量大小用</p><p> 源強(qiáng)表示。源強(qiáng)即在特定道路,特定時(shí)間內(nèi)通過(guò)該道路所有車量的排放
75、量,研究</p><p> 污染物擴(kuò)散必須研究源強(qiáng)。在交通因素中污染物源強(qiáng)主要受交通量、機(jī)動(dòng)車的運(yùn)</p><p> 行狀況、單車排放因子及綜合排放因子等的影響。 </p><p> 交通量受各個(gè)城市的發(fā)展?fàn)顩r、人們生活水平、生活觀念影響。以西安市為</p><p> 例,2010 年 12 月份以來(lái),市區(qū)平均每天新增機(jī)動(dòng)車 1000
76、 輛,最多一天為 1500</p><p> 輛。當(dāng)年 2 月機(jī)動(dòng)車保有量突破了 100 萬(wàn)輛,年底這個(gè)數(shù)字達(dá)到 116 萬(wàn)輛。由于</p><p> 受到古城墻的影響道路建設(shè)無(wú)法應(yīng)付不了機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)的需要,道路總里程約為</p><p> 4000 公里的道路里程,這造成西安市區(qū)交通擁堵問(wèn)題嚴(yán)重。其中有 87.8%的路口</p><p>
77、; 交通流量超出其最大服務(wù)交通量,交叉路口平均停車率為 51.4%,個(gè)別路口高達(dá)</p><p> 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</p><p> 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,</p><p> 當(dāng)汽車駛過(guò)后揚(yáng)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(yán)<
78、/p><p><b> 重的路段。 </b></p><p> 排放因子大小直接影響源強(qiáng)的大小。在國(guó)標(biāo) GB5181-58 中,排放因子是指特</p><p> 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</p><p> 區(qū)域的機(jī)動(dòng)車排放因子,是該區(qū)域中各類機(jī)動(dòng)車排放量的加權(quán)值。它們都是
79、治理</p><p> 機(jī)動(dòng)車污染最基本的數(shù)據(jù)資料</p><p><b> [22]</b></p><p> 。根據(jù)西安市的實(shí)際情況,李丹等結(jié)合已有資料</p><p> 用 MOBILE6.2 分析出 2011 年西安市機(jī)動(dòng)車綜合平均排放因子</p><p><b> [
80、23]</b></p><p><b> ,如下表所示。 </b></p><p> 表 1.1 2011 年西安市機(jī)動(dòng)車綜合平均排放因子 </p><p> 污染物 VOC (g/m·veh) CO (g/m·veh) NO</p><p><b> X<
81、;/b></p><p> (g/m·veh) PM (g/m·veh) </p><p> 平均值 1.212 19.530 1.395 0.0428 </p><p><b> 3)地理因素 </b></p><p> 地理?xiàng)l件對(duì)污染物擴(kuò)散影響非常嚴(yán)重。地理因素包括道路的幾
82、何形狀和尺寸、</p><p> 街道兩側(cè)建筑物高度、路面上立交橋特性、樹(shù)木的密集程度及高度等。這些因素</p><p> 通過(guò)影響大氣的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而影響到污染物的擴(kuò)散。當(dāng)氣流通過(guò)高大建筑物等障</p><p> 礙物時(shí),其迎風(fēng)面氣流會(huì)被抬升導(dǎo)致風(fēng)速加大。由于障礙物的阻擋,在背風(fēng)面下西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 </p><p><
83、;b> 5 </b></p><p> 游流速降低,壓力增大,形成背風(fēng)渦旋,從而使污染物在背風(fēng)面打轉(zhuǎn),部分污染</p><p> 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(fēng)面</p><p> 將受到強(qiáng)的下沉氣流作用,這會(huì)使坡地上污染源排放的污染物直泄到地面從而造</p><p> 成嚴(yán)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(lái)密集,高</p><p> 度越來(lái)越高,因此建筑高度及布局等對(duì)污染物的擴(kuò)散問(wèn)題已逐漸成為人們研究的</p><p><b> 重點(diǎn)</b></p><p><b> [24]</b></p><p><b> 。 </b
85、></p><p> 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 </p><p> 根據(jù)道路城市交通道路的不同特征,在研究污染物擴(kuò)散時(shí)可分為開(kāi)闊道路、</p><p> 街道峽谷和交叉道路三種類型。城市開(kāi)闊型道路被定義為道路兩側(cè)開(kāi)闊、無(wú)高層</p><p> 建筑物且有較少阻礙的平坦路面,其道路特點(diǎn)是車流量大、車速較快、污染物易</p&
86、gt;<p> 受氣象參數(shù)影響,如城市高架路、城郊高速公路等</p><p><b> [25,26]</b></p><p> 。街道峽谷最早是指街道</p><p> 兩側(cè)具有連續(xù)高大建筑物的相對(duì)狹長(zhǎng)的街道,后來(lái)這一概念得到擴(kuò)展,在相對(duì)狹</p><p> 長(zhǎng)的街道兩側(cè)高大建筑物不連續(xù)、存在一
87、部分空白或缺口時(shí)也可稱為街道峽谷。</p><p> 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(diǎn)</p><p> 是車流密集,機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜,車輛常處于減速、加速、怠速等一系列</p><p> 變化過(guò)程中,機(jī)動(dòng)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</p><p> 環(huán)境質(zhì)量容
88、易超標(biāo)的地段)。同時(shí)由于周圍建筑物的存在,使得該處流場(chǎng)非常復(fù)雜,</p><p> 污染物的擴(kuò)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</p><p> 體表現(xiàn)為峽谷型道路交叉口,對(duì)這種類型的道路交叉口由于其復(fù)雜性和污染的嚴(yán)</p><p> 重性目前亟待展開(kāi)深入的研究,因此本文的研究主要針對(duì)城市峽谷型道路交叉口。</p>&
89、lt;p> 國(guó)內(nèi)外對(duì)城市道路污染物擴(kuò)散的研究包括理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種方</p><p><b> 法。 </b></p><p><b> 1.2.1 </b></p><p><b> 理論研究</b></p><p> 理論研究是利用簡(jiǎn)化的模型
90、假設(shè),給出所研究問(wèn)題的解析解或簡(jiǎn)化方程。在</p><p> 這個(gè)過(guò)程中得出了大量的污染物擴(kuò)散模式。自從 20 世紀(jì) 60 年代末以來(lái),歐美和</p><p> 日本等國(guó)家對(duì)機(jī)動(dòng)車排放的污染物擴(kuò)散模式進(jìn)行了多方面的研究,開(kāi)發(fā)了多種用</p><p> 于開(kāi)闊道路、城市街道峽谷的擴(kuò)散模式。這些擴(kuò)散模式主要包括以擴(kuò)散微分方程</p><p>
91、; 的解析解為基礎(chǔ)的高斯煙流及煙團(tuán)模式、直接求解微分方程的數(shù)值模擬模式和以</p><p> 觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)J?。這些模式的驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)一般采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 </p><p><b> 6 </b></p><p> 野外示蹤實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)。其中基于高斯分布的機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散的典型模</p
92、><p> 型可見(jiàn)表 1.2。 </p><p> 表 1.2 基于高斯分布的機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散模型 </p><p> 模型名稱 開(kāi)發(fā)時(shí)間 作者 作者所屬國(guó) </p><p> CALINE 1972 J. L. Beaton</p><p><b> [27]</b></p
93、><p><b> 美國(guó) </b></p><p> EGAMA 1973 B. A. Egan</p><p><b> [28]</b></p><p><b> 美國(guó) </b></p><p> CALINE-2 1975 C. E.
94、 Ward</p><p><b> [29]</b></p><p><b> 美國(guó) </b></p><p> IMM 1978 美國(guó)環(huán)保局</p><p><b> [30]</b></p><p><b> 美國(guó) <
95、/b></p><p> CALINE-3 1979 P. E. Beason</p><p><b> [31]</b></p><p><b> 美國(guó) </b></p><p> HIWAY-2 1980 W. B. Pertersen</p><p&g
96、t;<b> [32]</b></p><p><b> 美國(guó) </b></p><p> CALINE-4 1984 P. E. Beason</p><p><b> [33]</b></p><p><b> 美國(guó) </b></p
97、><p> OSPM 1989 O. Hertel 等</p><p><b> [34]</b></p><p><b> 丹麥 </b></p><p> OMG 1990 S. KonoHito</p><p><b> [35]</b&g
98、t;</p><p><b> 日本 </b></p><p> CAL3QHC 1990 A. Peter</p><p><b> 36]</b></p><p><b> 英國(guó) </b></p><p> 從上表可見(jiàn)基于高斯分布的機(jī)動(dòng)
99、車污染物擴(kuò)散模型有很多,以美國(guó)的研究為</p><p> 主。在這些模型中 OSPM、CALINE 和 CAL3QHC 模型是后來(lái)應(yīng)用較多的模型。 </p><p> 我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代才開(kāi)始城市機(jī)動(dòng)車排放污染擴(kuò)散模式的研究。起初主</p><p> 要介紹國(guó)外比較成熟且與我國(guó)實(shí)際情況符合較好的模式,并結(jié)合實(shí)際道路情況對(duì)</p>&l
100、t;p> 這些模型加以改進(jìn)。之后隨著我國(guó)城市道路交通污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,逐漸開(kāi)始嘗</p><p> 試建立新的模型。清華大學(xué)的傅立新等在這方面做了很多研究,1998 年他們改進(jìn)</p><p> 了丹麥開(kāi)發(fā)的街道峽谷汽車污染物擴(kuò)散模式(OSPM 模式),并開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)城</p><p> 市交通路口汽車污染擴(kuò)散的模式</p><p
101、><b> [37]</b></p><p> 。2001 年 CAL3QHC 被用來(lái)對(duì)北京市崇文門路</p><p><b> 口進(jìn)行模擬</b></p><p><b> [38]</b></p><p> ,發(fā)現(xiàn)該模型能較好地模擬開(kāi)闊型十字路口處機(jī)動(dòng)車排放
102、的 CO 的</p><p> 擴(kuò)散;2002 年?yáng)|南大學(xué)的李鐵柱</p><p><b> [39]</b></p><p> 通過(guò)討論風(fēng)向與街道不同夾角來(lái)對(duì)交叉口的污</p><p> 染物擴(kuò)散情況進(jìn)行研究。2003 年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的金陶勝</p><p><b> [
103、40]</b></p><p><b> 從交通流特性和街</b></p><p> 道交叉角度等方面建立了適用于道路交叉口的擴(kuò)散模型;2005 年李偉</p><p><b> [41]</b></p><p><b> 也開(kāi)發(fā)了</b></p>
104、;<p> 適合我國(guó)的交叉口汽車尾氣擴(kuò)散模式。盡管對(duì)于道路交叉口污染物擴(kuò)散的理論研</p><p> 究已經(jīng)有一些進(jìn)展,但這種研究方法僅適用于一些簡(jiǎn)單幾何形狀的簡(jiǎn)單流動(dòng)。峽</p><p> 谷型道路交叉口流場(chǎng)形式復(fù)雜,建筑高度參差不齊對(duì)污染物分布也會(huì)產(chǎn)生影響,</p><p> 并且相互作用形式多樣,用理論的方法求解實(shí)際問(wèn)題很難建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)
105、模型。 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 </p><p><b> 7 </b></p><p><b> 1.2.2 </b></p><p><b> 實(shí)驗(yàn)研究</b></p><p> 實(shí)驗(yàn)研究包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬兩種方法。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)最直接,操作</p
106、><p> 簡(jiǎn)單,所以國(guó)外在上世紀(jì)八十年代就開(kāi)始應(yīng)用這種方法,Kennedy</p><p><b> [42]</b></p><p><b> 測(cè)出街道內(nèi)</b></p><p> 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</p><p>
107、; 垂直方向上呈指數(shù)下降。當(dāng)建筑物街道高寬比為 1.5 時(shí)</p><p><b> [43]</b></p><p> ,且風(fēng)速大于 2m/s 時(shí)街</p><p> 道內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)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. </p><p><b> Namdeo<
108、;/b></p><p><b> [44]</b></p><p> 等人測(cè)量了芬蘭街道峽谷不同高度處氣體污染物 CO、NO</p><p><b> x</b></p><p><b> 、O</b></p><p><b>
109、 3</b></p><p><b> 以及懸</b></p><p> 浮粒子的濃度。近些年來(lái)我國(guó)也有不少學(xué)者做了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出一些寶貴結(jié)論。2004</p><p><b> 年于建華</b></p><p><b> [45]</b></p>
110、;<p> 等人測(cè)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</p><p> 京地區(qū)可吸入顆粒物中細(xì)粒子的含量大于粗粒子。在廣州測(cè)量也得出了 PM2.5 占</p><p><b> 比例高的事實(shí)</b></p><p><b> [46]</b></p>&
111、lt;p> ??梢?jiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫胤磻?yīng)交叉口污染物擴(kuò)散,如果其它實(shí)</p><p> 驗(yàn)條件不具備時(shí)可以考慮使用。 </p><p> 實(shí)驗(yàn)室模擬應(yīng)用最多的是環(huán)境風(fēng)洞。環(huán)境風(fēng)洞是以大氣邊界層理論和流體力</p><p> 學(xué)相似理論為基礎(chǔ)建立相關(guān)的物理模型,然后利用風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。國(guó)外從十</p><p> 九世紀(jì)八十年代
112、就開(kāi)始應(yīng)用這種方法,J. B. Wedding</p><p><b> [47]</b></p><p> 的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明在相同的</p><p> 建筑物街道高寬比下,污染物擴(kuò)散率取決于街道內(nèi)部的流通量大小。W. Hoydysh</p><p><b> [48]</b></p&g
113、t;<p> 在風(fēng)洞中測(cè)試了非對(duì)稱街道峽谷內(nèi)部的流場(chǎng)和污染物的擴(kuò)散。F. Gerdes 和</p><p><b> Olivari</b></p><p><b> [49]</b></p><p> 測(cè)試了風(fēng)向與街道軸線垂直時(shí)均勻?qū)ΨQ街道峽谷內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)和濃度場(chǎng)。L. </p><
114、;p><b> Soulhac 等</b></p><p><b> [50]</b></p><p> 將里昂市某區(qū)域的街區(qū)簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的三維模型放于風(fēng)洞中,對(duì)</p><p> 街區(qū)結(jié)構(gòu)街道峽谷中空氣流場(chǎng)及氣態(tài)污染物擴(kuò)散作了詳盡地研究。我國(guó)學(xué)者周洪</p><p><b&g
115、t; 昌</b></p><p><b> [51]</b></p><p> 等在風(fēng)洞中研究得出街道峽谷的結(jié)構(gòu)形式對(duì)湍流能量密度的分布影響較大</p><p> 的結(jié)論。對(duì)城市街道峽谷內(nèi)部的二維流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試</p><p><b> [52]</b></p>
116、<p> ,獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),</p><p> 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也表明不同氣流的自由來(lái)流速度下大氣污染物輸移擴(kuò)散具有不同的規(guī)律</p><p><b> [53]</b></p><p><b> 。 </b></p><p> 總之,實(shí)驗(yàn)方法是研究街道交叉口污染物擴(kuò)散的有效方法,
117、但無(wú)法在研究對(duì)</p><p> 象出現(xiàn)之前就進(jìn)行預(yù)測(cè),且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),成本較高。 </p><p><b> 1.2.3 </b></p><p><b> 數(shù)值模擬</b></p><p> 相比于理論求解、實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值模擬(CFD, Computational Fluid Dynam
118、ics)</p><p> 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(diǎn),</p><p> 隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)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(xué)碩士學(xué)位論文 </p><p><b> 8 </b></p><p><b>
119、Johnson</b></p><p><b> [54]</b></p><p> 用數(shù)值模擬的方法研究了街道峽谷內(nèi)的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng),研究驗(yàn)證了部分風(fēng)洞</p><p> 實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。1998 年 A. Hasson</p><p><b> [55]</b></p>
120、<p> 采用 FLUENT 軟件包計(jì)算了街道兩旁建筑</p><p> 物等高的情況下,不同高寬比的街道內(nèi)部的二維濃度場(chǎng)和速度場(chǎng),將計(jì)算結(jié)果與</p><p> 實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,表明該方法行之有效。2006 年 K. Nazridoust 和 G. Ahmadi</p><p><b> [56]</b></p&
121、gt;<p> 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(kuò)散。此外,</p><p> 也有開(kāi)張對(duì)街谷外部大氣湍流的驅(qū)動(dòng)</p><p><b> [57]</b></p><p> ,建筑物偏移街道的影響</p><p><b> [58]</b>
122、</p><p><b> 的三維數(shù)值模</b></p><p> 擬。2010 年陳義勝等</p><p><b> [59]</b></p><p> 運(yùn)用描述湍流運(yùn)動(dòng)的 k-ε 雙方程模型,模擬了某城市以公</p><p> 路為線性污染源十字路口處在兩種不同
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