城市街谷理论在PM2.5治理中的分析与应用

城市街谷理论在 PM2.5治理中的分析与应用

余 健 1 罗仕良 1 唐夕平 2

1. 浙江聚优建筑工程有限公司，浙江杭州 310052； 2.聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江杭州 310052

摘要：通过城市街谷对PM2.5影响的分析，得到PM2.5治理对策，为PM2.5在城市进行规模化治理提供理论支撑。

关键词：城市街谷，PM2.5，治理对策

1 城市街谷PM2.5

1.1 PM2.5

PM2.5是指空气中空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物，是空气质量中影响人类健康的关键要素，不仅能通过消光作用造成大气能见度下降，而且还是聚集大量有毒有害物质的复杂污染物，对人体的健康造成危害。

1.2城市街谷对PM2.5的影响

城市街谷是由城市街道两边的建筑物与街道地面所围成的空间。城市街谷也称街道峡谷或城市峡谷。城市街谷的空间结构，是由两侧的建筑物和中央道路组成。如图1所示。

图1 城市街谷

王宝民等^[1]的《城市街谷大气环境研究进展》，对城市街谷的特点做了较为详细的介绍，街谷几何形态各异，其尺寸一般由街谷两侧建筑物的高度H和街谷宽度W的比值称为高宽比（用HPW表示），其分类大致为：理想街谷（HPW=1）;宽街谷（HPW＜0.5）,深街谷（HPW =2）。图2给出了当来流风向垂直二维理想街谷走向时街谷垂直剖面上的流场分布示意图，图中U_S为街谷内的风速，Q为机动车污染物排放源强。

图2 二维理想街谷中垂直表面流场分布示意图

街谷多种形式的几何形状和表面热力性质使得街谷周围的流场、温度场和湍流场异常复杂。理想街谷（HPW=1）流场称为滑动流，此时，街谷中一般形成典型的涡旋^{[2] [3]}如图2所示。由图2可以看出，由于城市街谷流场的作用，街谷下方的粉尘及污染源很容易被流场漩涡带入街谷建筑物的上方及下方的拐角，造成建筑物上方及下方拐角的PM2.5浓度升高。

当系统风向平行于街谷时，可形成狭管效应，强迫气流沿街谷流动，并使流动加速。谢海英等^[4]的《风向对街道峡谷内污染物扩散的影响》，通过风洞试验研究表明，当风向与街谷轴线平行时，来流在进入街谷处由于惯性断面收缩，同时又受到地面限制，只能被迫向街谷上部流动，并在上游的左右2个墙角处形成漩涡，将底部的污染物带去街谷上部壁面。而在中、下游面，由于流动断面逐渐扩展至整个街谷。由于试验模型纵向坐标y向流动将污染物不断向下游迁移，PM2.5浓度随y值的增加而增加。

在风向垂直于街谷状态下，街谷涡旋将粉尘带入建筑物上方及下方拐角，造成局部PM2.5浓度升高。在风向平行于街谷状态下，则形成狭管效应，在街谷进口处建筑物的上方及下方的拐角处以及在街谷的下风向PM2.5浓度升高。

2城市街谷PM2.5测量数据的影响因素

2.1 城市街谷近地面污染源分析

城市街谷近地面颗粒物污源源主要有地面扬尘、机动车尾气、油烟排放等。

2.1.1 地面扬尘

街道地面扬尘主要有地面尘土与泥砂、机动车扰动到路面的沙土颗粒物、车辆轮胎与地面摩擦碾压而成的粉尘、机动车自身磨损消耗尾气排放、居民行人生活粉尘排放、绿化带中的生物碎屑等。据广州市细颗粒物源解析数据，城市环境空气中细颗粒物PM2.5约10%源自城市扬尘^[5]。

2.1.2 机动车废气

聂国欣等^[6]的《城市机动车排放污染分析及控制对策》以北京为例，分析表明，机动车排放是CO、NO_X排放的主要贡献者。机动车所排出的颗粒物一部分直接演变成了PM2.5，一部分通过光化学反应产生二次污染颗粒物PM2.5，因而导致了街谷PM2.5测量数据的直接升高。

2.1.3 油烟排放

油烟排放主要为餐饮废气排放。王红丽等^[7]的《餐饮排放有机颗粒物的质量浓度、化学组成及排放因子特征》表明餐饮废气是大气有机颗粒物的重要来源，其中一些物质还具有致癌和诱变性质，健康影响明显。

城市街谷的PM2.5主要是由地面扬尘、机动车尾气、油烟排放等污染源通过流场按高斯模型扩散规律^[8]及垂直分布对数递减规律^[9]从地面扩散上去的，因而城市街谷的PM2.5治理应着重城市近地面的治理。

2.2 城市街谷PM2.5与风向的关系

2.2.1 城市街谷对PM2.5测量数据的影响

根据PM2.5扩散模型及城市街谷理论可以直接分析城市街谷对PM2.5测量数据的影响。

①扩散模型 根据高斯扩散模型^[8]及近地层PM2.5垂直分布特征^[9]，在街谷风的流场影响下，城市街谷近地面的污染源直接对PM2.5测量数据构成影响。

②街谷气流特征 街谷气流在街谷顶部气流方向主要为主风气流方向，街谷内的气流方向则由主风分解在街谷成顺街谷气流及垂直街谷气流，并形成漩涡，将街谷地面污染物带到街谷顶部，对PM2.5测量数据构成影响。

③针对街谷特征不同风向进行仿真模拟分析

模拟分析方法分三类进行分析，即主风垂直街道方向、顺街道方向、斜交街道方向三类，通过此三类主风方向的流场分析可以基本代表街谷全方位流场规律分析。图3～5为某街区三类不同主风方向时街谷的流场示意图。PM2.5测量点设在图中的十字街口的右上角楼顶中间，街区各街道地面扬尘、机动车尾气、餐饮油烟排放为测量点附近的直接污染源。PM2.5测量点的浓度应为背景浓度^[10]本底值与街区附近污染源扩散到测量点的浓度之和。

2.2.2城市街谷不同风向的流场分析

①主风垂直街道方向流场分析

某街区主风垂直街道方向时的流场示意图如图3所示。

图3 某街区主风向垂直街道的流场示意图

在图3中，由于主风垂直于街道，街道垂直截面的流场如图3中的L-L断面图所示，PM2.5测量点同时受楼顶主风、楼下垂直街谷轴线的正交风的影响。L-L向截面右边PM2.5测量点A不但受到截面中E街污染源的影响，还受到截面F、G街污染源的影响。通过对街谷垂直截面的流场分析，显然PM2.5治理区间高度应不小于街谷楼房建筑物的高度。

②主风顺街道方向流场分析

某街区主风顺着街道方向时的流场示意图如图4所示。

图4 某街区主风向顺着街道的流场示意图

在图4中，由于主风顺着街道，街道纵向截面的流场如图4中的J-J断面图所示，PM2.5测量点同时受楼顶主风、楼下顺着街谷轴线逐渐上升的气流的影响。J-J向截面左上角PM2.5测量点A不但受到主风带来城市低空污染源的影响，还受到E街进街口上升气流带来的地面污染源的影响。通过对主风向顺着街谷的流场分析，显然PM2.5治理区间高度应不小于街谷楼房建筑物的高度，才能产生较好治理效果。由于此时的测量点位置位于街进口位置区间，虽有街道地面顺风带上来的污染源，但于风速持续往街出口方向吹移扩散，所以，此时测量点的PM2.5浓度虽高于背景浓度，但比街出口位的PM2.5浓度应低，在街出口处的PM2.5浓度则因污染物的积聚而会明显升高。

③主风斜交街道方向流场分析

某街区主风斜交街道方向时的流场示意图如图5所示。

图5 某街区主风向斜交街道的流场示意图

在图5中，由于主风斜交街道，分解到街道垂直截面的流场如图5中的K-K断面图所示，PM2.5测量点同时受楼顶主风、楼下街谷主风分解的顺街风、主分分解到垂直街谷轴线的正交风的影响。K-K向截面左边PM2.5测量点A不但受到截面中E街污染源的影响，还受到截面F、G街污染源的影响。通过对街谷截面的流场分析，显然PM2.5治理应区间高度应不小于街谷楼房建筑物的高度，才能产生较好治理效果。

通过对图3～5中某街区不同主风向时的流场分析，各种风向对PM,2.5测量数据影响都在靠近测量点的上风向，如各图中的点状阴影所示。所以PM2.5的治理范围应重点关注治理目标的上风向区域。

3 基于城市街谷理论的PM2.5治理对策

3.1扬尘的防治方法：

扬尘的防治方法一般有挡风墙抑尘、洒水抑尘（包括喷雾抑尘）、封闭结构抑尘、防尘网覆盖法、化学抑尘等。其中洒水抑尘成本较低，易于推广应用。其余各种成本较高，应用较少。

3.2扬尘三方治理工艺方法：

①解决地面粉尘源头。采用洒水车、扫路车、洗扫车等环卫装备作业。

②解决低空空气中的PM2.5，最佳方案是喷雾除尘，即采用风送式喷雾机（雾炮）进行治理作业。

③治理效果保持，主要是保湿，如洒水车洒水与雾炮喷雾等，每天每隔一段时间进行作业。

3.3治理范围的选择：

①看风向、风速来制定主要治理方向及范围，根据前述分析，主要治理方向应为被保护区城的上风向及靠近污染源附近的区域。

②根据前述城市街谷流场对PM2.5测量数据的影响分析，一般喷雾治理高度应不小于城市街谷建筑物高度。

地面扬尘既是颗粒物的来源，又是颗粒物的受体，从源头治理地面扬尘的原理是减少颗粒物的产生，从而达到减少地面扬尘的目的，可以进行科学合理的规划，增加地面绿化，消灭裸露地面，以减少风蚀及水蚀的作用。同时加强工地与工厂矿区管理，强化抑尘措施。路面沉积的颗粒物是道路扬尘的最主要构成，只有有效的减少路面的积沉量，才能减少道路扬尘。从技术层次来看，主要办法是采取清扫道路、酒水以及喷洒抑尘剂以及洗扫吸尘等措施。

参考文献：

[1]王宝民，柯运东，桑建国，城市街谷大气环境研究进展[J]北京大学学报，2015年1月，第41卷第1期

[2]Oke T R. Street Design and Urban Canopy Layer Climate. Energy and Buiklings. 1988,11(2):103-113

[3]Jeong S J, Andrews MJ. Application of the k-e Turbulence Model to the High Reynokls Number Skimming Flow Field of an Urban Street Canyon. Atmospheric Enwironment,2002,36(7):1 137-1 145

[4]谢海英，陈康民，风向对街道峡谷内污染物扩散的影响[J]环境科学研究，2011年5月，第24卷第5期

[5]胡衡英，李木桂,等.房建施工扬尘中PM2.5所占比例的分布规律研究［J］，广东化工，2018年第9期

[6]聂国欣、胡满银，赵毅、关新玉，城市机动车排放污染分析及控制对策[J]研究与探讨，

[7]王红丽，餐饮排放有机颗粒物的质量浓度、化学组成及排放因子特征[J]环境科学，2019年5月，第40卷第5期

[8]王永昭、寇梦柯、王贺娜、石跃鑫、刘月盈，基于高斯模型的安阳市区PM2.5扩散问题研究[J]安阳师范学院学报，2018年第5期

[9]杨龙、贺克斌、张强、王岐东，北京秋冬季近地层PM2.5质量浓度垂直分布特征[J]环境科学研究， 2005年2月，第18卷第2期

[10]《大气科学辞典》编委会．大气科学辞典．北京：气象出版社，1994，能源研究与利用

第3页 共3页