河南焦作市通風廊道的分析與構建

來燕妮 馮其林 杜 欽*

城市大氣污染日益嚴重，城市通風廊道有助于大氣污染物的擴散，改善大氣環境。計算流體力學可對不同速度場、質量濃度場等流場進行分析、計算和預測，實現對風速、大氣顆粒污染物、建筑物密度等因素的模擬。以傳統工業型城市河南焦作為例，通過分析大氣顆粒污染物的時空分布，確定污染集中地及主要影響空間；結合城市風玫瑰圖和綠色基礎設施，識別出盛行風入城風口地帶和識別氧源補給地；利用計算流體力學模擬確定潛在的通風廊道；通過換氣平衡，識別潛在氧源補給廊道?；谟嬎懔黧w力學的通風廊道分析方法，能為城市通風廊道的構建提供有益參考。

計算流體力學；通風廊道；大氣顆粒污染物

隨著城市化進程不斷加快，中國城市大氣污染問題日益嚴重，近年來各地頻發的大氣污染事件本質上都與大氣顆粒物污染密切相關[1-3]。如何改善城市大氣顆粒物環境已成為當下熱點問題。對此，2016年國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部聯合共同發布的《城市適應氣候變化行動方案》明確提出，可以利用打通城市通風廊道，增加城市空氣流動，來緩解和改善城市大氣環境問題[4]。

目前，通風廊道構建，特別是運移大氣顆粒污染物的通風廊道，難點在于如何對城市顆粒污染物隨風運動路徑進行判斷和識別。一些研究通過地面實測觀察數據來獲得風和顆粒物的數據，然而此方法的不足在于難以實現同時在多點、同步收集風和空氣質量數據。風動模型可以在一個地區上以大比例尺形式再現局地風場狀況和污染物分散特性，盡管城市通風風動研究能提供一定約束條件下的精確模擬，但由于覆蓋區域小、操作成本昂貴等問題，大大限制了其應用[5-7]。近年來，計算流體力學由于可對不同速度場、質量濃度場等流場進行分析、計算和預測，逐漸應用于模擬城市大氣環境與城市規劃直接關系[8]。

國內對城市通風廊道研究多偏向于半定性研究，較少考慮對城市通風廊道的定量計算，特別是定量過程中如何實現關鍵因子如風、污染物、建筑物密度等的梯度變化。由于計算流體力學模擬平臺能實現對速度場、質量濃度場的定義與模擬，因此研究以傳統工業型城市河南焦作為例，運用計算流體力學模擬平臺，識別其潛在通風廊道，探討如何利用計算流體力學模擬平臺實現通風廊道的構建。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

焦作市地處北緯34°48′55″— 35°29′59″，東經112°33′40″— 113°38′42″，位于河南省西北隅，北依太行與山西接壤，呈北山中川南灘之勢，屬于溫帶大陸性季風氣候區，冬冷夏熱、春暖秋涼、四季分明。全年主導風為東北風，其次是西南風，全年平均風速為2.3 m/s。城區地表水資源豐富，國家級引水項目——南水北調中段工程穿城而過，季節性河流有白馬門河、影視溝、群英河等12條，目前處于蓄水狀態的有南水北調工程焦作市城區段大沙河。焦作市總面積約407 110 hm2，建成區面積11 330 hm2[9]。

1.2 數據來源

研究采用的數據主要包括：Landsat-8分辨率為30 m的遙感數據及高程數據，源自中國科學院地理空間數據云網站；焦作市城市總體規劃（2011 — 2020），源自焦作市住建局；大氣顆粒污染物數據，源自焦作市氣象局。

1.3 研究方法

工業城市通風廊道除了考慮本地區空氣污染物擴散和通風良好之外，還應盡可能降低或避免空氣污染物對下風向地區的影響。根據焦作市概況，構建既具有良好通風能力，又具有一定滯留和吸附空氣污染物能力的綠色廊道，步驟主要包括：（1）確定污染集中地及主要影響空間；（2）確定盛行風入城的風口地帶；（3）識別城市及周邊的氧源地；（4）確定通風廊道和城市氧源補給風道；（5）識別城市下風向對出城空氣污染物的滯留和吸附處理區。

1.3.1 確定污染集中地及主要影響空間

將研究范圍云量值小于10%的Landsat8遙感影像（第1-9波段，2019年3月）進行多波段圖像合成和轉換，得到Landsat8 OLI432自然真彩色影像。通過ArcGIS Desktop，采取人機交互方式，分別按居住區、商業區、公眾用地（醫院、學校等）、城市綠地、水體、農業用地、生態防護林、山林等類型，對照參考地物進行解譯，得到焦作土地利用類型圖。將研究范圍內2017 — 2019年的大氣污染顆粒物指數的空間數據與土地利用類型圖進行疊加，按季節識別污染集中地及主要受影響空間。

1.3.2 識別盛行風入口區

在污染集中地和主要影響空間的基礎上，結合焦作近5年風玫瑰數據（表1），確定風源入城的上風向為風口地帶。

表1 焦作市近5年月均風速風向表

1.3.3 識別氧源地

氧源地能稀釋空氣污染物并為城市提供新鮮氧源補給。氧源地主要包括城市綠地系統、城市周邊生態防護林、山林等。利用城市綠地和城市周邊綠色空間，如自然山林、生態防護林等的分布，識別氧源補給地。

1.3.4 確定通風廊道和氧源補給廊道

利用研究區道路系統、水系分布等線性空間信息，結合城市盛行風入口、大氣污染物集中區和主要影響區，采用計算流體動力學模型，模擬風環境在研究區的流動，確定擴散最優和擴散次優的通風廊道，最優廊道設為一級廊道，次優廊道設為二級廊道。計算機流體力學模型使用的是ANSYS Fluent模擬軟件。它是目前功能最全、適用性最廣的CFD軟件，集成在Workbench下，方便模擬前后處理協同使用[10]。ANSYS Fluent模擬過程主要分為幾何模型建立、計算網格劃分、初始條件設置和求解計算。

（1）建立幾何模型。將研究范圍空間在AutoCAD中抽象繪制為幾何圖形，將其導入ANSYS Workbench中，對幾何外形建立節點和單元[11]。計算區域尺寸將直接影響模擬的準確性和計算時間[12]，因此計算區域與進風口的長度為模型長度的1～2倍，出口為最高建筑物高度的8～10倍。

（2）劃分網格。網格質量直接影響模擬的準確度、穩定性和收斂性，可使用ANSYS中Workbench的Mesh工具劃分網格，網格劃分方式為CutCell，多以六面體網格為主，部分為四面體網格。

（3）設置邊界條件。入口邊界條件設置為速度入口邊界條件，使用梯度風的指數率規律，在大氣邊界層以下，由于摩擦作用的存在使得靠近地面的風速較小，而離地越遠風速越大。平均風剖面用來描述平均風隨高度變化的規律，目前常用的模型有指數風剖面模型、對數風剖面模型等[13]。中國常選用的指數風剖面模型方程見公式（1）。

其中：Zb表示標準參考高度，中國標準參考高度是10 m；Vb表示參考高度處的平均風速；z表示任一高度；V(z)表示該高度處的平均風速；a是地面粗糙度，較少高層建筑的市區空間，a取值0.22[14]。

其他邊界中，假設出流面的空氣流動已恢復至沒有建筑物阻礙的情況，將出流邊界設置為壓力出口邊界，相對壓力為0。因城市風環境模擬中所研究的區域較大，可不考慮頂面及側面對模擬區域內空氣流動的影響，將其定義為對稱條件。

（4）求解設置。包括求解模型、求解控制、監督控制、迭代次數等設置。本次研究采用渦粘模型二方程標準模型，是一種半經驗計算模型，是基于湍流動能（k）和湍流擴散率（ε）方程組的湍流模型，分子黏度的影響可忽略不計。在分析較大尺度的模型時，選用該方法可減少計算壓力。采用SIMPLE算法進行壓力與速度的解耦，避免不當的速度和壓力出現。收斂則是連續性絕對殘差、動量項絕對殘差、湍流絕對殘差小于10-3。

通過保證換氣平衡，來確定氧源補給廊道。為了確保城市內外每日的換氣平衡，設城市垂直風向邊長為L1（km），平行風向邊長為L2（km），順風風速為V（km/h），城市每天的換氣次數T，則城市風道的總寬度W占城市邊長L1的比例應是T的倒數[12]，見計算公式（2）。

其中，T=24 V /L2，將T代入公式（2），則 W=( L1· L2) /24V。

1.3.5 識別下風向空氣污染物的滯留和吸附區

結合現有城鄉綠色基礎設施（即城市綠地、城市外圍生態防護林地）和規劃的綠色基礎設施分布，識別城市下風向對出城空氣污染物滯留和吸附的處理區，降低對下風向其他地區的影響。

2 結果與分析

2.1 污染集中地及主要影響空間

研究區污染集中地及主要影響空間見圖1?？傮w上，春季時段大氣污染顆粒物指數102-120，夏季為73-122，秋季為89-109，冬季為136 -169，冬季污染最為嚴重，秋季最輕。

1. 焦作市中心城區大氣污染顆粒物指數分析圖

2.2 盛行風入口區

影視路以北沿太行山下的生態保護區可作為山坡風環流進城的風口區；大沙河及沿岸的帶狀生態防護綠帶可作為城西部—南部的風口區；東部工業區以西的耕地可作為城區東部各方位的風口地帶（圖2）。

2. 焦作市中心城區風口地帶示意圖

2.3 主要氧源地

識別得到的主要氧源地有許衡公園、生態植物園、森林公園、縫山針公園、月季公園等，它們是重要的氧源補給地（圖3）。

3. 焦作市中心城區主要氧源地示意圖

2.4 通風廊道和氧源補給廊道

2.4.1 通風廊道

通過對土地利用類型的空間幾何簡化處理[12]，以盛行風年均2.3 m/s為風速，進行CFD模擬，確定通風風道。CFD核心參數設置如表2所示，模擬過程如圖4，確定的通風廊道如圖5和表3。

4. 焦作市部分地區風場模擬圖

表2 CFD（計算流體動力學）模擬參數值

2.4.2 氧源補給廊道

焦作城區若以單條城市風道寬度為100 m估算，大概需要12條城市風道才可以完成一日的換氣平衡；若單條城市風道寬度為80 m，則需要15條城市風道。根據模擬結果，擇取普濟路等7條通風狀況較為良好、與主體風道相連、與組團內生態補償空間相連的道路作為氧源補給廊道（表3）。

表3 焦作市的通風廊道

2.5 下風向空氣污染物的滯留和吸附區

由于研究區主要盛行東北風和西南風，西南方向和東北方向的城市綠地、城市外圍生態防護林地以及規劃的綠色基礎設施都可成為各自下風向污染物的吸附區（圖5）。

5. 焦作市通風廊道構建示意圖

3 結論與討論

焦作是中國典型的工業污染型城市，研究基于污染集中地及主要影響空間、盛行風入城的風口地帶和城市及周邊的氧源地，采用計算流體力學的ANSYS Fluent模擬軟件，確定出相應的通風廊道和氧源補給廊道。與傳統半定量城市通風廊道的識別相比，計算流體力學可以綜合分析風速、污染物質量濃度和地表建筑物密度的三維時空變化關系及相互影響，尋找擴散條件最好的城市通風廊道。這種方法可為其他工業城市通風廊道的構建提供參考。

應當指出，城市大氣顆粒污染物擴散和運移，在三維空間上除了受建筑物密度影響，還受建筑物高度的影響，特別是對于高樓聳立，高樓密度大的大型城市，建筑物單體高度對污染物擴散和通風影響極大[11]。本研究因數據獲取所限，在進行模擬時沒有設置建筑物高度作為參數之一。但研究區域焦作，屬于典型的中小型工業城市，建筑物比較低矮，主要影響要素建筑物密度設為參數因子，足以滿足要求[12]。另外，通風廊道是一個開放、動態的線性系統，與周邊區域聯系密切。如果要發揮更大的擴散作用，還應該從城市群、省域乃至更大區域尺度，結合各類綠色空間，進行多層次構建，這樣更有利于大氣污染物的緩解和吸附。