街谷綠化空間設計對污染物擴散影響建模分析

許亦竣

（浙江農(nóng)林大學風景園林與建筑學院 旅游與健康學院，浙江杭州 311300）

汽車尾氣對城市環(huán)境的污染問題，逐漸受到世界各國環(huán)境保護部門的重點關注。特別是在大型城市中，汽車尾氣污染通常超過標準范圍，不僅影響著整個城市的生態(tài)建設，更給社會大眾的身體健康帶來嚴重的威脅。因此構建適合國民居住的城市環(huán)境，科學規(guī)劃城市的空間布局，深化城市街谷的基本特征及其對污染物擴散的影響，逐漸成為我國相關學者及專家研究的重點。街谷綠化空間設計主要包括城市空間布局及空間綠化兩大重要組成部分，然而根據(jù)相關調(diào)查及實驗分析發(fā)現(xiàn)，街谷空間的整體布局是影響污染物擴散的重要因素，也是改善城市空間環(huán)境的關鍵性內(nèi)容。因此從模型構建及數(shù)學模擬的層面出發(fā)，能夠有效破解街谷空間污染的問題。

1 街谷的概念界定及理想模型

1.1 街谷的概念界定與具體類型

城市街谷主要指街道兩側(cè)擁有連續(xù)相連的建筑物，且將街道緊緊包裹其中，形成類似峽谷形態(tài)的建筑布局?？梢哉f城市街谷是構建城市結構的主要單元，是我國城市建筑布局及排列的主要類別。而街谷內(nèi)的污染物與空氣氣流在建筑頂部與流動的空氣完成交換，以此形成比較特殊的氣候環(huán)境。即街谷外界的空氣流動，推動街谷內(nèi)部的氣流流動，并使街谷內(nèi)部的氣流不斷上升，完成街谷外部與街谷內(nèi)部空氣氣流的完全交換。而街谷內(nèi)部的氣候環(huán)境的基本特征，能夠受邊界氣流影響，使谷內(nèi)氣流加速流動，從而形成峽谷效應與街谷旋渦。在結合學層面，街谷的街道寬度與建筑高度的函數(shù)比值，可稱為“形狀因子”，且跟街谷氣流的運動形態(tài)呈現(xiàn)正相關關系。根據(jù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測的結果，可將街谷氣流運動的的基本形態(tài)與背景風向劃分為以下三種。首先是對寬情形，即街谷建筑所形成的氣流場域間不存在相互的影響。其次，是干擾流形態(tài)，主要指街谷邊界氣流與上風氣流所構成的旋渦，同下風向的正面氣流場域間存在相互干擾的關系。最后是掠流形態(tài)，主要指當建筑物間距不斷縮小時，所形成的回流旋渦。因此，合理規(guī)劃街谷氣流能夠有效提升谷內(nèi)氣流的流動及污染物的擴散，提升城市生態(tài)環(huán)境的建設質(zhì)量，推動生態(tài)文明建設的有序進行。

1.2 理想型街谷模型

根據(jù)數(shù)學模擬及實際觀測，能夠發(fā)現(xiàn)理想型的街谷模型式是將建筑假設為高度相等的排列格局，并忽略了街道方向的層次變化，忽略了缺口對氣流的影響及街谷內(nèi)圍欄、交通崗等建筑設施的影響，并且將建筑物的背景風向設定為穩(wěn)定而勻速的氣流流動。在街谷建模過程中，具體研究的內(nèi)容包括街谷氣流旋渦、街道建筑高度、街道寬度的數(shù)值模擬。根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，在街谷形狀因子等于1時，氣流流動由主旋渦引導，并且在街谷頂端能夠有效形成一層明顯的剪切層。街谷空氣及污染物會伴隨谷內(nèi)的氣流旋渦在建筑間相互回旋，完成背景風向與谷內(nèi)氣流的有效交換。其具體的交互過程如下，首先空氣污染物會在街谷底部不斷上升，隨后到達背風面，進而沿著背風面持續(xù)向上傳導，進而在頂部與建筑頂端的剪切層完成湍流活動，實現(xiàn)有效地氣流擴散并排除谷內(nèi)空氣污染物的目的。而在真實環(huán)境中，建筑的高度、街道的寬度、空間的綠化情況、風速與風向的持續(xù)變化、車輛運動所引起的空氣湍流與流動，以及溫度的不均衡分布等因素都是街谷數(shù)值模型構建的或然性因素。在具體的空間設計中，必須針對不同的影響因素，對街谷污染物擴散特征及形態(tài)進行具體分析。其中街谷綠化空間設計，是影響街谷空氣流動及旋渦運動的重要因素。

2 街谷因素對污染物擴散的具體影響

2.1 影響污染物擴散的其它因素

根據(jù)街谷的具體形態(tài)及其對污染物的影響條件，發(fā)現(xiàn)能夠有效影響街谷污染物擴散的因素有大氣穩(wěn)定度、溫度分布、建筑結構及布局、背景風向與風速、城市綠化以及車輛湍流等因素。首先是建筑結構與布局。根據(jù)建模模擬發(fā)現(xiàn)，建筑布局與結構對街谷污染物擴散與空氣流動具有重要促進作用。建筑高度、幾何結構及街道寬度能夠決定形狀因子的具體數(shù)值，使街谷背景風向與谷內(nèi)氣流形成有效的交互作用，從而形成干擾流或掠流，其中當街谷建筑物的高度不同時，可稱其為不對稱街谷，其中，在“下臺階”視域下，不對稱街谷將形成兩個反向的氣流旋渦，對污染物的擴散有不利影響。而當街谷建筑物沿著街道不斷發(fā)生高度變化時，可稱之為不均勻街谷，這種街谷與真實情況十分貼近，能夠有效反應出城市街谷的風向變化的具體特征。能夠提升街谷內(nèi)部污染氣體的外向傳輸，對街谷污染物具有顯著的正向影響。其次是背景風向風速對街谷污染物擴散的影響，當建筑頂部的氣流的流動速度超過1.3m·s-1時，谷內(nèi)氣流受背景風主導，而當小于1.3m·s-1時街谷氣流則受溫度、車輛、建筑形態(tài)等因素影響。再次，車輛湍流。車輛湍流主要指機動車輛在行駛過程中，對城市街谷內(nèi)部的湍流及氣流有顯著的影響作用。特別是對街谷底部的氣流流動的影響，能夠有效提升空氣污染物的快速上升，推動污染物的有效擴散。

2.2 影響污染物擴散的綠化因素

城市綠化是影響街谷污染氣體擴散的具體因素，具體指植被綠化。綠化空間設計能夠有效阻擋空氣污染物的持續(xù)擴散，不利于空氣污染物的向上流動，從而致使污染物停留在街谷底部。而通過對植被影響“街谷污染物及谷內(nèi)氣流流動”的數(shù)值模擬及風洞試驗，能夠有效發(fā)現(xiàn)，綠化植被能夠有效降低城市街谷的環(huán)流風速，提升了谷內(nèi)污染氣體的分布密度，特別在背風面及底部的污染氣體的濃度最高。然而迎風向的污染氣體濃度得到了有效的降低。根據(jù)模型分析與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在相同背景風向條件下，采用空間綠化的街谷環(huán)境比沒有植被綠化的城市街谷的污染氣體的濃度高7%。且建筑兩側(cè)的植被對污染氣體的影響具體包括污染物擴散的影響，空氣的凈化水平。并且空間綠化的形態(tài)及質(zhì)量應滿足機動車輛所引發(fā)的湍流氣流的發(fā)展要求。然而，街谷空間綠化能夠有效改善建筑溫度的分布，并在不同的氣候環(huán)境下，使城市街谷的的大氣變化更加穩(wěn)定。因此，從整體層面來分析，街谷空間綠化對街谷內(nèi)部污染氣體的擴散雖然有不利因素，卻能夠有效提升街谷的氣候環(huán)境，保障街谷的空氣質(zhì)量。因此可以說，在街谷綠化空間設計層面上，面臨著巨大的挑戰(zhàn)與問題。其根本原因在于街谷綠化對谷內(nèi)空氣流動擁有明顯的不利影響，并且比不存在綠化空間設計的街谷的影響，更加顯著。然而從城市建設的角度出發(fā)，綠化空間設計不僅能夠有效提升城市美觀度，更能顯著地推進我國的生態(tài)文明建設，滿足我國社會主義現(xiàn)代化建設的發(fā)展需求。因此，深入研究綠色植被對街谷污染物擴散的具體影響，能夠幫助我國城市規(guī)劃部門，有效提升綠化空間設計的有效性與實效性。在傳統(tǒng)的綠化空間設計層面，設計師主要根據(jù)植被綠化的審美性、人文性、功能性等要求，對城市空間進行綠化設計，儼然忽略了城市街谷的環(huán)保需求，因此，充分研究綠色植被對污染物擴散的影響，能夠有效提升綠化空間的綜合性。

3 街谷綠色空間設計的具體方案

3.1 構建實驗設計預設

根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，綠色植被對城市街谷具有較為諸多不利的影響，容易在背風面形成污染堆積，然而在迎風面，綠色植被卻能夠有效降低污染物的濃度。因此，為有效提升城市綠色空間的設計效用。需要從以下兩個層面對污染物擴散的影響因素進行實驗。首先，由于迎風面污染物濃度較低，因此應選取城市街谷迎風面為實驗場所，并對綠色植被的幾何形體、空間布局及分布區(qū)域進行甄別。其次，結合不同的影響因素，降低綠化植被對污染物擴散的不利影響?？梢赃x用合適的建筑結構與布局、機動車輛的湍流效應等因素，并通過不同要素的變換與組合，甄選出有效的空間綠化條件。通常來講，在形態(tài)數(shù)值達到一定數(shù)值后，谷內(nèi)氣流容易形成漩渦，可加快污染物的擴散，保障城市空間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。因此，在街谷綠化空間設計工作中，設計者必須將綠化空間設計與影響街谷污染物擴散的諸多因素建立聯(lián)系，通過相互作用，提升綠化空間設計的有效性與實效性。

3.2 構建空間綠化模型

模型構建與數(shù)值分析是明確影響街谷污染物擴散因子的重要工具，同時也是合理規(guī)劃綠化空間設計內(nèi)容的有效手段。在建筑高度、街道距離的設計中，相關負責人需要將城市綠化作為重要的影響因素，并通過改變不同的布局方式及地理位置，使其影響因素不斷降低，以此實現(xiàn)從整體層面，規(guī)劃綠色空間布局的目的。而在植被選擇的過程中，相關學者及專家應根據(jù)不同植被（樹木、灌木、景觀植物）的模型數(shù)值，考察植被對污染物擴散的影響系數(shù)，并選擇影響系數(shù)相對較小的綠化植被。然而值得注意的是，城市空間設計不僅需要美觀度、更需要人文性，因此，為有效提升空間設計的多樣性與實效性，相關專家及學者，不僅需要充分考慮不同景觀植物對街谷氣流的影響，更需要考慮植被的外在表現(xiàn)及人文內(nèi)涵。此外，相關學者及專家應在模型研究的過程中，結合綠色空間設計的形態(tài)結構及特征，應用不同的空間結構，研究綠化空間結構對街谷污染氣體擴散的影響，并努力探尋出能夠有效緩解污染物滯留問題的空間設計手段。

3.3 完善街谷街區(qū)結構

根據(jù)影響街谷污染氣體的因素，能夠發(fā)現(xiàn)除從城市建筑高度、溫度濕度及機動車輛外，還有風向與風速等因素，其中街谷街區(qū)的布局與結構對風向與風速的影響顯著，因此，在綠化空間設計的過程中，相關學者及專家應結合模型分析與數(shù)值運算，合理規(guī)劃街區(qū)的空間布局。然而根據(jù)實際的城市規(guī)劃特征及規(guī)律，在街區(qū)街道中構建建筑類設施具有諸多的不利影響，難以滿足國民的出行需求。因此，可以采用種植綠色植被的方式，改變街谷附近的街區(qū)風速與風向，使街谷內(nèi)部的氣流流動更加快速，從而降低街谷內(nèi)部綠化植被對谷內(nèi)污染氣體擴散的影響。與此同時也極大地提出街區(qū)的綠化率，增強了城市的美觀度，推動了我國城市現(xiàn)代化發(fā)展的進程

4 結語

影響街谷污染氣體擴散的因素有很多，主要包括綠色植被、建筑布局與結構、風速風向、機動車輛及溫度濕度等因素。其中綠色植被對污染氣體的影響較為顯著，給城市綠化空間設計工作帶來了諸多的挑戰(zhàn)，因此，相關專家及學者應從模型構建與數(shù)值分析的角度出發(fā)，通過試驗設計、模型構建及街區(qū)規(guī)劃等手段，減小綠色空間設計對城市街谷的影響，滿足我國生態(tài)文明建設的發(fā)展需求。