基于ENVI-met 的高密度城市住區(qū)空間PM2.5分布模擬研究

■ 王 薇 WANG Wei 夏斯涵 XIA Sihan 張 蕾 ZHANG Lei

0 引言

在城市化快速發(fā)展的背景下，我國城市規(guī)模也在不停擴(kuò)大。城市擴(kuò)大導(dǎo)致人口不斷增多，為了容納新增人口，將高密度住區(qū)建設(shè)作為城市土地開發(fā)的主要形式。對于城市住區(qū)而言，高層、超高層住宅逐漸成為城市住區(qū)中建筑的主要形式。享受城市化帶來的物質(zhì)和精神文明生活的城市居民，在體驗高水平生活的同時，也承擔(dān)著住區(qū)空間環(huán)境污染問題。PM2.5作為空氣污染的主要成分，也對城市環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了重要的影響。目前，環(huán)境污染研究主要集中在區(qū)域尺度及城市不同功能區(qū)，城市居住區(qū)微環(huán)境研究較少，相關(guān)研究相對落后。據(jù)調(diào)查，人均一天88%的時間都在室內(nèi)，7%的時間在交通工具上，只有5%的時間在室外度過，這足以說明室內(nèi)環(huán)境的重要性[1]。

研究表明，城市交通尾氣排放是城市PM2.5的重要來源之一[2]，而城市住區(qū)的不同空間形態(tài)對PM2.5排放有著重要影響。金虹等（2020）對空間布局為行列式、圍合式的城市住區(qū)中不同的開口方向、規(guī)整度進(jìn)行研究，總結(jié)了在圍合式、行列式布局形態(tài)的城市住區(qū)中，院落開口、風(fēng)向角以及豎向錯列對住區(qū)PM2.5的擴(kuò)散影響[3]；祝玲玲等（2019）提出，居住區(qū)住宅群體平面組合形式為行列式、點群式最利于PM2.5擴(kuò)散，混合式和周邊式布局的組合形式，對PM2.5擴(kuò)散能力則相對較弱，而不同風(fēng)向角布局的居住區(qū)，PM2.5擴(kuò)散分布變化狀況較復(fù)雜[4]。楊二東（2015）提出，住區(qū)的建筑形態(tài)通過影響局部流場形態(tài)，較大程度地影響PM2.5的擴(kuò)散，通過調(diào)整建筑排列組合、空間布局、建筑與風(fēng)向夾角等指標(biāo)，可改善居住區(qū)的風(fēng)環(huán)境，從而有效促進(jìn)PM2.5的擴(kuò)散[5]。以上研究，通過量化分析PM2.5的擴(kuò)散規(guī)律，為居住區(qū)的空間布局規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)，有助于提升城市住區(qū)的環(huán)境質(zhì)量。

本文以合肥市為例，采用數(shù)值模擬定量分析居住區(qū)空間形態(tài)指標(biāo)與PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)系，并提出適宜的住區(qū)布局方式，旨在優(yōu)化城市住區(qū)規(guī)劃設(shè)計，為城市居民提供安全健康、便捷舒適的居住環(huán)境，對于提高城市住區(qū)環(huán)境和人居環(huán)境具有重要的實踐意義。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

合肥市位于安徽省中部，總面積11 445 km2，城鎮(zhèn)化率76.33%。合肥市地處中緯度地帶，北緯31°52′，東經(jīng)117°17′，屬于典型的夏熱冬冷型氣候城市，年平均氣溫在15～16℃之間，屬于溫和氣候型，相對濕度的年變化與溫度年變化相一致，夏季最大，冬季最小。城市主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，其中夏季東南風(fēng)，冬季偏北風(fēng)，年平均風(fēng)速在1.6～3.3 m/ s 之間。

1.2 研究方法

1.2.1 計算機(jī)模擬研究

為模擬住區(qū)不同空間布局形式對PM2.5擴(kuò)散的影響，采用 ENVI-met軟件開展模擬研究。ENVI-met 是由Michael Bruse 教授團(tuán)隊開發(fā)的微氣候模擬軟件，該軟件基于CFD 和熱力學(xué)相關(guān)理論，結(jié)合氣候?qū)W、農(nóng)業(yè)科學(xué)等多個交叉學(xué)科，專門用于模擬城市區(qū)域中小尺度下墊面、植被、建筑、大氣的相互作用[6-7]。與傳統(tǒng)CFD 軟件相比，ENVI-met 充分考慮了風(fēng)和太陽對結(jié)果的影響，將輻射模型和湍流模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，軟件中還有各種建筑材料、植物的數(shù)據(jù)庫，具備污染物模擬、室外熱舒適度計算的功能。傳統(tǒng)CFD 軟件PHOENICS、FLUENT 有著強(qiáng)大的網(wǎng)格來支持各尺度的模擬運算，而ENVI-met 則受網(wǎng)格數(shù)目的限制，只能做中小尺度的模擬運算[8-9]。因此，ENVI-met 軟件較適合本研究中不同城市住區(qū)空間布局對環(huán)境影響的對比分析和評價。

1.2.2 實測研究

為驗證ENVI-met軟件模擬可行性，對合肥地區(qū)某高密度住區(qū)進(jìn)行PM2.5實測。研究采用國產(chǎn)ONETEST-100 粉塵濃度監(jiān)測儀，PM2.5質(zhì)量濃度測量范圍為0～1 000 μg/m3，測量精度≤±10%FS，分辨率0.1 μg/m3；溫度測試范圍為-20～60 ℃，測量精度≤±0.5%，分辨率0.1 ℃；相對濕度測量范圍為0～100%RH，測量精度≤±3%，分辨率0.1%RH。

2 高密度城市住區(qū)典型模塊分類

2.1 住區(qū)樣本空間形態(tài)分析

高密度住區(qū)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)差異較大，根據(jù)不同地區(qū)、不同學(xué)者對高密度住區(qū)的解釋，綜合考慮當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和研究區(qū)域社會背景[10]，本文中高密度住區(qū)定義為建成時間在近十年間，在合肥市主城區(qū)以內(nèi)，容積率2.5～4 的居住區(qū)域，并據(jù)此原則選取合肥市主城區(qū)40 個高密度住區(qū)作為研究樣本（圖1）。

圖1 住區(qū)樣本分布圖

城市規(guī)劃中住區(qū)尺度的范圍是限定住區(qū)用地的重要因素，而住區(qū)內(nèi)部住宅建筑的尺寸和布局形式?jīng)Q定了住區(qū)的空間形態(tài)。收集住區(qū)樣本的用地尺寸、容積率和住區(qū)樣本內(nèi)部各建筑尺寸、高度數(shù)據(jù)（圖2、3），整理后可知，用地尺度中180 m×230 m和200 m×270 m 的住區(qū)占比較多，容積率平均在2.96 左右，建筑尺寸和高度中18 m×40 m×30 m、33 m×33 m×60 m 兩種較為常見。

圖2 樣本住區(qū)用地尺寸及容積率統(tǒng)計圖

2.2 典型城市住區(qū)模塊構(gòu)建

通過對40 個高密度城市住區(qū)研究樣本數(shù)據(jù)整理分析，提取出具有一定共性特征的居住建筑布局形式、用地面積和住宅建筑尺寸，具體如下。

圖3 樣本住區(qū)建筑尺寸信息統(tǒng)計圖

（1）以“數(shù)量最多，最具典型性”以及“差異性，便于進(jìn)行單因素對比”為選取原則，歸納出8 個典型高密度住區(qū)的布局模式[11]，包括：板式行列式、單側(cè)封閉行列式、周邊封閉行列式、南低北高行列式Ⅰ、南低北高行列式Ⅱ、點式行列式、單側(cè)封閉行列式高層和開放圍合式（圖4）。

圖4 合肥市典型城市住區(qū)布局

（2）將典型住區(qū)用地尺寸歸納為180 m×270 m×70 m，場地內(nèi)包含不同類型的建筑。其中，點式建筑高度定為60 m，板式建筑高度定為30 m，住宅建筑間距均滿足日照間距及防火要求。其中，A 模塊為板式行列式，B 模塊為單側(cè)封閉行列式，C模塊為周邊封閉行列式，D 模塊為南低北高行列式Ⅰ，E 模塊為南低北高行列式Ⅱ，F(xiàn) 模塊為點式行列式、G模塊為單側(cè)封閉行列式高層，H 模塊為開放圍合式。

3 高密度城市住區(qū)PM2.5 分布實測研究

3.1 實測研究概況

3.1.1 研究對象

為了驗證ENVI-met 對城市高密度住區(qū)PM2.5分布模擬的可行性，選取合肥包河區(qū)某高密度住區(qū)開展實測，該住區(qū)周邊以住宅建筑為主，南北長230 m，東西長280 m，占地面積約57 400 m2，容積率2.65，綠地率45%，共有12 棟樓，周邊主要污染源以城市道路上機(jī)動車尾氣為主。充分考慮現(xiàn)場環(huán)境條件及監(jiān)測安全，本研究將測點選擇在住區(qū)內(nèi)部：a1（地下車庫出入口）、a2（建筑迎風(fēng)面）、a3（密林區(qū)）、a4（人行出入口）、a5（水景）、a6（大面積空地）、a7（人群聚集廣場）、a8（建筑轉(zhuǎn)角處）、a9（鄰城市干道處）、a10（宅間道路）、a11（快遞點人群集中處）、a12（兒童游樂人群集中處）（圖5）。

圖5 實測地點示意圖

3.1.2 研究方法

研究測試時間為8 月23—26 日每天的8:00—18:00。于天氣微風(fēng)條件下進(jìn)行監(jiān)測，每個測點布置一臺ONETEST-100 型號PM2.5檢測儀。ONETEST-100 細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀可監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度（μg/m3）、PM10 質(zhì)量濃度（μg/m3）、溫度（℃）和相對濕度（%）四項指標(biāo)。其中，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度測量范圍為0～1 000 μg/m3，測量精度≤±10%FS，分辨率為0.1 μg/m3；溫度測量范圍為-20～60 ℃，測量精度≤±0.5%，分辨率為0.1 ℃；相對濕度測量范圍為0～100%，測量精度≤±3%，分辨率為0.1%。監(jiān)測儀器高度離地約1.5 m，每個測試點間隔1 s 讀數(shù)一次，實時顯示數(shù)據(jù)。

3.2 實測與模擬研究結(jié)果對比

在模擬研究中，將實驗網(wǎng)格設(shè)置為60×60×30，每個網(wǎng)格為2 m×2 m×3 m，地理位置設(shè)置為安徽省合肥市，模擬時間為8:00～18:00，風(fēng)速根據(jù)合肥地區(qū)夏季平均風(fēng)速2.9 m/s 設(shè)置，風(fēng)向S，相對濕度70%，將道路設(shè)置為污染源，根據(jù)平均車流量將道路PM2.5擴(kuò)散質(zhì)量濃度設(shè)置為70～85 μg/m3，盡量貼合夏季住區(qū)附近交通污染實測平均值。模擬幾何建模包含內(nèi)部道路和周邊城市主干道，對住區(qū)內(nèi)部的建筑、復(fù)雜地形、建筑凹凸、景觀綠化和下墊面進(jìn)行簡化處理，但對住區(qū)內(nèi)部一些污染源設(shè)置了點污染源，盡量保證與實際情況相接近，模擬中均考慮了周邊住區(qū)對研究住區(qū)內(nèi)部的影響。

如圖6 所示，模擬結(jié)果為1.5 m高度的PM2.5分布情況，住區(qū)范圍內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度波動范圍為24～122 μg/m3，且靠近污染源處質(zhì)量濃度明顯升高，受建筑布局、環(huán)境因素和人群、車輛流動影響，住區(qū)內(nèi)部不同測點PM2.5質(zhì)量濃度差距較大?？傮w來看，PM2.5分布東部較高，西部較低，住區(qū)內(nèi)東部及東北部PM2.5較易聚集[12]。這是由于合肥地區(qū)夏季盛行東南風(fēng)，受板式建筑物行列式布局及部分圍合結(jié)構(gòu)影響，PM2.5堆積在住區(qū)東北部。

圖6 住區(qū)模擬工況圖

通過模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)（表1、圖7），模擬結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢基本一致。采用國內(nèi)外常用對比實驗與實測數(shù)據(jù)誤差的誤差平方根值（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對百分比誤差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）[13]兩個指標(biāo)，對實測和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行評價：

圖7 研究區(qū)域PM2.5 質(zhì)量濃度實測與模擬數(shù)據(jù)對比

表1 研究區(qū)域PM2.5 質(zhì)量濃度實測與模擬數(shù)據(jù)對比表

式（1）、式（2）中，X為 模擬值；Y為實測值；n為實測次數(shù)。本研究中模擬值與實測值之間的誤差平方根值ERMS=8.883 μg/m3，平均絕對百分比誤差EMAP=9.5%，這表明實測值與模擬值之間偏差較小，誤差均在可允許范圍內(nèi)，模型模擬的精準(zhǔn)性得到了驗證。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果可知，模擬方法常常與現(xiàn)實情況有誤差，為了減少誤差則需要通過實測，對模擬的條件參數(shù)進(jìn)行合理修正[14-16]?；诖?，研究根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度的實測和模擬數(shù)據(jù)對比結(jié)果，對模擬運算中的邊界條件進(jìn)行修正，使修正后的模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更加貼合，以減少模擬研究工作中的誤差。

4 高密度城市住區(qū)空間PM2.5 分布模擬研究

4.1 模型及參數(shù)設(shè)定

ENVI-met 模擬軟件的最大網(wǎng)格為250×250×25，網(wǎng)格包括主要模型區(qū)域和嵌套區(qū)域，根據(jù)模擬區(qū)域的面積和住區(qū)模塊的模型尺寸，選取90×135×35 的網(wǎng)格數(shù)量作為整個模型區(qū)域，每個網(wǎng)格的分辨率為2 m×2 m×2 m。模擬計算的邊界條件，根據(jù)前面實測研究后的修正，最終設(shè)置風(fēng)速為2.6 m/s，風(fēng)向為東南向，為確保接近現(xiàn)實情況，將模擬開始時間定為4:00—18:00，模擬時長為14 h，以確保PM2.5的完全擴(kuò)散。PM2.5來源定為住區(qū)周邊道路上的交通污染，PM2.5污染源擴(kuò)散的質(zhì)量濃度為75 μg/m3，住區(qū)空間內(nèi)部原有背景質(zhì)量濃度定義為25 μg/m3，且均勻分布在整個研究區(qū)域。

4.2 模擬結(jié)果

根據(jù)前面研究總結(jié)出的8 個典型高密度住區(qū)模塊，對其進(jìn)行PM2.5分布模擬研究，分為水平和垂直兩個層面，水平層面的PM2.5質(zhì)量濃度分布特征主要以地面以上1.5 m 處的污染情況作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。而垂直層面的PM2.5質(zhì)量濃度分布特征，選取住區(qū)空間內(nèi)高度在1～19 m 范圍的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.1 住區(qū)空間PM2.5 水平分布特征

如圖8 所示，根據(jù)模塊A、B、D、H 的模擬結(jié)果可以看出，大部分的PM2.5堆積都是發(fā)生在板式住宅的背風(fēng)面，建筑迎風(fēng)面的PM2.5質(zhì)量濃度普遍偏低[17]；對比模塊A、B、C 的模擬結(jié)果可以看出，周邊封閉或下風(fēng)口半封閉式的布局，PM2.5擴(kuò)散能力比行列式強(qiáng)，但還是阻擋了部分PM2.5的擴(kuò)散，導(dǎo)致其在住區(qū)空間內(nèi)堆積[18]；對比模塊A、D、E、F 的模擬結(jié)果可以看出，增加住宅建筑的橫向宅間距，可以有效減少PM2.5在住區(qū)內(nèi)堆積；對比模塊B、G 的模擬結(jié)果可知，上風(fēng)口的封閉可以有效減少PM2.5進(jìn)入住區(qū)內(nèi)部，但是對比F的模擬結(jié)果可以看出，該效果不如增加住宅橫向間距有效；對比模塊A、H 的模擬結(jié)果可以看出，圍合式的住宅建筑布局并不比行列式更容易聚集PM2.5，對于圍合式布局而言，中部的公共區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度較低，樓間的PM2.5質(zhì)量濃度較高[12]。

圖8 住區(qū)模塊1.5 m 高度處的PM2.5 水平分布模擬工況圖

4.2.2 住區(qū)空間PM2.5 垂直分布特征

如圖9 所示，各典型住區(qū)模塊均在高度1 m 處PM2.5平均質(zhì)量濃度最高，隨著高度的升高，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低，下降速度也不斷減緩[19-20]，不同模塊在不同高度的PM2.5質(zhì)量濃度下降速率也不相同，其中，模塊A、B 在1～3 m 處的高度區(qū)間內(nèi)下降速度最快，差值分別達(dá)到了3.4 μg/m3和3.8 μg/m3，而模塊D 在該高度區(qū)間內(nèi)下降速度最慢，差值為0.89 μg/m3。所有住區(qū)模塊均在19 m 處達(dá)到了PM2.5質(zhì)量濃度的最低值。

圖9 住區(qū)模塊的PM2.5（1～19 m）垂直分布質(zhì)量濃度統(tǒng)計圖

4.3 結(jié)果分析

為了更進(jìn)一步探究各住區(qū)模塊對PM2.5的擴(kuò)散能力，研究結(jié)合住區(qū)模塊PM2.5的水平和垂直分布特征，將住區(qū)模塊分為住區(qū)空間和交通空間（圖10）兩個部分，比較在相同污染源的條件下，統(tǒng)計住區(qū)空間范圍內(nèi)在模擬狀態(tài)結(jié)束時的PM2.5質(zhì)量總和（圖11）[21]。通過住區(qū)空間PM2.5總質(zhì)量的大小，來量化各個住區(qū)模塊布局形式對PM2.5的擴(kuò)散能力。

圖10 住區(qū)空間示意圖

對比不同住區(qū)模塊住區(qū)空間內(nèi)的PM2.5總量（圖11），可以看出，A 模塊的PM2.5總量最高，為2.42×106 μg，F(xiàn) 模塊的PM2.5總量最低，為1.06×106 μg，A 模塊的PM2.5總量是F 模塊的2.28 倍，表明了不同布局形式下的住區(qū)模塊對住區(qū)空間內(nèi)PM2.5擴(kuò)散有很大影響。整體來看，各模塊住區(qū)空間的PM2.5總質(zhì)量由大到小依次為：A ＞H ＞C ＞B＞D ＞G ＞E ＞F，即點式行列式＞南低北高行列式Ⅱ＞單側(cè)封閉行列式高層＞南低北高行列式Ⅰ＞單側(cè)封閉行列式＞周邊封閉行列式＞開放圍合式＞板式行列式。點式行列式布局最有利于PM2.5擴(kuò)散，而板式行列式最不利于PM2.5擴(kuò)散。

圖11 不同模塊的住區(qū)空間PM2.5 總質(zhì)量

5 結(jié)語

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市住區(qū)空氣環(huán)境質(zhì)量問題成為社會關(guān)注的熱點。優(yōu)化住宅建筑群的布局，保證開放空間的有效性，合理安排交通網(wǎng)絡(luò)與植被綠化，能夠有效降低住區(qū)空間PM2.5濃度，提升高密度城市住區(qū)環(huán)境的空氣質(zhì)量。然而住區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量研究還包括建筑高度、建筑朝向、建筑平面形態(tài)等多種形態(tài)指標(biāo)。今后，可深入開展住區(qū)空間形態(tài)指標(biāo)對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響研究，對于提高城市住區(qū)環(huán)境和人居環(huán)境具有重要的實踐意義。