世博园区建筑群周围污染物对流扩散规律的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 5.54MB 64 页 15积分

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第一章绪论

本章主要介绍城市污染物对流扩散对城市建筑群周围空气质量的影响的研究

现状及采用的模型方法，并提出本论文的主要研究内容及成果意义。

§1.1 研究背景

近年来，城市人口急剧膨胀(预计 21 世纪初城市人口将达到全球总人口的 50%

左右)，城市化已经成为区域经济发展产生的局地环境污染的重要背景问题。面对

城市环境恶化的严峻形势，尤其是城市化所造成的大气污染日趋严重的问题，世

界气象组织(WMO)开展了城市气象和环境研究计划(GURME)，积极研究应对措

施。由于边界层大气污染物分布的探测手段有限，加上城市建筑物的分布十分复

杂，使得大气污染物三维结构的观测十分困难。因此目前国外很多城市环境的相

关研究利用城市地面气象观测的能见度资料来进行分析,并结合边界层特点研究

了大气污染物稀释、扩散规律以及城市大气污染和城市热岛之间的关系。

城市建筑群的总体“树冠”效应，加上城市热岛形成的特殊热力结构，可导致城

市局地多尺度环流和湍流结构的特殊性和局地性，构成强对流泡及其热力、动力

湍流过程，城市大气环境结构的多尺度特征及其城市边界层极为复杂的动力、热

力结构。大气污染十分严重的大城市上空，城市边界层聚积着各种各样的排放气

体，覆盖整个城市，甚至与周边地区构筑成大范围城市群污染覆盖层结构。城市

边界层三维空间结构的非均匀性及其复杂湍流特征，构成了城市边界层低层大气

污染过程的互反馈影响效应。上述城市边界层结构不仅影响了城区局地大气污染

时空分布，而且还可通过城市群落间复杂的动力、热力结构形成区域大气污染的

影响域，相关研究认为区域性及局地尺度污染传输最终也可扩散到城市周边地区，

并远距离传输到其它相关区域。在大气风温湿特定条件下通常污染物以城市烟羽

的形式被传播到下风方，烟羽范围可以向下游输送数百公里远[1]。

2010 年上海世博会的主题是“城市，让生活更美好”，其基本要求为：城市应

该为居民提供干净的水，清洁的空气和安全的食品，在健康的环境中生产、生活。

如果没有良好的城市生态环境，就不可能举办一届历史上最成功的世界博览会。

为此，2010 年上海环境目标的总体定位是：主要环境指标与国际接轨，环境建设

基本形成生态型城市框架，其中涉及到的 2010 年上海世博园区空气环境质量的具

体目标为：主要指标优于国家《环境空气质量标准（GB3095-1996 及其 2000 修改

单）》二级标准，主要环境空气质量指数优于二级，保证率为 85%～90%，二氧化

硫（SO2）日平均值接近 0.05mg/m3，二氧化氮（NO2）日平均值接近 0.08mg/m3，

世博园区建筑群周围污染物对流扩散规律的研究

在无明显外来源条件下，可吸入颗粒物 PM10 日平均值接近 0.095mg/m3，降尘控制

在9t/km2·mon。2002 年12 月3日国际展览局无记名投票决定授权中国政府举办

2010 年上海世博会时，上海市城市环境空气质量距离该具体目标还有一段距离。

因此，根据世博会规划要求及其空气环境质量评价分析范围区域，展开世博园区

空气环境质量的实时观测与预测分析，为每年能实时跟踪上海城市及其世博园区

环境空气质量，为不断加大相关措施的实施力度并确保实现目标，具有十分重要

的意义。

§1.1.1 我国城市大气污染状况

我们城市大气污染相当严重，有 7个城市名列全球 10 个污染最严重的城市之

列；全国 500 座城市中大气质量符合世界卫生组织标准的不到 1%。二氧化硫（SO2）、

总悬浮颗粒物（TSP）、可吸入颗粒物（PM10）、氮氧化合物（NOX）、二氧化碳（CO2）、

一氧化碳（CO）等是我国主要的大气污染物。我国城市大气污染物具有如下一些

特点：

1. 总悬浮颗粒物（TSP）和可吸入颗粒物（PM10）含量高

根据 2001 年环境状况公报，我国城市空气质量恶化的趋势有所减缓，总悬浮

颗粒物（TSP）和可吸入颗粒物（PM10）是影响城市空气质量的主要污染物，部分

地区二氧化硫污染严重，少数大城市氮氧化物浓度较高。在调查的 341 个城市中，

64%的城市总悬浮颗粒物平均浓度超过国家空气质量二级标准，其中 101 个城市颗

粒物平均浓度超过三级标准，占 29.2%。颗粒物浓度高的城市主要分布在新疆、青

海、甘肃、山西、内蒙古、陕西、宁夏、河北等省区。

2. 煤烟型污染仍占重要地位

燃煤是形成我国大气污染的根本原因。我国能源结构中煤炭占 76.12%，工业

能源结构中燃煤占 73.9%，在工业燃煤的设备中又以中小型为主。预测表明，我国

国内生产总值每增加 1%，废气排放量就增长 0.55%。2000 年，全国工业废气排放

总量为 138.145



108立方米，其中燃料燃烧废气占 59.3%，生产工艺废气占 40.7%。

3. 新兴城市和小城市大气污染日益严重

这些城市大多只看到了眼前的经济利益，在追求经济增长的同时没有把环境

保护放在同等重要的地位，粗放经营，浪费资源，污染严重。

4. 部分大城市污染转型

随着城市机动车辆的迅猛增加，我国一些大城市的大气污染正在由煤烟型向

汽车尾气型转变。有资料报道，在我国多数大城市中，机动车排放造成的污染已

占城市大气污染的 60%以上。以上海和广州为例，上海机动车排放污染分担率 CO

为86%，NOX为56%；广州 CO 为89%，NOX为79%。以上数据表明，机动车排

第一章绪论

放污染已成为部分大气污染的主要来源。

此外，我国城市大气污染还具有北方比南方严重；冬季重于夏季，且差距正

在缩小；产煤区重于非产煤区；大城市污染最严重，特大城市次之，中等城市和

小城市再次之的特点。

§1.1.2 国外城市大气污染状况

第二次世界大战以来，日本的工业及交通得到迅猛发展。但由于没有环境法

规，发展工业及交通所带来的环境污染十分严重，曾发生过严重的污染事件如水

俣病、新泻水俣病、骨痛病及气喘病。这四大污染事件对人体造成严重残害。自

此，日本人逐渐对环境保护重视起来，在治理环境方面取得了瞩目的成绩。自 1968

年起,空气中的 SO2浓度一直下降，1988 年SO2全国环境质量标准达标率为 99.

7 %。NOX主要由机动车和工厂产生的，是日本大气污染的主要污染物。由工厂

产生的 NOX近年来大大降低,而机动车产生的 NOX占更大的比例。自 1979 年以

来，NOX浓度已经下降。然而，1986 年以后，NOX的含量轻微上升。其原因为

尽管单个机动车排放量减少，而机动车的总数大大增加了[2]。

工业革命以来，随着城市大气污染状况的不断恶化，英国防治大气污染的措

施经历了阶段性变化。19 世纪，英国正式把大气污染作为国家的重要问题提了出

来，消烟除尘思想广受欢迎。立法的形式,或限制燃料使用地区、使用时间,或限

制污染物排放数量等成为英国治理大气污染的主要举措。

20 世纪 20—60 年代,随

着现代工业的发展,特别是电力和汽车工业的增长,英国的电力和油料的使用渐

广,因而,包括大气污染在内的环境污染和破坏加剧,从局部地区问题发展成社会

性公害。为此,英国加强了环境立法。在加强有关立法并予以实施后，英国城市的

大气污染得到了有效控制，空气质量有了明显改善。不过,仍存在许多问题，因为

在造成污染之后再进行治理，毕竟是被动的，可谓“头痛医头,脚痛医脚”。一般

所采取的单项治理技术，也只能着眼于解决部门性的污染源，而不能从整体上和

防治结合上有效地解决环境问题。20 世纪 80 年代末叶以来，英国逐渐打破了“先

污染后治理”，以及就某个环境问题立法的老传统，贯彻了预防为主、综合防治的

政策。主要措施有：

(1) 实行城、乡综合规划,全面解决合理布局问题,力争做到防患于未然；

(2) 实施环境影响评价制度,使有害环境工程在施工前通过评价而得到有效控

制；

(3) 转变“单打一”的污染控制态度,采取综合污染治理措施,全面考虑从工

业生产过程到一切媒介物所释放的物质对环境的影响；

(4) 采用最为有效而又无需过多费用的技术,来防止污染物的排放,或将污染

世博园区建筑群周围污染物对流扩散规律的研究

物的排放量减少到最低限度,或使释放的物质无害化[3]。

§1.1.3 目前世博园区内的大气状况

2010 年上海世博园区主体范围分为三个区域：核心区（规划区）、缓冲区和控

制区。核心区为 2010 年上海世博会规划的 5.28km2区域，缓冲区为规划区外 3km

以内的区域，控制区为规划区外 3～10km 以内的区域。另外，建设协调区为规划

区外 1.4km 区域。根据上海市环境监测中心给出的世博园区及周边空气质量现状

调查报告可知，从 2004 年至 2007 年，世博园区内空气污染物浓度呈逐步下降趋

势，部分指标如 TSP 和PM10 仍然超标。

2010 年世博园区规划及其上海市新一轮环保三年行动计划，影响 2010 年上海

世博园区空气环境质量的污染源有：世博园区生活污染源、协调区生活污染源、

交通污染源、缓冲区大气污染源和控制区大气污染源。

§1.2 问题的提出

由此可见，中国大气污染控制最好的解决办法是重在预防，而预防措施需要

通过环境预测来指导。针对目前世博园区内的空气质量的现状，本论文以世博园

浦东区域作为研究对象，研究分析园区内建筑群周边的大气流场以及污染物对流

扩散分布，以此为改善世博园区的空气质量提供有利的依据。

§1.3 城市建筑群周围大气污染物对流扩散规律的研究现状

影响城市大气扩散的气象因子有：风向、风速、气温、大气稳定度、逆温层

等。大气污染物是往下风向扩散的，因此盛行风向决定了大气污染物影响的区域。

风速的大小主要影响污染物在下风向的输送速度以及大气的湍流强度，显然，风

速越大，则污染物的输送速度越快，大气湍流越强，越有利于大气污染物扩散。

环境气温直接影响高架点源烟流的抬升高度，影响有效源高。大气稳定度决定了

大气的垂直运动，直接影响着大气污染物在垂直方向的扩散；当大气稳定度属不

稳定类时，空气容易发生垂直运动，有利于大气污染物的扩散。逆温层的存在将

阻碍大气的垂直运动，对大气污染物扩散不利[4]。

城市区域作为人们生存的聚居地和主要的活动场所，其环境问题尤为重要并

日益突出，区域内的气象条件（如：风温湿压等）及大气环境与人们的生活质量

息息相关，人们已经逐渐认识到对城市区域气象及污染扩散研究的重要性。

对城市建筑群周围的大气环境进行研究一般采用实地观测，物理模拟，数值

仿真[5]（其中包括大气扩散模式进行污染物浓度的估算）。实地观测是取得城市建

第一章绪论

筑群内污染物扩散研究资料的较好方案，但是其观测计划的设计需要很高的技巧，

另外该方法不能应用于规划项目。物理模拟的实验装置有风洞和水槽，前者应用

更为广泛，但二者的理论基础是相同的，均为相似性原理(包括几何相似、动力相

似、大气边界层相似等)。物理模拟风洞实验能够对街道峡谷内污染物的扩散特征

进行独立而详细的研究，同时也可以对数值仿真的准确性进行检验，其缺点是成

本较高。数值仿真的优点在于能够提供详细的流场以及污染物浓度场的分布图，

但是必须经过实地观测或者实验验证。数值仿真虽然有简单和复杂之分，但其用

途各异，基本理论也会有所不同，因而，选择使用模式必须慎重。现在研究城市

小区内污染物的对流扩散大都采用物理风洞试验和数值仿真等两种或两种以上的

方法综合研究。

以下具体介绍风洞试验，数值仿真，经典扩散模式三种方法：

§1.3.1 风洞试验

风洞实验是可靠性比较高的建筑群大气环境预测方法。研究大气环境的风洞

一般是边界层风洞，它首先再现接近地面的边界层，然后将需要测定的建筑群和

周围的环境模型化，模型比例大小取决于建筑物侧面积和风洞剖面面积的比例关

系。近年来，一些研究者通过风洞实验，了解了建筑群周围大气环境的一些基本

规律，如单栋建筑物迎风面和背风面的气流规律、具有规则外形的建筑遵循一定

规律的平面布置情况下的气流流动情况等。但是，实际的小区建筑群布局形式是

多种多样的，而且建筑物形状也较为复杂，并非都是规则形状，用风洞实验的方

法难以一一对其进行研究。另外，风洞实验的代价非常昂贵，周期也较长(通常为

数月甚至 1～2年)，这给实际应用带来了较大的困难[6]。

欧阳琰[7]等人以位于北京城区东南部的方庄小区(其中含道路、楼房、绿化带

及其它公共设施)为主要研究对象，在环境风洞中进行包括流场、污染物分布等实

验测量，获取定量和定性的测量结果，并对测量结果进行分析，以获得该小区内

流场分布和污染物分布的规律。同时为了能够为进一步研究建筑物周边及小区内

的环境问题提供更加可靠的依据，还对单体建筑物周围流场和浓度场的分布与变

化进行了研究。将风洞实验结果与同时进行的数值模拟结果作比较分析，再结合

现场观测研究，以求综合探寻现代城市结构特征与气象条件和大气污染的关系中

的一些特征和规律。

Matteo Carpentieri[8]等人利用意大利的 Prato 城市的 CRIACIV 风洞模拟城市垃

圾填埋场的污染物排放对顺风建筑物的影响进行小尺度的风洞试验，对发展、改

进和验证数值方法有帮助，并与经验参数以及现场测定得出的结果相似。但是模

拟受前提假设简单且模拟结果的不确定性的限制，尤其是无法准确模拟污染物顺

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风排放。

§1.3.2 数值仿真

计算机数值模拟是在计算机上对建筑物周围大气流动所遵循的动力学方程进

行数值求解(通常称为计算流体力学 CFD：computational fluid dynamics)，从而仿真

实际的大气环境。由于近年来计算机运算速度和存储能力的大大提高，对小区建

筑大气环境这样的大型、复杂问题可以在较短周期(20～50 天)内完成数值模拟，并

且可借助计算机图形学技术将模拟结果形象地表示出来，使得模拟结果直观，易

于理解。同时，由于计算机模拟不受实际条件的限制，因此不论实际小区布局形

式如何、建筑物形状是否规则等，都可以对其周围大气环境进行模拟，获得详尽

的信息。并且，利用计算机数值模拟方法可以方便地仿真不同自然条件下的风环

境，只需在计算机程序中改变相应的边界条件即可。如对于上海地区，若要对某

区域的风环境进行预测，往往要考虑北风、西北风、南风等主导风向下的情况，

用计算机数值模拟方法只需分别定义不同来流风向和风速就可以方便地对不同条

件下室外的大气环境进行仿真研究。当然，数值模拟方法最大的缺陷在于其可靠

性，即仿真结果的可信程度，这往往可通过先验性的研究解决，即对同类流动采

用合适的数学物理模型进行模拟，并和实验对比确定其可靠性，然后将经过验证

的程序用于类似的小区气流流动模拟，从而保证模拟结果的相对可靠性。近年来，

各国学者不断利用计算机数值模拟对建筑周围的风环境进行仿真分析并与风洞实

验结果对比，结果表明，数值计算能够较好预测建筑物周围气流流动情况[9,10,11]。

但针对大尺度的城市建筑群模拟还有待进一步的研究。

§1.3.3 大气扩散模式

目前研究大气扩散的数值方法，是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关

系问题。目前，基于数学方法处理这类问题有四种广泛应用的理论：（1）基于 Taylor

统计理论的所谓“统计理论”；（2）假设湍流通量正比于平均梯度的“梯度理论”；

（3）基于因次分析的“相似理论”；（4）根据质量守恒定律建立的箱式模式。尽

管大气扩散模式的种类繁多,但从应用角度出发,在实际工作中使用的大气扩散模

式多属高斯模式及高斯模式的变形[12]。

1.高斯模型

目前，高斯烟羽模型是点源扩散模拟验证方法中运用最广泛的一种模型。它

描述了单个源强的扩散，以及稳定状态下的开放式均匀地形条件。它具有以下优

点：一物理上比较直观；二模式直接以初等数学形式表达，便于分析各物理量

之间的关系和数学推演，易于掌握和计算；三对于平原地区，下风距离在 10km

以内的低架源，预测结果和实测值比较一致；四对于其他复杂问题（例如高架源、

第一章绪论

复杂地形、沉积、化学反应等问题）对模式进行适当修正后，许多结果仍可应用。

一些学者对高斯大气污染扩散模式的局限性进行一些研究，包括入口的灵敏性研

究，精确度可信性研究，以及预测的局限性研究等。

大多数高斯采用的是 Pasquill-Gifford 稳定度分类法，P-G 法的一个重要优点

是：用简单的常规气象资料即可确定大气稳定度级别。但对太阳辐射强弱的划分

不够确切，云量的观测不太准确，带有主观性[12]。

2. 大气扩散模拟系统（ADMS）

ADMS 模型耦合了大气边界层研究的最新进展，利用常规气象要素来定义边

界层结构，在模式计算中只需要输入常规气象参数，使得污染物浓度计算结果更

准确、更可信，因而能更好地描述大气扩散过程。ADMS 模型与其他大气扩散模

型的一个显著区别是：使用了 Moniu-Obukhov 长度和边界结构的最新理论，精确

地定义边界层特征参数。

ADMS 模型摒弃了 Pasquill 稳定度分类法，将大气边界层

分为稳定，近中性和不稳定三大类，采用连续性普适函数或无量纲表达式的形式，

在不稳定条件下摒弃了高斯模式体系，采用 PDF 模式及小风对流模式，可以模拟

计算点源，线源，面源，体源所产生的浓度，ADMS 模型特别适用于对高架点源

的大气扩散模拟[13]。

3. GPDM 模型

目前研究的 GPDM 在大气扩散中的应用更加客观及更加灵活。GPDM 模型建

立于高斯模式，不像其他的高斯扩散模式，只运用 PG，Turner, Scheme 与Brigg

方程相结合。GPDM 涉及到五种稳定级分类法，以及两个烟羽抬升方程（Briggs

和Holland），均适用于城镇与农村两种情况下的点源扩散。

Seema Awasthi[14]（2006）利用 Dadri 热电厂周围污染物实测数据验证得知，

联合 Turner 分类法与 Holland 方程在能够得到较好的与实际相符合的结果。

4. 其他模型

美国环保署(EPA)提供了许多大气污染物扩散的数值模型，这些模型大多以高

斯烟羽模型为基础。高斯烟羽模型以统计理论为基础，并依赖于经验公式，这使

得其应用范围被限制在了平坦地形上的污染物扩散研究。自 80 年代以来，美国环

保署投入了大量的资金用于开发适于复杂地形上扩散的数值模型。但是，开发出

的模型通常是在高斯烟羽模型的基础上，引入一个地形调整系数以作为地形对浓

度分布影响的考虑，而这个系数一般与地形的几何形状无关。这样，在这些模型

的预测结果中，就没有考虑地形所引起的风场变化对浓度分布的影响。因此，要

对复杂地形上大气污染物扩散进行可靠的预测，应该采用以流体力学原理中污染

物输送、扩散理论为基础的数值模型。这样的模型可分为拉格朗日模型和欧拉模

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摘要：

第一章绪论1第一章绪论本章主要介绍城市污染物对流扩散对城市建筑群周围空气质量的影响的研究现状及采用的模型方法，并提出本论文的主要研究内容及成果意义。§1.1研究背景近年来，城市人口急剧膨胀(预计21世纪初城市人口将达到全球总人口的50%左右)，城市化已经成为区域经济发展产生的局地环境污染的重要背景问题。面对城市环境恶化的严峻形势，尤其是城市化所造成的大气污染日趋严重的问题，世界气象组织(WMO)开展了城市气象和环境研究计划(GURME)，积极研究应对措施。由于边界层大气污染物分布的探测手段有限，加上城市建筑物的分布十分复杂，使得大气污染物三维结构的观测十分困难。因此目前国外很多城市环境的相关研...

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