基于生长模型的行道树滞尘效益的数值模拟研究

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研究通过实测行道树的生物参数(包括树高、枝下高、冠幅、叶面积指数)和树龄,建立植物生长方程,并由此建立几何模型,利用计算流体力学原理,结合空气湍流模型和修正的颗粒物扩散模型。模拟三种建筑高度(H=9m,18m和36m)和五种常见行道树(银杏,七叶树,三角枫,鹅掌楸和雪松)情况下,3种树龄时(5年,10年,30年)的颗粒物扩散特征,预测行道树动态生长对于街谷水平行人及垂直空间颗粒物浓度和分布的影响。得出以下结论:(1)城市街谷空间内,行道树各参数均与树龄具有一定相关性,其预测值可以用来建立模拟模型。各行道树种类的生物参数中,树高,冠幅与树龄具有很强相关性(R2≥0.71)。LAI与树龄的相关性较弱(R2≥0.54)。枝下高与树龄相关性弱(R2≥0.34),但仍随树龄逐渐增加。在所选的四种回归方程中,对数方程在多数情况下具有较好的拟合优度。(2)不同年龄阶段的行道树对于行人空间大气PM10浓度和分布的影响具有显著差异。行人空间平均PM10浓度的降低率在行道树不同生长阶段差异较大。树种之间滞尘能力差异随树龄增加而增大。树龄增加,行人空间PM10浓度明显降低。随着树龄的增加,街谷行人空间的涡流作用逐渐减弱。在三板四带式时,行道树达到成年后,在行人空间的滞尘能力排名为银杏>鹅掌楸>七叶树>三角枫≥雪松。在一板两带式时,根据预测方程对行道树成年后的滞尘能力排序为:鹅掌楸>银杏>七叶树>雪松>三角枫。(3)对于行人空间,H/W≤0.9,颗粒物浓度随高宽比的浓度增加,0.9≤H/W≤1.8时,颗粒物浓度随高宽比增加而降低。建筑高宽比变化对迎风面街道和背风面街道行人空间颗粒物分布具有不同影响,迎风面街道浓度随高宽比的增加而增加,背风面则先增加后降低。对于垂直面,迎风面墙壁浓度大于背风面。且随着高宽比的增加,垂直方向涡流作用逐渐增强,涡流变大。(4)三板四带式时,街谷内的涡流较一板两带式时大,且颗粒物浓度稍高于一板两带式时。H/W=0.45工况下,当行道树树龄为5年和10年时,三板四带式的颗粒物浓度降低率大于一板两带式时,而当行道树生长到30年时反而是一板两带式具有更大的降低率值。H/W=0.90工况下,三板四带式的颗粒物浓度降低率在三个生长阶段始终大于一板两带式。(5)街谷空间行道树的树高和树冠体积对行人空间PM10浓度降低率影响最大(R2>0.84)。行人空间PM10浓度降低率与树高,冠幅,LAI和树冠体积与具有较强相关性(R2>0.70),而与枝下高相关性较弱(R2=0.54)。颗粒物浓度降低率随树高,枝下高,树冠冠幅的增加先增加后稍有降低,随LAI和树冠体积增加逐渐增加。
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