[发明专利]一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化设计方法

权利要求书

1.一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法，其特征为，所述方法包括以下步骤：

步骤一：确定街道所在城市及区域，通过计算机采集该城市至少近五年的气象数据，所述气象数据包括：太阳辐射角度α，太阳辐射时间T，太阳辐射强度I，当地的风速v和风向以及室外空气温度t_out；确定优化街道所在区域，所述区域包括：住宅区、商业区和文教区；确定街道所含基本元素，所述街道所含基本元素包括：建筑物类型、街道宽度、绿化分布及类型；步骤二：跟据所确定的街道所含基本元素，建立峡谷街道的物理模型；所述物理模型包括：人行道、非机动车道、机动车道、人行道与非机动车道树林隔离带、机动车道与非机动车道隔离带、机动车辆、街道两侧建筑；

步骤三：确定要优化的街道所在区域的输入参数，所述的输入参数包括：建筑与街道的高宽比及尺寸参数、建筑外表面材料物性、两侧隔离带绿化植被相关参数；

设置街道两侧建筑外表面材料及相关物性；即设置影响建筑外表面温度的对流换热系数与太阳辐射吸收率，依据建筑类型和具体建筑材料依次设置；所述的建筑外表面材料为陶瓷质外墙面砖、混凝土彩砖、釉面砖、通体砖、玻璃幕墙；其对流换热系数分别设为h_tc，h_hn，h_ym，h_tt，h_bl，太阳辐射吸收率分别设为a_tc，a_hn，a_ym，a_tt，a_bl；

设定隔离带内绿化植被类型及相关参数，所述绿化植被类型包括：人行道与非机动车道之间的隔离带树木，树木的高度、树冠类型、枝干形态以及叶面积指数；所述树冠类型包括：长柱形、椭圆形和球形；所述枝干形态包括：杯型、开心型、自然型；确定非机动车道与机动车道隔离带间的绿化植被类型；

步骤四：确定峡谷街道内空气污染物的来源；采集城市的街道车流量状况，计算得出各污染物的排放情况；所述的各污染物的排放情况的计算方式为：

首先根据街道的类型采集不同时间段内通过的小型轿车数量为n₁，公共汽车数量为n₂，大型载货货车数量为n₃，小型载货货车数量为n₄；

其次根据不同类型车辆的污染物排放情况计算该街道单位时间的污染物排放量；用m_ij来表示不同车辆污染物的排放情况，该变量下角标的i表示车辆种类，j表示排放污染物种类；其中：i＝1表示小轿车，i＝2表示公共汽车，i＝3表示大型载货货车，i＝4表示小型载货货车；j＝1表示单位时间的碳氧化合物排放量，j＝2表示单位时间的碳氢化合物排放量，j＝3表示单位时间的氮氧化合物排放量，j＝4表示单位时间的可吸入颗粒物排放量；用M_CO、M_CH、M_NO、M_颗粒分别代表碳氧化合物、碳氢化合物、氮氧化合物、可吸入颗粒物总排放量；

最后将各类型车辆通过街道的时间定为t_i；

由车流量与各类型车辆的污染物排放量可得到街道污染物的排放量：

步骤五：建立城市街道温度场、速度场和浓度场模拟计算模型，包含质量、动量和能量守恒方程、组分输运模型及湍流计算模型，

其中，所述的质量守恒方程为：

式中：ρ为密度，t为时间，u、υ、ω为速度矢量在x、y、z方向上的速度分量；

所述的动量守恒方程为：

式中：p为微元体上的压力，τ_xx、τ_yx、τ_zx、τ_xy、τ_yy、τ_zy、τ_xz、τ_yz、τ_zz是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量，F_x、F_y、F_z为微元体上的体力；

所述的能量守恒方程为：

式中：C_s为比热容，T为温度，k为流体的传热系数，S_T为流体的内热源及由粘性作用流体机械能转化为热能的部分；

所述的组分输运模型为：

其中：c_s为组分S的体积浓度，D_S为该组分的扩散系数，S_S为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量位体积通过化学反应产生的该组分的质量；

所述的湍流计算模型为：

其中，k方程为：

ε方程为：

其中：μ_t为湍动粘度系数，C_μ为经验常数，σ_ε、σ_k分别为ε与k所对应的Prandt1数，C_1ε、C_2ε为模型常数；

步骤六：通过气象参数和建筑外表面材料的选择，给定建筑外墙温度T₁和地面温度T₂；在建立的峡谷街道模型中，输入各项气象参数以及机动车辆的污染物排放量，模拟街道各污染物的扩散情况；在模拟软件的求解计算中，通过求解以上的守恒方程组，即可得出室外参数数据，所述参数数据包括：速度场、温度场、浓度场，通过这些数据分析城市街道的通风情况以及污染物的扩散情况；

步骤七：根据模拟得到的污染物的扩散情况计算街道各污染物浓度的日均值；

再由基本计算式：

计算出碳氧化物CO、碳氢化合物HC、氮氧化物NO_x以及可吸入颗粒物的污染指数I_CO、I_HC、I_NO、I_颗粒物；

式中，I为污染物的污染指数，C为该污染物浓度的日均值；C_B与C_L是在API分级限值表中最贴近C值的两个值，C_B为大于C的限值，C_L为小于C的限值；I_B与I_L是在API分极限值表中最贴近I值的两个值，I_B为大于I的值，I_L为小于I的值；

则该区域的空气污染指数公式为：

I＝z₁I_CO+z₂I_HC+z₃I_NO+z₄I_颗粒物

其中，z₁、z₂、z₃、z₄分别为四种污染物污染指数I_CO、I_HC、I_NO、I_颗粒物的权重系数，它们的数值大小根据不同污染物对环境的影响力来确定，z₁、z₂、z₃、z₄的和为1；

设街道模型下的空气污染指数为I₁；计算给定组合下街道的I_CO、I_HC、I_NO、I_颗粒物，由此求得街道模型下的空气污染指数I₁；

步骤八：改变组合条件，即街道高宽比、建筑外表面材料，以及隔离带绿化植被的选择，建立新的街道模型；

重复步骤五至七，计算不同组合条件下的街道空气污染指数，记I_x为不同组合条件下的空气污染指数，x为不同街道高宽比、建筑外表面材料以及两个隔离带绿化植被选择三个条件中每个条件任选一个参数，三个条件的参数随机组合；

步骤九：得到最优的峡谷街道模型；空气污染指数越小，表示该区域空气质量状况越好，所以峡谷街道模型的最优结果选取为：

I_最优＝Min{I₁、I₂、I₃、I₄…………}

I_最优对应的随机组合条件，即对应的街道高宽比，建筑外表面材料以及两侧隔离带内绿化植被设计；为最优的峡谷街道模型。