通过模拟探索绿化对城市空气污染的影响

在许多人口密集的城市，空气污染逐渐成为严重影响人们健康的问题。如何减轻空气污染成为人们需要考虑的问题。其中一种方法是种植绿色植物。在使用此方法之前，必须制定有效的改善空气质量的策略，并确定最佳的实施方案。为此，研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件创建了一个模型，以了解不同类型的绿色植物如何减轻城市的空气污染。

播种植物种子以改善城市峡谷的空气质量

你是否曾经走在城市街道上，感觉自已被周围的高楼大厦环绕，显得自己很渺小, 就好像走在一个人工建造的峡谷上一样。这种类型的环境有个名字：城市（或街道）峡谷。当街道两旁都被高高的建筑物包围时，就会形成一个类似于峡谷的环境，即城市峡谷。

城市峡谷的入口。图片由 Kanwar Sandhu 提供自己的作品。通过 Flickr Creative Commons 在 CC BY-SA 2.0 下获得许可。

在人口密集地区的城市峡谷中，空气污染是一个大问题。根据 世界卫生组织（WHO）的数据，在监测空气污染城市地区生活的人们，有80％以上地区的空气质量水平超过了 WHO 的限制。如此糟糕的空气质量可能导致城市居民面临各种健康问题。为了解决这个问题，需要制定以减少空气污染和恢复空气质量为重点的城市规划和设计策略。其中一种可能的方法是在城市峡谷中增加植被和绿化。

沿城市街道的树木。图片由 La Citta Vita 提供自己的作品。通过 Flickr Creative Commons 在 CC BY-SA 2.0下获得许可。

植被可以吸收和保留细微的尘埃颗粒和气体污染物，影响污染物的沉积和扩散，从而改善空气质量。在城市峡谷中增加绿化还有其他好处，比如改善建筑能效，减少城市的热岛效应以及管理雨水径流等。此外，绿色植被在美学上也可以让人感觉心情愉悦。

虽然最新的研究已经确定了通过种植绿色植被来改善空气质量，但在实施之前，还需要更多了解一些有效性和用途的信息。例如，植被的大小，形状和单个植物的特征（如叶片大小和孔隙率）都会影响其有效性。

基于此需求，热那亚大学（ Genova University ）和博洛尼亚大学（ Bologna University）的研究人员进行了一项模拟研究，以了解绿色植物如何减少城市峡谷的空气污染。同时，他们还比较了不同类型的绿化和风速对城市空气质量的影响。下面，让我们来看看他们的工作成果。

模拟研究绿色植物对城市空气污染的影响

研究小组利用 COMSOL Multiphysics® 软件的CFD模块，模拟了一条 20米宽，100 米长的直路，其两侧被连续的建筑物包围，如下图所示。这些建筑物的高度均为 20 米，在下图以浅灰色显示。在他们的分析中，由于对称性，该团队只需要考虑几何模型的一半。

空气从入口（标记为1）流入模型，并沿道路的主轴线移动，然后从出口（标记为2）流出。为了帮助减少因绿色植物造成的污染，我们假设进入的空气是无污染的。

城市峡谷模型的几何形状。图片由 S.Lazzari，K.Perini，E.Rossi di Schio 和 E.Roccotiello 拍摄，摘自其 COMSOL用户年会2016慕尼黑论文。

为了进一步简化其模型，研究人员没有考虑汽车在城市峡谷内流动所造成的破坏。然而，这并不意味着汽车被完全忽略掉了。由于乘用车是道路污染的主要来源，该团队把这方面的研究重点集中于一种主要的汽车污染物：二氧化碳（CO ₂）。该污染物在体积 V _c（图上用红色表示）内均匀生成，并通过对流和扩散进行传输。该体积位于道路中间，宽度为5 米，高度为0.5 米。

绿色植物被模拟为被空气饱和并能够吸收污染物（稀物质）的达西多孔介质。通过改变孔隙率和渗透率以及还原反应的值，该团队可以根据所需的植物种类调整模型。这种灵活性使他们能够很容易地研究不同的植物种类和绿化形状。例如，在这项研究中，他们分析了两种不同的绿化形状：

1. 厚度为 0.3 米的连续绿色立面
2. 高 1.5 米、宽 1 米的连续树篱

除了这两个几何形状外，还使用了第三个几何图形 ——“透明”峡谷（有污染但没有植物）来进行比较。

显示连续绿色立面（左）和树篱（右）的几何形状截面图。S. Lazzari，K。Perini，E。Rossi di Schio和 E. Roccotiello 的图像，摘自其 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑论文。

分析绿化形状和入口处风速对空气污染物浓度的影响

利用该模型，研究小组比较了入口速度分别为 0.5 m / s 和 3 m / s 的透明峡谷、绿色立面和绿色树篱的污染物浓度，结果如下表所示。

入口进气速度为 0.5 m / s 时，三种几何形状的污染物浓度（单位：mol / m ³）。

入口进气速度为 3 m / s 时，三种几何形状的污染物浓度（单位：mol / m ³）。

初步结果表明，绿色植物对减少城市峡谷的总体污染有积极作用，而且（显然）更快的风速也会降低总体污染量。对于两种不同的植物类型，研究小组发现绿色立面比绿色树篱更能减少污染。

绿色树篱的网格（左）和风速为 3 m / s的绿色树篱的风速分布（右）。S. Lazzari，K。Perini，E。Rossi di Schio和 E. Roccotiello的图像，摘自其 COMSOL 用户年会2016慕尼黑论文。

对于这些研究人员而言，这项分析是利用绿色植物来改善密集城市地区空气质量的研究中的第一步。将来，该小组打算进行更多的数值和实验研究，包括研究植物在创新室中的陷阱效应。他们希望借助这些实验数据进一步改进其模型。

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