基于被动式植被屏障的行人呼吸高度空气质量优化研究：CFD模拟与实证分析

为解决城市街道峡谷中行人呼吸高度(成人及儿童)的NO2污染问题，研究人员通过CFD模拟结合现场测量，系统评估了全植被型、混合型及分段式屏障的空气净化效能。研究发现全植被屏障可使儿童和成人呼吸区污染物浓度分别降低70%和50%，而部分固体屏障会形成有害滞流点。该研究为城市绿色基础设施设计提供了重要理论依据。

　　

随着城市化进程加速，街道峡谷内机动车排放的NO₂等污染物在行人呼吸高度积聚，对公众健康构成严重威胁。儿童因身高较低更易暴露于高浓度污染环境，而传统树木绿化可能因阻碍通风反而加剧污染。这一矛盾促使研究者重新审视低矮植被屏障的潜在价值——这类介于刚性结构与高大乔木之间的绿化形式，能否在改善微气候的同时有效净化空气？

马耳他大学(University of Malta)的研究团队在《Sustainable Cities and Society》发表的研究中，创新性地采用计算流体力学(CFD)方法结合RNG k-ε湍流模型，对典型街道峡谷中不同配置的被动式屏障进行系统评估。研究选取马耳他G?ira地区的Rue D’Argens街道作为原型，通过3D超声风速仪获取实测数据验证模型，重点分析了全植被型(LAD=0.33 m^-1)、半固体半植被型(φ=0.5)及其分段式变体的空气动力学特性。

关键技术包括：1) 基于OpenFOAM-v2312平台的CFD模拟，采用atmPlantCanopyUSource模块实现植被拖曳力建模；2) 网格独立性分析(GCI<18%)确保数值精度；3) 大气边界层入口条件设定(U_ref=2 m/s)；4) 污染物浓度归一化处理(c⁺=cU_∞H/Q_s)实现数据标准化比较。

3.1 空气交换率
通过计算行人区体积流量发现，全植被屏障在背风侧产生最高空气交换率(2.21 m³/s)，而半固体屏障导致儿童呼吸区交换率骤降90%。这表明固体组分显著抑制污染物扩散。

3.2 污染物空间分布
浓度场可视化显示：全植被屏障使背风侧平均c⁺降低65%，峰值浓度降低95%；而半固体屏障在儿童呼吸高度(0.5-1 m)形成浓度热点，峰值较无屏障情形高两个数量级。

3.3 垂直浓度梯度
剖面分析揭示关键差异：全植被屏障呈现均匀的垂直分布，而半固体屏障在固体部分顶部(约0.5 m)出现浓度跃升，恰好与儿童呼吸区重叠。

3.5 单侧屏障效应
对比实验表明，仅设置背风侧屏障时，其对迎风侧的"保护距离"有限，双面配置才能实现最优效果。这颠覆了传统单侧绿化设计理念。

该研究首次系统论证了低矮全植被屏障在窄街道峡谷(H/W≈2.8)中的特殊价值：其多孔特性既能增强湍流混合又不阻碍主涡流发展，而固体组分则会产生有害滞流。特别值得注意的是，儿童呼吸区的改善幅度(70%)显著高于成人(50%)，这对校园、游乐场等儿童活动区域的绿化设计具有直接指导意义。研究同时指出，当前广泛采用的景观花盆(半固体结构)可能适得其反——这一发现促使城市规划者重新审视"形式优先"的传统绿化理念。未来研究可进一步纳入植被化学生物吸附效应及动态交通流的影响，以完善理论模型。