Simulação do efeito da vegetação na qualidade do ar em zonas urbanas

Abstract

Nos últimos anos tem crescido, na comunidade científica, a importância atribuída aos estudos numéricos dos efeitos da vegetação no escoamento atmosférico, bem como o consequente impacte na qualidade do ar urbano. O presente trabalho pretende avaliar os efeitos da vegetação urbana na dispersão do monóxido de carbono (CO) e de partículas em suspensão de diâmetro aerodinâmico equivalente inferior a 10 μm (PM10) emitidos pelo tráfego rodoviário. As simulações de qualidade do ar realizadas reportam ao dia 5 de Maio de 2004. O domínio de cálculo engloba a Avenida 25 de Abril e zona envolvente, no centro da cidade de Aveiro. O presente trabalho focou-se na modelação numérica do efeito induzido pelas árvores no escoamento e na dispersão dos poluentes atmosféricos provenientes do tráfego rodoviário num street canyon urbano. O efeito induzido pela vegetação no escoamento traduz-se matematicamente pela adição de termos fonte às equações que governam o movimento, a energia cinética turbulenta e a dissipação. Para o estudo destes efeitos foi desenvolvida uma ferramenta numérica, designada por URVEGE, posteriormente introduzida num modelo de Computação da Dinâmica de Fluidos (CFD). A validação do modelo envolveu a intercomparação das simulações com o modelo comercial CFD FLUENT, com valores médios horários das concentrações de CO e PM10 medidos na estação de monitorização de qualidade do ar localizada no domínio de simulação, assim como a análise estatística dos resultados. A incerteza associada aos resultados das simulações para o CO determinou-se através dos objectivos de qualidade do ar estabelecidos pelo Decreto-Lei n.º 111/2002 de 16 de Abril, revelando uma melhoria no desempenho do modelo após a introdução do módulo para o efeito da vegetação. O desempenho do modelo revelou-se distinto para o CO e PM10, tendo sido obtidos melhores resultados no caso do CO. Os resultados das simulações mostram que a qualidade do ar à escala local depende fortemente da configuração do street canyon e das condições meteorológicas locais, mas também da presença de vegetação (através da sua localização, geometria e densidade de área foliar). As simulações mostram uma clara perturbação exercida pelas árvores no escoamento em street canyon e consequente impacte na dispersão. Em geral, a vegetação atenua a velocidade do vento promovendo a dispersão dos poluentes. No entanto, para determinados pontos do domínio de cálculo verifica-se que há um aumento da velocidade do vento provocado pelas árvores. Este aumento da velocidade do vento conduz à formação de áreas de recirculação, dificultando a dispersão dos poluentes emitidos, contribuindo para a formação de hot-spots. Estas conclusões reforçam a importância de integrar este tipo de conhecimento no planeamento urbano com o objectivo de optimizar o papel das áreas verdes no conforto e saúde humana.

ABSTRACT: In recent years, the scientific community has paid an increased attention to the numerical studies of the effects of vegetation on the atmospheric flow and the consequent impact on urban air quality. The current work aims to evaluate the potential impact of effects of urban vegetation in the dispersion of carbon monoxide (CO) and fraction of suspended particle matter with aerodynamic diameter less than 10 micrometer (PM10) emitted by road traffic. The carried out simulations of air quality relate to the 5th of May 2004. The study domain includes the Avenida 25 de Abril and surrounding area in the centre of Aveiro city. This work is focused on numerical modelling of the effect produced by trees on the flow and dispersion of air pollutants from road traffic in urban street canyon. The effect induced by trees on the flow is mathematically reflected by adding source terms to the equations governing moment, turbulent kinetic energy and dissipation. To study these effects we developed a numerical tool, called URVEGE subsequently introduced into a model of Computational Fluid Dynamics (CFD). The model validation involved the intercomparison of the CFD commercial package FLUENT simulations, with hourly average concentrations of CO and PM10 measured at air quality station located in the simulation field, as well as, the results statistical analysis. The uncertainty of the results for CO simulations was determined by the objectives of air quality established by Decreto-Lei no. 111/2002 of 16th April, showing an improvement in the model’s performance after the introduction of the vegetation effect module. The model’s performance proved to be different for CO and PM10, from which the better results were obtained for CO. The simulation results show that local air quality strongly depends on the street canyon configuration and on the local weather but also on the presence of trees (through its location, geometry and leaf area density). The simulation show a clear disturbance exerted by trees in the outlets at street canyon and the impact on dispersion. Generally, trees reduce wind speed by promoting the dispersion of pollutants. However, for certain parts of the field calculation we showed that there is an increase in wind speed caused by trees. The increase on wind speed leads to the formation of recirculation areas, preventing the dispersion of pollutants which contribute to the formation of hot-spots. These conclusions reinforce the importance of integrating this kind of knowledge in urban planning in order to improve the role of green areas in the comfort and health.