街區(qū)尺度不同綠化覆蓋率對PM10、PM2.5的消減研究
——以武漢主城區(qū)為例

戴 菲 陳 明 朱晟偉 陳 宏 傅 凡

顆粒物空氣污染是全球快速城鎮(zhèn)化進程中面臨的共同挑戰(zhàn)，高密度的城市形態(tài)、工業(yè)化與私家車普及，使顆粒物空氣污染問題尤其嚴重。中國傳統(tǒng)的城市顆粒物空氣污染研究主要關(guān)注的是工業(yè)污染產(chǎn)生較多的PM10，而以PM2.5為代表的細顆粒物從2013年以后才普遍納入監(jiān)測范圍[1]。近年來城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的興起成為消減空氣顆粒物的有效途徑之一。2013年《風(fēng)景園林》雜志曾推出專題討論“PM2.5和綠色基礎(chǔ)設(shè)施”，來自政府、高校、設(shè)計機構(gòu)等全國知名專家，都呼吁通過發(fā)展城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對顆粒物空氣污染[2-6]。專家們從規(guī)劃設(shè)計策略方面提出了許多很有價值的建議，但是城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間布局與顆粒物濃度之間的深層量化關(guān)系規(guī)律尚無研究成果揭示。

城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施是由自然區(qū)域和其他開放空間互相聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)組成，強調(diào)保存自然生態(tài)系統(tǒng)的價值和功能，以維持潔凈的空氣和水體[7]。微觀而言，綠色基礎(chǔ)設(shè)施的綠色植物是天然而優(yōu)良的“吸塵器”。宏觀而言，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是低投入、高回報的消減顆粒物的策略。

基于課題組長期的數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析發(fā)現(xiàn)，籠罩在“蒼穹”之下深受霧霾危害的城市，在城市街區(qū)中顆粒物濃度存在顯著的差異性。與城市尺度相比，街區(qū)尺度的顆粒物污染更易于通過規(guī)劃設(shè)計手段得到改善，包括控規(guī)層面的城市綠化指標(biāo)控制、城市景觀設(shè)計中的綠地與開放空間規(guī)劃設(shè)計等[8]。

目前，針對緩解顆粒物污染的研究，微觀方面的園林植物成果較多，而中、宏觀方面的研究，國內(nèi)外均成果有限。宏觀方面的研究處于起步階段，主要通過城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃或建立通風(fēng)廊道，連通城市綠色空間，以改善顆粒物空氣污染[9-11]。中觀方面的研究主要集中于綠地的單一用地類型。研究表明，城市綠地內(nèi)PM10濃度比綠地外低28%[12]，城市綠地中高綠化覆蓋率能在一定程度上降低PM10濃度[13-15]，面積在50hm2以上的綠地降塵(PM2.5)效果比較明顯[16]。而構(gòu)成城市肌理的普通街區(qū)，用地類型混合，雖然量大面廣，研究卻涉及不多。

本研究以武漢市為例，將研究對象從城市綠地推廣到普通的街區(qū)，探索不同綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的深層量化關(guān)系規(guī)律。為了研究成果在控制性詳細規(guī)劃、綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計中的有效運用，研究重點揭示以下關(guān)鍵內(nèi)容。

1)在普遍的城市街區(qū)，不同綠化覆蓋率與顆粒物空氣污染濃度是否存在關(guān)聯(lián)性？

2)增加街區(qū)尺度的綠化覆蓋率能多少程度地改善顆粒物空氣污染？

3)增加街區(qū)尺度的綠化覆蓋率能多大范圍顯著改善顆粒物空氣污染？

1 研究區(qū)概況

武漢市位于江漢平原東部，江河穿城、山湖遍布，綠地資源豐富，截至2015年底，建成區(qū)綠化覆蓋率達39.65%。顆粒物污染主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、燃煤、機動車和揚塵[17]，武漢市環(huán)保局發(fā)布的《2015武漢市環(huán)境狀況公報》顯示，2015年武漢市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)為192d，其中優(yōu)33d、良159d，輕度污染124d、中度污染30d、重度污染16d、嚴重污染3d。武漢市高密度的城市形態(tài)與嚴重的顆粒物空氣污染，反映了大城市的典型特征。

主城區(qū)設(shè)置了2個課題組自測點與8個國控監(jiān)測點(表1，圖1)。國控點輻射范圍達5km，通過優(yōu)化布點法較均勻分布于主城區(qū)[18]，但在其東南方仍有較大未被覆蓋的區(qū)域，因此于華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃設(shè)計研究院(以下簡稱華中大設(shè)計院)與南四教學(xué)樓(以下簡稱華中大南四樓)設(shè)置2處自測點。自測點均用2臺LD-5S激光粉塵儀分別監(jiān)測PM10、PM2.5濃度。不受城市用地邊界限制，研究以監(jiān)測點為圓心，直徑1 000m范圍形成的街區(qū)為研究對象。

2 研究方法

2.1 顆粒物監(jiān)測

PM10、PM2.5濃度數(shù)據(jù)一方面來源于華中大站的LD-5S激光粉塵儀的長期監(jiān)測，該儀器在科研中應(yīng)用廣泛，每臺儀器間隔1min測得一組數(shù)據(jù)，一個測量周期最多可測得9 999組。另一方面通過武漢市環(huán)境空氣質(zhì)量實時發(fā)布系統(tǒng)(http://gis.hbj.wuhan.gov.cn:8088/Air/Default.aspx)，可獲得主城區(qū)國控點PM10、PM2.5濃度的逐時數(shù)據(jù)。根據(jù)武漢2015全年的污染情況，以10%的抽樣比例選取全年每月晴朗、無(微)風(fēng)天氣下2～4d不同污染等級數(shù)據(jù)，分別得到3、16、12、3、2d(總計36d)優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染條件下的PM10、PM2.5濃度。

為了了解10片街區(qū)的污染特征。分別將10片街區(qū)的36天PM10、PM2.5值進行平均，分析整體污染情況；再分別將10片街區(qū)36d中同一污染等級的PM10、PM2.5值進行平均，分析不同污染等級下各監(jiān)測點的污染特征(圖2、3)。結(jié)果顯示，10片街區(qū)的PM10、PM2.5濃度具有較大的差異性與相似的變化趨勢，差異性隨著污染等級的增大而增大。顆粒物濃度最低的華中大與其他街區(qū)之間存在較大差異，較高值出現(xiàn)在人流交通集中的青山鋼花、漢口花橋、武昌紫陽，較低值出現(xiàn)在公園綠地較多的漢口江灘、東湖梨園。

圖1 武漢市主城區(qū)10個監(jiān)測點分布圖

表1 10片直徑1 000m街區(qū)基本情況

2.2 遙感影像提取

隨著影像分辨率的提高，傳統(tǒng)基于光譜信息的提取技術(shù)在精細的街區(qū)尺度不再適用，應(yīng)采用面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惣夹g(shù)[19]，該技術(shù)在風(fēng)景園林領(lǐng)域中也有所應(yīng)用[20-21]。其原理是基于多分辨率對象分割方法生成圖像對象，再通過一些指標(biāo)將不同地物區(qū)分開來，例如形狀指數(shù)(shape index)、緊湊度(compactness)、面積(area)、長寬比(length/width)等。

將幾何校正后的遙感影像在eCognition Developer8.9軟件中，通過多尺度分割影像、計算影像分類特征指標(biāo)(NDVI作為綠地的分類特征指標(biāo))、確定分類類別、選擇樣本、結(jié)果輸出等步驟，提取綠色基礎(chǔ)設(shè)施以及其他地物，最后結(jié)合人工目視解譯，優(yōu)化提取結(jié)果。

從GoogleEarth中分片下載2015年7月29日10片街區(qū)0.5m像素分辨率影像圖，運用上述方法提取綠色基礎(chǔ)設(shè)施，從而計算各片街區(qū)的綠化覆蓋率(表2)。

結(jié)果顯示，有著“森林大學(xué)”之稱的華中大綠化覆蓋率最高，達到54.83%～65.63%，武昌紫陽、漢陽月湖位于公園內(nèi)或附近，其綠化覆蓋率也相對較高，其余大多分布在20%～30%，最低的在沌口新區(qū)，僅18.74%。

2.3 數(shù)據(jù)分析

1)揭示綠化覆蓋率與顆粒物濃度之間是否存在關(guān)聯(lián)性。在SPSS19.0中分別對整體與不同污染等級的PM10、PM2.5平均濃度與綠化覆蓋率進行雙變量相關(guān)分析，得到6組綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)，識別綠化覆蓋率與顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)強弱。

2)揭示增加街區(qū)尺度的綠化覆蓋率能多少程度改善顆粒物空氣污染?；诰G化覆蓋率與PM10、PM2.5的相關(guān)性，以PM10、PM2.5濃度為因變量，綠化覆蓋率為自變量，進行線性回歸分析，并結(jié)合武漢市當(dāng)月的PM10、PM2.5平均濃度，揭示在城市整體污染水平條件下，街區(qū)范圍內(nèi)綠化覆蓋率的提升對顆粒物濃度的消減效果。

3)揭示增加街區(qū)尺度的綠化覆蓋率能多大范圍顯著改善顆粒物空氣污染。以各監(jiān)測點為圓心，以100m為單位將直徑1 000m的街區(qū)逐級遞減劃分成900、800至100m，計算10組不同街區(qū)尺度的綠化覆蓋率，并將其與PM10、PM2.5濃度進行相關(guān)分析，得到10組相關(guān)系數(shù)(RGC-PM10、RGC-PM2.5分別表示綠化覆蓋率與PM10、PM2.5的相關(guān)系數(shù))。以各組相關(guān)系數(shù)為因變量，以不同街區(qū)范圍為自變量，分析對顆粒物濃度影響最顯著的街區(qū)范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的關(guān)聯(lián)性

通過SPSS的雙變量相關(guān)分析，得到綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的皮爾森相關(guān)系數(shù)(表3)。整體來看，綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度均在P＜0.01水平上顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達-0.873與-0.815。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)意義，當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.8以上，2個變量高度相關(guān)，說明綠化覆蓋率對PM10、PM2.5濃度的影響極其顯著。綠化覆蓋率越高，PM10、PM2.5濃度越低，綠色基礎(chǔ)設(shè)施消減PM10、PM2.5的效果越明顯。

表2 10片直徑1 000m街區(qū)的綠化覆蓋率

圖2 10個監(jiān)測點PM10污染特征

圖3 10個監(jiān)測點PM2.5污染特征

在不同污染等級下，綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度基本均在P＜0.01水平上顯著負相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)隨污染等級的加強均呈先增加后減小的變化趨勢。其中，PM10相關(guān)系數(shù)在輕度污染時達到最高-0.896，PM2.5相關(guān)系數(shù)在中度污染時達到最高-0.852，說明在輕、中度污染時，綠化覆蓋率對PM10、PM2.5濃度的影響更顯著。

3.2 不同綠化覆蓋率對PM10、PM2.5濃度的消減效果

1)綠化覆蓋率的提高對PM10、PM2.5的整體消減效果。

基于10片街區(qū)的綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度整體污染特征得到二者的回歸模型，綠化覆蓋率與PM10之間的回歸方程為：y=-145.212x+155.025；與PM2.5之間的回歸方程為：y=-52.909x+81.228。武漢市2015年平均PM10濃度(105μg/m3)所對應(yīng)的綠化覆蓋率接近于21.60%。當(dāng)綠化覆蓋率上升到65.63%時，PM10下降43.12%；當(dāng)綠化覆蓋率下降到18.74%時，PM10濃度會升高21.73%，綠化覆蓋率每增加10%，可降低PM10濃度13.83%。同理，對PM2.5的消減達7.58%。同時可知，綠色基礎(chǔ)設(shè)施對PM10的消減作用強于PM2.5，這與趙松婷[22]、包鵬威[23]通過實驗對植物葉片滯留PM10、PM2.5的質(zhì)量研究結(jié)果相符。

圖4 不同污染等級下綠化覆蓋率對PM10、PM2.5的消減效果

圖5 不同污染等級的RGC-PM10變化規(guī)律

表3 綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的相關(guān)性

表4 回歸分析

研究結(jié)果表明，綠地對PM10、PM2.5的消減率可能較高。一方面，綠化覆蓋率代表二維指標(biāo)，而實際中綠地發(fā)揮消減顆粒物作用是通過三維綠量。另一方面，由于部分街區(qū)中存在一定面積的湖泊或池塘，對PM10、PM2.5也產(chǎn)生一定的消減作用。因此整體消減率較高，但符合綠地消減顆粒物的正常規(guī)律。

2)不同污染等級下綠化覆蓋率的提高對PM10、PM2.5的消減效果。

以不同污染等級下綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的線性回歸模型為依據(jù)(表4)，計算提升10%綠化覆蓋率對PM10、PM2.5濃度的消減比率(圖4)。

由圖4可知，隨著污染等級的增加，綠色基礎(chǔ)設(shè)施對PM10、PM2.5的消減能力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，分別在輕、中度污染與中、重度污染時消減效果最好，綠化覆蓋率增加10%，可降低PM10、PM2.5濃度19.56%、13.68%。繼續(xù)增加污染等級，綠色基礎(chǔ)設(shè)施的消減能力有所下降，且對PM10、PM2.5的消減量逐漸趨同。一方面，隨著污染程度的增加，植物葉片蠟質(zhì)層逐漸消失、表面粗糙度增加以及絨毛增長等變化能夠滯留更多的顆粒物[24]，但植物對顆粒物的消減存在一定的閾值，超過一定濃度后滯留量達到飽和，消減效果也會減弱。另一方面，在污染程度較嚴重時，由于降雨頻率低、降雨量小等因素，雨水沖刷葉片機會降低，導(dǎo)致植物缺乏反復(fù)吸附顆粒物的循環(huán)自凈能力。盡管如此，由于綠色基礎(chǔ)設(shè)施消減顆粒物能力較強的輕度污染天氣占全年總天數(shù)的比例較高，且重度污染條件下，綠色基礎(chǔ)設(shè)施的消減能力也僅緩慢下降，對PM10、PM2.5的消減效果仍然十分明顯。

3.3 綠化覆蓋率影響PM10、PM2.5顯著的街區(qū)尺度

為了進一步揭示不同大小的街區(qū)綠化覆蓋率影響顆粒物濃度的能力是否有差異性，研究分析不同街區(qū)尺度范圍綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)(RGC-PM10、RGC-PM2.5)變化規(guī)律特征，以利于規(guī)劃中確定適宜管控的街區(qū)尺度(圖5、6)。

不同污染等級下RGC-PM10、RGCPM2.5均呈現(xiàn)“先增大后減小”的變化趨勢，在范圍達到200m后，綠化覆蓋率與顆粒物濃度開始呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P＜0.05)。總的來看，500m與600m范圍內(nèi)，RGCPM10、RGC-PM2.5分別達到最高-0.971與-0.881(P＜0.01)，綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度的相關(guān)性最強，此后隨著街區(qū)尺度的增加，RGC-PM10、RGC-PM2.5開始緩慢減小，因此通過提升綠化覆蓋率能在500～600m的街區(qū)內(nèi)對PM10、PM2.5濃度的消減效果最好。但在600～1 000m之間的街區(qū)，其相關(guān)性仍然顯著，基本上大于-0.8(P＜0.01)，綠色基礎(chǔ)設(shè)施對PM10、PM2.5的消減效果也相當(dāng)明顯。

4 結(jié)論與討論

4.1 總結(jié)

本研究對武漢市10片街區(qū)代表綠色基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量指標(biāo)的綠化覆蓋率與PM10、PM2.5濃度進行了全面分析。運用eCogniton軟件，高精度地解譯街區(qū)尺度遙感影像。研究成果為消減顆粒物空氣污染的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計方法提供了重要的支撐依據(jù)。

1)研究證實了在普通的直徑1 000m的城市街區(qū)，綠化覆蓋率與顆粒物濃度之間存在著強烈的關(guān)聯(lián)性。兩者之間負相關(guān)系數(shù)高達0.8以上，而且，城市街區(qū)在一年中面臨從優(yōu)到重度污染的5個等級狀態(tài)下，相關(guān)性均較高。

2)研究首次得出城市綠化覆蓋率與顆粒物濃度之間的回歸方程。在直徑1 000m的街區(qū)中，綠化覆蓋率與PM10、PM2.5之間的回歸方程分別為：y=-145.212x+155.025(R2=0.763)、y=-52.909x+81.228(R2=0.665)。因此只要提高10%左右的城市綠化覆蓋率，就可以消減13.83%的PM10與7.58%的PM2.5濃度。而城市的年均顆粒物濃度水平基本反映了綠化覆蓋率為21.60%的街區(qū)污染狀況。

研究進而得出在不同污染等級下，綠化覆蓋率與顆粒物濃度之間的回歸方程。綠化覆蓋率增加10%，在輕度污染與中度污染時對PM10的消減效果最強，達19.56%；在中度污染與重度污染時對PM2.5的消減效果最強，達13.68%。

3)研究發(fā)現(xiàn)不同規(guī)模的街區(qū)，增加綠化覆蓋率以消減顆粒物濃度的效果具有差異性。當(dāng)街區(qū)的直徑范圍達到200m時，調(diào)節(jié)能力開始顯著；達到500～600m時，調(diào)節(jié)能力達到最強。而500～600m直徑的城市街區(qū)恰好屬于由城市次干道劃分的小區(qū)規(guī)模，結(jié)合城市控規(guī)中街坊尺度的劃分，具有較高的實用性。

圖6 不同污染等級的RGC-PM2.5變化規(guī)律(注：當(dāng)相關(guān)系數(shù)高于-0.68時，相關(guān)性顯著)

4.2 改善顆粒物污染的規(guī)劃設(shè)計策略

1)如何消減城市的顆粒物空氣污染，改善城市的霧霾現(xiàn)象，眾多學(xué)科不斷創(chuàng)新探索。建筑學(xué)科關(guān)注建筑節(jié)能，城市規(guī)劃學(xué)科關(guān)注產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、交通調(diào)整、空間形態(tài)等。但是能清晰揭示顆粒物濃度與各影響因素之間深層量化規(guī)律的研究極為少見。從風(fēng)景園林學(xué)科而言，本研究證實增加以綠化覆蓋率為代表的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量，是消減顆粒物濃度非常關(guān)鍵而高效的規(guī)劃策略之一。

2)在總體規(guī)劃層次加強城市整體綠色基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的同時，重點需要在控制性詳細規(guī)劃階段，加強街區(qū)尺度綠色基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃管控。在城市控制性詳細規(guī)劃中，適宜采用500～600m直徑的小區(qū)規(guī)模為控制單元。結(jié)合著城市道路、水體等界限的劃分，控制單元的用地規(guī)模大約在25～36hm2之間。在控規(guī)指標(biāo)制定時，應(yīng)充分考慮以綠化覆蓋率、綠地率、綠地面積等為代表的自然環(huán)境容量指標(biāo)。

3)提高城市高密度建成區(qū)的綠化覆蓋率更為直接有效?？紤]到城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施消減顆粒物空氣污染的影響范圍，在城市周邊建設(shè)大規(guī)模建設(shè)綠地的效果不如直接設(shè)法提高城市中心區(qū)的綠化覆蓋率。在城市高密度的建成區(qū)中，相對于綠地率而言，綠化覆蓋率的大幅度提升更易于實現(xiàn)。在高密度城市街區(qū)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃管控中，建議重點強化兩方面的措施：一是保護與增加小區(qū)和道路中附屬綠地的高大喬木，生長成型后的高大喬木形成寬闊的樹冠空間，能織補綠色肌理和串聯(lián)綠色廊道；二是加強立體綠化，主要通過豎向景觀界面的營造，例如以屋頂綠化、垂直綠化等方式增加綠量，提高綠化覆蓋率。

4.3 研究展望

本研究主要是關(guān)注以綠化覆蓋率為代表的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量變化調(diào)節(jié)顆粒物空氣污染的能力。后續(xù)的研究可將街區(qū)內(nèi)的水體、建筑容量、交通等因素考慮在內(nèi)，消除下墊面的影響，使研究結(jié)果更科學(xué)。還將繼續(xù)關(guān)注綠色基礎(chǔ)設(shè)施的空間形態(tài)對顆粒物濃度的影響，從街區(qū)層面不同的景觀格局指數(shù)著手，通過多元線性回歸分析提取對顆粒物濃度影響最顯著的空間形態(tài)特征指標(biāo)，為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的空間形態(tài)規(guī)劃設(shè)計提供指導(dǎo)。

注：文中圖片、表格均由作者繪制。