道路綠化隔離帶消減顆粒物效應及配置參數研究

陳小平

汪小爽

周志翔*

隨著城市化進程的加快和機動車輛擁有量驟增，交通污染業(yè)已成為全球大多數國家城市空氣顆粒物的主要來源之一[1-4]。由于顆粒物對人體健康和空氣質量的影響，給人們的日常生活、工作、出行都帶來了嚴重困擾[5-7]。除了控制機動車數量和排放強度，改善油質以及采用新能源汽車等措施外，道路綠化帶因其可以影響含顆粒物氣流的擴散以及綠化帶中的植物可通過其樹冠和粗糙葉面滯留顆粒物，也被諸多學者認為是一種改善街道空氣質量的有效且經濟地方式[8-12]。

目前關于道路綠化隔離帶(機動車道與非機動車道間的分隔帶)調控街道空氣質量的研究主要有模型模擬和實驗測定2種研究思路[7，11-22]，且由于現實條件(街道結構、污染程度、植被配置、微氣候等)復雜，模型模擬研究較多，而實驗測定研究非常少。絕大部分模擬研究是基于理想化的街道環(huán)境，只考慮了植物對于含顆粒物氣流的阻擋作用而忽視了其吸附及沉降作用，忽視了街道植物對微氣候的影響，也未考慮因機動車行駛導致的街道氣體流動對顆粒物擴散的影響；且模型模擬的結果間存在一定的矛盾，部分研究發(fā)現街道綠化導致街道空氣質量惡化[13，23-24]，部分研究發(fā)現街道綠化可以改善空氣質量[11，15，25]。相對于模型模擬結果來說，目前的實驗測定相關結果均顯示道路綠化隔離帶能夠有效地改善街道空氣質量[7，16，20-22，26]。

綠化隔離帶對顆粒物的調控作用主要是受其植物配置及樹種組成的影響，但現有的研究中關于道路綠化帶配置結構的大多數研究僅限于定性的描述[7，20，22，27-28]，如喬灌草、喬灌、灌木、灌草、草地等，而不同生活型植物(喬木、灌木)的區(qū)別很模糊且變化范圍較大，很少有研究定量化地分析綠化帶垂直結構。此外，由于綠化隔離帶位置特殊且寬度較窄，其垂直結構顯得更加重要。

本研究擬以垂直于主導風向的城市干道綠化隔離帶為研究對象，通過測定綠化隔離帶前后不同粒徑顆粒物(TSP、PM10和PM2.5)的濃度，定量分析道路綠化隔離帶對街道顆粒物濃度的消減作用；并提出用分層疏透度來表征綠化隔離帶的垂直結構特征，分析其與顆粒物濃度消減效果的關系，以期為城市道路綠化隔離帶設計及優(yōu)化提供依據。

1 研究方法

1.1 研究地點的選擇

實驗點選擇在湖北省武漢市市區(qū)進行(圖1-1)。武漢市屬于北亞熱帶濕潤性季風氣候區(qū)，常年雨量充沛，雨熱同季。以夏季最長約130d，且高溫高濕，春秋二季各約60d。年降水量在1150～1450mm之間，全年平均氣溫15.8～17.5℃。夏季主導風向為東南風，且根據統(tǒng)計資料，武漢市1990—2009年間靜風(風速小于0.2m/s)頻率達到了28%。基于360衛(wèi)星地圖模式，挑選具有道路綠化隔離帶的西南—東北走向的城市干道，并基于實地踏勘，進一步甄選和落實研究街道。所有樣帶在同一條道路上，則可認為街道結構、街道環(huán)境、車流量等近似一樣，在選擇樣帶的時候排除街道結構差異較大的樣帶。綜合以上選擇方法，最終確定了綠化隔離帶配置較豐富且生長較好，車流量較大的和平大道為研究地點(圖1-2)。

1.2 樣帶的選擇

在樣帶的選擇過程中，以垂直結構(疏透度)存在明顯差異的綠化隔離帶樣帶為主，結構類型(喬灌草、喬灌、灌木等)為輔；此外，樣帶的選取需避開道路交叉口和綠化隔離帶開口的位置(樣帶距道路交叉口或綠化隔離帶開口處至少15m)，且周邊環(huán)境無其他明顯污染源，道路交通可認為是街道顆粒物的主要來源。每條樣帶的長度設置為10m，其具體寬度以實際測定為準(本研究中為3.5m左右)。最后通過實地調查和甄選，本研究選取了垂直于主導風向的24條樣帶為研究對象。具體的樣帶位置、街道特征及綠化隔離帶信息見表1。

1.3 采樣點設置

圖1 采樣點布置圖(1-1底圖引自中國科學院資源與環(huán)境科學數據中心)

根據空氣動力學原理，顆粒物一般由機動車道向兩側非機動車道和人行道擴散。因此，本研究中選取機動車道一側為對照點，非機動車道一側為采樣點[17，27]。采樣點全部安置在道路下風向，并分別在1/3和2/3處設置2組測定點，具體位置安排如圖1-3所示。

1.4 顆粒物采樣方法

本研究中實驗的測定時間段主要在2016年6—8月。之前的研究成果及實地觀測結果顯示，樣區(qū)9：00—16：00間車流量相對比較穩(wěn)定，為了避免樣點之間因為車流量的差異而影響實驗測定結果，因此每天的測定時間選擇在9：00—16：00之間。如遇下雨天氣，雨后3d再測。

街道空氣顆粒物濃度測定采用的是A E R O C E T 531 S 手持式粉塵儀(美國MetOne)，該儀器可同時測定TSP、PM10、PM2.5等的濃度。采樣時，測定點距地面1.5m，采樣點和對照點同時采樣，每組測定點分別測定5次，10個測量值的平均值作為該樣帶的測量值。在儀器測定過程中，進氣口均朝向機動車道方向，同時盡可能避免人為抖動。

為了定量地體現道路綠化隔離帶對TSP、PM10、PM2.5等粒徑顆粒物濃度的消減效果，消減效率(P)公式如下[16-17，26]：

式中：P代表消減效率，Cs表示對照點(機動車道一側)濃度，Cm表示采樣點(非機動車道一側)濃度。

1.5 道路綠化隔離帶結構特征表征方法

疏透度是表征綠化帶空間配置的重要參數，可以定量地體現其垂直層面上的植物分布情況[28]。在參考Van Renterghem和Botteldooren[29]以及胡喜生等[28]研究方法的基礎上，本研究提出了分層疏透度，即將所有樣帶以其實際高度納入到同一標準下研究，并根據其實際高度進行分層處理。在測定過程中，在樣帶一側放置一根2m高的標桿，然后拍攝其垂直面照片，并基于標桿的高度校正綠化帶的實際高度，最后利用數字圖像法分析不同高度層次綠化隔離帶的疏透度。

2 結果與分析

2.1 道路綠化隔離帶垂直結構特征

研究中24條道路綠化隔離帶分層疏透度如表2所示。疏透度值越大，說明對應層次的配置結構越稀疏，反之越小說明配置結構越緊密。從表2中可以看出，不同樣帶間不同層次疏透度差異比較大，說明所選的樣帶間植物配置情況區(qū)別度較大，如喬灌草結構的綠化隔離帶在0～2、2～4、4～6、6～8m高度層次都存在一定的分布，灌木結構的樣帶在0～2、2～4m高度層次有分布，而草本結構的樣帶只在0～2m高度區(qū)間有分布?？傮w看來，此方法相對于以前的描述性研究結果可以更好地定量化表征綠化隔離帶的垂直結構配置特征，以及不同配置方式間的差異。

表1 垂直于主導風向的道路綠化隔離帶樣帶信息表

2.2 綠化隔離帶對不同粒徑顆粒物的消減效應

綠化隔離帶對顆粒物(T S P、P M10及PM2.5)的消減效果如圖2所示。從圖中我們可以看出，綠化隔離帶對大粒徑顆粒物(TSP和PM10)的消減效果較好，平均消減效率分別為13.79%和11.14%；而對PM2.5的消減效果則相對復雜，有的樣帶能夠消減空氣PM2.5，部分樣帶則會導致空氣PM2.5濃度上升，惡化非機動車道空氣質量。

不同樣帶由于植物選擇和配置模式的差異，對顆粒物的消減效率有所差異。如1#和9#樣帶層次較豐富，喬木層紫葉李的冠幅小但結構緊密，廣玉蘭位于樣帶邊緣，樣帶綠量較高；灌木層木槿、紅葉石楠、火棘、法國冬青結構緊密，且前后搭配有序，非常有利于阻滯顆粒物。而19#號樣帶則為草地，植被高度較低，且種類單一，不能有效阻滯顆粒物。因此，1#和9#樣帶對TSP和消減效率分別高達21.1%和21.87%，對PM10的消減效率高達17.75%和18.39%，而19#樣地對TSP和PM10的消減效率則僅為4.19%和2.76%。

2.3 顆粒物消減效率與綠化隔離帶垂直結構特征指標相關性分析

綠化隔離帶對顆粒物的消減效率與綠化隔離帶垂直結構特征指標(疏透度)之間的相關性分析結果如表3所示。分析結果顯示，0～2m高度范圍內的疏透度與TSP、PM10和PM2.5消減效率呈顯著負相關。TSP和PM10消減效率與2～4、4～6、6～8m區(qū)間范圍內的疏透度呈不同程度的負相關，且隨著高度增加，疏透度對顆粒物消減效率的影響越小。PM2.5消減效率則與2～4、4～6、6～8m高度范圍內的疏透度呈不同程度的正相關。

3 討論

研究發(fā)現綠化隔離帶由于對含顆粒物氣流的阻滯以及植物葉片的吸附作用，對顆粒物濃度有較好的消減效果，尤其是對TSP和PM10(平均消減效率分別為13.79%和11.14%)，說明道路綠化隔離帶可以作為改善街道空氣質量的一種有效方式[8-9，22]。但是研究中發(fā)現樣帶對不同粒徑的顆粒物消減效果存在差異，對粒徑較大的顆粒物(TSP和PM10)較粒徑小的顆粒物(PM2.5)效果好，主要歸因于不同粒徑顆粒物的擴散方式有差異。粒徑小的顆粒物受布朗擴散的影響，粒徑較大的顆粒物則會受布朗擴散和湍流撞擊的雙重影響，而粒徑大于10μm的顆粒物則主要受湍流撞擊影響[30]。粒徑大的顆粒物相對于粒徑小的顆粒物表現的更容易沉降，在碰撞到綠化隔離帶中植物時，直接被粗糙的植物葉片吸附或者由于撞擊作用沉降到下層植物上；相反，粒徑較小的顆粒物(如本研究中PM2.5)主要隨氣流運行則很難沉降，尤其是在氣流比較復雜的街道環(huán)境當中。因此，本研究結果發(fā)現，綠化隔離帶對TSP和PM10有較好的消減效果，而對PM2.5的消減效果相對復雜。

以往的研究中關于綠化隔離帶結構的差異主要是通過定性的描述[7，20，22，26-27]，如喬灌草、喬灌、灌木、草地等；后來也有部分研究采用了葉面積指數(LAI)和葉面積密度(LAD)來定量的描述綠化隔離帶植物配置[10，14，19，31-33]，但是還是無法對綠化隔離帶的植物選擇和配置提供相對精確的指導。本文中提出的分層疏透度，可以指導植物的選擇及配置，尤其是針對道路綠化隔離帶，也可以為以后的相關定量研究提供理論基礎。

研究中發(fā)現綠化隔離帶對不同粒徑顆粒物的消減效率均與0～2m高度區(qū)間內的疏透度呈顯著負相關關系。這和近期的模型研究結果相一致，如Wania等[23]研究發(fā)現1.5m高的綠籬可以改善街道的空氣質量，而種植密集的喬木則會惡化街道空氣質量；Gromke等[15]發(fā)現2.25m高的綠籬對街道污染物的濃度有較好的消減作用且綠籬孔隙度越低其消減效果越好；Li等[34]通過模型研究指出垂直于主導風向道路綠化隔離帶設置最佳高度范圍在0.9～2.5m，1.1m可以作為低層綠籬的最佳設計高度，而2.0m可以作為高層綠籬的最佳設計高度。此外，除了綠化隔離帶的配置結構外，隔離帶中植物種類組成、葉片形態(tài)結構及樹皮結構的差異，也會影響街道空氣質量的改善效果。因此，在交通流量較大的城市干道上，應該避免使用冠大蔭濃的喬木，多配置結構緊密和葉密度較大的灌木；多選用葉片結構粗糙或者有絨毛的植物，可以進一步提升空氣質量改善效果。

圖2 綠化隔離帶對不同粒徑顆粒物的消減效率(2-1代表TSP，2-2代表PM10，2-3代表PM2.5)

4 結論

道路綠化隔離帶對顆粒物有較好的消減效果，可以作為一種有效且經濟地改善街道空氣質量的措施。研究發(fā)現道路綠化隔離帶對大粒徑顆粒物(TSP和PM10)的消減效果較小粒徑顆粒物(PM2.5)好，道路綠化隔離帶對顆粒物的消減效率與其植物配置緊密相關。分層疏透度能夠定量地表征綠化隔離帶垂直結構特征和體現不同樣帶間植物配置的差異，0～2m區(qū)間范圍內的疏透度對顆粒物的消減效率影響最明顯。因此在以后的城市道路綠化隔離帶植物選擇和配置設計當中，應該多選用結構緊密的灌木，盡量減少或者避免使用冠大蔭濃的高大喬木。

表2 24條道路綠化隔離帶樣帶疏透度

致謝：感謝碩士研究生黃鑫、彭圣警、鄭夔榮等在實驗調查和測定中的幫助。

表3 顆粒物消減效率與疏透度相關性分析