嚴(yán)寒地區(qū)城市街谷底層可吸入顆粒物濃度分布

趙彥博, 孫明陽(yáng),3

(1.吉林建筑大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118；2.寒地城市環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)研究中心,長(zhǎng)春 130118；3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)春 130102)

由于城市的快速發(fā)展,街道兩側(cè)高樓林立,街道空間便形成了“峽谷”效應(yīng),使得機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣及其他污染氣體不易擴(kuò)散,進(jìn)而導(dǎo)致行人及臨街居民的污染暴露較高[1-4]。三十多年來(lái),中外學(xué)者在城市街谷大氣環(huán)境研究方面取得了諸多進(jìn)展[5-8]。街谷被描述為城市下墊面的一種基本空間形式,人們往往將其簡(jiǎn)化為理想狀態(tài)下的幾何空間進(jìn)行研究,以期得到街谷內(nèi)部空氣污染物傳播與擴(kuò)散的普適規(guī)律,以利于進(jìn)一步探尋解決辦法。

如果把街谷依高度劃分為不同的層級(jí),那么街谷底層的空氣流場(chǎng)是最為復(fù)雜的。底層不僅是污染源頭(機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣與路面揚(yáng)塵)的所在,而且機(jī)動(dòng)車(chē)的行駛也會(huì)擾亂空氣流場(chǎng)；底層布置著大量的街谷設(shè)施,主要包括綠化植物以及矮墻、聲屏障等固體障礙物[9],嚴(yán)重影響空氣的正常流通?？傊?街谷底層的實(shí)際狀況與理想模型相差巨大,不宜完全用數(shù)值的方法進(jìn)行模擬研究。而且,底層是室外人群的活動(dòng)場(chǎng)所,也是空氣污染最為嚴(yán)重的空間范圍,街道行人的污染暴露量要比臨街建筑內(nèi)的居民大得多[10]。因此,街谷底層空氣質(zhì)量具有一定的特殊性和研究意義,是未來(lái)城市街谷大氣環(huán)境研究的主要方向之一。

目前國(guó)際上的街谷大氣環(huán)境研究方法主要有數(shù)值模擬法、物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)地測(cè)量法三種[5-8]。其中,數(shù)值模擬方法由于成本低、效率高而成為中外研究者的首選工具；物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)較易得出結(jié)論,也容易控制,但不充分的邊界條件和不完全準(zhǔn)確的比例換算容易導(dǎo)入誤差。然而,針對(duì)街谷底層這樣復(fù)雜的空間形態(tài),數(shù)值與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)都難以模擬真實(shí)的流場(chǎng)狀態(tài),難以得出真實(shí)的結(jié)論。實(shí)地測(cè)量法雖然難以揭示污染的機(jī)制,但它畢竟源于實(shí)際,是最基礎(chǔ)性的研究,是數(shù)值研究的基礎(chǔ)和佐證。

關(guān)于街谷綠化植物凈化顆粒物效應(yīng)的研究,絕大部分模擬研究是基于理想化的街道環(huán)境,其研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定研究之間存在一定矛盾。前者研究發(fā)現(xiàn)街道綠化導(dǎo)致街谷空氣質(zhì)量惡化[11-14],后者研究發(fā)現(xiàn)綠化植物可以切實(shí)有效地改善空氣質(zhì)量[15-19]。出現(xiàn)這種爭(zhēng)議的原因,除了研究方法的不同,還在于不同學(xué)者模擬或觀測(cè)對(duì)象的范圍、相關(guān)參數(shù)不同。如能將街谷底層范圍劃分出來(lái),將有利于明確空氣質(zhì)量的影響因子,使研究結(jié)果更接近實(shí)際。

街谷的空氣質(zhì)量與氣象條件密切相關(guān)[20-23]。嚴(yán)寒地區(qū)的氣象條件具有一定的特殊性,其街谷的空氣質(zhì)量必然具有特定的規(guī)律。依據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50176)》,嚴(yán)寒地區(qū)是指中國(guó)最冷月平均溫度不高于-10 ℃或日平均溫度不高于5 ℃的天數(shù)大于等于145 d的地區(qū)。該區(qū)域在冬季的綠色植物多處于干枯狀態(tài),對(duì)大氣污染物的吸收和降解能力下降,這使得綠化植物所處的街谷底層的空氣污染狀況更加復(fù)雜。此外,該區(qū)域冬季供暖有大量鍋爐燃燒、大量的秸稈普遍采用田間燃燒的方式[24]等，人為因素也構(gòu)成了地域空氣質(zhì)量的特殊性。因此,針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)街谷底層空氣質(zhì)量研究同樣具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以東北三省的省會(huì)城市為代表,對(duì)街道峽谷底層的可吸入顆粒物(PM10)的質(zhì)量濃度進(jìn)行了實(shí)地監(jiān)測(cè)。分別對(duì)顆粒物濃度的高度變化、日變化、季節(jié)變化、綠化影響下的變化以及與微氣候的相關(guān)性進(jìn)行了測(cè)量與研究,得到了PM10在街谷底層分布與擴(kuò)散的規(guī)律,為嚴(yán)寒地區(qū)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)以及道路綠化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

監(jiān)測(cè)的位置選擇哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)三座城市中心區(qū)域的三條道路(哈爾濱的經(jīng)緯街、長(zhǎng)春的西安大路、沈陽(yáng)的南五馬路),三條路的街谷高寬比(H/W)約等于2∶1,道路走向、與盛行風(fēng)向的夾角、車(chē)流量以及綠化形式均相似(表1)。每條路的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度約1 km,水平方向上設(shè)置6對(duì)采樣點(diǎn)(其中3對(duì)位于綠化條件較好的段落,另3對(duì)位于綠化條件較差的段落),間距10 m以上(圖1),每對(duì)采樣點(diǎn)分別位于綠帶的兩側(cè)(一側(cè)位于機(jī)動(dòng)車(chē)道上,另一側(cè)位于人行道上),高度均為1.2 m,為人的呼吸帶高度；垂直方向上分別選擇路邊2幢樓(經(jīng)緯街上的袋鼠賓館和冰城快捷賓館,西安大路上的誠(chéng)信大廈和林晟裝飾大廈,南五馬路上的金都飯店和阜新銀行)的1～15層的室外窗臺(tái),每隔2層為1個(gè)采樣點(diǎn)。

表1 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)詳述

圖1 水平采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Schematic map of horizontal sampling point position

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)測(cè)日期分別選擇夏、冬兩季(2018年5月—7月代表植物的著葉季,2018年11月—2019年1月代表植物的落葉季),擇取多天溫度相近、風(fēng)速較小，且無(wú)雨雪的晴朗天氣測(cè)量。采用微電腦激光粉塵儀[BB16-LD-5C(B)]進(jìn)行PM10質(zhì)量濃度的測(cè)量,時(shí)間間隔為1 s,每次采樣時(shí)間取1 min,按測(cè)點(diǎn)順序依次采集,每天采集8次,夏冬兩季各采集15 d。此外,分別使用水銀溫度計(jì)、濕度測(cè)量?jī)x以及熱線式風(fēng)速計(jì)采集街谷背風(fēng)側(cè)的溫度、濕度和風(fēng)速。

數(shù)據(jù)分析工作在EXCEL和SPSS軟件上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10濃度隨高度變化規(guī)律及街谷底層范圍界定

圖2 PM10濃度垂直變化Fig.2 The vertical variation of PM10 concentration

圖3 PM10濃度垂直變化趨勢(shì)(5層及以上)Fig.3 The vertical change trend of PM10 concentration (5 floor and above)

三條街道峽谷底層PM10濃度隨高度的變化見(jiàn)圖2。PM10濃度先隨著高度的增加而緩慢增加或持平,在5層樓的高度以后,又隨著高度的增加而急劇減小。根據(jù)已知的研究成果[25],PM10濃度應(yīng)隨著高度的增加成指數(shù)下降。故截取5層及以上層數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、趨勢(shì)預(yù)測(cè)(圖3)和F檢驗(yàn)?；貧w方程相關(guān)系數(shù)分別為0.944、0.975和0.981,顯著值p分別為0.000 4、0.000 7和0.000 0,均小于0.01顯著水平。由此可知,在5～15層(約16～50 m 高)高度范圍內(nèi)PM10濃度隨著高度的增加而成指數(shù)下降的趨勢(shì),與已知的研究結(jié)論相吻合。這是因?yàn)樵酵呖?，風(fēng)速越大,污染物越容易擴(kuò)散。而從1～5層高度范圍看,PM10濃度隨高度的增加而平緩增加,可能是因?yàn)镻M10較輕,易受空氣湍流影響,越往高空，顆粒較小的塵埃聚集越多。但總體來(lái)說(shuō),越接近地面,汽車(chē)污染源及人類(lèi)活動(dòng)越復(fù)雜,各種構(gòu)筑物、道路附屬設(shè)施以及綠化植物都會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生影響,顆粒物濃度分布情況十分復(fù)雜,故在底層范圍內(nèi)無(wú)明顯規(guī)律可循。

由此,本文界定街谷底層的范圍在1～5層(0～16 m)。因?yàn)榈缆肪G化喬木的高度在3～4層,所以它們對(duì)街谷氣流的影響波及5層位置。應(yīng)該指出,選取的街谷樣地有限,由于中國(guó)南北方綠化植物高度的差異較大,故此街谷范圍應(yīng)根據(jù)所在地域的不同而有所差異。

2.2 街谷底層PM10濃度日變化規(guī)律分析

在一天當(dāng)中不同的時(shí)刻,三條道路的機(jī)動(dòng)車(chē)道上的PM10濃度均值見(jiàn)圖4?？梢钥闯?三條道路的PM10濃度均在9:00和18:00出現(xiàn)峰值,這與該時(shí)段出現(xiàn)車(chē)流量的高峰有關(guān)。一般而言,白天日照輻射強(qiáng),地面溫度逐漸升高,大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài),湍流交換和垂直擴(kuò)散力加強(qiáng),有利于顆粒物的擴(kuò)散,顆粒物濃度應(yīng)減少；而夜間大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),不利于污染物的稀釋與擴(kuò)散,容易造成顆粒物濃度的增高[26-28]。而實(shí)測(cè)中顯示不僅白天的濃度高于夜間,而且峰值出現(xiàn)在車(chē)流高峰期,說(shuō)明人為原因?qū)止鹊讓覲M10濃度產(chǎn)生了決定性的影響。白天與夜間相比,街谷內(nèi)的行駛車(chē)輛要多得多,人的行為活動(dòng)也要頻繁得多。

圖4 PM10濃度日變化Fig.4 The daily variation of PM10 concentration

圖5 底層與9層PM10濃度比較Fig.5 Comparison of PM10 concentration in the first and ninth storey

將街谷底層PM10濃度的變化數(shù)據(jù)與街谷中上層(以9層高處為例)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(圖5),發(fā)現(xiàn)9層高處PM10濃度的日變化平緩了許多,且峰值出現(xiàn)在中午12:00,比底層濃度出現(xiàn)峰值的時(shí)間延后了約3 h,說(shuō)明街谷底層綠化對(duì)顆粒物有一定的滯留作用,延緩了顆粒物的擴(kuò)散。

2.3 街谷底層PM10濃度季節(jié)變化規(guī)律分析

把三條路在冬(W)、夏(S)兩季街谷底層PM10濃度進(jìn)行對(duì)比(圖6),發(fā)現(xiàn)季節(jié)水平上各道路PM10濃度差異顯著,且各地PM10濃度冬季明顯高于夏季。其中,南五馬路在冬季的均值最高,為281 mg·m-3；經(jīng)緯街在夏季的均值最低,為136 mg·m-3。把三條路的PM10濃度值進(jìn)行混合,對(duì)比冬、夏兩季的數(shù)值(圖7),冬季PM10濃度均值為275 mg·m-3,夏季均值為168 mg·m-3,兩者相差107 mg·m-3。

圖6 三條路冬、夏季PM10濃度對(duì)比Fig.6 PM10 concentration comparison of three roads in winter and summer

圖7 冬、夏季PM10對(duì)比Fig.7 PM10 concentration contrast in winter and summer

嚴(yán)寒地區(qū)街谷底層PM10濃度在冬季如此之高,有自然與人為兩方面原因。從自然原因來(lái)看,冬季近地層空氣流動(dòng)性較差,大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),不利于顆粒物的擴(kuò)散,且冬季植物處于落葉期,其吸附顆粒物的能力下降；從人為原因上看,在中國(guó)嚴(yán)寒地區(qū),冬季是火力發(fā)電、生物質(zhì)燃燒等活動(dòng)的旺季[29-30],污染源大量增加。

2.4 街谷綠化影響下PM10濃度空間分布規(guī)律分析

2.4.1 不同郁閉度時(shí)PM10濃度垂直分布規(guī)律分析

鑒于西安大路與南五馬路的道路綠化形式相同,均有機(jī)動(dòng)車(chē)與非機(jī)動(dòng)車(chē)隔離綠帶(簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)非隔離帶),綠帶內(nèi)為喬木+灌木綠籬的形式,因此只用這兩條道路的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。西安大路的東段與南五馬路的東段的綠化較為完整,喬木生長(zhǎng)茂盛,樹(shù)冠濃密,在隔離帶內(nèi)郁閉度為0.6～0.8,故設(shè)這兩部分路段為街谷綠化的高郁閉度路段；西安大路的西段與南五馬路的西段的綠化出現(xiàn)多處間斷,喬木生長(zhǎng)細(xì)弱,在隔離帶內(nèi)郁閉度在0.1～0.4,故設(shè)這兩部分路段為街谷綠化的低郁閉度路段。

圖8 不同郁閉度PM10濃度垂直分布Fig.8 Vertical distribution of PM10 concentration in different canopy density

比較在冬、夏兩季中午12:00時(shí)段不同綠化郁閉度情況下PM10濃度垂直分布,如圖8所示。冬季不同綠化郁閉度對(duì)顆粒物濃度垂直分布影響很小,而夏季不同郁閉度對(duì)顆粒物濃度垂直分布影響稍大,尤其在1～7層較為明顯。不論在冬季還是夏季,在1～3層高處高郁閉度均使得顆粒物濃度增加；在5～7層高處高郁閉度均使得顆粒物濃度減少；而在9～15層高處的曲線基本重合。這是因?yàn)闃?shù)冠阻礙了街谷氣流的上下流動(dòng),在1～3層為林下與樹(shù)冠層,顆粒物的擴(kuò)散很大程度被抑制在地面和樹(shù)冠頂蓋之間,而5～7層方顯現(xiàn)出綠化的凈化效應(yīng)。

由于街谷綠化植物的存在,對(duì)顆粒物濃度的影響波及到7層的高度,由此應(yīng)該對(duì)街谷底層的范圍提出更正,即應(yīng)為1～7層(0～22 m)。因?yàn)楫?dāng)考慮到不同季節(jié)(主要指夏季)綠化植物凈化效應(yīng)之后,街谷空氣質(zhì)量有所變化。

2.4.2 不同疏透度時(shí)PM10濃度水平分布規(guī)律分析

西安大路的東段與南五馬路的東段的綠化較為完整,喬木與灌木生長(zhǎng)茂盛,灌木綠籬基本為滿鋪,目測(cè)隔離帶的疏透度為75%～85%,設(shè)這兩部分路段為街谷綠化的低疏透度路段；西安大路的西段與南五馬路的西段的綠化出現(xiàn)多處間斷,不僅喬木生長(zhǎng)細(xì)弱,灌木栽植也比較零散,目測(cè)隔離帶的疏透度為85%～95%,設(shè)這兩部分路段為街谷綠化的高疏透度路段。

圖9 不同疏透度PM10濃度水平分布Fig.9 Horizontal distribution of PM10 concentration with different permeability

比較在冬、夏兩季中午12:00時(shí)段不同綠化疏透度情況下PM10濃度水平分布,如圖9所示。冬季綠化植物對(duì)顆粒物濃度水平分布影響較小,機(jī)動(dòng)車(chē)道與人行道上顆粒物濃度較接近；夏季綠化對(duì)顆粒物濃度水平分布影響較大,人行道上顆粒物濃度明顯降低。而且,夏季時(shí)低疏透度綠化使PM10濃度降低了79 mg·m-3,高疏透度綠化使PM10濃度降低了61 mg·m-3,低疏透度的凈化效能比高疏透度的凈化效能多了18 mg·m-3；而冬季時(shí)低疏透度綠化使PM10濃度降低了25 mg·m-3,高疏透度綠化使PM10濃度降低了16 mg·m-3,低疏透度的凈化效能僅比高疏透度的凈化效能多了9 mg·m-3。這說(shuō)明不同疏透度對(duì)PM10濃度水平分布影響較大,尤其在夏季,綠化隔離帶能發(fā)揮出更多的凈化效能。而且,不管是冬季還是夏季,低疏透度的綠化使得機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道上的顆粒物濃度都增加了。這是因?yàn)楦呙芏染G化隔離帶阻礙了顆粒物的水平擴(kuò)散,導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車(chē)道與人行道上的空氣環(huán)境在短期內(nèi)更加惡化。

2.5 街谷底層PM10濃度與微氣候相關(guān)性分析

對(duì)三條街道峽谷底層PM10濃度的日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,考察其與溫度、濕度和風(fēng)速的相關(guān)性。利用SPSS對(duì)PM10濃度日均值與氣參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,得到結(jié)果見(jiàn)表2。PM10濃度日均值與氣象參數(shù)之間存在顯著的線性相關(guān)性。PM10濃度日均值對(duì)溫度、濕度在0.01水平雙側(cè)檢驗(yàn)上均顯著相關(guān)；對(duì)風(fēng)速在0.05水平雙側(cè)檢驗(yàn)上顯著相關(guān)。相關(guān)性順序?yàn)闈穸?溫度>風(fēng)速。

表2 PM10濃度日均值與氣象參數(shù)的相關(guān)性分析

關(guān)于街谷大氣環(huán)境的研究表明,空氣運(yùn)動(dòng)特性決定了污染物的傳輸擴(kuò)散形式,因此風(fēng)速與污染物濃度的相關(guān)性往往是最大的[31-33]；但此結(jié)論不適合于針對(duì)街谷底層的研究。因?yàn)榻止染G化植物影響了街谷底層的空氣流通,使得顆粒物在底層停滯的時(shí)間延長(zhǎng),因而削弱了濃度與風(fēng)速的相關(guān)性；此外,由于綠化植物的蒸騰作用,必然影響街谷的溫度與濕度[34-35]。綠化植物改變了街谷底層的微氣候,不僅影響顆粒物的擴(kuò)散,同時(shí)也提高了道路行人的舒適度。

3 討論

提出的街谷底層是指由于街谷設(shè)施的存在,擾亂了理想狀態(tài)下的街谷氣流,致使空氣流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散相對(duì)復(fù)雜的高度范圍。把街谷底層這一高度范圍從街谷整體研究中抽離出來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性的研究,銜接了街谷大氣環(huán)境研究與城市道路綠化凈化效應(yīng)研究,具有一定的研究意義。

因?yàn)?忽視街谷底層的綠化植物去研究街谷的空氣質(zhì)量,或者脫離了街谷的空氣流場(chǎng)去研究綠化的凈化效應(yīng),都不易于解決實(shí)際問(wèn)題。街谷底層的空氣質(zhì)量研究,找到這一層級(jí)范圍不同于街谷整體的特殊性,確定適合于道路綠化凈化效應(yīng)研究的研究尺度與環(huán)境背景,為進(jìn)一步的深入研究奠定科學(xué)的認(rèn)知。

當(dāng)前,對(duì)于道路綠化的凈化作用,已有的研究結(jié)果之間存在一定的矛盾。以模型模擬法為主的研究一般認(rèn)為道路綠化會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化[11-14],而以實(shí)驗(yàn)測(cè)定法為主的研究一般認(rèn)為道路綠化可以改善空氣質(zhì)量[15-19]。對(duì)于這一矛盾,可以給予合理的解釋,即要在一定的時(shí)間與空間范圍內(nèi)去考察街谷內(nèi)綠化的凈化作用。研究指出,街谷底層綠化使PM10的擴(kuò)散延遲約3 h,并使其滯留在兩條隔離帶之內(nèi),樹(shù)冠頂蓋以下的機(jī)動(dòng)車(chē)道空間里。鑒于綠化植物葉表面對(duì)顆粒物的吸附作用,并隨著雨水的沖刷使顆粒污染物進(jìn)入排水系統(tǒng)[36],根據(jù)物質(zhì)守恒定律,在上述時(shí)間與空間之外的范圍顆粒物必然會(huì)消減,空氣質(zhì)量必然得到改善。

4 結(jié)論

嚴(yán)寒地區(qū)城市街谷底層PM10濃度分布狀況既受到自然氣候條件的制約,又受到以綠化植物為主的街谷設(shè)施以及人為活動(dòng)的強(qiáng)烈影響,二者共同作用下形成了如下特征。

(1)街谷設(shè)施擾亂了理想狀態(tài)下的街谷氣流,其所波及的范圍約在1～5層(0～16 m)。若考慮綠化植物在夏季會(huì)有更高的凈化效應(yīng),其所影響的范圍約在1～7層(0～22 m)。這一高度范圍可界定為街谷底層。

(2)街谷底層PM10濃度在每日的9:00和18:00出現(xiàn)峰值,與該時(shí)段出現(xiàn)車(chē)流量的高峰直接相關(guān)；街谷綠化使顆粒物滯留在街谷底層,使顆粒物的擴(kuò)散延遲了約3 h。

(3)在季節(jié)水平上街谷底層PM10濃度差異顯著,冬季明顯高于夏季,PM10濃度的均值相差107 mg·m-3。

(4)不同綠化郁閉度對(duì)PM10濃度垂直分布的影響,夏季大于冬季。在1～3層(0～9 m)顆粒物受到抑制,濃度升高；而在5～7層(9～22 m)顆粒物濃度消減,呈現(xiàn)出綠化的凈化效應(yīng)。

(5)不同綠化疏透度對(duì)PM10濃度水平分布的影響,夏季大于冬季。綠化植物使顆粒物滯留在兩條隔離帶之內(nèi),機(jī)動(dòng)車(chē)道上的濃度升高；而在隔離帶外側(cè)的人行道上顆粒物濃度明顯降低,呈現(xiàn)出綠化的凈化效應(yīng)。

(6)街谷底層PM10濃度日均值與氣象參數(shù)之間存在顯著的線性相關(guān)性,相關(guān)性順序?yàn)闈穸?溫度>風(fēng)速。綠化植物改變了街谷底層的微氣候,提高了道路行人的舒適度。