濕熱地區(qū)城市街道植物形態(tài)特征對交通源PM2.5質(zhì)量濃度分布特性的影響研究

劉 琳，朱鈺霜，劉麗孺，金 雷

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

城市空氣質(zhì)量是人居環(huán)境良好型城市群建設(shè)的重要指標。廣州作為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的中心城市之一，將更加突出國家中心城市和綜合性門戶城市的引領(lǐng)作用。近年來，高密度的城市開發(fā)建設(shè)及快速增加的交通流量，逐漸凸顯出街道內(nèi)通風能力不足的問題，其中移動交通源對珠三角PM2.5貢獻率已達到20.1%[1]，極大地影響了城市街道峽谷中行人的身心健康[2-3]，并使得沿街建筑群的顆粒物污染情況日益嚴重[4]，甚至對建筑室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

街道植物景觀通常有助于改善城市生態(tài)環(huán)境，特別是在凈化城市交通尾氣方面起著重要作用[5]。目前，從微觀到宏觀，從植物組織到樹種搭配，已有許多研究討論了植物對顆粒物傳播的作用。其中植物可利用其復(fù)雜的枝條結(jié)構(gòu)改變空氣湍流以此來影響顆粒物的運動方式，通過降低周圍空氣流動使其沉降至地面，但不同的道路綠化配置模式對大氣中的顆粒物消減作用將不同[6-7]；另外，植物葉片能夠吸附滯留顆粒物，從而減少周圍顆粒物質(zhì)量濃度，而不同樹種間的葉片結(jié)構(gòu)、形狀及角質(zhì)層特征等因素均會影響對植物的滯塵量能力[8-9]。故在城市道路綠帶規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)考慮植物樹種及配置模式的選擇。

然而，街道交通源顆粒物的排放具有時變特性，其與居民日常生活出行頻率、出行選擇及車輛類型都有關(guān)聯(lián)。因此，結(jié)合真實案例區(qū)域揭示交通源顆粒物排放規(guī)律是街道顆粒物擴散傳播分析的基礎(chǔ)。從空氣動力學視角來看，街道兩側(cè)植物本身的空間形態(tài)特征如植物的三維空間尺寸，對于交通源實時排放的顆粒物擴散特性具有重要影響。而這方面的研究成果尚不完整，尤其對于城市街道植物景觀設(shè)計方面，除考慮其氣候適應(yīng)性以及景觀藝術(shù)性外，還需考慮行道樹在交通源顆粒物調(diào)節(jié)方面的實用性。

因此，針對上述問題，本文立足于濕熱地區(qū)街道植物景觀的空間形態(tài)特征對城市交通源顆粒物擴散傳輸?shù)牧炕绊懀x擇廣州市某案例街區(qū)，實地核算交通源PM2.5的實時顆粒物排放量及若干代表性位置點的連續(xù)PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測，驗證了城市微氣候模擬軟件ENVI-met V4.4.6在模擬交通顆粒物傳輸過程方面的準確性。在此基礎(chǔ)上，運用ENVI-met軟件對植物空間形態(tài)特征進行參數(shù)設(shè)計、物理建模和動態(tài)計算，最終得到能夠有效凈化交通源顆粒物質(zhì)量濃度的植物形態(tài)，為空氣質(zhì)量良好型高密度城市街區(qū)的植物景觀設(shè)計提供理論參考。

1 研究方法

1.1 ENVI-met對于PM2.5傳播模擬的準確性驗證

為了能夠綜合反映高密度城市化背景下街區(qū)污染物的傳播特性和影響因素，本研究選取位于濕熱地區(qū)典型城市廣州市內(nèi)高密度商務(wù)街區(qū)——珠江新城片區(qū)作為研究對象，該片區(qū)作為廣州代表性街區(qū)，道路綠化種類多樣且典型，且交通系統(tǒng)復(fù)雜多樣。實地測試選擇在典型氣象日2021年6月16日進行，選取白天典型時刻(9:00、11:00、13:00、15:00、17:00)采用HOBO溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀(型號U23-001，精度為空氣溫度±0.18 ℃，相對濕度±2.5%)以及便攜式多功能氣體檢測儀(型號GT-1000-B3，精度為±3%)對測點處行人高度處的溫濕度和PM2.5質(zhì)量濃度進行實時監(jiān)測，同時獲取街區(qū)內(nèi)道路逐時變化的交通量數(shù)據(jù)。本文利用ENVI-met軟件對研究區(qū)域顆粒物分布進行準確性模擬，通過對實測值與模擬值的對比分析可知，實測值與模擬值的擬合曲線的R2值為0.615，實測值與模擬值具有較好的相關(guān)性。另外，驗證模型的均方根誤差和比例偏差結(jié)果分別為0.34和?0.078，兩者均在推薦范圍內(nèi)并接近于零，模擬結(jié)果落于觀測結(jié)果0.5～2倍比例之間的1.26，與目標值較接近。總的來說，ENVI-met模型具備了進行高密度城市街區(qū)交通源PM2.5傳播擴散模擬的能力。

1.2 典型城市街區(qū)的ENVI-met模型構(gòu)建

在保證ENVI-met軟件模擬結(jié)果精度的基礎(chǔ)上，本文擬針對典型的“均一化”高密度、高層建筑群街區(qū)進行建模，作為研究植物空間形態(tài)特征對PM2.5傳播擴散影響研究的標準城市街區(qū)。以廣州珠江新城片區(qū)的實際物理參數(shù)為參考依據(jù)，“均一化”建筑模型根據(jù)實際標準情況以50 m×30 m×100 m建立，并依據(jù)廣州高密度街區(qū)的實際情況，為模型鋪設(shè)兩條雙向機動車車道，街道總寬度為50 m。模型內(nèi)的建筑表面以及下墊面材料按照珠江新城實際情況建模，物理模型如圖1示。其中H為建筑高度，H/3、H/2、H/6均為街區(qū)設(shè)計尺寸。

圖1 典型街區(qū)物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the physical model of the typical blocks

模擬選取了廣州夏季典型氣象日參數(shù)作為初始值，初始空氣溫度為29 ℃，此時相對濕度為71%，風速為2 m/s，風向為東南風。另外，根據(jù)珠江三角地區(qū)主道路日平均車流量為2 354 輛/h[10]，以及廣州平均排放因子E為57.8 mg/(km·輛)[11]，計算得到單向機動車道每小時交通線源源強Q為19 μg/(m·s) ，并用于交通源數(shù)據(jù)的設(shè)置?？紤]到廣州白天13時左右的空氣溫濕度水平較高，且該時刻車流量較大，能夠反映出最典型的道路交通源顆粒物排放特性及背景空氣熱物性特征。因此，本研究選用13時的模擬結(jié)果進行分析討論。

1.3 植物三維參數(shù)建模及模擬工況

珠江新城區(qū)域主道路兩側(cè)行道樹多采用喬木[12]，采用的喬木品種有芒果、蘇鐵等。為研究植物形態(tài)對高密度商業(yè)區(qū)交通源顆粒物分布的影響，本文利用ENVI-met軟件的Albero模塊，采用控制變量法，建立了13種不同三維參數(shù)的植物，以喬木為例，將植物樹冠設(shè)置為常見的倒圓錐形，葉面積密度(Leaf Area Density, LAD)均設(shè)為0.5，并將植物間距設(shè)為6 m，從而獲得不同植物工況下的街區(qū)模型。植物模型序列見表1示，其中，H5G4K5、H15G2K5、H15G6K3分別設(shè)置為樹高對照組，樹干高對照組以及樹冠寬幅對照組，并以該3個對照組作為基準組進行對比分析。

表1 三維植物模型參數(shù)Table 1 Three-dimensional parameters of plant model

1.4 植物對顆粒物擴散影響的量化指標

為分析植物空間參數(shù)對交通源顆粒物擴散的影響，引入量化評價指標相對濃度差異(Relative difference concentration, RDC)，根據(jù)式(1)定義，RDC值可正可負，能夠反映質(zhì)量濃度隨工況變化而上升或下降的趨勢。諸木野等[13]將指標RDC運用于分析植物在垂直方向上對顆粒物的空氣動力學作用。將H5G4K5、H15G2K5、H15G6K3設(shè)置為參照組，分別與不同植物空間形態(tài)工況進行對比，從而獲得植物對顆粒物擴散影響的量化作用。

式中：CRD為相對濃度差異(%)；CV為變化組的平均質(zhì)量濃度(μg/m3)，CR是參照組的平均質(zhì)量濃度(μg/m3)。

2 結(jié)果與討論

2.1 行人高度處街區(qū)風速與PM2.5 的空間分布特性的整體分析

本文以H5G4K5、H15G2K5、H15G6K3這3個基準組為例，分析行人高度處街區(qū)風速與PM2.5分布的整體特性，如圖2示。街區(qū)的風速和PM2.5的空間分布規(guī)律基本相似，但部分區(qū)域風速及PM2.5質(zhì)量濃度的大小有明顯差異。當東南方向氣流受到高大建筑物的阻擋，向下偏移進入城市冠層，并繞過建筑從建筑間隙穿出，氣流速度向街區(qū)下方逐漸衰減，而建筑物背風面風速明顯減小，空氣流通性差。同時近地面部分氣流通過植物附近時，由于植物的阻擋作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從樹下繞流而過。

圖2 參照組街區(qū)行人高度處風速與PM2.5分布平面圖Fig.2 Distribution plane diagram of wind speed and PM2.5 concentration at pedestrian height of reference cases

受來流風的影響污染物整體向西北側(cè)擴散。對于街道2的下風向，即圖2的區(qū)域2處，不同于區(qū)域1兩側(cè)建筑間距寬闊，建筑物相距較近，這會導致建筑背風面形成漩渦區(qū)，污染物會長期滯留在其中，不斷積累。街區(qū)內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度受到來流風的影響，氣流能到達的區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度較低；而由于高大建筑的阻擋影響，街區(qū)內(nèi)狹窄的建筑之間將產(chǎn)生大的渦旋，不利于污染物的擴散。

2.2 不同植物空間參數(shù)對PM2.5擴散分布的影響

本文對種植不同行道樹高度、樹干高度以及樹冠寬度時街區(qū)內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度進行了對比分析，具體如下。

2.2.1 行道樹高度

圖3和圖4分別為街區(qū)內(nèi)種植不同高度的植物時PM2.5在行人水平高度和垂直方向上的質(zhì)量濃度差異分布圖，即表示當植物高度為10，15，20，25 m時與對照高度為5 m時的PM2.5質(zhì)量濃度差值的分布，反映了街區(qū)內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的變化，其中藍色區(qū)域表示質(zhì)量濃度相比于對照組低，其余顏色區(qū)域表示相反。由圖3可看出，隨著植物高度上升，街區(qū)內(nèi)污染物質(zhì)量濃度變化較大。其中當植物高度為25 m時，相比于對照高度，區(qū)域1處的背風側(cè)質(zhì)量濃度下降最大，可達5.22 μg/m3，而顆粒物向下游建筑群中擴散并不斷聚集，此時質(zhì)量濃度上升最高可達4.66 μg/m3。由圖4可看出，區(qū)域1處，增加樹高將迫使更多的氣流從樹下穿過，街道中央及背風側(cè)質(zhì)量濃度下降明顯，但由于建筑和植物的阻擋作用，迎風側(cè)處質(zhì)量濃度呈現(xiàn)跳躍式上升；當植物高度達到25 m時，區(qū)域2處質(zhì)量濃度增加最大為3.53 μg/m3，而質(zhì)量濃度下降最大僅有0.87 μg/m3?？偟膩碚f，對于區(qū)域1處，增加行道樹高度有利于顆粒物向下游區(qū)域擴散，而在區(qū)域2處，其對緩解背風側(cè)漩渦區(qū)對顆粒物的滯留影響并無較大作用；而當植物高度為10 m時，街區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)削減作用。

圖3 不同樹高工況與H5G4K5的PM2.5質(zhì)量濃度差值平面圖Fig.3 Plane diagram of PM2.5 concentration difference between different tree height conditions and H5G4K5

圖4 不同樹高工況與H5G4K5的PM2.5質(zhì)量濃度差值剖面圖Fig.4 Section plane diagram of PM2.5 concentration difference between different tree height conditions and H5G4K5

2.2.2 樹干高度

圖5和圖6分別為街區(qū)內(nèi)種植不同樹干高度的植物時PM2.5在行人水平高度和垂直方向上的質(zhì)量濃度差異分布圖，即表示當樹干高度為4，6，8，10 m時與對照高度2 m時的PM2.5質(zhì)量濃度差值的分布。其中紅色和紫色區(qū)域表示質(zhì)量濃度相比于對照組高，其余顏色區(qū)域相反。如圖5所示，隨著樹干高度的增加，街道行人高度處的PM2.5質(zhì)量濃度下降越顯著，其中當樹干高度為10 m時下降最大，為7.39 μg/m3。雖部分PM2.5在靠近樹冠處受重力作用沉降至地面，從而減少空氣中PM2.5質(zhì)量濃度，但植物樹干高度過低將阻礙PM2.5向上進一步稀釋擴散。如圖6所示，樹干高度的增加有利于樹下PM2.5質(zhì)量濃度的減少，其中減少最多的情況出現(xiàn)在樹干高度為10 m時，區(qū)域1減少了5.03 μg/m3，區(qū)域2減少了8.75 μg/m3，圖中的紅色區(qū)域可反映出增加樹干高度有利于顆粒物向上空擴散?？偟膩碚f，行道樹樹干高度的增加有利于街道內(nèi)PM2.5的稀釋擴散，但將導致下風向街區(qū)PM2.5污染加劇，這與吳志萍等[14]的研究相一致。

圖5 不同植物樹干高工況與H15G2K5的PM2.5質(zhì)量濃度差值平面圖Fig.5 Plane diagram of PM2.5 concentration difference between trees with different trunk height conditions and H15G2K5

圖6 不同植物樹干高工況與H15G2K5的PM2.5質(zhì)量濃度差值剖面圖Fig.6 Section plane diagram of PM2.5 concentration difference between trees with different trunk height conditions and H15G2K5

2.2.3 樹冠寬度

圖7和圖8分別為街區(qū)內(nèi)種植不同樹冠寬度的植物時PM2.5在行人水平高度和垂直方向上的質(zhì)量濃度差異分布圖，即表示植物樹冠直徑為5，7，9，11 m時與參考直徑為3 m的PM2.5質(zhì)量濃度差值的分布。其中藍色區(qū)域表示質(zhì)量濃度相比于對照組低，其余顏色區(qū)域則相反。由圖7所示，當樹冠直徑增加，伴隨著街道上游及建筑間隙處質(zhì)量濃度下降，街區(qū)下游PM2.5惡化的范圍將擴大。與基準寬度3 m相比，質(zhì)量濃度增加最大的工況為寬度11 m時，增加了6.20 μg/m3。如圖8所示，植物冠幅的增加對樹冠下質(zhì)量濃度的分布產(chǎn)生影響，對于兩側(cè)建筑間隔較大的區(qū)域1處，街道背風側(cè)及中央的PM2.5向迎風側(cè)擴散并聚集；而對于兩側(cè)建筑間隔較小的區(qū)域2處，導致樹下PM2.5污染加劇，增大了行人暴露高污染的風險。因此，行道樹樹冠直徑過大將降低街道內(nèi)空氣流通性，導致PM2.5質(zhì)量濃度升高，尤其是對氣流漩渦區(qū)污染物的稀釋不利。

圖7 不同植物樹冠直徑工況與H15G6K3的PM2.5質(zhì)量濃度差值平面圖Fig.7 Plane diagram of PM2.5 concentration difference between trees with canopy diameter conditions and H15G6K3

圖8 不同植物樹冠直徑工況與H15G6K3的PM2.5質(zhì)量濃度差值剖面圖Fig.8 Section plane diagram of PM2.5 concentration difference between trees with canopy diameter conditions and H15G6K3

2.3 不同垂直高度處植物空間參數(shù)對PM2.5質(zhì)量濃度分布的影響

為分析植物的空間形態(tài)特征對PM2.5的空氣動力學作用，對不同植物工況時的CRD在不同垂直高度處進行分析，如圖9所示。由圖9(a)和圖9(b)可看出，CRD值在高于4 m時均有迅速上升的趨勢，說明植物對氣流的截留作用使得植物周圍通風減小，PM2.5質(zhì)量濃度增大。對于空氣流通性較好的區(qū)域1，在接近地面處，植物高度為25 m時的CRD值為負且最小，故有利于PM2.5的稀釋；而對于通風較差的區(qū)域2，CRD均為正值，說明增加植物高度對街道內(nèi)不同高度處PM2.5的稀釋均不利。由圖9(c)和圖9(d)可知，CRD均為負值，且樹干高度越大，CRD越偏離零值，即越有利于減少街道內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度，CRD的絕對值隨地面高度增加而減小，說明增大樹干高度對減小PM2.5質(zhì)量濃度的最有利情況出現(xiàn)在靠近地面處。由圖9(e)和圖9(f)可知，CRD值均為正并隨樹冠寬度的增加而增加。值得注意的是，區(qū)域1處CRD值在高于樹干6 m時迅速上升，而區(qū)域2處CRD值在高于樹干6 m時迅速下降，可見對于空氣流通較好的街道，增大植物樹冠寬度將加劇PM2.5污染，且離地面越高影響越顯著；而對于通風較差的街道，增加行道樹樹冠寬度對行人高度處PM2.5質(zhì)量濃度產(chǎn)生的負面影響要遠遠高于通風較好的街道。

圖9 區(qū)域1和2處不同垂直高度處植物空間參數(shù)工況下的CRD變化示意圖Fig.9 Schematic diagram of relative difference concentration of PM2.5 in plant spatial parameters at different vertical heights

2.4 討論

根據(jù)《行道樹栽植與養(yǎng)護管理技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 839-2017)[15]中針對城市道路綠化的標準，提出行道樹綠帶的種植應(yīng)充分考慮遮蔭效果，并保障行道樹種植的連續(xù)性。其中樹下高度應(yīng)不小于2.8 m，常綠樹高度不小于4 m，且修剪時應(yīng)保持樹木冠幅及樹冠高度與樹干在適當比例，冠幅宜占全樹高度的1/3～1/2，樹冠高度宜占全樹高度的1/2～2/3。然而實際管理中應(yīng)根據(jù)功能要求、交通狀況、道路性質(zhì)等，對街道植物進行定期的整形修剪，栽植出比較符合要求的行道樹。

針對于以上規(guī)范的標準和本文的研究結(jié)果，對濕熱地區(qū)高密度城市街區(qū)街道植物的養(yǎng)護提出建議性的參數(shù)范圍：行道樹的高度可采用10 m左右，樹干高度為3～5 m，冠幅為5～7 m；而對于兩側(cè)建筑間距寬闊的街道，可根據(jù)需要選用高度10 m以上的植物；而針對于兩側(cè)建筑間距狹窄的街道，應(yīng)選用高度為5～10 m的植物。

綜上可知，針對行道樹對交通尾氣的調(diào)控作用，為濕熱地區(qū)高密度城市街區(qū)提出有利于營造良好空氣環(huán)境的植物形態(tài)參數(shù)，同時在相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上進行合理建議和補充，對空氣質(zhì)量良好型高密度城市街區(qū)的建設(shè)具有重要的參考意義。

3 結(jié)論

濕熱地區(qū)常年高溫高濕的氣候條件對PM2.5的形成和分布具有重要影響，針對于此，本文運用ENVImet模擬軟件，對本地區(qū)特有的城市結(jié)構(gòu)和多種植物空間形態(tài)參數(shù)進行設(shè)計及建模，計算分析了夏季植物空間形態(tài)特征對高密度城市街區(qū)交通源PM2.5分布特性的影響，得到結(jié)論如下：

(1) 基于對廣州珠江新城案例區(qū)域的實測數(shù)據(jù)，驗證了ENVI-met模型對高密度城市街區(qū)交通源PM2.5分布的模擬結(jié)果具有一定的可靠性和準確性。

(2) 增加植物高度有利于顆粒物向下游區(qū)域擴散，但對緩解背風側(cè)漩渦區(qū)對顆粒物的滯留影響并無較大作用；樹干高度的增加有利于街道內(nèi)PM2.5的擴散；樹冠直徑過大不利于氣流漩渦區(qū)的污染物的稀釋。

(3) 對于流通性好的街道，植物高度為25 m時有利于行人高度處PM2.5的擴散；對于通風差的街道，增加樹冠寬度對行人高度處PM2.5質(zhì)量濃度產(chǎn)生的負面影響要遠遠高于通風較好的街道；增大樹干高度對減小PM2.5質(zhì)量濃度的最有利情況將出現(xiàn)在靠近地面處。

(4) 基于當前相關(guān)規(guī)范，在濕熱氣候條件下，樹木高度為10 m左右，樹干高度為3～5 m，冠幅為5～7 m的高密度街區(qū)行道樹參數(shù)設(shè)計將有利于交通源顆粒物的有效凈化。