建筑和綠化對街谷空氣污染物擴(kuò)散的影響

王友君，亢燕銘，陳勇航

（1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

建筑和綠化對街谷空氣污染物擴(kuò)散的影響

王友君1，2，亢燕銘2，陳勇航2

（1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

在靜風(fēng)條件下，對上海松江區(qū)典型的對稱和不對稱街谷內(nèi)CO2和CO的濃度和PM1.0進(jìn)行了連續(xù)實測.引入街谷約束物（建筑或綠化）高度與約束物距機(jī)動車道中心距離之比，即高遠(yuǎn)比（H／D），表征該約束物對街谷空氣污染物擴(kuò)散的阻礙作用.研究結(jié)果表明：背景風(fēng)速低于0.5m／s時，綠化和建筑對污染物擴(kuò)散稀釋的影響同樣重要；污染物濃度的擴(kuò)散衰減特性與街谷高遠(yuǎn)比和污染物種類有關(guān)；高遠(yuǎn)比越大，越不利于空氣污染物擴(kuò)散；自街谷機(jī)動車道中心到人行道，PM1.0衰減程度大于氣態(tài)污染物.

街谷；綠化；空氣污染物；現(xiàn)場監(jiān)測；擴(kuò)散

城市道路與兩側(cè)建筑物及綠化帶約束所形成的一條相對狹窄的區(qū)域，習(xí)慣上稱之為街道峽谷（街谷）.城市居民室外生活時間大部分在街道微環(huán)境中度過［1］，而道路上車輛排放是街谷中空氣污染的主要來源［2］，并對人體健康構(gòu)成威脅［3］.因此，街谷內(nèi)空氣污染物的擴(kuò)散問題受到很多研究者的關(guān)注［4］.雖然已有不少學(xué)者利用數(shù)值模擬研究街谷污染物擴(kuò)散的結(jié)果［5－6］，但多數(shù)研究缺少現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持［7］.文獻(xiàn)［8］假設(shè)街谷無限長，并默認(rèn)兩側(cè)建筑與機(jī)動車道中心的距離相等，提出用高寬比的概念表征二維街谷流場的特征.但是，現(xiàn)實街谷兩側(cè)建筑物到機(jī)動車道中心的距離在很多情況下并不相等，污染物濃度在很短距離內(nèi)也可能差異很大［9］，而且綠化帶本身也會對污染物擴(kuò)散產(chǎn)生影響［10－11］.很少有文獻(xiàn)在考慮建筑及路邊綠化帶構(gòu)成的街谷約束物與機(jī)動車道中心距離不等的基礎(chǔ)上，研究實際三維街谷的局部約束特征對交通污染物擴(kuò)散的影響規(guī)律.本文擬選擇上海市松江區(qū)西林北路和文誠路上的代表性路段作為實測點，以溫度、相對濕度、PM1.0、CO2和CO濃度為監(jiān)測參數(shù)，分析建筑高度、綠化帶及其與機(jī)動車道中心的距離等因素對街谷內(nèi)空氣污染物擴(kuò)散衰減的影響.

1 實測準(zhǔn)備

1.1 被測街谷與監(jiān)測位置

西林北路和文誠路位于上海市松江區(qū)，前者為南北向主干道，全長約1 500m，兩側(cè)建筑基本等高，可視為對稱街谷；后者為東西向，全長約1 200m，大部分路段街道兩側(cè)建筑高度相差較大，可視為不對稱街谷.街道兩側(cè)基本為住宅小區(qū)和沿街商用建筑.被測街道和測點的具體位置如圖1所示.根據(jù)兩側(cè)建筑高度、布置形式及綠化疏密情況，針對上述被測街谷各選擇4處監(jiān)測位置.每一監(jiān)測位置設(shè)2個監(jiān)測點，一個位于機(jī)動車道中心，另一個位于人行道邊靠建筑一側(cè)（街邊），監(jiān)測儀器距地面高度約1.2m，如圖1（b）所示.西林北路4處監(jiān)測位置（A，B，C，D）均位于路東側(cè)，其中C點設(shè)在開闊的城市綠地處，可作為局地擴(kuò)散情況對比點.文誠路上4處監(jiān)測位置中，E和F點位于路南側(cè)，G和H點位于路北側(cè).各監(jiān)測位置處的約束物（即綠化帶和沿街建筑物）的幾何特征如表1所示.

表1 被測街谷的幾何特征Table 1 Geometrical features of the test street canyons

1.2 監(jiān)測條件的選取

為減少氣象條件對測量數(shù)據(jù)的影響，監(jiān)測選擇晴到多云（云量少于40%）天氣，背景風(fēng)速小于0.5m／s，風(fēng)向基本平行于街谷，且不穩(wěn)定度較高的時段進(jìn)行.實測過程分別于2010年3月和7月的工作日進(jìn)行，每日監(jiān)測時間為9：00～17：00.取滿足以上氣象條件的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.監(jiān)測時間段內(nèi)，經(jīng)人工計數(shù)統(tǒng)計，被測街谷車流量和車型比例相近，平均車流量約為（450±50）輛／h，小型車比例大于85%.

1.3 測量參數(shù)與測量儀器

由于細(xì)粒子對人體健康影響較大，本文對顆粒物的監(jiān)測以PM1.0為代表參數(shù)；氣態(tài)污染物則以CO2和CO為標(biāo)志物.同時對監(jiān)測點局地環(huán)境空氣溫度和相對濕度進(jìn)行測量記錄.

PM1.0的測量采用美國TSI公司生產(chǎn)的粉塵監(jiān)測儀 SidePak AM510型，測量范圍為0.001～20mg／m3，最小分辨率為0.001mg／m3.CO2和CO質(zhì)量濃度的監(jiān)測采用美國TSI公司生產(chǎn)的Q－Trak 7565型.其中CO2的測量范圍為0～9 821mg／m3，誤差為±3.0%，分辨率為1.964mg／m3；CO的測量范圍為0～625mg／m3，誤差為±3.0%，分辨率為0.125mg／m3.此外，利用 Q－Trak 7565同時記錄被測點處的空氣溫度和相對濕度.上述儀器使用前均經(jīng)儀器供應(yīng)商標(biāo)定或校準(zhǔn).背景CO2和CO質(zhì)量濃度在東華大學(xué)松江校區(qū)湖心島北監(jiān)測，取48h連續(xù)測量的平均值.

1.4 監(jiān)測方法

為比較同一監(jiān)測位置（剖面）上2個測點處污染物質(zhì)量濃度的相對大小和衰減特點，本文引入衰減因子f，以分析街谷兩側(cè)約束物（建筑或綠化）對污染物擴(kuò)散的約束和阻滯作用的強(qiáng)弱，其計算式如式（1）所示.

2 實測結(jié)果與分析

2.1 對稱街谷

靜風(fēng)和近似靜風(fēng)條件下，西林北路4處監(jiān)測位置的溫度、濕度、污染物質(zhì)量濃度及衰減因子f的變化情況如圖2所示.由圖2（a）和2（b）可以看出，4個位置機(jī)動車道中心處的溫度、相對濕度（RH）相差不大，平均值分別為16.8℃和44.0%；街邊處的平均值分別為14.1℃和54.0%.監(jiān)測期間，背景CO2和CO平均質(zhì)量濃度分別為879和2.01mg／m3.由圖2（c）～2（e）可以看出，有效時段內(nèi)，機(jī)動車道中心測量點的CO2和CO質(zhì)量濃度雖均有波動，但變化不大，平均值分別為1 462 和2.86mg／m3，PM1.0均值為0.060mg／m3；人行道外測量點3種污染物質(zhì)量濃度的均值分別為1 401，2.54和0.047 mg／m3.由于C點位置處在城市綠地段，擴(kuò)散條件較好，所以C點位置污染物濃度最低.

由圖2（f）可以看出，在垂直于街谷的方向上，綠化帶的約束作用對溫、濕度的變化和污染物擴(kuò)散的影響比較明顯.溫度和3個污染物參數(shù)的衰減程度隨約束特征變化的規(guī)律大體一致.如A點處建筑物高度僅為14m，但是街邊與建筑之間有楊樹（20m）和法國冬青（2m）組成的綠化屏障，溫度和污染物的f值相對最高，即擴(kuò)散與稀釋程度最弱.B和D點處建筑高19m，但街邊與建筑物之間無綠化，所以溫度和污染物的f值較A點處略小，即此段內(nèi)污染物擴(kuò)散優(yōu)于A點處.而C處無建筑，綠化主要為大面積草坪，所以除CO的f值較高外，溫度、CO2和PM1.0的f值均較小，即衰減程度最強(qiáng).因此，綠化帶實際上對污染物擴(kuò)散進(jìn)行了約束，減少了污染物向兩側(cè)建筑物的擴(kuò)散.此外，街谷內(nèi)不同種類污染物衰減規(guī)律不同.就本文的監(jiān)測結(jié)果看，PM1.0的f值小于氣態(tài)污染物；氣態(tài)污染物中，CO的f值小于CO2.

2.2 不對稱街谷

圖3給出了靜風(fēng)條件下文誠路4處監(jiān)測位置的溫度、相對濕度、污染物質(zhì)量濃度及f值的變化情況.圖3（a）和3（b）表明，4個監(jiān)測位置機(jī)動車道中心處的溫度、相對濕度的平均值分別為33.5℃和72.9%；街邊的平均值分別為32.6℃和72.6%.即路中和路邊溫度、相對濕度基本沒有明顯變化.背景CO2和CO在監(jiān)測期間的平均質(zhì)量濃度分別為923和2.2mg／m3.圖3（c）～3（e）給出了4個監(jiān)測位置處污染物質(zhì)量濃度變化和平均值情況.其中，全路段機(jī)動車道中心處CO2，CO和PM1.0的平均質(zhì)量濃度分別為1 455，3.36和0.197mg／m3，街邊的平均質(zhì)量濃度分別為1 371，3.14和0.171mg／m3.圖3（f）反映了不對稱街谷的建筑高度或綠化及其與機(jī)動車道中心的距離對溫、濕度變化和污染物擴(kuò)散稀釋的影響.建筑高度變化顯著時，如從E點處建筑高40m變化到F點處建筑高10m時，溫、濕度和污染物的f值均明顯降低.建筑與機(jī)動車道中心距離變化顯著時，亦有相似規(guī)律.如從G處建筑與機(jī)動車道中心距離的25m變化到H點處的約40m時，相對濕度、CO2和PM1.0的f值均降低.需要說明的是，H點處路邊監(jiān)測點與地下車庫出口距離較近（約10m），故溫度和CO的f值略高，但不影響總體衰減規(guī)律.

圖3 文誠路（不對稱街谷）4個路段的實測數(shù)據(jù)Fig.3 Test data on four locations of Wencheng Road（unsymmetrical street canyon）

一般情況下，對于這種不對稱街谷，污染物通常容易在建筑物高度較低的一側(cè)擴(kuò)散和稀釋，但從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，不對稱街谷的污染物擴(kuò)散亦明顯受街邊濃密綠化帶高度的影響.如文誠路西段北側(cè)G點處沿街建筑高約25m，與之相對的街道南側(cè)的F點處建筑高15m，但因F點處建筑與街道間有雪松（15m）和法國冬青（2m）組成的綠化帶，從而使得F點處溫度、CO2和CO質(zhì)量濃度的衰減程度反而低于G點處.文誠路東段南側(cè)E點處建筑高約40m，與街道間也有雪松（15m）和法國冬青（2m）組成的綠化帶；與之相對的北側(cè)H點處建筑高19m，無高大綠化帶.從綠化和建筑的角度考慮，E點處比H點處不利于污染物擴(kuò)散，所以E點處相對濕度、CO2和PM1.0的f值均大于H點處.即便H點處污染物質(zhì)量濃度有時還會受地下車庫排放的污染物的影響，也只有溫度和CO質(zhì)量濃度略微偏高.

就建筑物與機(jī)動車道中心的距離來看，由于文誠路綠化帶主要設(shè)置于路南側(cè)，F(xiàn)點和E點處的建筑物實際上離街道中心距離相對較遠(yuǎn)，這進(jìn)一步也表明了即使在不對稱街谷，綠化帶對污染物的擴(kuò)散也起到了約束作用.

總體而言，不對稱街谷內(nèi)污染物質(zhì)量濃度變化規(guī)律比對稱街谷更復(fù)雜.約束物（建筑或綠化）越高，距離機(jī)動車道中心越近，約束作用越強(qiáng)，越不利于交通污染物擴(kuò)散衰減.綠化屏障對交通污染物擴(kuò)散和稀釋的影響可能與兩側(cè)建筑物同樣重要.

3 街谷約束特性的表征

實測數(shù)據(jù)表明，街道兩側(cè)的綠化帶或建筑物越高，并且與機(jī)動車道中心的距離越近，越不利于污染物擴(kuò)散.因此，定義高遠(yuǎn)比H／D，即約束物高度H與約束物距機(jī)動車道中心的距離D之比，以表征約束物對污染物擴(kuò)散的阻礙作用.若約束物既有建筑又有綠化，則街谷約束物的有效高遠(yuǎn)比H／DT等于單體約束物高遠(yuǎn)比Hi／Di中的最大值，即

以約束特征比較規(guī)則的西林北路東側(cè)和文誠路北側(cè)監(jiān)測位置為例，根據(jù)表1和實測數(shù)據(jù)，表2給出了靜風(fēng)條件下6處街谷監(jiān)測位置的Hi／Di和H／DT及相應(yīng)的f值.由表2可以看出，H／DT值越大，f值也越大.對于6個監(jiān)測位置，H／DT從大到小的順序為E，A，B，D，F(xiàn)，C，而f值大致也遵循這一順序.

表2 監(jiān)測街谷的高遠(yuǎn)比及對應(yīng)的污染物衰減因子Table 2 Ratios of street canyon height to center distance and the relative pollutants decay indexs

4 結(jié) 語

本文選取上海松江區(qū)兩條典型的對稱和不對稱街谷，在近似靜風(fēng)的氣象條件下，以溫度、相對濕度、CO2和CO質(zhì)量濃度及PM1.0作為監(jiān)測參數(shù)，進(jìn)行連續(xù)多日測量，分析了街谷約束特征（建筑及綠化特點）對溫、濕度變化和污染物橫向擴(kuò)散衰減的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明，街谷側(cè)面約束物（綠化和建筑）對交通污染物的擴(kuò)散衰減特性有重要影響，街谷約束特征由建筑幾何結(jié)構(gòu)和高度、建筑物距機(jī)動車道中心的距離、綠化幾何特征（由植物種類和布置形式）、綠化帶到機(jī)動車道中心的距離等因素組成.所選3種污染物衰減程度隨街谷約束特征變化的規(guī)律基本一致.因此，可用約束物高遠(yuǎn)比H／D表征或輔助表征約束物對街谷內(nèi)交通污染物擴(kuò)散的影響程度.

參 考 文 獻(xiàn)

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Influence of Buildings and Tree Planting on Air Pollutants Diffusion in Street Canyon

WANGYou－jun1，2，KANGYan－ming2，CHENYong－h(huán)ang2
（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

CO2and CO concentrations and PM1.0are continuously monitored in typical symmetry and asymmetry street canyons in Songjiang，Shanghai under static ambient conditions，respectively.Ratio of the height of street canyon restrictive objects（buildings or tree planting）to the distance of them apart from the center of motor vehicles driveways，H／D，is introduced to denote the block effect on air pollutants diffusion.The research result indicates that when the ambient wind speed is less than0.5 m／s，tree planting is as important as buildings on the effect of blocking air pollutants diffusion.And diffusion and reduction characteristics of the concentrations depend on the ratios of street canyon and pollutant species.The higher theH／D，the stronger the disadvantage of diffusion is.The gradient for PM1.0reduction is greater than the cases of gaseous pollutants from the center of motor vehicles driveways to side pavement.

street canyons；tree planting；air pollutants；field measurement；diffusion

TU 985.18；X 502

A

1671－0444（2012）06－0740－05

2011－08－01

國家自然科學(xué)基金資助項目（40975093）

王友君（1980—），男，山東濟(jì)寧人，博士，研究方向為大氣污染與氣溶膠動力學(xué).E－mail：hedanfo＠126.com

亢燕銘（聯(lián)系人），男，教授，E－mail：ymkang＠dhu.edu.cn