基于ENVI-met的道路綠帶規(guī)劃設(shè)計對PM2.5消減作用的模擬研究

郭曉華 戴菲＊ 殷利華

近年來，空氣污染尤其是顆粒物污染引發(fā)的“霧霾天氣”受到了人們的廣泛關(guān)注。其中，細顆粒物（particulate matter，粒徑＜2.5μm，簡稱PM2.5），是現(xiàn)今空氣污染的罪魁禍首。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）報道，空氣污染已導(dǎo)致全球每年超過100萬例的過早死亡以及100萬例的胎死腹中[1]。研究表明，綠色基礎(chǔ)設(shè)施是消減城市顆粒物的有效方法之一[2-3]。街區(qū)尺度綠化覆蓋率與顆粒物濃度呈顯著負相關(guān)，綠化覆蓋率每提高10%，可分別降低PM10、PM2.5濃度13.83%、7.58%[4]。然而，植物在道路空間中對顆粒物消減作用的研究結(jié)果一直存在爭議[5]。既往研究總結(jié)表明，植物在街道峽谷空間中，高大的樹木起到負作用，而低矮的綠籬則可起到一定的消減作用；在開放式的道路空間中，植被對顆粒物消減則呈現(xiàn)積極的作用[6]。具體情況又隨植物復(fù)雜的降污原理而變化，植被的特征如沉積速率、葉面積密度、高度、樹冠、配置方式、葉片特性（多毛、蠟質(zhì)）、季節(jié)變化等都與顆粒物消減作用相關(guān)[7]。

目前，關(guān)于道路綠化與顆粒物的消減作用，國內(nèi)外研究多關(guān)注微觀尺度層面，集中在綠化植物的類型及種類、植物配置形式、綠帶寬度等對顆粒物的消減效果[8-11]。而對于規(guī)劃設(shè)計層面——道路綠帶斷面布置形式則未有涉及。城市道路綠地是城市綠地系統(tǒng)重要的組成部分，它們以網(wǎng)狀及線狀形式將整個城市綠地連成一體，形成良好的城市生態(tài)系統(tǒng)。城市道路綠帶的斷面形式是道路綠地規(guī)劃設(shè)計的核心內(nèi)容，它與城市上位規(guī)劃緊密銜接，是城市道路綠地管控的重點，是城市道路綠地設(shè)計的前提。中國常見的道路綠地斷面形式有一板兩帶、兩板三帶、三板四帶、四板五帶式[12]。在現(xiàn)今城市用地日趨緊張的背景下，如何在有限的城市道路綠地率前提下，通過對道路綠帶斷面合理的空間規(guī)劃和前瞻性布局，使其生態(tài)效益最大化，具有重要的理論及實踐意義。

目前，城市街區(qū)尺度微氣候研究方法包括實測、風洞試驗和數(shù)值模擬?，F(xiàn)階段研究成果以實測為主，但實測方法耗力耗時，且受地理氣候條件限制，無法排除其他環(huán)境條件干擾，難以推出普適性結(jié)論。風洞試驗，成本較高，推廣困難。數(shù)值模擬方法，利用計算機模擬微氣候，參數(shù)調(diào)整便捷，可控性強，逐漸受到學者們的普遍重視[13]。街區(qū)尺度常用的空氣污染物擴散模型有：ENVI-met、FLUENT、MISKAM和OSPM[14]。其中，ENVI-met是微氣候指標最完整、植被模塊最為完善的模擬軟件，最適用于風景園林小氣候的模擬研究。

目前，中國運用ENVI-met研究風景園林小氣候成果處于起步階段，由CNKI進行主題為“ENVI-met”并“綠地”“綠化”“風景園林”“規(guī)劃設(shè)計”交叉檢索，共出現(xiàn)文獻28篇，研究成果主要集中在小氣候指標如溫度、濕度、風環(huán)境、熱舒適性方面[15-17]，而對于污染物擴散，僅張偉在居住區(qū)綠地布局對微氣候影響中探討了PM10濃度[18]。由Web of Science 檢索“ENVI-met”and“particulate matter，air pollution，PM”可知，國外運用ENVI-met模擬道路綠化及顆粒物消減作用方面積累了一定的研究成果，主要應(yīng)用在研究街道峽谷空間不同高寬比、植物配置等對顆粒物的擴散及沉積作用影響。例如Wania 模擬不同高寬比及不同植物配置下，街道通風及顆粒物擴散的影響，結(jié)果表明，高寬比值越大，植物密度越大，在街道峽谷中風速越小，越不利于顆粒物擴散[1]。Vos 對比19種植物配置形式對污染物濃度的作用，結(jié)果表明街道中的喬木不利于污染物擴散[5]。香港城市大學Morakinyo 結(jié)合“擴散——沉降方法”模擬植物屏障對顆粒物消減作用，提出植物屏障與顆粒物源的適宜距離等指標[19-20]。Nikolova模擬了真實街道中顆粒物的擴散與沉降，認為在街道峽谷中，通風是影響顆粒物分布的主要因素[21-22]。此外，一些學者還對ENVI-met模型進行了驗證，表明實地測量法、生物磁學監(jiān)測方法與模型計算結(jié)果一致，進一步證實了ENVI-met運用于顆粒物擴散的有效性[23-25]。

筆者首次將ENVI-met運用于城市道路斷面綠帶規(guī)劃設(shè)計模擬中，定量研究城市道路綠帶斷面規(guī)劃布局對PM2.5消減的效果，為城市規(guī)劃及風景園林設(shè)計決策者提供科學量化依據(jù)，研究內(nèi)容具體反映在以下幾個方面：1）不同道路綠化帶類型，對PM2.5擴散的整體分布有何影響？2）不同道路綠化帶類型，對PM2.5的消減作用如何？3）各類型道路綠化帶斷面形式，能夠多大程度消減人行道PM2.5濃度？

1 研究方法

1.1 案例設(shè)計

1.1.1 研究地概況

武漢地處長江中下游，江漢平原東部，亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)。由2016年國家環(huán)保部門統(tǒng)計的338個地區(qū)及以上城市顆粒物年平均濃度可知[26]，武漢排名12位，并與其后城市PM2.5污染差值不大，能代表國內(nèi)典型大中城市的污染水平。武漢總面積8 494.41km2，2017年常住人口1 091.4萬，具有典型大城市道路交通特征。

1.1.2 道路紅線及綠地率

研究重點探討道路綠帶斷面形式對PM2.5的消減作用，故設(shè)定同等道路寬度及綠地率。據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》中“城市道路各類道路的規(guī)劃指標，大城市道路寬度主干道為45～55m，次干道40～50m”[27]，故案例設(shè)計道路選用主次干道常見紅線寬度50m；據(jù)《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計規(guī)范》，“園林景觀路綠地率不得小于40%”[28]，為保證道路綠地對顆粒物的消減效果，案例設(shè)計綠地率為40%。分別按道路綠帶斷面布置形式設(shè)置四組：一板兩帶式、兩板三帶式、三板四帶式、四板五帶式設(shè)置，對比無綠化帶道路（CK），具體參數(shù)如圖所示（圖1）。

1.2 網(wǎng)格設(shè)置及參數(shù)設(shè)置

網(wǎng) 格 數(shù) 設(shè) 置 60×80×30， 空 間 精 度1m×1m×2m，z軸采用equidistant，即最下方5個格Z=0.2×2=0.4m，以提高人體高度空間的計算精度。添加嵌套網(wǎng)格5個。因顆粒物模擬是穩(wěn)態(tài)計算，故模型運算時間設(shè)計為6h，前5h是預(yù)熱階段，最后1h計算值為結(jié)果討論時間。

模型選取2017年8月份典型夏季日，天氣參數(shù)（初始溫度、相對濕度）參考該月份平均天氣，風速設(shè)置1m/s（靜風條件），風向為垂直于道路風向及傾斜風向。污染源參數(shù)，據(jù)武漢市交通局信息，選取武漢市主干道交通流量，計算得出PM2.5排放速率為12.7μg/s/m，考慮到道路寬度及雙向車道，設(shè)置為兩條污染源，排放高度0.3m，排放速率為6.35μg/s/m[19]。

表1 ENVI-met主要參數(shù)設(shè)置Tab.1 ENVI-met main parameter setting

研究重點是探討道路綠化斷面形式對PM2.5消減影響，故統(tǒng)一道路綠帶內(nèi)植物配置類型。根據(jù)既往研究，對顆粒物消減作用最佳的配置模式是喬+灌+草[8]，灌木0～2m高度對顆粒物的凈化效果起到關(guān)鍵性作用[11]。Abhijith在綜述中也總結(jié)推薦2m為綠帶的最優(yōu)高度[6]。故設(shè)計灌木高度2m；從ENVI-met 3D 數(shù)據(jù)庫中，選用武漢市市樹水杉，樹高15m，冠幅7m，設(shè)計株行距8m。對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)參數(shù)根據(jù)武漢實際情況，查閱相關(guān)資料進行修正或添加[29]，具體參數(shù)見表（表1）。

1.3 消減程度及消減率指標

1.3.1 PM2.5濃度差值圖

運用“LEONARDO”模塊將模擬計算結(jié)果圖像化，得出道路三維空間內(nèi)PM2.5濃度的平面及剖面分布圖。將各道路綠帶斷面形式與CK道路的PM2.5濃度值分布圖疊加比較計算，可得出各道路綠帶斷面形式作用于PM2.5濃度改變的差值圖，用以探討綠帶斷面形式對PM2.5濃度的消減程度。平面圖選取Z=1.5m人行呼吸高度值；剖面圖選取傾斜風向Y=60m，垂直風向Y=40m，以代表各風向下擴散較穩(wěn)定的區(qū)域。

1.3.2 消減率

已有研究表明，受道路污染影響最為嚴重的空間是交通主干道及其兩側(cè)50m以內(nèi)、1.7m以下的低空范圍的空氣[30]，而此范圍正是人行空間。故本研究重點關(guān)注不同道路綠帶條件下，人行道1.5m高度的顆粒物變化。在橫斷面機動車道邊緣（0m）及人行道分別設(shè)置監(jiān)測點，縱向間隔10m，每條道路共計12個，計算消減率平均值。計算參照《中華人民共和國環(huán)境保護標準》，消減百分率的公式為：P=（Cs-Cm）/Cs。Cs是道路邊（0m）的PM2.5的濃度值，Cm是不同寬度綠帶外人行道PM2.5的濃度值[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 道路綠帶斷面形式對PM2.5濃度總體分布的影響

因研究結(jié)果討論的重點在于探討道路綠帶斷面形式對PM2.5的消減作用，故ENVI-met模型中省略背景濃度值差異，計算結(jié)果用相對濃度值表示[5]，文中統(tǒng)一表述為PM2.5濃度（圖2、3）。道路空間中PM2.5濃度的平面及剖面分布整體趨同。PM2.5濃度由藍色至黑色圖例區(qū)域逐步升高，道路空間中濃度最高區(qū)域主要出現(xiàn)在機動車道源頭，都呈現(xiàn)隨風向扇面擴散的趨勢，垂直風較傾斜風更利于顆粒物的擴散，下風向顆粒物濃度普遍高于上風向，擴散高度在10m以內(nèi)。

2 PM2.5濃度平面分布圖Plane distribution of PM2.5 concentration

3 PM2.5濃度剖面分布圖及1.5m高度相對濃度折線圖Profile distribution of PM2.5 concentration and relative concentration polyline chart at 1.5m height

不同道路斷面綠化類型對細顆粒物濃度的分布存在顯著影響。從平面圖上看（圖2），對比CK無綠化道路，綠化后各形式道路PM2.5擴散區(qū)域有所收斂，機動車道污染物濃度明顯增加，非機動車道及人行道顆粒物濃度略有下降；從剖面云圖上及1.5m高度相對濃度折線圖看（圖3），CK道路濃度為1.44～2.22μg/m3（淺藍色）區(qū)域擴散范圍在x軸52m處左右，道路綠化后該濃度區(qū)域云圖不同程度的縮短了1～4m，說明綠化帶顯著影響了顆粒物濃度的擴散；從1.5m高度相對濃度折線圖上看，在x軸47m左右各綠化道路相對于無綠化道路（CK）PM2.5濃度值開始下降，說明綠化帶能一定程度的消減人行道PM2.5濃度值。取道路紅線邊緣x軸55m為例，假設(shè)實際無綠化道路PM2.5濃度值為100μg/m3的話，傾斜風向下，一板兩帶式濃度為80μg/m3，兩板三帶式為74μg/m3，三板四帶式為85μg/m3，四板五帶式為76μg/m3；垂直風向下，一板兩帶式濃度為77μg/m3，兩板三帶式為73μg/m3，三板四帶式為84μg/m3，四板五帶式為79μg/m3。此外，在兩板三帶式及四板五帶式道路空間中，上下風向機動車濃度趨于近似，而中央分車帶區(qū)域呈現(xiàn)明顯的濃度下降“低谷”，說明由于上下行車道間的中央分車綠帶阻隔，影響了道路空間中PM2.5的濃度分布。

2.2 道路綠帶斷面形式對PM2.5消減程度

將各道路綠化斷面類型的PM2.5濃度值與CK道路相比較，得出平面差值分布圖（圖4）。圖例由藍色至紅色區(qū)域，差值由負值轉(zhuǎn)為正值。正值區(qū)域（紅色）說明道路綠化后PM2.5濃度增加，負值區(qū)域（藍色）說明道路綠化后PM2.5濃度下降。由圖4可知，由于綠化的作用，機動車道區(qū)域的顆粒物濃度都呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，而非機動車道、人行道的顆粒物濃度則出現(xiàn)下降趨勢。濃度增加最高的區(qū)域，普遍出現(xiàn)在上風向機動車道。其中，兩板三帶式濃度增加最明顯，傾斜風向下達到4.27 μg/m3、垂直風向下達到3.16μg/m3；其次為四板五帶式，傾斜風向下達到4.23μg/m3、垂直風向下達到3.15μg/m3。濃度下降最大的區(qū)域，出現(xiàn)在兩側(cè)非機動車道及人行道區(qū)域，兩板三帶式濃度下降最明顯，傾斜風向下道路減少1.82μg/m3，垂直風向下減少1.08μg/m3；其次為四板五帶式，傾斜風向下減少1.00μg/m3，垂直風向下減少0.28μg/m3。此外，兩板三帶式及四板五帶式綠化類型，上下行機動車道之間也出現(xiàn)明顯的顆粒物濃度下降區(qū)域，再次反映了中央分車綠化帶的消減作用。

將各綠化類型道路的剖面與對照道路相比較，得出各剖面濃度差值（圖5）。由圖示可知，垂直空間內(nèi)，各道路綠帶斷面形式下，機動車道濃度值增加，氣流上升并朝下風向偏轉(zhuǎn)擴散，形成一個明顯的高濃度擴散區(qū)，影響高度在15m左右。而15m正是案例設(shè)計的喬木樹高，反映樹木對顆粒物的擴散形成一定的阻滯作用。濃度下降值的最大區(qū)域都出現(xiàn)在下風向人行道側(cè)高濃度擴散區(qū)以下，形成一個“庇護區(qū)”，最低影響高度為2m（垂直風向下三板四帶式差值圖）。而2m為案例設(shè)計綠籬高度，可反映綠籬對PM2.5的擴散起到隔離作用。

從PM2.5的消減面積來看，四板五帶式>兩板三帶式>一板兩帶式>三板四帶式；從PM2.5的消減程度來看，兩板三帶式>四板五帶式> 一板兩帶式>三板四帶式。兩板三帶式消減程度最高，垂直風向下達到4.42μg/m3；三板四帶式消減程度最差，傾斜風向下僅有0.23 μg/m3。

4 PM2.5濃度平面差值圖PM2.5 concentration plane difference diagram

5 PM2.5濃度剖面差值圖PM2.5 concentration profile difference diagram

2.3 道路綠帶斷面形式對人行道PM2.5消減率

為進一步得知各道路斷面綠化對人行道的消減率，分別沿機動車道及人行道每間隔10m設(shè)置監(jiān)測點，在1.5m高度取值，據(jù)人行道顆粒物消減率公式計算，各綠化板式平均顆粒物消減率傾斜風條件下：CK道路為54%、一板兩帶62%、兩板三帶72%、三板四帶67%、四板五帶72%；各綠化板式消減率分別提高了8%、18%、13%、18%。垂直風向下，CK道路為48%、一板兩帶54%、兩板三帶62%、三板四帶53%、四板五帶60%，各綠化板式分別提高了6%、14%、5%、12%。兩板三帶與四板五帶式消減率較好，最佳效果為傾斜風條件下兩板三帶式，人行道消減率提高了18%。

3 結(jié)論與討論

3.1 道路綠帶斷面類型對顆粒物分布有顯著影響

道路綠化帶能明顯改變道路空間中PM2.5濃度的分布。不同程度的綠化能導(dǎo)致機動車道PM2.5濃度增加，非機動車道及人行道PM2.5濃度減少。

植物對顆粒物消減作用機理，主要分為擴散和滯塵2個方面。本研究表明，不同道路空間中污染物的分布都呈現(xiàn)隨風向扇面擴散趨勢，這與既往研究擴散作用占主導(dǎo)相一致。而不同的綠化帶布局，影響了PM2.5濃度的分布，兩側(cè)分車綠帶阻滯了PM2.5的擴散，由PM2.5剖面濃度差值圖（圖5）可以看出，PM2.5集聚在機動車道內(nèi)，使得機動車道內(nèi)濃度上升；PM2.5繼續(xù)隨氣流上升并朝下風向偏轉(zhuǎn)，再次形成一個濃度差值的擴散區(qū)。如此，在此擴散區(qū)域下的人行道空間，就因受到綠化帶的阻滯而形成一個低濃度“庇護區(qū)”。而中央分車綠帶，阻隔了上下行機動車道的擴散，使得兩條機動車道濃度值近似；同時，由于中央分車綠帶的滯塵作用，形成一個濃度“低谷”。由此可知，在道路空間內(nèi)，植物的擴散作用對PM2.5的分布起到主導(dǎo)作用，滯塵作用次之。

3.2 道路綠化能明顯消減人行道顆粒物濃度

研究重點關(guān)注了人行空間，通過模擬分析道路空間PM2.5的平面和垂直分布，發(fā)現(xiàn)道路綠化雖然增加了機動車道內(nèi)的PM2.5濃度，但卻能明顯改善非機動車道、人行道內(nèi)的PM2.5。而非機動車道及人行道則是暴露在空氣中、受害最大的人群，是道路環(huán)境改善的主要受眾群體。

由此可見，道路綠化是消減人行道PM2.5污染的重要舉措。以往的道路綠化強調(diào)植物的美化和降溫作用，對綠地消減顆粒物并未重視，甚至疑其消減功能[5]。但既往研究探討街道空間，大都作為一個整體來討論，得出植物影響顆粒物的擴散，產(chǎn)生不佳效果的結(jié)論[1]。筆者研究表明不同的道路綠帶類型，均能不同程度的降低人行道PM2.5濃度，可以有效地改善人行空氣環(huán)境。而且，植物的配置類型也與PM2.5濃度的增減緊密相關(guān)，PM2.5濃度的增減擴散高度與植物高度基本一致。因此，在道路綠帶規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)在近人行空間高度上，保證安全視距的前提下，盡可能設(shè)置濃密的植物綠障，以阻滯機動車道的顆粒物擴散。枝葉濃密的喬木對機動車道PM2.5濃度擴散也起到了一定的阻滯和隔離作用，有利于人行道空間PM2.5濃度的消減。

3.3 兩板三帶式、四板五帶式綠化消減效果最佳

通過對比分析，得出從PM2.5消減區(qū)域來講，四板五帶式>兩板三帶式>一板兩帶式>三板四帶式；從PM2.5消減程度來看，兩板三帶式>四板五帶式> 一板兩帶式>三板四帶式；從消減提高率來看，兩板三帶式、四板五帶式綠化類型對人行道空間的消減效果最佳。

在進行道路綠地規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)盡量選用兩板三帶式及四板五帶式的布局。如若道路空間以人行為主，或道路紅線外用地仍是其他休閑空間，則應(yīng)以降低顆粒物濃度最大區(qū)域為主，選擇四板五帶式布局。如道路以車行為主且周邊少有人活動空間，則綠地設(shè)計應(yīng)以最大程度消減顆粒物為主，選用三板四帶式布局效果最佳。

4 研究展望

本文作者運用模擬研究方法，通過變量控制，一定程度上排除了其他因素的影響，僅關(guān)注道路綠帶對PM2.5的消減作用。但道路綠帶除消減顆粒物濃度外，還承擔了遮陰、降溫、増濕、等多種重要功能。ENVI-met模擬計算小氣候指標還包括溫度、濕度、風環(huán)境等，后續(xù)研究將拓展小氣候維度，綜合考慮多種環(huán)境因子，并結(jié)合實測，從解決具體問題入手，使研究結(jié)果更精確。同時，本文作者中重點探討了植物在橫斷面的布局形式，但植物在街道空間中的縱向布局也是影響顆粒物濃度的重要因素，如何合理設(shè)計綠化帶間隔和長度也是將來研究的方向，以期為道路綠化設(shè)計提供更為詳盡的指導(dǎo)和依據(jù)。

注釋：

文中圖、表均由作者繪制。