霧霾天氣下夜間道路照明的分析與優(yōu)化措施研究*

李　軒，　孫鳳明，　周昌昊

(1.河北工程大學 建筑與藝術學院，河北 邯鄲 056038；2.中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200000)

工業(yè)化、城市化進程的加快和森林的大面積消失，致使大氣環(huán)境惡化，最典型的表現(xiàn)是近年來在京津冀、長三角和珠三角等地區(qū)的霧霾天氣[1-2].霧霾天氣下空氣中大量氣溶膠粒子會導致陽光和道路燈光被散射或吸收而無法到達地面[3-4]，使周邊環(huán)境昏暗，能見度下降，嚴重影響車輛和行人的出行安全，甚至導致車禍的發(fā)生，造成生命危險和巨大的經(jīng)濟損失[5].而大多數(shù)城市在路燈設計時并沒有考慮霧霾對道路照明的影響.

本文利用數(shù)字照度計(JTG01)，在邯鄲市交通流量較大的人民路路段進行照度測試，把無霧霾時的道路照明情況與霧霾時的道路照明情況進行對比，同時進行道路照明光環(huán)境模擬，根據(jù)分析及模擬結果對夜間霧霾時的道路照明情況做出分析和研究，并針對所產(chǎn)生的問題提出相應的改進措施，對以后道路照明設計有一定的借鑒作用.

1　實驗方法

1.1　實驗設計

據(jù)《照明測量方法》GB/T5700-2008的規(guī)定，采用中心布點法對邯鄲市人民路具有代表性的路段進行布點，測試位置定在人民路龍湖公園南門路段，路燈采用對稱布燈的方式，測量時取1/2路段進行測試[6].將兩燈桿之間縱向劃分為10等分，每條車道橫向劃分為2等份，形成一組網(wǎng)格.每一個網(wǎng)格的中心點路面為測試點，照度計的接收器放在測試點并貼在地面上進行測量，共80個測試點.布點位置如圖1所示.

選定無霾、輕度霾和重度霾(霧霾的輕重程度根據(jù)當天的空氣質量指數(shù)來判斷)[7]三種天氣情況下的夜間進行測量，記錄測量數(shù)據(jù)，測試3天，將這3組數(shù)據(jù)進行對比分析得出結論.

1.2　調查問卷

設計調查問卷，隨機選擇100個人進行問卷調查，了解人們對于霧霾天氣下夜間外出時視覺的主觀感受，并進行匯總分析，得出結論.

2　測試結果

測試在2017年1月到2017年2月霧霾頻發(fā)期進行，天氣狀況為無霾、輕度霾、重度霾，測試時間為晚上8：00-9：00，記錄測試數(shù)據(jù).測試期間邯鄲市AQI指數(shù)如圖2所示.

2.1　無霧霾天氣下道路照明現(xiàn)狀

據(jù)空氣質量表(圖2)，選擇無霧霾天氣(2017-01-20夜間)，空氣質量為優(yōu)或良，AQI指數(shù)75.用照度計對選定路段道路照明情況進行測試，記錄數(shù)據(jù)如表1所示.

根據(jù)GB/T5700-2008的規(guī)定，中心布點法的平均照度按下式計算：

(1)

式中：Eav為平均照度，Ei為在第i個測點上的照度，M為縱向測點數(shù),N為橫向測點數(shù).中心布點法的照度均勻度U1和U2的計算為：

U1=Emin/Emax，U2=Emin/Eav，

(2)

式中：U1為照度均勻度(極差)，Emin為最小照度，Emax為最大照度，U2為照度均勻度(均差).

表1　無霾天氣下道路照度數(shù)據(jù)表

在無霾天氣下根據(jù)式(1)計算可得其平均照度為38.0 lx.其中Emax=108.6 lx,Emin=5.9 lx.其照度均勻度依據(jù)式(2)計算可得U1=0.054,U2=0.155.

2.2　輕度霧霾天氣下道路照明現(xiàn)狀

根據(jù)空氣質量表(圖2)，選擇空氣質量為輕度污染(2017-01-22夜間)， AQI指數(shù)為132.用照度計對選定路段道路照明情況進行測量，記錄數(shù)據(jù)如表2所示.

表2　輕度霾天氣下道路照度數(shù)據(jù)表

在輕度霧霾天氣下根據(jù)式(1)計算可得其平均照度為26.0 lx.其中Emax=82.5 lx，Emin=4.8 lx.根據(jù)式(2)可得其照度均勻度為U1=0.058,U2=0.185.

2.3　重度霧霾的天氣下道路照明現(xiàn)狀

據(jù)空氣質量表(圖2)，選擇空氣質量為重度污染(2017-02-04夜間)，AQI指數(shù)為248，用照度計對選定路段道路照明情況進行測量，記錄數(shù)據(jù)如表3所示.

表3　重度霾天氣下道路照度數(shù)據(jù)表

在重度霧霾天氣下，根據(jù)式(1)計算可得其平均照度為14.5 lx.其中Emax=47.5 lx，Emin=3.9 lx.據(jù)式(2)可得其照度均勻度為U1=0.082,U2=0.269.

3　結果分析

3.1　測試道路照度分析

根據(jù)《城市道路照明設計標準》CJJ 45-2015中的規(guī)定，對于城市快速路、主干路，路面平均照度需要達到20 lx，照度均勻度U2最小值為0.4[8].由表1、表2和表3可知，在無霧霾、輕度霧霾天氣下，夜間測試路段道路照明的平均照度38.0 lx和26.0 lx達到國家標準平均照度20.0 lx的要求，且高于國家標準；重度霧霾的天氣下平均照度14.5 lx遠低于國家標準；三種天氣條件下照度均勻度U2為0.155、0.185和0.269，均低于國家標準，照度均勻度較差.

(1) 霧霾對照度的影響

通過以上分析，在無霾、輕度霾及重度霾三種不同天氣狀況下，其路面平均照度、最大照度和最小照度如圖3所示.AQI指數(shù)與道路照度相關性如圖4所示.由圖3可以看出，霧霾天氣下測試路段各測點照度都有所下降，且在重度霧霾天氣下，最大照度下降了約 56.3%，最小照度下降了約33.9%，而平均照度下降了約61.8%.研究表明，地面空氣濕度增大導致大氣中吸濕性粒子膨脹，使得大氣氣溶膠的光學厚度增加，引起測點照度下降[9].因此霧霾對道路照明有很大的影響.由圖4可以發(fā)現(xiàn)，空氣質量指數(shù)(AQI指數(shù))越大，照度越小，AQI指數(shù)與道路照度呈負相關關系.

(2) 霧霾對照度均勻度的影響

在無霾、輕度霾和重度霾三種不同天氣狀況下，其照度均勻度如圖5所示. AQI指數(shù)與照度均勻度的相關性如圖6所示.由圖5可知，測試路段在霧霾天氣下道路照度均勻度有所提升，重度霧霾天氣下照度均勻度提升得尤為明顯.從數(shù)據(jù)分析結果可知，無霾天氣下，最小照度與最大照度值和平均照度與最小照度值相差較大，其照度均勻度(均差)較小，從而導致路面照度均勻度較差.而在霧霾天氣下，大量的霧霾顆粒致使燈光被散射或吸收，對路面照度產(chǎn)生了較大的影響.霧霾天氣對最大照度區(qū)域的路面照度影響較大，對最小照度區(qū)域影響相對較小，霧霾顆粒的存在使得各測點的照度差值縮小，照度均勻度較無霾天氣高.由圖6可知，隨著AQI指數(shù)的增加，U1和U2也隨之增加，AQI指數(shù)與照度均勻度呈正相關關系.

3.2　調查問卷分析

根據(jù)調查問卷的答題情況進行匯總分析，以受訪者的視覺主觀感受作比例圖，結果如圖7和圖8所示.

霧霾天氣下空氣中大量的霧霾顆粒使空氣混濁，尤其是重度霧霾時，路面照度下降，周邊環(huán)境昏暗,最低能見度甚至不足百米[10]，嚴重影響出行安全.由圖7可知，霧霾天氣下，79%的受訪者感覺路面清晰度低.絕大多數(shù)的機動車駕駛人無法看清道路情況，行人和非機動車在過馬路時有可能無法發(fā)現(xiàn)行駛中的汽車而發(fā)生意外.但是，霧霾在使照度下降的同時提升了照度均勻度，路面上過亮區(qū)域不再產(chǎn)生刺眼的眩光.從圖8可以看出，80%的受訪者認為眩光的影響程度減弱，機動車駕駛員駕車時的舒適程度有所提高.

4　道路照明系統(tǒng)優(yōu)化建議

人民路測試路段兩路燈之間的中部區(qū)域照度嚴重不足，可考慮兩路燈之間加一功率較小的路燈.通過軟件DIALux進行道路照明模擬，經(jīng)過優(yōu)化后道路上各點照度有了很大的提高，從表4可知優(yōu)化后平均照度、中間照度、照度均勻度也有了很大提高，且優(yōu)化后達到了國家標準.考慮到節(jié)能，可以對中間所增加的路燈采用智能控制系統(tǒng)，在照度達標及無霾的時候不必開啟，在路面照度不足或中重度霾時開啟.這樣既可以節(jié)約資源，又可在照度不足或霧霾天氣時提高兩路燈之間中部區(qū)域的照度，以提高路面清晰程度.

表4　道路照明模擬優(yōu)化前后照度對比

5　結　論

本文通過實地測試，對不同程度霧霾天氣下夜間道路的照明情況進行了測量，并對人們的視覺主觀感受進行了調查，對測試數(shù)據(jù)進行了匯總分析及調查問卷的匯總分析.結果表明：(1) 霧霾降低了路面照度，但提高了路面照度均勻度，減小了眩光程度.(2) AQI指數(shù)與路面照度呈負相關關系，而與照度均勻度呈正相關關系.(3) 霧霾天氣下，最大能見度會大幅度減小，路面清晰度下降.(4) 在霧霾影響較重的地區(qū)進行道路路燈設計時，應考慮選用透霧透霾能力較強的燈具.

[1]顏鵬，劉桂清，周秀驥，等.上甸子秋冬季霧霾期間氣溶膠光學特性[J].應用氣象學報，2010,21(3):257-265.

[2]錢峻屏，黃菲，杜鵑，等．廣東省霧霾天氣能見度的時空特征分析:季節(jié)變化[J].生態(tài)環(huán)境，2006,15(6):1324-1330.

[3]閔敏,王普才,宗雪梅,等.灰霾過程中的氣溶膠特性觀測研究[J].氣候與環(huán)境研究,2009(2):153-160.

[4]楊軍,牛忠清,石春娥,等.南京冬季霧霾過程中氣溶膠粒子的微物理特征[J].環(huán)境科學,2010(7):1425-1431.

[5]穆泉,張世秋.2013年1月中國大面積霧霾事件直接社會經(jīng)濟損失評估[J].中國環(huán)境科學,2013(11):2087-2094.

[6]照明測量方法:GB/T5700-2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[7]環(huán)境空氣質量標準:GB 3095-2012[S].北京:中國環(huán)境科學研究院,2016.

[8]城市道路照明設計標準:CJJ45-2015[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[9]劉剛,魯世偉,黨睿,等.霧霾天氣對建筑光環(huán)境影響的定量化研究[J].照明工程學報:2015,26(6)：22-26.

[10]唐逸立,宋亞男,周小麗,等.模擬霧環(huán)境下視覺可見度實驗研究[J].照明工程學報:2015,26(6)：71-75.