大氣顆粒物污染視角下的城市街區(qū)健康規(guī)劃策略

陳 明

戴 菲*

傅 凡

陸文婷

“健康城市”是為改善城市人居環(huán)境、提高公眾生活健康而提出，世界衛(wèi)生組織強(qiáng)調(diào)其健康人群、健康環(huán)境和健康社會(huì)相結(jié)合的有機(jī)整體[1]，涉及健康的大氣環(huán)境、食品、飲水、公共空間等多方面內(nèi)容。改善城市大氣環(huán)境，為人們提供清潔和安全的環(huán)境，是健康生活最基本的保障，被世界衛(wèi)生組織列為健康城市的首條標(biāo)準(zhǔn)。我國當(dāng)前仍面臨著嚴(yán)峻的城市環(huán)境問題，其中懸浮于大氣中的顆粒物是大部分城市的主要污染物之一，按照粒徑可分為總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)等。其中以PM10、PM2.5為主要污染物的大氣顆粒物污染頻發(fā)，增加呼吸系統(tǒng)疾病、肺癌患病風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人們的身體健康造成嚴(yán)重危害[2]，本文以此進(jìn)行主要的考量。然而目前城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的空間環(huán)境營造對(duì)環(huán)境氣候因素考慮不足，在當(dāng)前城市高密度發(fā)展和嚴(yán)重的大氣顆粒物污染的形勢(shì)下，城市的健康環(huán)境建設(shè)成為迫切需求，優(yōu)化城市空間環(huán)境至關(guān)重要。

城市街區(qū)是城市肌理、空間形態(tài)、功能與管理的基本單元，也是健康城市實(shí)施的落腳點(diǎn)，具有較高的實(shí)操性。目前，研究通過量化手段證實(shí)在城市復(fù)雜的空間環(huán)境中，街區(qū)尺度的PM10、PM2.5濃度存在顯著差異[3]。相關(guān)研究內(nèi)容較廣，但成果零散，不成體系。為了系統(tǒng)性地構(gòu)建基于大氣顆粒物改善的城市街區(qū)健康規(guī)劃設(shè)計(jì)體系，需要深入了解街區(qū)空間環(huán)境及其大氣環(huán)境特征相互影響的“格局-效應(yīng)”機(jī)制，加強(qiáng)城市空間環(huán)境對(duì)大氣環(huán)境的適宜性研究，并運(yùn)用于城市空間規(guī)劃設(shè)計(jì)中。本文基于城市街區(qū)影響顆粒物濃度與分布的要素、作用路徑，以及國外城市應(yīng)對(duì)顆粒物污染的空間規(guī)劃策略的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出街區(qū)空間環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為城市管理者和建設(shè)者提供一點(diǎn)借鑒。

1 城市街區(qū)影響顆粒物濃度與分布的要素及作用路徑

基于大氣顆粒物污染視角，城市街區(qū)的健康規(guī)劃主要依據(jù)空間環(huán)境對(duì)顆粒物濃度與分布的影響[4]。城市街區(qū)下墊面類型及其所占比例(綠地、建筑、道路等)[5-6]、街區(qū)形態(tài)(街區(qū)肌理形態(tài)與街道高寬比、長寬比、兩側(cè)建筑高度比等街道空間形態(tài))[7-9]、建設(shè)強(qiáng)度(建筑密度、容積率等)[6-7]均對(duì)街區(qū)的顆粒物濃度與分布有重要影響。例如在低層低密度的傳統(tǒng)街區(qū)中，由于綠化覆蓋率較低、建筑密度較高、人口密集，較多地區(qū)通風(fēng)不暢，從而導(dǎo)致較嚴(yán)重的大氣顆粒物污染[10]。在高層高密度的商業(yè)街區(qū)中，底層裙房形成較為封閉的空間，底層空間通風(fēng)不暢，阻礙顆粒物的擴(kuò)散[11]。

影響街區(qū)顆粒物濃度與分布的因素復(fù)雜多樣，顆粒物濃度與分布除了受到城市空間環(huán)境因素的直接影響，也受到由于空間形態(tài)差異所產(chǎn)生的局地微氣候(例如環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向等)的間接影響?；陲L(fēng)景園林及相關(guān)學(xué)科，城市街區(qū)空間環(huán)境對(duì)顆粒物的緩解作用主要通過“源—流—匯”①3個(gè)路徑得以實(shí)現(xiàn)：1)控制污染源(控源)，通過調(diào)整街區(qū)用地結(jié)構(gòu)、優(yōu)化用地布局與交通體系，減少污染源產(chǎn)生；2)引導(dǎo)顆粒物的流動(dòng)擴(kuò)散(引流)，優(yōu)化街區(qū)空間形態(tài)，改善內(nèi)部通風(fēng)環(huán)境，促進(jìn)顆粒物的擴(kuò)散；3)沉降、吸收顆粒物(匯聚)，通過街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)顆粒物的攔截、吸附作用，降低大氣顆粒物濃度。

圖1 大氣顆粒物污染視角下的城市街區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究框架

2 大氣顆粒物污染視角下城市街區(qū)空間策略

目前，盡管業(yè)界已充分認(rèn)識(shí)到大氣顆粒物等環(huán)境因素在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重要性，但基于大氣顆粒物污染改善的城市街區(qū)空間規(guī)劃未形成體系。一方面，倫敦、洛杉磯、魯爾工業(yè)區(qū)等歷史上發(fā)生重大空氣污染事件的城市或地區(qū)的治理經(jīng)驗(yàn)具有較高的借鑒價(jià)值；另一方面，又需著眼于中國城市空間環(huán)境現(xiàn)狀特征，從既有研究成果中提取規(guī)劃設(shè)計(jì)策略(圖1)。

2.1 國際經(jīng)驗(yàn)借鑒

1)規(guī)劃編制成果是規(guī)劃措施實(shí)施的重要保障。洛杉磯近年制定的若干規(guī)劃編制成果，關(guān)注居民的城市生活品質(zhì)(如健康)。例如2013年編制的《設(shè)計(jì)一個(gè)健康的洛杉磯》，從街道綠化、慢行交通、公共交通與開放空間等方面，提出健康社區(qū)的營造策略，并鼓勵(lì)人們積極出行以提高居民的健康水平[12]；2015年編制的《洛杉磯郡總體規(guī)劃2035》通過環(huán)境資源管控營造健康的社區(qū)空間；2015年編制的《健康洛杉磯規(guī)劃：總體規(guī)劃的健康要素》注重街區(qū)道路的設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)更加清潔健康的街道環(huán)境。

2)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與綠色交通是關(guān)鍵所在，能減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，控制源頭排放。魯爾區(qū)由單一的工業(yè)結(jié)構(gòu)向多樣化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展，在不同街區(qū)的產(chǎn)業(yè)布局中，以新興工業(yè)為主，培育高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，例如健康工程和生物制藥、物流、文化等[13]。倫敦在20世紀(jì)六七十年代的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中，第三產(chǎn)業(yè)不斷取代工業(yè)，工業(yè)污染源逐漸消失，促使大氣顆粒物污染根本好轉(zhuǎn)[14]。倫敦還將綠色交通體系當(dāng)作一項(xiàng)重要策略，優(yōu)先發(fā)展公交網(wǎng)絡(luò)，鼓勵(lì)步行、騎行、公交等出行方式，建立智能交通信息系統(tǒng)減少交通擁堵、能源消耗與尾氣排放。綠色交通體系與綠色空間相結(jié)合也極大改善了空氣質(zhì)量[15]。

3)優(yōu)化街區(qū)形態(tài)，改善通風(fēng)環(huán)境是中間環(huán)節(jié)。針對(duì)臟亂的街區(qū)衛(wèi)生環(huán)境，倫敦重新規(guī)劃建設(shè)城市街區(qū)，從更新建筑布局、街道空間優(yōu)化、綠化用地建設(shè)等方面，改善街區(qū)物質(zhì)空間環(huán)境與通風(fēng)條件[16]。利用泰晤士河，結(jié)合城市盛行風(fēng)與帶狀綠地，形成綠色通風(fēng)廊道，將郊區(qū)新鮮的空氣引入城市街區(qū)，同時(shí)帶走街區(qū)渾濁的空氣，改善街區(qū)空氣質(zhì)量[17]。

4)綠色空間的末端吸收是最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)。倫敦城區(qū)內(nèi)部的綠地建設(shè)上，強(qiáng)調(diào)綠色空間的網(wǎng)絡(luò)性與連通性，即使在建筑密集區(qū)中也有綠地穿入[18]。德國魯爾工業(yè)區(qū)制定“綠色計(jì)劃”，依托各組團(tuán)的山水、森林、耕地等生態(tài)資源隔離污染區(qū)，在工業(yè)密集區(qū)內(nèi)緊湊布綠，將散置的綠色空間連接構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[19]。依托綠道聯(lián)系區(qū)內(nèi)居民點(diǎn)組團(tuán)、鄰里單元，促進(jìn)人們健康出行，增加體力活動(dòng)鍛煉機(jī)會(huì)，從而提高人們的身體健康與街區(qū)的健康水平[20]。

2.2 文獻(xiàn)研究理論依據(jù)

1)合理的用地結(jié)構(gòu)是城市生態(tài)環(huán)境的重要保障，而街區(qū)的用地是城市用地可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。不論是城市尺度還是街區(qū)尺度的用地結(jié)構(gòu)，均倡導(dǎo)復(fù)合、緊湊、集約的土地利用[21]。街區(qū)的功能混合一方面提高了土地利用效率，有利于綠地、水體等發(fā)揮的生態(tài)效應(yīng)滲入街區(qū)內(nèi)部，緩解顆粒物污染；另一方面有利于促進(jìn)人們出行，減少機(jī)動(dòng)車污染，從而提高街區(qū)的健康環(huán)境[22]。道路網(wǎng)絡(luò)是街區(qū)的骨架，也是街區(qū)空氣污染的主要來源。有學(xué)者以北京為例，通過土地利用回歸模型量化不同路網(wǎng)密度下的街區(qū)PM2.5濃度，提出緊湊路網(wǎng)優(yōu)于稀疏路網(wǎng)[23]?；诖?，利用“單向二分路”代替中央超寬主干路，不僅增加道路數(shù)量，營造中部的綠色開放空間，同時(shí)能承擔(dān)更多的交通流量[24]。然而，路網(wǎng)密度過高則會(huì)增加負(fù)面效果，需要營造網(wǎng)絡(luò)化的步行與騎行空間，或結(jié)合機(jī)動(dòng)車道進(jìn)行生態(tài)改造，增設(shè)步行或騎行道，控制機(jī)動(dòng)車流量，提高步行與騎行的可能[25]。

2)建筑的不同組合分布構(gòu)成街區(qū)形態(tài)的多樣性，影響街區(qū)內(nèi)部通風(fēng)環(huán)境，引發(fā)顆粒物的不同擴(kuò)散規(guī)律。街區(qū)整體空間形態(tài)上，較低的建筑密度、立面面積指數(shù)(frontal area index)②(尤其是0～15m高度的底層裙房)以及差異性較大的建筑高度組合[6，26-27]可以提高街區(qū)內(nèi)部的通風(fēng)環(huán)境。而高層高密度街區(qū)通風(fēng)環(huán)境較差，甚至有可能出現(xiàn)靜風(fēng)狀態(tài)，影響顆粒物的擴(kuò)散[28]。因此需嚴(yán)格控制建筑密度，通過局部更新的方式，調(diào)整建筑群空間形態(tài)，結(jié)合城市主導(dǎo)風(fēng)向留出風(fēng)道[29]。在建筑平面布局上，與大體量連片的布局方式相比，小體量分散式布局往往具有更多的建筑間隙促進(jìn)顆粒物的擴(kuò)散[30]。街區(qū)局部形態(tài)上，街道峽谷(街谷)的底層空間1～10m高度往往是污染最嚴(yán)重的區(qū)域。除了需要優(yōu)化目前普遍提出的對(duì)顆粒物具有顯著影響的街谷高寬比、長寬比、兩側(cè)建筑高度比等指標(biāo)[9]，由天空可視因子(sky view factor)衡量的街谷開敞度越高，越有利于街區(qū)顆粒物濃度的降低[31]。

3)綠色空間(廣義)是指城市中的任何植被，例如公園、開放空間、行道樹等，在街區(qū)中是緩解空氣污染的重要因素[32]。街區(qū)尺度的綠色空間規(guī)模、形態(tài)對(duì)顆粒物均有顯著影響。規(guī)模上，街區(qū)的綠化覆蓋率、三維綠量均與PM10、PM2.5呈顯著負(fù)相關(guān)與非線性關(guān)系，植物的消減作用隨綠化覆蓋率、三維綠量的增加呈現(xiàn)減緩的趨勢(shì)[5，33]。在此基礎(chǔ)上，街區(qū)中的綠色空間斑塊中擁有規(guī)模較大的核心斑塊越有利于改善街區(qū)的空氣質(zhì)量[34]。形態(tài)上，由邊緣密度或長度(edge density、edge length)衡量的綠地形狀表明越復(fù)雜的綠地形態(tài)有利于消減顆粒物[35]。在綠色空間布局上，集中分布且具有較高連通性的綠色空間更有利于大氣顆粒物的改善[36]。然而當(dāng)綠地達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，采用分散式的布局方式有利于將綠色空間滲透至街區(qū)各處，產(chǎn)生更大的生態(tài)效益[37]。

3 基于顆粒物改善的城市街區(qū)健康規(guī)劃指引

在城市控制性詳細(xì)規(guī)劃、城市設(shè)計(jì)等實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)中，考慮對(duì)顆粒物濃度與分布具有顯著影響的城市空間要素與形態(tài)布局，有利于促進(jìn)城市街區(qū)健康環(huán)境的發(fā)展。基于國外代表案例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與相關(guān)研究成果，得到顆粒物改善的城市街區(qū)空間規(guī)劃控制和引導(dǎo)內(nèi)容，其中現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的考證為引導(dǎo)內(nèi)容提供有力支撐，案例總結(jié)為實(shí)際規(guī)劃提供經(jīng)驗(yàn)借鑒(表1)。從城市空間要素對(duì)顆粒物的作用路徑——“控源”“引流”“匯聚”三方面構(gòu)建規(guī)劃指引內(nèi)容與指標(biāo)體系。除了目前常用的衡量街區(qū)空間密度的規(guī)劃設(shè)計(jì)指標(biāo)，還納入了聚散性、連續(xù)性等衡量街區(qū)空間形態(tài)以及三維空間形態(tài)等特色指標(biāo)，能代表街區(qū)布局、街道與建筑關(guān)系，豐富城市街區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)新維度，在實(shí)踐中可指引詳細(xì)設(shè)計(jì)，落實(shí)到綠地、街道、建筑等具體的形態(tài)設(shè)計(jì)。有待考證的指引內(nèi)容包括文獻(xiàn)的個(gè)案研究、規(guī)律性探索、尚未完全證實(shí)以及潛在的影響因素等方面，需要進(jìn)一步研究以提供有力支撐。

1)優(yōu)化街區(qū)形態(tài)減少污染源的產(chǎn)生。一方面，基于“生態(tài)街區(qū)”“綠色街區(qū)”等理念，構(gòu)建緊湊彈性的功能與空間布局，形成街區(qū)的大本底。合理布局街區(qū)中的灰綠空間，耦合發(fā)揮較大的生態(tài)效益；另一方面，以“小街區(qū)、密路網(wǎng)”的布局形態(tài)構(gòu)建街區(qū)骨架，同時(shí)提高街區(qū)中支路與次干道的比例[23]。不僅引導(dǎo)更多的城市“穿堂風(fēng)”穿過街巷，疏散大氣顆粒物，也有利于緩解街區(qū)的交通壓力，避免擁堵與減少汽車尾氣排放，間接地改善街區(qū)空氣質(zhì)量，還能促進(jìn)人們步行出行。在具體空間策略上，需結(jié)合現(xiàn)狀街區(qū)建筑布局環(huán)境，連接盡端路、T型路，增加道路連通性與道路密度，同時(shí)考慮綠地建設(shè)的可能性(圖2)。

表1 大氣顆粒物污染視角下城市街區(qū)空間規(guī)劃指引

2)建筑布局改善街區(qū)通風(fēng)環(huán)境。適以散點(diǎn)式更新營造相對(duì)開敞、密度適中、高度差異大、界面變化豐富的建筑立體空間形態(tài)，以改善街區(qū)通風(fēng)環(huán)境。城市街區(qū)的通風(fēng)廊道是空間層級(jí)最小的一級(jí)，其規(guī)劃設(shè)計(jì)首先需要與周圍的城市風(fēng)道系統(tǒng)相銜接，以便引入城市風(fēng)道氣流?；诂F(xiàn)狀街區(qū)特征，其風(fēng)道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于打通受阻的空間，形成連續(xù)通暢的界面，并盡量增加風(fēng)道數(shù)量(圖3)。在高密度的城市街區(qū)中，一方面，利用街道、線性水體或綠地、開放空間等要素構(gòu)成風(fēng)道的主體部分；另一方面，通過適當(dāng)降低建筑密度、增加建筑間距，控制新建建筑高度、密度、體量，合理布置板式建筑避免阻擋風(fēng)向等方式，營造相對(duì)連續(xù)的開放空間，即廣義上的通風(fēng)廊道[38]。然而針對(duì)不同街區(qū)空間形態(tài)，風(fēng)道設(shè)計(jì)也有所差異，應(yīng)根據(jù)不同街區(qū)空間形態(tài)提出相應(yīng)策略。在更基礎(chǔ)的街谷層面，重點(diǎn)優(yōu)化底層空間形態(tài)，打破其連續(xù)的界面，疏導(dǎo)更多能進(jìn)入街區(qū)的風(fēng)場(chǎng)。優(yōu)化街道兩側(cè)建筑的高度、相對(duì)距離，以提高天空可視因子。

3)綠色空間布局吸收大氣顆粒物。在綠色空間容量上，需要合理利用街區(qū)中的空地進(jìn)行增綠。然而在高密度的城市街區(qū)中，大規(guī)模地新增綠地難度較大，可采用局部覆綠的方式(屋頂綠化、垂直綠化等)，以提高綠化覆蓋率或三維綠量。在更微觀的尺度，需考慮不同植物類型的綠量所產(chǎn)生的生態(tài)效益，適以喬灌為主，合理搭配草地[39]，營造集生態(tài)、景觀、游憩于一體的綠色空間。在綠色空間的布局形態(tài)上，提高街區(qū)中大型綠色斑塊面積，提高其優(yōu)勢(shì)度，并以此為核心，利用社區(qū)級(jí)綠道、道路行道樹、綠化帶等綠色廊道，加強(qiáng)與中、小型綠色空間的連通性，形成網(wǎng)絡(luò)化的生態(tài)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，并與周圍及城市整體的生態(tài)結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，有利于發(fā)揮更大的顆粒物吸附作用[37](圖4)。在綠色斑塊的形態(tài)上，通過設(shè)計(jì)手段的引導(dǎo)增加其不規(guī)則程度，有利于提高生物的擴(kuò)散物質(zhì)和能量，以及與周圍環(huán)境的交換，使綠色空間吸收更多顆粒物。

圖2 街區(qū)“窄路密網(wǎng)”的道路形態(tài)

圖3 街區(qū)建筑布局優(yōu)化與風(fēng)道構(gòu)建策略

圖4 街區(qū)綠色空間布局模式

4 結(jié)論與討論

本文基于街區(qū)大氣顆粒物污染的改善，為構(gòu)建健康的街區(qū)空間環(huán)境提供優(yōu)化路徑與指引。然而實(shí)現(xiàn)城市街區(qū)的健康可持續(xù)發(fā)展不僅限于大氣顆粒物污染問題，還涉及健康的食品、公共空間、飲水等多方面內(nèi)容，是未來可探討的方向。文中提出的大氣顆粒物污染視角下城市街區(qū)空間規(guī)劃指引，仍可進(jìn)一步補(bǔ)充更多潛在指標(biāo)，為改善城市空間環(huán)境提供更全面的規(guī)劃設(shè)計(jì)指引。此外，國際經(jīng)驗(yàn)與研究支撐對(duì)我國具有積極的借鑒價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1)完善的“控源—引流—匯聚”規(guī)劃設(shè)計(jì)體系。在城市控規(guī)、修規(guī)、城市設(shè)計(jì)、城市更新等實(shí)踐中，首先優(yōu)化街區(qū)用地結(jié)構(gòu)、道路形態(tài)、產(chǎn)業(yè)布局，建設(shè)綠色交通體系，減少污染源；其次優(yōu)化街區(qū)形態(tài)構(gòu)建通風(fēng)廊道，引導(dǎo)與加速顆粒物擴(kuò)散；最后通過街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的末端吸收作用，增加規(guī)模、優(yōu)化布局與形態(tài)，再次降低大氣顆粒物濃度。

2)將改善空氣環(huán)境納入規(guī)劃編制成果。洛杉磯的治理經(jīng)驗(yàn)給予的啟示表明，應(yīng)將提高城市空氣質(zhì)量作為城市空間環(huán)境設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一，注重物質(zhì)空間規(guī)劃設(shè)計(jì)與大氣環(huán)境相協(xié)調(diào)，營造健康宜居的生活活動(dòng)空間，并將具體的規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容納入成為規(guī)劃編制的重要成果，形成類似海綿城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

3)長期有序的治理規(guī)劃。改善城市空氣質(zhì)量是一個(gè)長期、復(fù)雜的過程，倫敦、洛杉磯等城市經(jīng)歷了幾十年。對(duì)于我國大氣顆粒物污染的現(xiàn)實(shí)情況，需要制定一個(gè)長期的治理計(jì)劃，針對(duì)整治的各個(gè)階段實(shí)施相應(yīng)的空間規(guī)劃策略。

4)完善的制度保障。倫敦、洛杉磯等城市的大氣環(huán)境治理均以嚴(yán)格的環(huán)境立法作為保障制度，例如《清潔空氣法》為改變城市能源結(jié)構(gòu)、加大清潔能源比例提供法律保障。街區(qū)層面的控制性詳細(xì)規(guī)劃作為一種法定規(guī)劃，需要結(jié)合相關(guān)法規(guī)，進(jìn)一步構(gòu)建完善的制度保障。

注釋：

① “源—流—匯”理論是大氣污染研究的一項(xiàng)基本原理，“源”即一個(gè)過程的源頭，“匯”即一個(gè)過程消失的地方，“流”是“源”和“匯”相連接的過程。

② Frontal area index是指在某一風(fēng)向上，街區(qū)建筑立面面積占街區(qū)面積的比例，一定程度上反映街區(qū)的通風(fēng)性能。