基于大氣污染治理的城市綠地景觀格局優(yōu)化研究
——以永州市為例

鄧 潔

（永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南永州 425000）

近年來，在快速城市化進(jìn)程背景下，人口劇增、產(chǎn)業(yè)聚集、交通擁堵等問題引發(fā)城市空氣質(zhì)量的持續(xù)惡化?，F(xiàn)有研究表明，綠地可有效消減大氣污染物，其作用機(jī)制主要體現(xiàn)在直接作用和間接影響2 個方面：一方面在于綠地植物對PM2.5 等污染物具有直接阻滯、吸收、覆蓋等作用[1]；另一方面布局合理的綠地斑塊和廊道可穿插、聯(lián)結(jié)形成貫穿城市的風(fēng)道，從而間接加快大氣污染物的稀釋擴(kuò)散[2]。

在目前城市建設(shè)用地普遍緊張的情況下，通過增加綠地面積來改善空氣質(zhì)量往往難以實(shí)現(xiàn)。因而在整個城市乃至市域?qū)用妫柚坝^生態(tài)學(xué)原理與方法，通過調(diào)整優(yōu)化現(xiàn)有綠地景觀格局以改善城市空氣質(zhì)量，在現(xiàn)階段城市大氣污染治理和綠地系統(tǒng)規(guī)劃工作中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

永州市地處湖南省南部，為國家歷史文化古城，其中心城區(qū)440km2，冷水灘區(qū)、零陵區(qū)一北一南呈南北狹長的雙城模式，生態(tài)新城片區(qū)位于中部連接兩區(qū)。2018 年該市建成區(qū)面積62.21km2，常住人口53.72 萬人，綠化覆蓋率為30.42%，綠地率為27.3%，人均公園綠地面積為3.8m2。冬、春、秋三季以偏北風(fēng)為主，夏季盛行偏南風(fēng)，2017、2018 年空氣質(zhì)量優(yōu)良率分別為85.5%、82.2%，呈逐年下降趨勢，主要空氣污染物為PM2.5，其次為O3、PM10[3]。

本次研究區(qū)域確定為永州市城市規(guī)劃外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域，鑒于夏季為植物生長最茂盛、吸收污染物能力最強(qiáng)的季節(jié)，故將研究時段設(shè)為2018 年8 月1～31 日，并針對PM2.5 這一主要空氣污染物展開與城市綠地格局的相關(guān)性研究。

1.2 研究方法及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 綠地景觀格局分析技術(shù)。基于邵天一、邱義山等人的研究成果[2,4]，結(jié)合本次研究目的，主要選取6 種綠地景觀格局指數(shù)：斑塊平均面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊密度（PD）/廊道密度（CD）、平均斑塊形狀指數(shù)（MSI）、平均最近鄰近距離（MNN）對永州市綠地景觀格局與PM2.5 分布的相關(guān)性展開分析。

數(shù)據(jù)獲取及處理過程如下：基于2018 年8 月永州市Quick Bird 衛(wèi)星影像（其分辨率為30m），運(yùn)用ArcGIS 等軟件，通過影像融合、校正、矢量信息提取等，獲取永州市綠地景觀分類數(shù)據(jù)。將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Fragstats4.2 中計算得出各綠地景觀格局指數(shù)。

1.2.2 計算流體力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)。由于空氣質(zhì)量監(jiān)測站布點(diǎn)數(shù)量有限，獲取的數(shù)據(jù)往往無法全面客觀地反映城市空氣污染物濃度分布。CFD 技術(shù)具有流體分析的優(yōu)勢，目前已有利用CFD 大氣環(huán)境模擬值應(yīng)用于城市規(guī)劃的實(shí)踐[5]，但利用該技術(shù)分析評估及優(yōu)化綠地生態(tài)格局的研究則較少涉及。本次研究著眼于利用CFD，模擬在城市大氣流場運(yùn)動下PM2.5 擴(kuò)散與綠地景觀格局的相互影響。

用于CFD 模擬污染物分布的數(shù)據(jù)包括：運(yùn)用ERDAS Imagine 9.3、ArcGIS 獲取，解析得到的永州市城區(qū)建筑密度、容積率、地表溫度、綠化覆蓋率等環(huán)境數(shù)據(jù)；研究時段內(nèi)城市溫度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)；研究時段內(nèi)5個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5 日均值，5 家國家級省級重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)污染源監(jiān)測PM2.5 日均值、根據(jù)城市道路日交通流量換算得到的PM2.5 濃度值。對于上述數(shù)據(jù)處理過程如下：（1）根據(jù)建筑密度、容積率等城市三維空間數(shù)據(jù)，按1︰1 比例創(chuàng)建空間尺度為35000m×15000m×150m 的城市模型，輸入基本氣象數(shù)據(jù)以及已知污染物濃度數(shù)據(jù)；（2）在模型南部和北部邊界設(shè)置進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口模擬永州市夏季主導(dǎo)風(fēng)向，平均風(fēng)速設(shè)定為歷史平均風(fēng)速3m/s，設(shè)置mixture 模型模擬污染物擴(kuò)散形態(tài)，得到現(xiàn)有城市綠地格局下的城市風(fēng)速圖（圖1）以及PM2.5 濃度分布圖（圖2）。結(jié)合實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示CFD 仿真模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測值的相對誤差，均滿足城市尺度模型的模擬精度要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市綠地現(xiàn)狀景觀格局結(jié)構(gòu)分析

從表1 可知，生態(tài)新城區(qū)的綠地斑塊平均面積最大，達(dá)到了4.61hm2，顯著大于冷水灘區(qū)和零陵區(qū)，這表明生態(tài)新城的綠地斑塊面積較大，綠化覆蓋率高、人工硬質(zhì)地面較少，根據(jù)ArcGIS 色譜分析結(jié)合現(xiàn)場踏查，該區(qū)綠化斑塊以野生林和經(jīng)濟(jì)林為主，而冷水灘區(qū)的斑塊平均面積比零陵區(qū)多0.95hm2。

表1 城市綠地現(xiàn)狀景觀格局結(jié)構(gòu)指數(shù)

在反映綠地破碎度的指標(biāo)方面，零陵區(qū)的斑塊密度大于其它2 區(qū)，為32.60，表明該區(qū)綠地斑塊較為破碎，這可能與零陵區(qū)是舊城區(qū)、綠化面積少而分散有關(guān)；冷水灘區(qū)的綠地廊道密度為1.78，比零陵區(qū)和生態(tài)新城區(qū)分別高出了1.05 和0.54，可見該區(qū)綠地廊道連續(xù)性較好，通過對衛(wèi)星圖像分析表明，無論是道路綠道還是濱水藍(lán)道，冷水灘區(qū)的河?xùn)|均優(yōu)于河西。零陵區(qū)綠地廊道最低，可知該區(qū)綠化廊道數(shù)量較少，綠地斑塊之間的連通性較差。

零陵區(qū)的最大斑塊指數(shù)最大，為28.3%，其次是冷水灘區(qū)和生態(tài)新城區(qū)，這表明零陵區(qū)的綠地斑塊優(yōu)勢度大、面積差異性較大，該區(qū)最大的綠地斑塊為泉南高速以南、由湘江圍合的林地；生態(tài)新城區(qū)的平均斑塊形狀指數(shù)最大，為1.57，說明該區(qū)的綠地斑塊形狀最不規(guī)整，這可能與其是新區(qū)、建設(shè)強(qiáng)度不大有關(guān)，綠地形狀較為松散、曲折，其次是冷水灘區(qū)、零陵區(qū)，這2 個城區(qū)均為舊城區(qū)，綠地形狀較為規(guī)整。

在反映綠地離散程度的平均最近鄰近距離指數(shù)上，零陵區(qū)平均值最小，為91，表明該區(qū)城市綠地之間距離較近，因而斑塊密度也最高；生態(tài)新城區(qū)平均值最大，為164，表明該區(qū)綠地較為離散，結(jié)合衛(wèi)星圖像分析可知，生態(tài)新城區(qū)的林地斑塊主要由農(nóng)田分隔開。

2.2 城市綠地景觀現(xiàn)狀格局下城市風(fēng)速模擬分析

圖1 顯示距地1.5m 處的城市風(fēng)速的水平擴(kuò)散情況。在3 個城區(qū)中，建筑密度和容積率最低、綠化覆蓋率最高的生態(tài)新城區(qū)風(fēng)速相對較大，尤其是湘江沿岸、永州大道沿線及大片農(nóng)田區(qū)域，最大風(fēng)速達(dá)到了城市平均風(fēng)速3m/s，表明在該區(qū)域沿著河流和南北向城市干道已形成了一定的城市風(fēng)廊，利于空氣污染物的擴(kuò)散和稀釋。

冷水灘、零陵兩城區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)速均低于平均風(fēng)速，尤其在冷水灘區(qū)的河西、零陵區(qū)的河?xùn)|等舊城區(qū)，城市風(fēng)速最低為0m/s，這些區(qū)域具有建筑密度高，綠地面積小而破碎、位置分散等特點(diǎn)，未形成明顯的道路綠廊；在城區(qū)中高層建筑集中的高容積率區(qū)域，如冷水灘區(qū)的河?xùn)|、零陵區(qū)的城北區(qū)域，局部風(fēng)速都在1.0m/s 左右，這表明高層建筑對城市內(nèi)部風(fēng)速影響較大。

圖1 綠地現(xiàn)狀景觀格局下城市風(fēng)速模擬分析平面

兩區(qū)風(fēng)速最大的區(qū)域均位于城郊，這些區(qū)域大都綠化覆蓋率較高，綠地斑塊具有面積大、密度小、形狀曲折松散等特點(diǎn)。

2.3 城市綠地景觀現(xiàn)狀格局下PM2.5 濃度模擬分布分析

圖2 顯示距地1.50m 處PM2.5 水平空間的濃度分布情況，在綠地現(xiàn)狀景觀格局和城市風(fēng)速影響下，PM2.5 濃度較高區(qū)域主要分布在零陵、冷水灘兩區(qū)建筑密度高、綠地面積較小較零散分布的城市地段，如冷水灘區(qū)河西零陵路、鳳凰路及永州大道、零陵區(qū)黃古山路、南津中路、芝山路及瀟水路沿線片區(qū)，PM2.5 模擬濃度值范圍為75～150μg/m3，（超過了國標(biāo)GB3095-2012 中PM2.5日均值二級濃度限值75μg/m3）。這些區(qū)域建筑密度高，城市道路狹窄、交通流量大，擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，道路綠化嚴(yán)重不足，缺乏面積較大的集中綠地，城市風(fēng)速較低。PM2.5 濃度較低區(qū)域主要分布在生態(tài)新城區(qū)、冷水灘及零陵兩區(qū)郊區(qū)，這些區(qū)域建筑密度低，地表主要覆蓋物為林地和農(nóng)田，風(fēng)道效應(yīng)明顯。但生態(tài)新城區(qū)永州大道沿線PM2.5 濃度模擬值要略高于該區(qū)其它區(qū)域，此外在冷水灘區(qū)九嶷大道及零陵區(qū)陽明大道沿線部分片區(qū)、芝山北路以西部分區(qū)域，PM2.5 模擬值達(dá)200μg/m3左右，這些區(qū)域道路日交通流量不大，但根據(jù)ArcGIS 色譜分析結(jié)合現(xiàn)場踏查，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域正處于城市雙修和居住區(qū)建筑工程施工，土地裸露、綠化覆蓋率低，表明道路、房屋施工及渣土運(yùn)輸會增加空中揚(yáng)塵，導(dǎo)致PM2.5 濃度增大。

圖2 綠地現(xiàn)狀景觀格局下PM2.5 模擬分析平面

3 基于大氣污染治理的永州城市綠地景觀格局優(yōu)化策略

通過對永州市綠地景觀格局結(jié)構(gòu)以及城市風(fēng)速、PM2.5 濃度的模擬分析研究，可以看出，城市綠地景觀格局與城市風(fēng)速、PM2.5 濃度有明顯的相關(guān)性，城市綠地斑塊面積較小、分布零散、形狀規(guī)整、綠地廊道連接性較差的區(qū)域，風(fēng)速普遍較低，PM2.5 濃度則相應(yīng)較高，這造成永州市目前空氣污染物分布極不均勻，零陵、冷水灘兩城區(qū)的局部區(qū)域污染較為嚴(yán)重，因此，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理及上述分析結(jié)果，在現(xiàn)有綠地格局基礎(chǔ)上，可對永州市綠地景觀格局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，形成“一軸、一環(huán)、一帶、八楔”的綠地網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，“一軸”即貫穿城區(qū)南北的湘江風(fēng)光帶生態(tài)軸，“一環(huán)”即沿城市外環(huán)路形成的環(huán)城綠廊，“一帶”即沿永州大道綠化景觀帶，“八楔”即城市組團(tuán)之間即內(nèi)部的生態(tài)綠廊（圖3）。具體措施如下：

3.1 合理布局城市綠地斑塊的數(shù)量和大小

相關(guān)研究表明，“集中+分散”的城市綠地布局方式能將城市綠地的生態(tài)功能最大化[6]，目前永州市各城區(qū)綠地斑塊分布不均，其中生態(tài)新城綠地斑塊面積較大且集中，而零陵、冷水灘兩區(qū)的綠地斑塊面積小且破碎度高，加上這兩區(qū)城市人口聚集、交通量大，綠地對高濃度空氣污染物的消減作用十分有限。結(jié)合未來城市規(guī)劃發(fā)展，可將兩區(qū)內(nèi)個別綠地擴(kuò)大形成3～4 個形狀松散、邊界曲折的大型斑塊，結(jié)合布局分散的小型斑塊，最大化發(fā)揮綠地斑塊對空氣污染物的凈化作用。

圖3 永州市城市綠地結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

3.2 建立完善的綠廊和風(fēng)廊網(wǎng)絡(luò)

在城市尺度上，永州市中心城區(qū)依托貫穿南北的瀟水、湘江藍(lán)道和永州大道綠道，已形成通暢的風(fēng)廊，但對于藍(lán)道未達(dá)、綠道結(jié)構(gòu)不完善的舊城區(qū)，在組團(tuán)尺度上并未形成明顯風(fēng)廊，故應(yīng)在這些區(qū)域南北主導(dǎo)風(fēng)向上加強(qiáng)建設(shè)通風(fēng)廊道，包括拓寬城市道路、降低建筑密度、降低通風(fēng)廊道內(nèi)植物密度、利用道路綠地連通綠地斑塊等，以建立完善的城市綠廊和風(fēng)廊網(wǎng)絡(luò)，利用大氣湍流和城市內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境加快空氣污染物的稀釋。

3.3 調(diào)整楔形綠地數(shù)量和位置

楔形綠地對改善城市通風(fēng)環(huán)境有著重要的作用，永州市現(xiàn)有規(guī)劃中的4 塊楔形綠地有3 塊都集中在生態(tài)新城區(qū)，對其余兩區(qū)空氣環(huán)境改善非常有限，建議取消面積較小的復(fù)興嶺森林公園以北河?xùn)|組團(tuán)北隔離綠楔，在冷水灘區(qū)的唐家?guī)X、伏塘、百花塘森林公園、零陵區(qū)的西山公園、西瓜嶺森林公園綠地的基礎(chǔ)上，增建5塊深入城區(qū)的楔形綠地，將城郊的新鮮空氣引入城市組團(tuán)內(nèi)部。