城市建筑環(huán)境中綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)大氣顆粒物的影響?

張志強(qiáng) 張 璐

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 北京 100083

2 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 北京 100012

城市建筑環(huán)境空氣質(zhì)量是居民最關(guān)心的問(wèn)題[1]。 交通排放作為城市建筑環(huán)境大氣顆粒污染物的主要來(lái)源[2], 對(duì)城市居民健康產(chǎn)生多種不利影響[3]。 城市樹(shù)木和森林通過(guò)吸附、 吸收、滯納大氣顆粒污染物, 成為大氣顆粒物污染治理的一種有效手段[4]。 應(yīng)將綠色基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)契合在建筑環(huán)境中, 發(fā)揮其改善空氣質(zhì)量功能,滿(mǎn)足快速城市化發(fā)展需求, 實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[5]。 城市中典型建筑環(huán)境一般包括街道峽谷、 開(kāi)闊道路以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu), 其中的綠色基礎(chǔ)設(shè)施包括街道樹(shù)木、 綠籬、 植被屏障、屋頂綠化和墻體綠化等多種類(lèi)型和形式[6]。 這些植被類(lèi)型作為多孔介質(zhì), 可以影響局部污染物擴(kuò)散模式, 促進(jìn)沉降, 進(jìn)而去除空氣污染物[7]。

建設(shè)綠色基礎(chǔ)設(shè)施改善城市空氣質(zhì)量需要根據(jù)具體的建筑環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 因此, 了解綠色基礎(chǔ)設(shè)施在不同城市環(huán)境中對(duì)大氣顆粒污染物的影響機(jī)理, 對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估城市樹(shù)木長(zhǎng)期空氣凈化潛力和效率, 以及科學(xué)開(kāi)展城市綠化設(shè)計(jì)十分必要。 目前, 已有大量研究評(píng)估了一些典型建筑環(huán)境中樹(shù)木對(duì)周?chē)廴疚餄舛鹊挠绊憽?本文試圖梳理、 整合和分析這些研究結(jié)果, 并從城市樹(shù)木對(duì)大氣顆粒物的調(diào)控作用、影響因素及緩解策略3 方面總結(jié)不同建筑環(huán)境條件下綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的改善作用, 從而為城市緩解空氣污染提供一般性建議。

1 城市樹(shù)木對(duì)大氣顆粒物的調(diào)控作用

目前, 越來(lái)越多的文獻(xiàn)證實(shí)城市樹(shù)木已被建議作為緩解城市顆粒物的一種有效措施[8]。 當(dāng)種植的樹(shù)木盡可能接近污染物源頭時(shí), 就會(huì)形成一個(gè)緩沖區(qū), 在此緩沖區(qū)可有效利用樹(shù)木作為生物過(guò)濾器來(lái)緩解空氣污染[4]。 樹(shù)木葉片通過(guò)氣孔吸收氣態(tài)污染物, 通過(guò)吸附、 沉降作用過(guò)濾顆粒物[9]; 另外, 樹(shù)木的高蒸騰速率可以通過(guò)降低周?chē)諝鉁囟葋?lái)降低局部顆粒物濃度[4], 這是因?yàn)榈蜏乜梢越档臀廴疚锶鏥OCs 和O3的反應(yīng)速率和顆粒物擴(kuò)散[10]。 研究表明, 城市樹(shù)木可以通過(guò)覆蓋土壤表面來(lái)減少揚(yáng)塵[11], 可以通過(guò)葉面積直接沉降顆粒物來(lái)緩解空氣中顆粒物濃度和顆粒物再懸浮[12], 還可以通過(guò)改善微氣象條件促進(jìn)顆粒物的沉降[4]。 因此, 在人口密集且污染源難以控制的城市, 采用樹(shù)木凈化機(jī)制是緩解城市顆粒物污染的有效途徑之一[13]。

2 城市樹(shù)木調(diào)控大氣顆粒物的影響因素

1) 樹(shù)種特征。 一般來(lái)說(shuō), 樹(shù)木和樹(shù)皮表面粗糙或粘稠會(huì)增加樹(shù)木吸附顆粒物的有效性[4]。多項(xiàng)研究顯示, 樹(shù)木具備葉片粗糙、 蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)較厚、 葉片潤(rùn)濕性強(qiáng)和氣孔密度較低等微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征, 以及葉片輪生、 株高較高、 葉片表面積大、 葉柄長(zhǎng)度較短等宏觀(guān)結(jié)構(gòu)特征更利于顆粒物沉降[14]。

2) 氣象因素。 氣象因素(特別是雨和風(fēng)),可能是導(dǎo)致植被滯塵隨時(shí)間變化的主要原因[15]。研究表明, 一些滯留在樹(shù)木葉片表面的顆粒物,可以被降雨的清洗作用從樹(shù)葉表面被去除, 并隨雨水沉降到土壤或地面, 在這個(gè)過(guò)程中, 顆粒物中的有機(jī)物質(zhì)可以被自然過(guò)程分解, 無(wú)機(jī)物質(zhì)會(huì)被固定在土壤中[16]。 自然降水沖刷城市樹(shù)木葉片表面顆粒物過(guò)程是植被恢復(fù)滯塵功能的關(guān)鍵因素[17]。 研究發(fā)現(xiàn)模擬降雨可以去除51%～70%的葉面顆粒物[18], 降雨對(duì)葉面顆粒物的去除率與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān), 與降雨歷時(shí)呈指數(shù)衰減模式[19]。 在風(fēng)速方面, 強(qiáng)風(fēng)(風(fēng)速6 m/s 以上) 會(huì)使沉降到植被葉表面的顆粒物發(fā)生再懸浮, 可能導(dǎo)致局部環(huán)境顆粒物濃度較高; 弱風(fēng)(風(fēng)速小于2 m/s) 會(huì)不利于顆粒物的擴(kuò)散, 因顆粒物在空氣中的積累而呈現(xiàn)局部環(huán)境顆粒物濃度較高; 而風(fēng)速在(2 ～6) m/s時(shí), 由于顆粒物被風(fēng)稀釋而呈現(xiàn)局部環(huán)境顆粒物濃度較低[20]。

3) 植被設(shè)計(jì)。 建筑環(huán)境中的樹(shù)木會(huì)顯著影響污染物的擴(kuò)散和沉降[7]。 樹(shù)種選擇[21]、 喬木種植或喬灌結(jié)合種植[22]、 林蔭道式種植或樹(shù)冠間隔種植[23]、 樹(shù)木位置 (街道兩側(cè)、 街道縱軸、 與污染源的距離等)[24-25]等都會(huì)影響建筑環(huán)境中樹(shù)木對(duì)污染物的調(diào)控效果。

3 不同建筑環(huán)境下城市樹(shù)木對(duì)大氣顆粒物的影響

3.1 街道峽谷

街道峽谷是城市環(huán)境中典型的建筑結(jié)構(gòu)形式, 通常由道路兩旁的建筑物組成, 是通風(fēng)條件最差、 交通污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一[26]。

樹(shù)木可以顯著改變街道峽谷內(nèi)的污染物分布, 主要取決于空氣動(dòng)力效應(yīng)和沉降效應(yīng)兩個(gè)方面[22]。 在空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)方面, 樹(shù)木會(huì)阻礙空氣流動(dòng), 不利于通風(fēng)[26]。 一些研究由于只考慮樹(shù)木對(duì)流場(chǎng)的影響而不考慮樹(shù)木的沉降效應(yīng),結(jié)果顯示, 樹(shù)木會(huì)增加街道峽谷內(nèi)的污染物濃度, 從而導(dǎo)致街道內(nèi)污染水平被高估[26]。 但是在同時(shí)考慮樹(shù)木兩種效應(yīng)時(shí), 樹(shù)木對(duì)街道峽谷內(nèi)污染物濃度的影響仍具有較大的不確定性,即樹(shù)木可以減少[21,27-28]、 也可以增加[8,29]街道峽谷內(nèi)的污染物濃度, 這是因?yàn)榻值缻{谷內(nèi)樹(shù)木去除污染物受多種因素的影響[30]。 一方面,街道峽谷內(nèi)樹(shù)木的調(diào)控作用受樹(shù)種沉降速率、樹(shù)冠間距、 樹(shù)冠與污染源的距離、 樹(shù)冠在街道峽谷中占據(jù)的體積、 葉面積密度、 疏透度等植被因素影響[6,18,22]。 樹(shù)木冠層密度、 葉面積指數(shù)和風(fēng)速是影響街道峽谷中顆粒物衰減系數(shù)的最有效因素[31], 增加樹(shù)冠間距或降低樹(shù)冠橫截面面積可以降低街道峽谷的污染物濃度[6]。 另一方面, 風(fēng)向和風(fēng)速也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。 街道峽谷中樹(shù)木的存在導(dǎo)致污染物濃度在不同風(fēng)向下均隨風(fēng)速的增加而降低[32-33]。 以往研究調(diào)查了街道峽谷中樹(shù)木在3 個(gè)典型主風(fēng)向下的影響,結(jié)果顯示, 垂直風(fēng)向下樹(shù)木會(huì)導(dǎo)致街道峽谷內(nèi)背風(fēng)面污染物濃度增加、 迎風(fēng)面污染物濃度減少[26]; 斜風(fēng)和平行風(fēng)向下, 街道峽谷內(nèi)背風(fēng)面、迎風(fēng)面的污染物濃度均增加[2,34]; 斜風(fēng)向是導(dǎo)致污染物在街道峽谷內(nèi)兩側(cè)積累最嚴(yán)重的風(fēng)向[34]。

綠籬是由灌木和矮小叢生的木本植物沿著路邊種植而形成的綠色籬笆。 與喬木相比, 綠籬通常位于地面, 尺寸更小, 葉面積密度更高,因此, 它們通常代表了城市街道峽谷中與交通排放源最接近的綠色基礎(chǔ)設(shè)施類(lèi)型; 此外, 綠籬對(duì)風(fēng)速的影響最小, 且距離污染源近, 去除污染物的能力隨之增強(qiáng)[33]。 然而, 也有研究表明, 綠籬會(huì)減少通風(fēng), 導(dǎo)致街道峽谷內(nèi)污染物濃度增加[8]。 在影響因素方面, 街道峽谷中綠籬對(duì)空氣污染物的去除作用取決于綠籬位置、高度、 疏透度、 葉面積密度、 植物種類(lèi)以及風(fēng)環(huán)境等。 低疏透度和較高(2.5 m) 的綠籬能夠更多地減少人行區(qū)域污染物, 且種植在街道峽谷縱軸的綠籬比種植在街道兩邊的綠籬對(duì)行人呼吸高度污染物濃度消減作用更強(qiáng)[25]。

3.2 開(kāi)闊道路

開(kāi)闊道路中的綠色基礎(chǔ)設(shè)施是指喬木、 灌木和叢生草本植物, 沿著道路的一邊或兩邊種植, 成排種植的植物為道路和附近居民區(qū)提供了一道屏障, 被稱(chēng)為植被屏障或綠化帶[35]。 植被屏障使污染的空氣掠過(guò)或穿過(guò)植被[36]時(shí)將污染物積累在植被屏障的迎風(fēng)面或背風(fēng)面, 在植被屏障的背風(fēng)面會(huì)形成尾流區(qū), 污染物濃度隨著離道路距離的增加而減少[37]。 植被屏障對(duì)污染物的去除效果取決于多種因素。 一方面, 調(diào)控作用受植被屏障的位置、 植被屏障寬度、 葉面積密度、 林冠郁閉度和林帶疏透度等因素的影響: 增加植被屏障的寬度可以降低污染物濃度[36]; 污染物去除率隨著林冠郁閉度和葉面積密度的增加而提高, 隨著林帶疏透度的增加而降低[35-36,38-39]。 有研究建議, 最佳林冠郁閉度為70%～85%, 可以減少50%以上的TSP, 并維持綠化帶的健康[38]。 削減TSP 和PM10的最佳林帶疏透度分別為20%～40%和10%～20%[35,39]。另一方面, 植被屏障對(duì)污染物的去除效果受濕度、 風(fēng)速、 風(fēng)向和溫度等氣象因素的影響: 相對(duì)濕度對(duì)PM10去除的影響最大, 其次是風(fēng)速,溫度的影響最小[39]。 污染物濃度隨著風(fēng)速的增加而增加, 垂直風(fēng)向?qū)е挛廴疚餄舛仍谥脖黄琳系谋趁鏈p少得最多[40]。 此外, 季節(jié)變化和氣候變化也會(huì)影響植被屏障對(duì)污染物去除的作用[41], 樹(shù)木在夏季對(duì)空氣質(zhì)量的改善作用最大[38,41], 常綠樹(shù)木通常種植在開(kāi)闊道路以促進(jìn)一年四季減少污染物[35,38,40]。

3.3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括墻體綠化和屋頂綠化,是可持續(xù)發(fā)展的建筑策略, 這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)點(diǎn)是可以在不消耗占地空間的情況下增加建筑區(qū)域的植被覆蓋。 目前, 僅有一部分研究分析了建筑環(huán)境中局部規(guī)模的建筑外墻綠化措施對(duì)減少空氣污染的去除潛力。

在街道峽谷環(huán)境中, 墻體綠化措施改善了不同街道峽谷高寬比(H/W ＝1 和2) 下的空氣質(zhì)量[42]。 墻體綠化是街道峽谷內(nèi)通過(guò)沉降作用減少大氣顆粒物的有效措施, 也不改變街道峽谷與上方之間的空氣交換[24]。 在開(kāi)闊道路條件下, 墻體綠化措施與固體墻的擴(kuò)散模式類(lèi)似,在綠化墻體前(道路一側(cè)) 形成一個(gè)高濃度區(qū)域, 而在綠化墻體后則會(huì)降低污染物濃度。 墻體綠化措施的優(yōu)點(diǎn)是在不占用建筑空間的情況下通過(guò)提高沉降來(lái)減少空氣污染[43], 但是有研究表明, 綠化墻體雖然可以較好地改善空氣質(zhì)量, 但其效果不如樹(shù)木顯著[44]。 在影響因素方面, 墻體綠化措施對(duì)空氣污染的去除效果取決于綠化植物種類(lèi)、 葉面積密度、 街道峽谷幾何形狀, 以及風(fēng)速、 濕度等多種因素[6]。

綠色屋頂則可以使街道峽谷中呼吸高度污染物濃度減少32%[45], 其對(duì)空氣污染的改善作用顯著弱于墻體綠化[42]。 屋頂綠化的優(yōu)點(diǎn)是在不占用建筑空間的情況下可以顯著減少空氣污染, 但是研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在局部[46], 還是在城市尺度[47], 對(duì)污染物的去除效果都不如樹(shù)木顯著, 這是由于和樹(shù)木相比, 綠化屋頂表面粗糙度低且距離交通污染源較遠(yuǎn)。 屋頂綠化對(duì)空氣污染的去除效果受風(fēng)條件、 季節(jié)、 植物種類(lèi)和特性, 以及屋頂綠化位置的影響[46]; 此外, 密集的綠色屋頂對(duì)污染物的去除作用更強(qiáng)[47-48]。

4 建設(shè)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建議和展望

4.1 建議

1) 在樹(shù)種選擇方面, 應(yīng)選擇沉降速率大的樹(shù)種, 如松柏類(lèi)針葉樹(shù)種, 盡可能提高顆粒物沉降量[7]。 同樣, 應(yīng)考慮選擇季節(jié)性變化較小和污染物排放較低的城市植被樹(shù)種, 如常綠樹(shù)種[49]。

2) 在植被設(shè)計(jì)方面, 樹(shù)木配置應(yīng)該考慮在不顯著減少空氣交換的情況下, 在污染物源頭附近盡可能提供較大的葉面積[24]。 有研究建議最佳林冠郁閉度為70%～85%, 最佳林帶疏透度為10%～40%[35,39]。

3) 在街道峽谷環(huán)境中, 建議選擇較低水平且密集的綠色基礎(chǔ)設(shè)施(綠籬)。 一方面可以限制街道峽谷底部污染物的橫向運(yùn)輸; 另一方面可以增加街道峽谷上方的空氣交換[25]。

4) 在開(kāi)闊道路環(huán)境中, 選擇高大、 密度高的常綠樹(shù)種作為植被屏障, 增加林帶寬度, 以提高其對(duì)空氣污染的治理能力[35-36,38-39]。

5) 屋頂綠化和墻體綠化去除污染物的能力雖不及樹(shù)木和植被屏障, 但其對(duì)空間要求少,可以作為橋梁、 立交橋、 擋土墻和隔音屏障等建筑表面的一部分[6]。

4.2 展望

建設(shè)科學(xué)高效的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施是改善不同建筑環(huán)境中城市空氣質(zhì)量的重要手段。 從城市、 街道、 社區(qū)多個(gè)等級(jí)尺度, 充分利用水平與垂直兩個(gè)方向的空間開(kāi)展城市建筑與綠色基礎(chǔ)設(shè)施融合設(shè)計(jì), 選擇凈化空氣質(zhì)量效果好的綠化樹(shù)種和綠化配置模式, 通過(guò)提高城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的比例治理空氣污染是未來(lái)研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。