城市三維形態(tài)與大氣污染的關(guān)聯(lián)性研究綜述

劉 暢 曹星煜 王新宇 張馨予

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221100）

1 研究背景

1.1 國內(nèi)大氣污染情況

一座城市經(jīng)濟(jì)社會水平的飛速進(jìn)步，城市化進(jìn)度的加速提升，往往造成不小的環(huán)境污染問題，生活生產(chǎn)的廢水排放引起的水污染，機(jī)動車尾氣排放和工廠濃煙引發(fā)的大氣污染，干擾人們正常生活的噪聲污染，這些都是我們常見的環(huán)境問題。其中大氣污染與人們生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密，它的影響范圍廣影響力度大，危害著人們的健康。近年來我國持續(xù)受到大氣污染的影響，霧霾甚至在2013年成為了中國的年度關(guān)鍵詞之一，2018年1月，京津冀及其周邊地區(qū)發(fā)生了為期一個(gè)月的區(qū)域性嚴(yán)重環(huán)境污染，空氣質(zhì)量遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)，城市被迫采取停課、停工、限行等應(yīng)急措施，對社會造成了不可估量的損失。

從環(huán)保部公開的最新環(huán)境狀況公報(bào)中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，全國的城市中，有53.4%（180 個(gè)）的城市大氣質(zhì)量超過了環(huán)境質(zhì)量規(guī)范，只有46.6%（157個(gè)）的城市達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(評價(jià)所涉及的污染物濃度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn))，雖然大氣污染情況有所改善，但結(jié)果依然不理想，依然存在一半以上的地區(qū)大氣污染嚴(yán)重。其中全國城市累計(jì)呈現(xiàn)嚴(yán)重污染的天數(shù)有452d，重度污染1666d，以顆粒物為首要污染物的天數(shù)分別占重度及以上污染天數(shù)的78.8%和19.8%[1]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

世界城市化和工業(yè)化進(jìn)程首先從西方國家開始，他們在發(fā)展過程中同樣面對著嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題。大氣污染的研究最早是基于工業(yè)大革命后的生產(chǎn)技術(shù)和小汽車普遍使用，從技術(shù)手段上著手研究，為改善空氣質(zhì)量水平，不斷提升節(jié)能環(huán)保技術(shù)。21世紀(jì)初期，隨著新城市運(yùn)動的興起，無序蔓延的城市形態(tài)開始引起人們的關(guān)注，并由此引發(fā)了大量學(xué)者對大氣污染和城市形態(tài)的關(guān)聯(lián)性研究，用城市要素解決空氣環(huán)境問題的思路也開始出現(xiàn)。從國外有關(guān)城市形態(tài)與大氣污染的部分研究結(jié)論中發(fā)現(xiàn)：①低密度的城市形態(tài)更容易產(chǎn)生污染，且人口密度與CO、氮化物及揮發(fā)性有機(jī)物呈負(fù)相關(guān)；②城市結(jié)構(gòu)方面，研究發(fā)現(xiàn)緊湊多中心的城市結(jié)構(gòu)可以降低大氣污染；③城市交通體系對環(huán)境的影響十分顯著，完善的公共交通可以大大緩解城市壓力。

現(xiàn)有資料顯示，學(xué)者對大氣污染的研究多在環(huán)境科學(xué)和氣象學(xué)領(lǐng)域，從阻止污染源產(chǎn)生、治理角度入手，而有關(guān)城市三維形態(tài)與大氣污染關(guān)聯(lián)性的研究較少。丁沃沃等人的研究討論了城市微氣候和城市形態(tài)直接相關(guān)的兩個(gè)方面：城市的肌理形狀和城市的街巷空間，兩者都直接影響了城市天空的開闊度和城市粗糙度，繼而影響到城市的空氣質(zhì)量[2]。張純等人研究表明城市形態(tài)與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系更多是間接、復(fù)雜而非簡單的線性關(guān)系，應(yīng)將人口、產(chǎn)業(yè)、用地和交通進(jìn)行綜合考慮[3]。秦蒙等人研究表明城市蔓延與空氣質(zhì)量有著一定關(guān)聯(lián)度，城市蔓延會通過影響人口規(guī)模、通勤距離、污染排放等加重霧霾程度[4]。由此可見，氣污染載體的載體是城市，城市形態(tài)與污染的擴(kuò)散密切相關(guān)。因此從城市三維形態(tài)入手，研究其與大氣污染的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性是非常必要的。

2 城市三維形態(tài)：加入高度信息及衍生特征

城市三維形態(tài)由城市內(nèi)部的綠化、交通及建筑設(shè)施基面等共同組合而成，具有不同功能的基面在三維空間中組合在一起，形成特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)[5]。目前國內(nèi)多從平面入手研究城市形態(tài)，內(nèi)容包括城市肌理、城市功能布局、建筑空間組織等二維指標(biāo)。三維形態(tài)與二維形態(tài)的最大差異莫過于加入了高度的信息。本文選取可量化的城市蔓延度、城市結(jié)構(gòu)、城市規(guī)模、建筑高度等指標(biāo)對其與大氣污染的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探究。

3 城市三維形態(tài)與大氣污染的關(guān)聯(lián)性

3.1 城市蔓延度與大氣污染的關(guān)聯(lián)性

城市蔓延度體現(xiàn)了一座城市內(nèi)部空間的疏密程度即空間物質(zhì)狀態(tài)的城市密度。早期人們的研究認(rèn)為人類活動越集中的地方往往伴隨著嚴(yán)重的空氣污染，因此美國20世紀(jì)中期通過將人口轉(zhuǎn)移到廣闊的郊區(qū)來減輕城市的空氣環(huán)境壓力。通過之后的研究發(fā)現(xiàn):蔓延的城市空間會造成更惡劣的大氣污染，相反聚集組團(tuán)發(fā)展的城市環(huán)境污染輕，因?yàn)樵谶@樣的城市中能將公共交通設(shè)置高效利用，從而減輕尾氣排放。近兩年的研究也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論，無論在何種情況下，低密度的蔓延都是不利于城市大氣圈的。

3.2 城市結(jié)構(gòu)與大氣污染的關(guān)聯(lián)性

有兩種城市結(jié)構(gòu)，一種是城市圍繞一種中心區(qū)集中發(fā)展的單核心結(jié)構(gòu)，另一種是由多個(gè)核心發(fā)展起來的多核心城市。研究發(fā)現(xiàn)，單核心結(jié)構(gòu)的城市能很好地縮短交通道路網(wǎng)絡(luò)，從而減輕尾氣排放，但單核心結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致人口與道路的集中而產(chǎn)生區(qū)域超負(fù)荷。多核心城市效率最高，但由于交通網(wǎng)絡(luò)分散，單位面積利用率低。因此，采用多核心的城市結(jié)構(gòu)時(shí)，需要合理布局人口與交通分布，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的城市結(jié)構(gòu)，控制交通帶來的廢氣排放量，提高城市空氣質(zhì)量。

3.3 城市規(guī)模與大氣污染的關(guān)聯(lián)性

城市規(guī)模一般指城市常住人口數(shù)量，這里的城市規(guī)模指的是城市的建成區(qū)面積。城市規(guī)模與大氣污染相關(guān)，城市在擴(kuò)張的同時(shí)會利用大量的資源，生產(chǎn)作業(yè)過程中也會產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵與粉塵，造成一定程度的大氣污染。但也有其他研究表示城市的人口規(guī)模與綜合污染指數(shù)不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

3.4 建筑高度與大氣污染的關(guān)聯(lián)性

大氣污染會受到城市高層建筑布置方式的間接影響，因城市化進(jìn)程加速、土地資源日益稀缺等原因，城市將高層建筑集中到一起建設(shè)，使得高層建筑過度密集，導(dǎo)致均勻?qū)咏缑嫔?，均勻?qū)咏缑嬉韵職饬麟y以進(jìn)入，空氣流通收到阻礙導(dǎo)致污染物無法及時(shí)擴(kuò)散，導(dǎo)致有害氣體在城市空間積聚。有研究發(fā)現(xiàn)，對于高度不均勻的建筑，凸高的建筑會產(chǎn)生導(dǎo)流效果，可增強(qiáng)街谷通風(fēng)，由此可見街谷高度的非均勻性可緩解大氣污染[6]。

4 影響機(jī)制探究

城市三維形態(tài)與大氣污染之間的影響機(jī)制并非直接的，目前已有的研究對于城市形態(tài)對大氣污染影響機(jī)制的探究多是來源于污染物排放源頭角度的，即城市三維形態(tài)布局會影響交通布局或第二產(chǎn)業(yè)集聚，進(jìn)而影響汽車尾氣排放或工廠污染物排放，最終影響大氣環(huán)境。城市三維形態(tài)中會形成區(qū)域氣流場，而這些區(qū)域氣流場是污染物擴(kuò)散至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)證明，小于2m/s的風(fēng)速對污染物擴(kuò)散作用很小，導(dǎo)致大氣污染物在一定區(qū)域內(nèi)大量匯集，而超過6m/s的風(fēng)速會加快空氣中污染物的擴(kuò)散。城市大多數(shù)情況下處于微風(fēng)狀態(tài)，微風(fēng)狀態(tài)下城市的均勻?qū)咏缑婕敖值烙认禂?shù)對大氣污染程度有很大影響[7]。微風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)很難以進(jìn)入均勻?qū)咏缑嬉韵?，?dāng)城市中出現(xiàn)高層建筑集聚的情況時(shí)，污染物無法向外擴(kuò)散，造成此區(qū)域的空氣質(zhì)量下降。

5 針對大氣污染對城市三維形態(tài)的優(yōu)化建議

城市風(fēng)環(huán)境能加速污染物擴(kuò)散、降低城市大氣污染，除了在規(guī)劃時(shí)控制完善城市建筑分布格局、建筑密度和建筑高度等三維特征之外，還需注意街谷高寬比(H/A)以獲得良好的通風(fēng)環(huán)境；也可在建筑高密度空間設(shè)置城市景觀生態(tài)通風(fēng)廊道來加速氣流場運(yùn)轉(zhuǎn)，通過景觀生態(tài)通風(fēng)廊道從城市下層引入空氣，讓新鮮空氣由此進(jìn)入并貫穿城市，再從尾端排出；在污染集中區(qū)域增加大型綠地及水體、灰空間等也可以通過滯塵有效地緩解城市大氣污染。