嚴寒地區(qū)老舊小區(qū)圍合式結構布局對PM10 濃度的影響

齊偉民 房宏琦 趙彥博

（吉林建筑大學藝術與設計學院，吉林 長春 130118）

1 引言

老舊小區(qū)是城鎮(zhèn)人口主要集中地之一，同時也是老齡化居民日常生活的主要場所，其空氣質量優(yōu)劣程度與居民的健康指數(shù)密切相關，但老舊小區(qū)空氣質量常常容易被忽視?？晌腩w粒物（PM10）可以進入人體肺泡，攜帶大量有毒有害物質，對人體危害程度遠大于其他大氣顆粒物［1］。我國嚴寒地區(qū)冬季時間較長，空氣質量與冬季供暖因素緊密相連，老舊居住區(qū)空間布局大多緊密狹隘，室外活動范圍十分有限。因此，空氣質量是影響人們戶外活動的重要因素，環(huán)境與空氣質量優(yōu)劣直接影響人們對戶外空間的使用，尤其是老年人戶外活動受環(huán)境影響很大［2］。

大量研究表明，城市小區(qū)尺度的空間布局直接影響微環(huán)境中的氣象條件、大氣環(huán)境和個體對污染暴露的水平，即決定人居環(huán)境的舒適度和人體健康［3］。城市土地資源的利用決定了PM10的空間分布特點，空間結構決定了PM10的擴散特征。居住用地自身產生的PM10濃度較低，但容易受周邊環(huán)境的影響。城市居住區(qū)比其他類型用地構成要素多樣，進而居住區(qū)空間形態(tài)差異較大，不同的城市居住區(qū)空間形態(tài)直接影響污染物擴散狀態(tài)［4］。

近年來，相關部門對城鎮(zhèn)老舊小區(qū)更新工作積極推進，“十四五”規(guī)劃中明確指出，要加快老舊小區(qū)更新，逐步完備城市管理和服務，改善群眾居住環(huán)境，讓人民群眾的生活更便捷、更舒適。圍合式樓房布局結構是老舊小區(qū)常見布局之一，通過對老舊小區(qū)進行實地監(jiān)測分析，探究其PM10濃度分布和影響因子，對于老舊小區(qū)更新變遷和提供對居住環(huán)境的優(yōu)化策略、提升人居環(huán)境空間質量改造設計有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

北方寒地城市受西伯利亞冷空氣極地大陸氣候的影響，每年從11 月至第二年的3 月，城市都會受到寒流以及風雪等極端天氣的影響，嚴寒地區(qū)老舊小區(qū)樓房布局緊湊、活動空間有限且居住人員集中，老齡化程度較高，這對室外空氣質量指數(shù)有較高的要求［2］。

本次研究以長春市為例，對長春市主城區(qū)內187 個老舊小區(qū)進行綜合調研，根據(jù)地理地貌、小區(qū)空間布局等監(jiān)測綜合條件，選取3 處不同方位布局的監(jiān)測地進行實地監(jiān)測，每處監(jiān)測地在樓房空隙中間高度1.5 m 處設置監(jiān)測點，見圖1。

圖1 監(jiān)測地平面示意及監(jiān)測點位置

監(jiān)測地風向以從南側吹過的風為迎風向，樓房布局、主導風向與其夾角詳情見表1。

表1 監(jiān)測地點詳情

2.2 研究方法

數(shù)據(jù)采集時間為2020 年11 月—2021 年2 月、2021 年6—9 月，按冬夏兩季劃分，為避免誤差，選取雨天或雪天過后第五日晴朗微風天開始監(jiān)測。采用微電腦激光粉塵儀［BB16-LD-5C（B）］進行PM10質量濃度的測量。測量時間為14 個時間段，每日06：00—20：00 進行采樣，每次采樣時間1 min，采樣間隔時間為1 h，按測點順序依次采集，每天采集14次（1 個時間段1 次），夏冬兩季各采集2 周。此外，分別使用水銀溫度計、濕度測量儀以及熱線式風速計采集溫度、濕度和風速。

2.3 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 和SPSS 對采集的樣本數(shù)據(jù)進行歸置處理，得出居住區(qū)內PM10濃度分布規(guī)律及其影響，以及PM10濃度變化與氣候因素的相關性。

3 結果與分析

3.1 老舊小區(qū)圍合式結構布局PM10 濃度日變化分布

由圖1 可知，監(jiān)測地1 和監(jiān)測地2 樓房布局雖方位朝向不同，但與主導風向夾角相差無幾，因而PM10隨時間變化濃度分布趨勢幾乎相同。冬夏兩季均選取雨雪后第五日微風晴朗日數(shù)據(jù)為參考。在一日中07：00 時開始，PM10濃度逐漸呈上升趨勢，12：00達到最大值，中午緩慢回落，在14：00—15：00 達到最低值。從16：00 開始PM10濃度會緩慢上升，但幅度波動較大，明顯高于10：00—12：00 的濃度。這可能是寒地居住區(qū)早晚供暖和晝夜溫差較大以及居住區(qū)臨街，早晚高峰期時機動車流量增加等因素所造成的。監(jiān)測地3 與主導風向夾角PM10濃度分布明顯高于其他監(jiān)測地，導致這樣較為明顯差異的原因是主導風向與樓房夾角約90°大致呈垂直關系，而當建筑與風向夾角80°時，各個顆粒物濃度梯度值的范圍較夾角90°的居住區(qū)明顯減少［5］。冬季中3 處監(jiān)測地PM10濃度隨時間走勢趨勢大概一致，08：00時濃度開始逐漸上升，在12：00 時達到峰值，下午開始緩慢回落，在13：00 時達到最低值，而后明顯上升，在18：00 時達到最大值。監(jiān)測地夏季PM10質量濃度日變化見圖2。

圖2 監(jiān)測地夏季PM10 質量濃度日變化

監(jiān)測地冬季PM10質量濃度日變化見圖3。

圖3 監(jiān)測地冬季PM10 質量濃度日變化

3.2 老舊小區(qū)圍合式結構布局PM10 濃度月變化分布

PM10質量濃度月變化如圖4 所示。PM10濃度變化走勢基本相同，全年1—2 月的濃度最大，隨著氣溫的升高和植物的生長，濃度不斷降低，6 月與7 月增長相對平穩(wěn)。由于7 月北方寒地城市雨水天氣比較多，在風力和雨水的作用下顆粒物擴散較快，且由于夏季日照時間長，溫度也較同年其他季節(jié)更高，更易在近地表處構成起伏不定的層次結構，促進了空氣的對流，對PM10形成了較好的分散條件。夏季植物處于生長繁茂時期，植物的地表覆蓋率和空氣含水量較高，可以有效控制PM10濃度分布，使PM10濃度降至同年較低的水平。同年9 月PM10濃度回升，因空氣中風沙揚起的沙塵導致顆粒物中PM10質量濃度增加，這與李綏等［6］和嚴文蓮等［7］的研究結果一致。

圖4 監(jiān)測地PM10 質量濃度月變化

3.3 老舊小區(qū)圍合式結構布局PM10 濃度季變化分布

將3 處監(jiān)測地在冬夏的PM10質量濃度分布進行對比（見圖5），發(fā)現(xiàn)在季節(jié)水平上各監(jiān)測地PM10濃度差異較為明顯，且各監(jiān)測地PM10濃度冬季明顯高于夏季。監(jiān)測地3 在冬季的均值最高，為369 mg/m3；監(jiān)測地1 在夏季的均值最低，為196 mg/m3。當樓房布局與道路呈平行關系時（如監(jiān)測地3），會對PM10的擴散產生顯著的阻礙，PM10大多分布在小區(qū)最外側樓房空隙的區(qū)域，主要從間距較大的幾個建筑之間的空間向小區(qū)內部擴散，小區(qū)內部呈現(xiàn)出整體上濃度較低［8］。

圖5 監(jiān)測地PM10 質量濃度季變化

3.4 伴隨氣象因子樓房布局對PM10 分布的影響

考慮到空氣中PM10濃度的影響因素是復雜多樣的，因此采用回歸分析法探究環(huán)境因子（溫度和相對濕度）對PM10濃度變化的影響。溫度和相對濕度與PM10濃度的相關性較強，溫度與PM10濃度存在一定負相關關系，相對濕度與PM10濃度存在一定正相關關系［1］，因此得到模型：

式中，y 代表PM10濃度，mg/m3；Ta 代表空氣溫度，℃；RH 代表相對濕度，%。

4 結論與討論

PM10質量濃度日變化梯度在圍合式樓房布局不同方位中呈現(xiàn)出早晚高中間低的特征，這與胡敏等［9］研究相似，造成這種變化的主要原因是寒地居住區(qū)早晚供暖以及晝夜溫差較大等，夜晚低氣溫下容易產生逆溫層，空氣顆粒物PM10在底層沉淀聚集，導致觀測初期PM10質量濃度較高；太陽上升后，地溫逐漸升高，形成暖氣團，攜帶顆粒物緩慢上升，因此各監(jiān)測地PM10質量濃度總體變化呈下降趨勢［1］。在監(jiān)測尾聲，夜間供暖開始，導致PM10質量濃度呈緩慢回升的趨勢。建筑與當?shù)刂鲗эL向的夾角會對顆粒污染物的擴散和稀釋產生重要影響，研究表明［10-14］，在滿足地域差異性和光照等因素的基礎上，適當減小建筑與風向的夾角或采用階梯型建筑有利于顆粒物的擴散，減輕污染物對居住區(qū)空氣環(huán)境的危害。

PM10濃度全年月變化走勢大致相同，均為2 月數(shù)值最大，污染嚴重；8 月數(shù)值最小，污染較輕。兩季季均冬季最高，夏季最低，變化較大。這是由于夏季雨量大、降水次數(shù)多，PM10主要靠降水沖刷和重力沉降作用清除，有利于顆粒物沉降，同時氣壓低，湍流運動活躍，空氣對流強，利于污染物的擴散［15］。冬季光照時間短，溫度低且多雪，氣象條件不利于PM10分散和沉降，同時冬季嚴寒地區(qū)開始燃煤供暖，使PM10濃度平均增高。氣象因子成為影響PM10濃度季節(jié)變化的最主要因素。

通過對老舊小區(qū)現(xiàn)狀PM10濃度實測和分析，有助于針對寒地老舊小區(qū)在空氣質量方面提出優(yōu)化策略，同時也為老舊小區(qū)空間改造提供有力支撐。