城市街道峽谷PM2.5 時(shí)空分布特征與空氣質(zhì)量評價(jià)

■ 潘 輝 PAN Hui 王 薇 WANG Wei 胡 春 HU Chun

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國城市化進(jìn)程不斷加快。截止2020 年，我國城鎮(zhèn)化率已達(dá)到63.89%，城市數(shù)量687 個(gè)[1]。一方面，城市的高速發(fā)展使得交通環(huán)境問題愈發(fā)突出，機(jī)動(dòng)車輛排放的尾氣污染物不僅已成為城市大氣污染的重要來源之一[2]，也是導(dǎo)致各種呼吸系統(tǒng)疾病頻發(fā)的重要原因；另一方面，城市化進(jìn)程的加快使得城市建筑傾向于高密度發(fā)展，臨街建筑大量增高、增多，形成了特殊的街道峽谷[3]。街道峽谷作為城市重要構(gòu)成部分之一，是城市居民頻繁活動(dòng)的場所。高大密集的建筑使得街道峽谷內(nèi)的風(fēng)速流動(dòng)顯著降低，影響了機(jī)動(dòng)車輛尾氣污染物的擴(kuò)散稀釋，危及沿街居民及過往行人的健康。相關(guān)研究表明，街谷空間形態(tài)會對大氣污染物濃度造成一定影響，主要原因是街谷的三維形態(tài)會影響街谷內(nèi)大氣流場，進(jìn)而影響大氣污染物的擴(kuò)散[4]。一些學(xué)者通過街谷高寬比等設(shè)計(jì)指標(biāo)來表征街谷空間形態(tài)，發(fā)現(xiàn)街谷兩側(cè)建筑物高度的增加會導(dǎo)致污染物濃度上升，街谷寬度的增加則可降低大氣污染物濃度，即PM2.5質(zhì)量濃度隨著街谷高寬比的增大而增加[5-6]；王薇等[7]通過實(shí)際監(jiān)測得出，不同功能區(qū)街道峽谷PM2.5質(zhì)量濃度由高到低依次為辦公型、商業(yè)型和居住型。此外，氣象因素、植物綠化等環(huán)境特征也會影響PM2.5質(zhì)量濃度高低。研究表明，PM2.5質(zhì)量濃度與相對濕度呈顯著正相關(guān)，且相關(guān)性隨粒徑降低而增高[8]。

現(xiàn)階段，針對街道峽谷的研究方法主要以實(shí)際監(jiān)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬為主。但風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬不能全面、真實(shí)地反映污染物影響因素及空氣質(zhì)量環(huán)境，故本研究采用實(shí)際監(jiān)測方式分析PM2.5在街道峽谷的時(shí)空分布特征，以科學(xué)客觀地反映城市環(huán)境質(zhì)量，為城市居民出行提供建議；同時(shí)，為城市大氣污染防控工作提供科學(xué)依據(jù)，對于提高居民生活質(zhì)量具有積極意義。

1 研究概況與方法

1.1 研究區(qū)域與測點(diǎn)

安徽省合肥市地處中緯度地帶（北緯31°52′、東經(jīng)117°17′），季風(fēng)氣候明顯，是典型的夏熱冬冷氣候區(qū)城市。其年平均氣溫在15～16℃之間，屬溫和型氣候，其中夏季平均氣溫為27.5～28.5℃，冬季平均氣溫為1.5～5.0℃；相對濕度與溫度的年變化一致，夏季最大、冬季最小；城市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，年平均風(fēng)速在1.6～3.3 m/s 之間。

研究區(qū)域選取合肥市廬陽區(qū)亳州路街道，周邊多為辦公樓，高層建筑密集。該段道路寬42 m，雙向8 車道，兩側(cè)有4 m 寬的非機(jī)動(dòng)車道；在非機(jī)動(dòng)車道、機(jī)動(dòng)車道與人行道間均設(shè)置有1 m 的綠化隔離帶。根據(jù)街道兩側(cè)建筑空間形態(tài)特征，確定本研究的4 個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn)（圖1）。

圖1 研究區(qū)域概況及監(jiān)測樣點(diǎn)分布

1.2 監(jiān)測儀器及時(shí)間

采用粉塵濃度監(jiān)測儀與風(fēng)速氣象儀各4 臺，對街道峽谷內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度、溫濕度和風(fēng)速進(jìn)行同步監(jiān)測。監(jiān)測時(shí)間選擇在2022-02-28—2022-03-02 的08:00—18:00，期間天氣狀況較一致，均為晴穩(wěn)天氣。監(jiān)測儀器分布于街道峽谷各監(jiān)測樣點(diǎn)，安裝高度距離地面1.5 m，與一般人體呼吸高度保持一致，每隔2s 記錄1 次數(shù)據(jù)，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測儀器技術(shù)參數(shù)

1.3 空氣質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

AQI（Air Quality Index）即空氣質(zhì)量指數(shù)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，是一種反映和評價(jià)空氣質(zhì)量狀況的方法[9]。它將常規(guī)監(jiān)測的幾種污染物濃度簡化成單一的概念性數(shù)值形式，并分級表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染程度，結(jié)果簡明直觀，便于理解和使用[10]。其等級劃分為：優(yōu)（≤50）、良（＞50～100）、輕度污染（＞100～150）、中度污染（＞150～200）、重度污染（＞200～300）、嚴(yán)重污染（＞300），具體計(jì)算公式如下：

式中，IAQ表示空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）；C表示污染物日均質(zhì)量濃度；C1表示污染物質(zhì)量濃度低位限值，C1≤C；Ch表示污染物質(zhì)量濃度高位限值，Ch≥C；I1、Ih分別表示對應(yīng)于C1、Ch的空氣質(zhì)量指數(shù)限值。

2 城市街道峽谷PM2.5 質(zhì)量濃度時(shí)空分布特征

2.1 時(shí)間分布特征

通過對3 d 內(nèi)各個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得到不同測點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律（圖2）?？梢钥闯?，該街道峽谷內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)出隨時(shí)間先上升后下降的趨勢，并于10:00—11:00 達(dá)到峰值。PM2.5在3 d 內(nèi)的平均質(zhì)量濃度 為81.96 μg/m3，其 中：10:00—11:00 區(qū)間濃度最高（105.71 μg/m3），17:00—18:00 區(qū)間濃度最低（49.04 μg/m3）。因此，建議廬陽區(qū)亳州路街道的居民及過往行人在非必要出行的情況下，盡量避開上午高峰時(shí)期，以降低PM2.5對身體健康的危害；這也可以在一定程度上緩解堵車造成的PM2.5排放。

2.2 空間分布特征

2.2.1 總體分布特征

對各監(jiān)測樣點(diǎn)3 d 的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得到PM2.5質(zhì)量濃度的分布情況（圖3）?？傮w而言，街道峽谷內(nèi)各監(jiān)測樣點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度由高到低依次為D 點(diǎn)（88.13 μg/m3）、C 點(diǎn)（83.84 μg/m3）、B 點(diǎn)（80.66 μg/m3）、A 點(diǎn)（75.2 μg/m3），濃度最高的D 點(diǎn)與最低的A點(diǎn)之間相差約12.93 μg/m3。其中：2 月28 日，PM2.5質(zhì)量濃度D 點(diǎn)最高（91.84 μg/m3）、B 點(diǎn)最低（76.45 μg/m3）；3 月1 日，PM2.5質(zhì)量濃度D 點(diǎn)最高（111.07 μg/m3）、A 點(diǎn)最低（91.68 μg/m3）；3 月2 日，PM2.5質(zhì)量濃度D 點(diǎn)最高（61.47 μg/m3）、A 點(diǎn)最低（54.26 μg/m3）。各監(jiān)測樣點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度存在差異，這與街道峽谷內(nèi)的溫濕度、風(fēng)環(huán)境、車流量等均有一定關(guān)系。

圖3 各監(jiān)測樣點(diǎn)PM2.5 質(zhì)量濃度

2.2.2 各監(jiān)測樣點(diǎn)環(huán)境特征

根據(jù)各監(jiān)測樣點(diǎn)的PM2.5平均質(zhì)量濃度，可以看出街道峽谷內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度在空間上呈現(xiàn)出以下特征：①距離機(jī)動(dòng)車污染源越近，PM2.5質(zhì)量濃度越高；②綠化層次越豐富，PM2.5質(zhì)量濃度越低。各監(jiān)測樣點(diǎn)環(huán)境特征如圖4 所示。

圖4 各監(jiān)測樣點(diǎn)環(huán)境特征

（1）A 點(diǎn)PM2.5平均質(zhì)量濃度最低，約為75.2 μg/m3。街道兩側(cè)均為高層建筑，街谷高寬比h/b＞2，為深街谷[11]，本不利于污染物擴(kuò)散。但由于A 點(diǎn)位于背風(fēng)面高層建筑側(cè)，周邊植物綠化較多且層次豐富，對PM2.5具有較好的沉降、阻滯、吸附作用[12]，故PM2.5平均質(zhì)量濃度偏低。

（2）B 點(diǎn)PM2.5平均質(zhì)量濃度約為80.66 μg/m3。其背風(fēng)面為高層建筑，迎風(fēng)面為多層建筑，街谷高寬比h/b＜0.5，為寬街谷，較利于污染物的快速擴(kuò)散。然而，由于測點(diǎn)B位于人行天橋附近，無道路交叉口，主干道機(jī)動(dòng)車輛行駛速度較快，揚(yáng)塵易引起PM2.5質(zhì)量濃度的上升[13]。

（3）C 點(diǎn)PM2.5平均質(zhì)量濃度約為83.84 μg/m3。其背風(fēng)面為高層建筑，迎風(fēng)面為多層建筑，街谷高寬比h/b＝1，即理想街谷。測點(diǎn)C 位于背風(fēng)面高層建筑旁側(cè)，周邊綠化帶以喬、灌木為主，綠化層次相對豐富，但附近有主次干道交叉口，車流量大且汽車停留時(shí)間長，故PM2.5質(zhì)量濃度也相對較高。

（4）D 點(diǎn)PM2.5平均質(zhì)量濃度最高，約為88.17 μg/m3。街道兩側(cè)均為高層建筑，街谷高寬比為1 ＜h/b＜2，對污染物的擴(kuò)散稀釋較為不利[14]。測點(diǎn)D 位于背風(fēng)面高層建筑旁側(cè)，靠近地上停車場，離尾氣污染源較近，因此PM2.5質(zhì)量濃度相對較高；且測點(diǎn)周邊綠化帶以灌木為主，綠化種類較少，對PM2.5的消減作用也相對較小。

2.3 PM2.5 質(zhì)量濃度與環(huán)境因素相關(guān)性分析

相關(guān)研究表明[15-18]，環(huán)境因素如氣象條件、植物綠化、風(fēng)向風(fēng)速、車流量等，都對街谷內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度及其時(shí)空分布具有不同程度影響。

2.3.1 PM2.5 質(zhì)量濃度與溫濕度的相關(guān)性

為研究PM2.5質(zhì)量濃度與溫濕度的相關(guān)性及影響程度，對監(jiān)測數(shù)據(jù)中的PM2.5質(zhì)量濃度和溫濕度按時(shí)間段進(jìn)行平均處理，并運(yùn)用SPSS 軟件進(jìn)行回歸分析。如表2 所示，溫度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為-0.125，濕度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為0.577。由此可知，濕度對PM2.5質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)度最大，為57.7%。通過溫度和相對濕度兩個(gè)氣象因子，對PM2.5每小時(shí)質(zhì)量濃度作多元線性回歸，得到方程如下：

式中，ρ表示PM2.5質(zhì)量濃度值；t表示空氣溫度；HR表示相對濕度。

表2 中，顯著性R2=0.631，說明溫濕度兩個(gè)氣象環(huán)境因素共同解釋了PM2.5質(zhì)量濃度變化的63.1%，剩下的36.9%則受其它因素影響，包括且不限于風(fēng)速、綠化、車流量等[19]。

表2 PM2.5 質(zhì)量濃度與溫濕度的回歸分析

對PM2.5質(zhì)量濃度和溫濕度的每小時(shí)平均值進(jìn)行線性擬合（圖5），發(fā)現(xiàn)溫度與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而濕度與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，符合相關(guān)研究結(jié)論[20]。

圖5 PM2.5 質(zhì)量濃度與溫濕度的相關(guān)性

2.3.2 PM2.5 質(zhì)量濃度與風(fēng)速的相關(guān)性

相關(guān)研究得知，街道峽谷內(nèi)的風(fēng)速會影響PM2.5的擴(kuò)散速率，進(jìn)而影響街道峽谷中PM2.5質(zhì)量濃度。運(yùn)用SPSS 軟件對每小時(shí)的PM2.5質(zhì)量濃度及平均風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，可得到PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為-0.391，且呈顯著性相關(guān)。如圖6所示，該街道峽谷細(xì)顆粒物濃度與風(fēng)速呈反向變化趨勢，各監(jiān)測樣點(diǎn)的平均風(fēng)速由高到低依次為：C 點(diǎn)（1.22 m/s）、B 點(diǎn)（0.74 m/s）、D 點(diǎn)（0.4 m/s）、A 點(diǎn)（0.29 m/s）。其中，A點(diǎn)雖受綠化樹木遮擋而風(fēng)速最小，但PM2.5質(zhì)量濃度也在綠化樹木的沉降吸附作用下呈現(xiàn)較低的趨勢；D 點(diǎn)風(fēng)速較小，PM2.5質(zhì)量濃度也最高。

圖6 街道峽谷風(fēng)速日變化

2.3.3 PM2.5 質(zhì)量濃度與車流量的相關(guān)性

機(jī)動(dòng)車輛的尾氣排放是城市街谷中PM2.5的主要來源之一。研究表明，由機(jī)動(dòng)車怠速引起的擁堵、交叉口擁堵和上坡都會引起街谷內(nèi)大氣污染物濃度的升高[21]，使沿街居民及路人的身體健康受到一定威脅。對該街道的車流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到車流量的日變化（圖7），發(fā)現(xiàn)車流量與街谷內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)近似的變化趨勢。運(yùn)用SPSS 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析可知，車流量與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)為0.916，且呈顯著正相關(guān)；街道峽谷車流量總體上呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，并于11:00 左右達(dá)到峰值。因此，建議亳州路街道的沿街居民在非必要通勤的情況下，盡量避開11:00 這一時(shí)間段出行，以避免行車擁堵產(chǎn)生的高濃度PM2.5對人體健康造成危害。

圖7 街道峽谷車流量日變化

3 城市街道峽谷空氣質(zhì)量評價(jià)

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012），對該街道4 個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表3）。該街道峽谷的AQI 均值為109.25，PM2.5空氣質(zhì)量級別為三級，達(dá)輕度污染。

表3 街道峽谷空氣質(zhì)量評價(jià)

4 結(jié)語

研究城市不同空間形態(tài)下的PM2.5質(zhì)量濃度差異，對于將健康干預(yù)理念融入到城市可持續(xù)發(fā)展當(dāng)中，可起到推動(dòng)作用；而街道峽谷作為城市結(jié)構(gòu)的基本單元，其研究具有代表性與必要性。通過研究可知，氣象因素、車流量等環(huán)境因素與PM2.5質(zhì)量濃度具有一定關(guān)聯(lián)性，對未來城市空氣質(zhì)量預(yù)測及優(yōu)化起到一定的輔助作用。從污染物的排放根源解決是最簡單有效的策略，但在城市建設(shè)中，還應(yīng)考慮區(qū)域環(huán)境特征，即氣象因素、建筑形態(tài)、道路綠化等都應(yīng)作為改善空氣質(zhì)量的研究方向。

（1）氣象因素中，風(fēng)速和風(fēng)向是影響空氣污染物擴(kuò)散的主要因素。通過對城市常年主導(dǎo)風(fēng)向的觀測，建立城市通風(fēng)廊道，從宏觀層面加快城市污染物的輸送，優(yōu)化城市內(nèi)部空氣質(zhì)量。

（2）建筑空間形態(tài)對城市空氣質(zhì)量也具有一定的影響。因此，可通過對建筑高度比、街谷高寬比、建筑密度等設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制，優(yōu)化街道兩側(cè)建筑空間形態(tài)，可在一定程度上改善街道峽谷風(fēng)環(huán)境，從而在微觀層面減少污染物的聚集。

（3）道路綠化對PM2.5的沉降具有重要影響。可選擇葉片密集、粗糙度較高的樹種，加快細(xì)顆粒物的沉降。在不同的區(qū)域環(huán)境中，可以選擇不同植物的組合方式，建立植被屏障，進(jìn)而有效消減污染物。