行道樹種植對(duì)街谷PM2.5濃度擴(kuò)散的影響研究

關(guān)鍵詞：行道樹；ENVI-met；生長(zhǎng)參數(shù)；PM2.5；空間分布

前言

隨著城市化進(jìn)程的加快，機(jī)動(dòng)車擁有量與日俱增，道路交通導(dǎo)致的顆粒污染物已超過工業(yè)排放成為顆粒物污染的主要來源之一，對(duì)城市居民的出行和生活造成了嚴(yán)重困擾。而街道峽谷（街谷）作為城市居民最主要的出行和生活空間之一，同時(shí)也是交通污染產(chǎn)生和匯聚的區(qū)域。

行道樹作為城市道路綠化最主要的形式之一，具有景觀美學(xué)功能和降溫增濕、減噪、吸滯粉塵、吸收有害氣體、調(diào)控徑流等多方面的生態(tài)功能。但是，現(xiàn)有的研究結(jié)果顯示，道路綠化是一把雙刃劍，可以提供上述服務(wù)或功能，同時(shí)也會(huì)因?yàn)楦淖兘止葍?nèi)的風(fēng)場(chǎng)、降低風(fēng)速而導(dǎo)致街谷空氣質(zhì)量惡化。通過分析國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前與行道樹相關(guān)的研究主要圍繞著樹高、冠幅、株距、冠型、樹干、葉面積指數(shù)（Leaf area index，簡(jiǎn)稱LAI）或葉面積密度（Leaf areadensity，簡(jiǎn)稱LAD）等指標(biāo)開展研究。

研究以太原市為例，構(gòu)建國槐（Sophora japoni-ca）生長(zhǎng)參數(shù)模型并借助ENVI-met軟件構(gòu)建三維植物模型和理想街谷模型（H/W=1.0，H=24m，L=150m），模擬斜交風(fēng)向下（a=45°）不同場(chǎng)景的街谷PM2.5濃度空間分布，旨在分析不同行道樹種植場(chǎng)景下街谷PM2.5濃度水平和垂直分布特征，探究樹高、株距和LAD等行道樹種植參數(shù)對(duì)行人呼吸高度處PM2.5濃度的影響。

1方法

1.1本土植物調(diào)查及生長(zhǎng)參數(shù)模型構(gòu)建

2021年6月-7月，此課題組通過布設(shè)269條樣帶調(diào)研了太原市行道樹種植情況，共測(cè)定了2185棵行道樹生長(zhǎng)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)：（1）太原市行道樹中國槐使用頻率高達(dá)67.41%，平均樹高為8.14±2.19m，平均冠幅為6.28±2.30m．株距為6m左右；（2）國槐各生長(zhǎng)參數(shù)（樹高、冠幅、冠層厚度）等存在非常顯著的關(guān)系，可用于構(gòu)建三維植物模型，具體的國槐生長(zhǎng)參數(shù)模型如下：

1.2ENVI-met模型及參數(shù)設(shè)置

1.2.1模型簡(jiǎn)介

ENVI-met是由德國波鴻大學(xué)地理研究所開發(fā)的一款基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和熱力學(xué)定律的三維城市微氣候模擬軟件，該模型主要由大氣、植物、土壤和構(gòu)筑物表面四個(gè)子模塊組成，特點(diǎn)是采用了三維非流體靜力學(xué)模型模擬城市環(huán)境中構(gòu)筑物表面一植物一空氣的相互關(guān)系，并可輸出污染物濃度、風(fēng)速和溫濕度等環(huán)境因子的預(yù)測(cè)數(shù)值及空間分布特征，適用于微尺度和街區(qū)尺度三維格局的刻畫和環(huán)境模擬。ENVI-met模型排除了以往軟件僅僅將植物作為多孔介質(zhì)的弊端，充分考慮了植物葉片的蒸騰作用及其對(duì)顆粒物擴(kuò)散和沉降效率的影響。

1.2.2場(chǎng)景設(shè)計(jì)

研究在調(diào)研的基礎(chǔ)上，以常見的理想街谷為研究對(duì)象（H/W=1.0，H=24m，L=150m），兩側(cè)建筑寬度為20m。將國槐的平均生長(zhǎng)參數(shù)作為基底（樹高8m，株距6m，LAD1.5m2/m3），根據(jù)生長(zhǎng)參數(shù)模型調(diào)整植株的大小，共設(shè)置了4種樹高（4m、6m、8m和10m）、4種株距（4m、6m、8m和10m）和4種LAD（0.5m2/m3、1.5m2/m3、2.5m2/m和3.5m2/m3），再加上無植物場(chǎng)景，共13個(gè)場(chǎng)景（其中有2個(gè)場(chǎng)景重復(fù)），街谷模型及場(chǎng)景方案見圖1。

1.2.3模型參數(shù)

研究以太原市的氣象參數(shù)為背景條件，所有的場(chǎng)景模擬都是基于ENVI-met 4.4.6完成。目前有研究指出斜交風(fēng)向（a=45°）下，街谷內(nèi)空氣污染情況更為嚴(yán)重，因此研究選取45°風(fēng)向?yàn)槟M參數(shù)；現(xiàn)有街谷為雙向車道，污染源設(shè)置為兩條線源，參考Wu的排放源速率設(shè)置，每條線源的排放速率為5.6（s·m）；其他設(shè)置均參考胡楊相關(guān)研究。具體的參數(shù)見表1。

1.2.4數(shù)據(jù)提取與分析

研究提取了所有場(chǎng)景1.5m高度處PM2.5濃度值，并提取了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)人行道上多個(gè)點(diǎn)（上風(fēng)向、街道中部、下風(fēng)向）的不同垂直高度處（1.5m、4.5m、7.5m、10.5m、13.5m、16.5m、19.5m、22.5m及25.5m）的PM2.5濃度值。數(shù)據(jù)提取后用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類整理，用Origin15.0軟件制圖，并利用SPSS 26.0進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1行道樹對(duì)街谷PM2.5濃度水平分布的影響

行道樹種植會(huì)導(dǎo)致街谷PM2.5濃度增加，街谷空氣質(zhì)量惡化，且行道樹種植方式對(duì)街谷PM2.5濃度水平分布的影響有明顯差異。街谷內(nèi)PM2.5擴(kuò)散主要依靠來流風(fēng)，渦流將氣流從迎風(fēng)側(cè)吹向背風(fēng)側(cè)，然后向上抬升至街谷頂部，但樹冠會(huì)阻礙污染物的運(yùn)輸過程，從而使得空氣流動(dòng)受阻、通風(fēng)性能下降，PM2.5在背風(fēng)側(cè)建筑底部聚集，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)的PM2.5濃度升高。斜交風(fēng)向下街谷中的流場(chǎng)是由平行與垂直兩個(gè)分量疊加形成的螺旋流，在這種情況下，背風(fēng)側(cè)PM2.5主要聚集在街谷的后半部（即文章的下風(fēng)向處）。研究中具體表現(xiàn)在有行道樹的街谷兩側(cè)顆粒物濃度都有增加，但背風(fēng)側(cè)街谷中部和下風(fēng)向位置濃度增幅更明顯（相對(duì)于無植物場(chǎng)景，場(chǎng)景4場(chǎng)景背風(fēng)側(cè)平均濃度增幅達(dá)到233%）。

2.2行道樹對(duì)街谷PM2.5濃度垂直空間分布的影響

如圖2所示，街谷中部截面垂直方向PM2.5濃度分布圖。從圖中可以看出，斜交來流風(fēng)（a= 45°）使PM2.5在街谷背風(fēng)側(cè)聚集，導(dǎo)致濃度增加，而行道樹種植對(duì)迎風(fēng)側(cè)PM2.5濃度的影響并不明顯。此外，街谷內(nèi)PM2.5濃度存在不均勻分布特點(diǎn)，迎風(fēng)側(cè)、街谷軸線和背風(fēng)側(cè)處PM2.5濃度均隨著街谷高度的上升呈下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了交通排放對(duì)街谷近地面PM2.5濃度的影響。

在圖2的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步通過布點(diǎn)，提取了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)人行道上多個(gè)點(diǎn)（上風(fēng)向、街谷中部、下風(fēng)向）的不同垂直高度處（1.5m、4.5m、7.5m、10.5m、13.5m、16.5m、19.5m、22.5m及25.5m）的PM2.5濃度值，結(jié)果如圖3所示。如圖3所示，隨著街谷高度的增加，所有場(chǎng)景的PM2.5濃度均呈降低的趨勢(shì)，但當(dāng)迎風(fēng)側(cè)高度大于8m（樹冠高度）時(shí)，行道樹種植方式影響甚微，背風(fēng)側(cè)則是高度大于20m左右時(shí)，行道樹種植方式影響甚微。因此，在進(jìn)行街道植物景觀設(shè)計(jì)時(shí)，尤其需要注意背風(fēng)側(cè)行道樹及其種植方式選擇。

2.3行道樹生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)1.5m高度處PM2.5濃度的影響

行道樹生長(zhǎng)參數(shù)（樹高、冠幅、冠層厚度、株距、LAD等）會(huì)綜合影響街谷PM2.5濃度分布。研究基于前期調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建了樹高一冠幅與樹高一冠層厚度模型，在此基礎(chǔ)上分析了樹高、株距和LAD對(duì)街谷PM2.5濃度的影響（見圖4）。研究結(jié)果顯示隨著樹高和LAD的增加，街谷兩側(cè)PM2.5濃度均呈上升的趨勢(shì)；隨著株距的增大，街谷兩側(cè)PM2.5濃度均呈降低的趨勢(shì)。

3討論

行道樹可通過枝葉和樹干吸附顆粒物，同時(shí)也會(huì)因阻擋街谷大氣湍流運(yùn)動(dòng)而抑制顆粒物的擴(kuò)散。研究結(jié)果顯示斜交風(fēng)向下街谷行道樹種植會(huì)導(dǎo)致街谷PM2.5濃度增加，歸因于樹冠結(jié)構(gòu)影響了街谷氣體流動(dòng)，降低了風(fēng)速，導(dǎo)致顆粒物聚集，這和前人的研究結(jié)果相一致。同時(shí)也說明理想街谷條件下，行道樹對(duì)顆粒物擴(kuò)散的抑制影響超過了沉積效應(yīng)，后期的街谷植物種植方式應(yīng)該采取謹(jǐn)慎策略，尤其是人流密度較高的區(qū)域和下風(fēng)向區(qū)域。此外研究還提取了不同高度點(diǎn)PM2.5濃度數(shù)值，并對(duì)比了不同高度處PM2.5濃度分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著街谷高度的增加，所有場(chǎng)景的PM2.5濃度均呈降低的趨勢(shì)，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)呈現(xiàn)不一致的規(guī)律。意味著在進(jìn)行街道植物景觀設(shè)計(jì)時(shí)，尤其需要注意背風(fēng)側(cè)行道樹及其種植方式的選擇。

行道樹對(duì)于街谷PM2.5擴(kuò)散的影響主要與形態(tài)特征、種植間距有關(guān)。以往的研究往往基于理想化的狀態(tài)設(shè)置行道樹的高度、冠幅、枝下高等因子梯度探究對(duì)街谷PM2.5擴(kuò)散的影響，而現(xiàn)實(shí)生活中植物的生長(zhǎng)參數(shù)間存在緊密的聯(lián)系，本課題組前期通過調(diào)研分析了國槐各生長(zhǎng)參數(shù)間關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)了這一想法?；谡{(diào)研結(jié)果，構(gòu)建了國槐三維植物模型，分析了樹高、株距與LAD對(duì)人行道行人呼吸高度處顆粒物擴(kuò)散的影響。樹冠和LAD過大會(huì)降低街谷空氣交換速率，從而導(dǎo)致道路通風(fēng)效應(yīng)減弱和PM2.5濃度增加；株距過小會(huì)降低冠層內(nèi)部的透風(fēng)率，使得污染物濃度升高。樹冠冠幅較大且葉面積密度較高的冠層風(fēng)速最低，街谷污染物濃度最大。根據(jù)多重比較分析結(jié)果（如圖4所示），行道樹種植場(chǎng)景下迎風(fēng)側(cè)PM2.5濃度較無植物場(chǎng)景無顯著差異，而背風(fēng)側(cè)PM2.5濃度較無植物場(chǎng)景有顯著差異，且不同參數(shù)場(chǎng)景下背風(fēng)側(cè)PM2.5濃度具有顯著差異。綜合考慮行道樹的美學(xué)效果和其他生態(tài)功能，研究認(rèn)為樹高6m、株距8m和LAD1.5m2/m3是北方地區(qū)街谷空氣質(zhì)量改善的一個(gè)比較合適的參數(shù)組合。

4結(jié)論

行道樹種植會(huì)導(dǎo)致街谷PM2.5濃度增加，尤其是背風(fēng)側(cè)下風(fēng)向區(qū)域。隨著街谷內(nèi)部高度的增加，PM2.，濃度呈降低趨勢(shì)；行道樹種植對(duì)迎風(fēng)側(cè)樹冠及下方區(qū)域（大約8m）PM2.5濃度影響較大，對(duì)背風(fēng)側(cè)20m高度處下方區(qū)域PM2.5濃度影響較大。樹高和LAD的增加會(huì)導(dǎo)致慢行道行人高度處PM2.5濃度顯著增加；而隨著株距的遞增，PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)。研究綜合分析了國槐種植參數(shù)對(duì)街谷PM2.5濃度空間分布的影響，對(duì)居民日常生活與健康出行具有現(xiàn)實(shí)意義，可為北方地區(qū)街谷空氣質(zhì)量改善和植物種植設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。