郭曉華 戴菲* 殷利華
近年來,空氣污染尤其是顆粒物污染引發(fā)的“霧霾天氣”受到了人們的廣泛關(guān)注。其中,細(xì)顆粒物(particulate matter,粒徑<2.5μm,簡(jiǎn)稱PM2.5),是現(xiàn)今空氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。?jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)報(bào)道,空氣污染已導(dǎo)致全球每年超過100萬例的過早死亡以及100萬例的胎死腹中[1]。研究表明,綠色基礎(chǔ)設(shè)施是消減城市顆粒物的有效方法之一[2-3]。街區(qū)尺度綠化覆蓋率與顆粒物濃度呈顯著負(fù)相關(guān),綠化覆蓋率每提高10%,可分別降低PM10、PM2.5濃度13.83%、7.58%[4]。然而,植物在道路空間中對(duì)顆粒物消減作用的研究結(jié)果一直存在爭(zhēng)議[5]。既往研究總結(jié)表明,植物在街道峽谷空間中,高大的樹木起到負(fù)作用,而低矮的綠籬則可起到一定的消減作用;在開放式的道路空間中,植被對(duì)顆粒物消減則呈現(xiàn)積極的作用[6]。具體情況又隨植物復(fù)雜的降污原理而變化,植被的特征如沉積速率、葉面積密度、高度、樹冠、配置方式、葉片特性(多毛、蠟質(zhì))、季節(jié)變化等都與顆粒物消減作用相關(guān)[7]。
目前,關(guān)于道路綠化與顆粒物的消減作用,國內(nèi)外研究多關(guān)注微觀尺度層面,集中在綠化植物的類型及種類、植物配置形式、綠帶寬度等對(duì)顆粒物的消減效果[8-11]。而對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)層面——道路綠帶斷面布置形式則未有涉及。城市道路綠地是城市綠地系統(tǒng)重要的組成部分,它們以網(wǎng)狀及線狀形式將整個(gè)城市綠地連成一體,形成良好的城市生態(tài)系統(tǒng)。城市道路綠帶的斷面形式是道路綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容,它與城市上位規(guī)劃緊密銜接,是城市道路綠地管控的重點(diǎn),是城市道路綠地設(shè)計(jì)的前提。中國常見的道路綠地?cái)嗝嫘问接幸话鍍蓭А砂迦龓?、三板四帶、四板五帶式[12]。在現(xiàn)今城市用地日趨緊張的背景下,如何在有限的城市道路綠地率前提下,通過對(duì)道路綠帶斷面合理的空間規(guī)劃和前瞻性布局,使其生態(tài)效益最大化,具有重要的理論及實(shí)踐意義。
目前,城市街區(qū)尺度微氣候研究方法包括實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬?,F(xiàn)階段研究成果以實(shí)測(cè)為主,但實(shí)測(cè)方法耗力耗時(shí),且受地理氣候條件限制,無法排除其他環(huán)境條件干擾,難以推出普適性結(jié)論。風(fēng)洞試驗(yàn),成本較高,推廣困難。數(shù)值模擬方法,利用計(jì)算機(jī)模擬微氣候,參數(shù)調(diào)整便捷,可控性強(qiáng),逐漸受到學(xué)者們的普遍重視[13]。街區(qū)尺度常用的空氣污染物擴(kuò)散模型有:ENVI-met、FLUENT、MISKAM和OSPM[14]。其中,ENVI-met是微氣候指標(biāo)最完整、植被模塊最為完善的模擬軟件,最適用于風(fēng)景園林小氣候的模擬研究。
目前,中國運(yùn)用ENVI-met研究風(fēng)景園林小氣候成果處于起步階段,由CNKI進(jìn)行主題為“ENVI-met”并“綠地”“綠化”“風(fēng)景園林”“規(guī)劃設(shè)計(jì)”交叉檢索,共出現(xiàn)文獻(xiàn)28篇,研究成果主要集中在小氣候指標(biāo)如溫度、濕度、風(fēng)環(huán)境、熱舒適性方面[15-17],而對(duì)于污染物擴(kuò)散,僅張偉在居住區(qū)綠地布局對(duì)微氣候影響中探討了PM10濃度[18]。由Web of Science 檢索“ENVI-met”and“particulate matter,air pollution,PM”可知,國外運(yùn)用ENVI-met模擬道路綠化及顆粒物消減作用方面積累了一定的研究成果,主要應(yīng)用在研究街道峽谷空間不同高寬比、植物配置等對(duì)顆粒物的擴(kuò)散及沉積作用影響。例如Wania 模擬不同高寬比及不同植物配置下,街道通風(fēng)及顆粒物擴(kuò)散的影響,結(jié)果表明,高寬比值越大,植物密度越大,在街道峽谷中風(fēng)速越小,越不利于顆粒物擴(kuò)散[1]。Vos 對(duì)比19種植物配置形式對(duì)污染物濃度的作用,結(jié)果表明街道中的喬木不利于污染物擴(kuò)散[5]。香港城市大學(xué)Morakinyo 結(jié)合“擴(kuò)散——沉降方法”模擬植物屏障對(duì)顆粒物消減作用,提出植物屏障與顆粒物源的適宜距離等指標(biāo)[19-20]。Nikolova模擬了真實(shí)街道中顆粒物的擴(kuò)散與沉降,認(rèn)為在街道峽谷中,通風(fēng)是影響顆粒物分布的主要因素[21-22]。此外,一些學(xué)者還對(duì)ENVI-met模型進(jìn)行了驗(yàn)證,表明實(shí)地測(cè)量法、生物磁學(xué)監(jiān)測(cè)方法與模型計(jì)算結(jié)果一致,進(jìn)一步證實(shí)了ENVI-met運(yùn)用于顆粒物擴(kuò)散的有效性[23-25]。
筆者首次將ENVI-met運(yùn)用于城市道路斷面綠帶規(guī)劃設(shè)計(jì)模擬中,定量研究城市道路綠帶斷面規(guī)劃布局對(duì)PM2.5消減的效果,為城市規(guī)劃及風(fēng)景園林設(shè)計(jì)決策者提供科學(xué)量化依據(jù),研究?jī)?nèi)容具體反映在以下幾個(gè)方面:1)不同道路綠化帶類型,對(duì)PM2.5擴(kuò)散的整體分布有何影響?2)不同道路綠化帶類型,對(duì)PM2.5的消減作用如何?3)各類型道路綠化帶斷面形式,能夠多大程度消減人行道PM2.5濃度?
1.1.1 研究地概況
武漢地處長江中下游,江漢平原東部,亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。由2016年國家環(huán)保部門統(tǒng)計(jì)的338個(gè)地區(qū)及以上城市顆粒物年平均濃度可知[26],武漢排名12位,并與其后城市PM2.5污染差值不大,能代表國內(nèi)典型大中城市的污染水平。武漢總面積8 494.41km2,2017年常住人口1 091.4萬,具有典型大城市道路交通特征。
1.1.2 道路紅線及綠地率
研究重點(diǎn)探討道路綠帶斷面形式對(duì)PM2.5的消減作用,故設(shè)定同等道路寬度及綠地率。據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》中“城市道路各類道路的規(guī)劃指標(biāo),大城市道路寬度主干道為45~55m,次干道40~50m”[27],故案例設(shè)計(jì)道路選用主次干道常見紅線寬度50m;據(jù)《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范》,“園林景觀路綠地率不得小于40%”[28],為保證道路綠地對(duì)顆粒物的消減效果,案例設(shè)計(jì)綠地率為40%。分別按道路綠帶斷面布置形式設(shè)置四組:一板兩帶式、兩板三帶式、三板四帶式、四板五帶式設(shè)置,對(duì)比無綠化帶道路(CK),具體參數(shù)如圖所示(圖1)。
網(wǎng) 格 數(shù) 設(shè) 置 60×80×30, 空 間 精 度1m×1m×2m,z軸采用equidistant,即最下方5個(gè)格Z=0.2×2=0.4m,以提高人體高度空間的計(jì)算精度。添加嵌套網(wǎng)格5個(gè)。因顆粒物模擬是穩(wěn)態(tài)計(jì)算,故模型運(yùn)算時(shí)間設(shè)計(jì)為6h,前5h是預(yù)熱階段,最后1h計(jì)算值為結(jié)果討論時(shí)間。
模型選取2017年8月份典型夏季日,天氣參數(shù)(初始溫度、相對(duì)濕度)參考該月份平均天氣,風(fēng)速設(shè)置1m/s(靜風(fēng)條件),風(fēng)向?yàn)榇怪庇诘缆凤L(fēng)向及傾斜風(fēng)向。污染源參數(shù),據(jù)武漢市交通局信息,選取武漢市主干道交通流量,計(jì)算得出PM2.5排放速率為12.7μg/s/m,考慮到道路寬度及雙向車道,設(shè)置為兩條污染源,排放高度0.3m,排放速率為6.35μg/s/m[19]。
表1 ENVI-met主要參數(shù)設(shè)置Tab.1 ENVI-met main parameter setting
研究重點(diǎn)是探討道路綠化斷面形式對(duì)PM2.5消減影響,故統(tǒng)一道路綠帶內(nèi)植物配置類型。根據(jù)既往研究,對(duì)顆粒物消減作用最佳的配置模式是喬+灌+草[8],灌木0~2m高度對(duì)顆粒物的凈化效果起到關(guān)鍵性作用[11]。Abhijith在綜述中也總結(jié)推薦2m為綠帶的最優(yōu)高度[6]。故設(shè)計(jì)灌木高度2m;從ENVI-met 3D 數(shù)據(jù)庫中,選用武漢市市樹水杉,樹高15m,冠幅7m,設(shè)計(jì)株行距8m。對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)參數(shù)根據(jù)武漢實(shí)際情況,查閱相關(guān)資料進(jìn)行修正或添加[29],具體參數(shù)見表(表1)。
1.3.1 PM2.5濃度差值圖
運(yùn)用“LEONARDO”模塊將模擬計(jì)算結(jié)果圖像化,得出道路三維空間內(nèi)PM2.5濃度的平面及剖面分布圖。將各道路綠帶斷面形式與CK道路的PM2.5濃度值分布圖疊加比較計(jì)算,可得出各道路綠帶斷面形式作用于PM2.5濃度改變的差值圖,用以探討綠帶斷面形式對(duì)PM2.5濃度的消減程度。平面圖選取Z=1.5m人行呼吸高度值;剖面圖選取傾斜風(fēng)向Y=60m,垂直風(fēng)向Y=40m,以代表各風(fēng)向下擴(kuò)散較穩(wěn)定的區(qū)域。
1.3.2 消減率
已有研究表明,受道路污染影響最為嚴(yán)重的空間是交通主干道及其兩側(cè)50m以內(nèi)、1.7m以下的低空范圍的空氣[30],而此范圍正是人行空間。故本研究重點(diǎn)關(guān)注不同道路綠帶條件下,人行道1.5m高度的顆粒物變化。在橫斷面機(jī)動(dòng)車道邊緣(0m)及人行道分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),縱向間隔10m,每條道路共計(jì)12個(gè),計(jì)算消減率平均值。計(jì)算參照《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》,消減百分率的公式為:P=(Cs-Cm)/Cs。Cs是道路邊(0m)的PM2.5的濃度值,Cm是不同寬度綠帶外人行道PM2.5的濃度值[10]。
因研究結(jié)果討論的重點(diǎn)在于探討道路綠帶斷面形式對(duì)PM2.5的消減作用,故ENVI-met模型中省略背景濃度值差異,計(jì)算結(jié)果用相對(duì)濃度值表示[5],文中統(tǒng)一表述為PM2.5濃度(圖2、3)。道路空間中PM2.5濃度的平面及剖面分布整體趨同。PM2.5濃度由藍(lán)色至黑色圖例區(qū)域逐步升高,道路空間中濃度最高區(qū)域主要出現(xiàn)在機(jī)動(dòng)車道源頭,都呈現(xiàn)隨風(fēng)向扇面擴(kuò)散的趨勢(shì),垂直風(fēng)較傾斜風(fēng)更利于顆粒物的擴(kuò)散,下風(fēng)向顆粒物濃度普遍高于上風(fēng)向,擴(kuò)散高度在10m以內(nèi)。
2 PM2.5濃度平面分布圖Plane distribution of PM2.5 concentration
3 PM2.5濃度剖面分布圖及1.5m高度相對(duì)濃度折線圖Profile distribution of PM2.5 concentration and relative concentration polyline chart at 1.5m height
不同道路斷面綠化類型對(duì)細(xì)顆粒物濃度的分布存在顯著影響。從平面圖上看(圖2),對(duì)比CK無綠化道路,綠化后各形式道路PM2.5擴(kuò)散區(qū)域有所收斂,機(jī)動(dòng)車道污染物濃度明顯增加,非機(jī)動(dòng)車道及人行道顆粒物濃度略有下降;從剖面云圖上及1.5m高度相對(duì)濃度折線圖看(圖3),CK道路濃度為1.44~2.22μg/m3(淺藍(lán)色)區(qū)域擴(kuò)散范圍在x軸52m處左右,道路綠化后該濃度區(qū)域云圖不同程度的縮短了1~4m,說明綠化帶顯著影響了顆粒物濃度的擴(kuò)散;從1.5m高度相對(duì)濃度折線圖上看,在x軸47m左右各綠化道路相對(duì)于無綠化道路(CK)PM2.5濃度值開始下降,說明綠化帶能一定程度的消減人行道PM2.5濃度值。取道路紅線邊緣x軸55m為例,假設(shè)實(shí)際無綠化道路PM2.5濃度值為100μg/m3的話,傾斜風(fēng)向下,一板兩帶式濃度為80μg/m3,兩板三帶式為74μg/m3,三板四帶式為85μg/m3,四板五帶式為76μg/m3;垂直風(fēng)向下,一板兩帶式濃度為77μg/m3,兩板三帶式為73μg/m3,三板四帶式為84μg/m3,四板五帶式為79μg/m3。此外,在兩板三帶式及四板五帶式道路空間中,上下風(fēng)向機(jī)動(dòng)車濃度趨于近似,而中央分車帶區(qū)域呈現(xiàn)明顯的濃度下降“低谷”,說明由于上下行車道間的中央分車綠帶阻隔,影響了道路空間中PM2.5的濃度分布。
將各道路綠化斷面類型的PM2.5濃度值與CK道路相比較,得出平面差值分布圖(圖4)。圖例由藍(lán)色至紅色區(qū)域,差值由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值。正值區(qū)域(紅色)說明道路綠化后PM2.5濃度增加,負(fù)值區(qū)域(藍(lán)色)說明道路綠化后PM2.5濃度下降。由圖4可知,由于綠化的作用,機(jī)動(dòng)車道區(qū)域的顆粒物濃度都呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì),而非機(jī)動(dòng)車道、人行道的顆粒物濃度則出現(xiàn)下降趨勢(shì)。濃度增加最高的區(qū)域,普遍出現(xiàn)在上風(fēng)向機(jī)動(dòng)車道。其中,兩板三帶式濃度增加最明顯,傾斜風(fēng)向下達(dá)到4.27 μg/m3、垂直風(fēng)向下達(dá)到3.16μg/m3;其次為四板五帶式,傾斜風(fēng)向下達(dá)到4.23μg/m3、垂直風(fēng)向下達(dá)到3.15μg/m3。濃度下降最大的區(qū)域,出現(xiàn)在兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道及人行道區(qū)域,兩板三帶式濃度下降最明顯,傾斜風(fēng)向下道路減少1.82μg/m3,垂直風(fēng)向下減少1.08μg/m3;其次為四板五帶式,傾斜風(fēng)向下減少1.00μg/m3,垂直風(fēng)向下減少0.28μg/m3。此外,兩板三帶式及四板五帶式綠化類型,上下行機(jī)動(dòng)車道之間也出現(xiàn)明顯的顆粒物濃度下降區(qū)域,再次反映了中央分車綠化帶的消減作用。
將各綠化類型道路的剖面與對(duì)照道路相比較,得出各剖面濃度差值(圖5)。由圖示可知,垂直空間內(nèi),各道路綠帶斷面形式下,機(jī)動(dòng)車道濃度值增加,氣流上升并朝下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)擴(kuò)散,形成一個(gè)明顯的高濃度擴(kuò)散區(qū),影響高度在15m左右。而15m正是案例設(shè)計(jì)的喬木樹高,反映樹木對(duì)顆粒物的擴(kuò)散形成一定的阻滯作用。濃度下降值的最大區(qū)域都出現(xiàn)在下風(fēng)向人行道側(cè)高濃度擴(kuò)散區(qū)以下,形成一個(gè)“庇護(hù)區(qū)”,最低影響高度為2m(垂直風(fēng)向下三板四帶式差值圖)。而2m為案例設(shè)計(jì)綠籬高度,可反映綠籬對(duì)PM2.5的擴(kuò)散起到隔離作用。
從PM2.5的消減面積來看,四板五帶式>兩板三帶式>一板兩帶式>三板四帶式;從PM2.5的消減程度來看,兩板三帶式>四板五帶式> 一板兩帶式>三板四帶式。兩板三帶式消減程度最高,垂直風(fēng)向下達(dá)到4.42μg/m3;三板四帶式消減程度最差,傾斜風(fēng)向下僅有0.23 μg/m3。
4 PM2.5濃度平面差值圖PM2.5 concentration plane difference diagram
5 PM2.5濃度剖面差值圖PM2.5 concentration profile difference diagram
為進(jìn)一步得知各道路斷面綠化對(duì)人行道的消減率,分別沿機(jī)動(dòng)車道及人行道每間隔10m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),在1.5m高度取值,據(jù)人行道顆粒物消減率公式計(jì)算,各綠化板式平均顆粒物消減率傾斜風(fēng)條件下:CK道路為54%、一板兩帶62%、兩板三帶72%、三板四帶67%、四板五帶72%;各綠化板式消減率分別提高了8%、18%、13%、18%。垂直風(fēng)向下,CK道路為48%、一板兩帶54%、兩板三帶62%、三板四帶53%、四板五帶60%,各綠化板式分別提高了6%、14%、5%、12%。兩板三帶與四板五帶式消減率較好,最佳效果為傾斜風(fēng)條件下兩板三帶式,人行道消減率提高了18%。
道路綠化帶能明顯改變道路空間中PM2.5濃度的分布。不同程度的綠化能導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車道PM2.5濃度增加,非機(jī)動(dòng)車道及人行道PM2.5濃度減少。
植物對(duì)顆粒物消減作用機(jī)理,主要分為擴(kuò)散和滯塵2個(gè)方面。本研究表明,不同道路空間中污染物的分布都呈現(xiàn)隨風(fēng)向扇面擴(kuò)散趨勢(shì),這與既往研究擴(kuò)散作用占主導(dǎo)相一致。而不同的綠化帶布局,影響了PM2.5濃度的分布,兩側(cè)分車綠帶阻滯了PM2.5的擴(kuò)散,由PM2.5剖面濃度差值圖(圖5)可以看出,PM2.5集聚在機(jī)動(dòng)車道內(nèi),使得機(jī)動(dòng)車道內(nèi)濃度上升;PM2.5繼續(xù)隨氣流上升并朝下風(fēng)向偏轉(zhuǎn),再次形成一個(gè)濃度差值的擴(kuò)散區(qū)。如此,在此擴(kuò)散區(qū)域下的人行道空間,就因受到綠化帶的阻滯而形成一個(gè)低濃度“庇護(hù)區(qū)”。而中央分車綠帶,阻隔了上下行機(jī)動(dòng)車道的擴(kuò)散,使得兩條機(jī)動(dòng)車道濃度值近似;同時(shí),由于中央分車綠帶的滯塵作用,形成一個(gè)濃度“低谷”。由此可知,在道路空間內(nèi),植物的擴(kuò)散作用對(duì)PM2.5的分布起到主導(dǎo)作用,滯塵作用次之。
研究重點(diǎn)關(guān)注了人行空間,通過模擬分析道路空間PM2.5的平面和垂直分布,發(fā)現(xiàn)道路綠化雖然增加了機(jī)動(dòng)車道內(nèi)的PM2.5濃度,但卻能明顯改善非機(jī)動(dòng)車道、人行道內(nèi)的PM2.5。而非機(jī)動(dòng)車道及人行道則是暴露在空氣中、受害最大的人群,是道路環(huán)境改善的主要受眾群體。
由此可見,道路綠化是消減人行道PM2.5污染的重要舉措。以往的道路綠化強(qiáng)調(diào)植物的美化和降溫作用,對(duì)綠地消減顆粒物并未重視,甚至疑其消減功能[5]。但既往研究探討街道空間,大都作為一個(gè)整體來討論,得出植物影響顆粒物的擴(kuò)散,產(chǎn)生不佳效果的結(jié)論[1]。筆者研究表明不同的道路綠帶類型,均能不同程度的降低人行道PM2.5濃度,可以有效地改善人行空氣環(huán)境。而且,植物的配置類型也與PM2.5濃度的增減緊密相關(guān),PM2.5濃度的增減擴(kuò)散高度與植物高度基本一致。因此,在道路綠帶規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在近人行空間高度上,保證安全視距的前提下,盡可能設(shè)置濃密的植物綠障,以阻滯機(jī)動(dòng)車道的顆粒物擴(kuò)散。枝葉濃密的喬木對(duì)機(jī)動(dòng)車道PM2.5濃度擴(kuò)散也起到了一定的阻滯和隔離作用,有利于人行道空間PM2.5濃度的消減。
通過對(duì)比分析,得出從PM2.5消減區(qū)域來講,四板五帶式>兩板三帶式>一板兩帶式>三板四帶式;從PM2.5消減程度來看,兩板三帶式>四板五帶式> 一板兩帶式>三板四帶式;從消減提高率來看,兩板三帶式、四板五帶式綠化類型對(duì)人行道空間的消減效果最佳。
在進(jìn)行道路綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量選用兩板三帶式及四板五帶式的布局。如若道路空間以人行為主,或道路紅線外用地仍是其他休閑空間,則應(yīng)以降低顆粒物濃度最大區(qū)域?yàn)橹?,選擇四板五帶式布局。如道路以車行為主且周邊少有人活動(dòng)空間,則綠地設(shè)計(jì)應(yīng)以最大程度消減顆粒物為主,選用三板四帶式布局效果最佳。
本文作者運(yùn)用模擬研究方法,通過變量控制,一定程度上排除了其他因素的影響,僅關(guān)注道路綠帶對(duì)PM2.5的消減作用。但道路綠帶除消減顆粒物濃度外,還承擔(dān)了遮陰、降溫、増濕、等多種重要功能。ENVI-met模擬計(jì)算小氣候指標(biāo)還包括溫度、濕度、風(fēng)環(huán)境等,后續(xù)研究將拓展小氣候維度,綜合考慮多種環(huán)境因子,并結(jié)合實(shí)測(cè),從解決具體問題入手,使研究結(jié)果更精確。同時(shí),本文作者中重點(diǎn)探討了植物在橫斷面的布局形式,但植物在街道空間中的縱向布局也是影響顆粒物濃度的重要因素,如何合理設(shè)計(jì)綠化帶間隔和長度也是將來研究的方向,以期為道路綠化設(shè)計(jì)提供更為詳盡的指導(dǎo)和依據(jù)。
注釋:
文中圖、表均由作者繪制。