顧康康,錢(qián) 兆,方云皓,孫 圳,溫 紅

1 安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院,合肥 230022 2 安徽省城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心,合肥 230022

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,大氣污染已成為制約城市環(huán)境的重要因素,并對(duì)城市人群健康帶來(lái)重大危害。相關(guān)研究已經(jīng)表明道路交通是城市大氣污染尤其細(xì)顆粒物(PM2.5)的重要來(lái)源[1- 2],同時(shí)道路交通相關(guān)的大氣污染已嚴(yán)重影響城市人群健康[3- 4]。如何緩解道路交通相關(guān)的大氣污染已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)[5]。綠地植物在大部分情況下被認(rèn)為是能夠有效減少來(lái)自道路的污染物,Pugh等表明,即使在街道峽谷中,街道植物也能將PM10濃度降低60%；Al-Dabbous等表明,植物屏障能夠減輕約11%—37%的PNC濃度；Chen等表明,3種綠化帶都能夠減輕步道上的PM10濃度(7%—15%)；Abhijith等表明,在開(kāi)放空間中,不同的植物群落對(duì)不同的污染物(PNC,BC,PM10,PM2.5,PM1)有著不同的消減作用,同時(shí)作用受到外界環(huán)境如風(fēng)速、風(fēng)向等的影響[6- 9]。但在一些特殊條件下會(huì)加重污染物的濃度,Tong等表明,在高速道路周邊僅種植樹(shù)木會(huì)導(dǎo)致部分環(huán)境的污染物濃度上升；Abhijith等表明,街道峽谷環(huán)境中,較高的植物會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化,而較低矮的植物會(huì)改善空氣質(zhì)量,在開(kāi)闊的道路條件下,低孔隙度且具有足夠的長(zhǎng)寬的植物導(dǎo)致可以使污染物濃度降低,而高孔隙度植物可能導(dǎo)致空氣質(zhì)量沒(méi)有得到改善甚至惡化；Deshmukh等表明,在順風(fēng)環(huán)境下高葉面指數(shù)且具有一定高度的植物可以將污染物濃度降低50%,但高孔隙度的植物會(huì)使污染物濃度上升[10- 13]。相關(guān)學(xué)者的研究表明植被對(duì)污染物有著一定的影響,這些影響和作用與周邊環(huán)境和植物群落本身存在著一定的關(guān)系,如受到綠地寬度、綠地高度、植被孔隙率以及周邊環(huán)境中的建筑、風(fēng)等的影響,這些影響有正面的也有負(fù)面的影響。如何科學(xué)評(píng)估城市道路綠地植物降低空氣污染物的效果,以及城市道路綠地植物群落組成的差異是如何影響道路周邊大氣污染物濃度,這些問(wèn)題需要我們深入研究和探討。

ENVI-met是一種用于小尺度和中尺度的城市微氣候模擬軟件,通過(guò)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)和熱力學(xué)的計(jì)算達(dá)到模擬城市微氣候的效果,相較于其他城市氣候模擬軟件(如：Phoenicis,CFD,Star-CCM+等),ENVI-met更加側(cè)重于構(gòu)筑物表面、植被和大氣環(huán)境的交互作用上,這在針對(duì)植物群落的研究中有著十分重要的意義[14- 15]。該軟件已經(jīng)在城市居住區(qū)、街道峽谷空間、校園、道路、公園等領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用,2018年軟件更新了植物和大氣顆粒物模擬插件,但相關(guān)應(yīng)用研究卻很少[16- 21]。

因此,綜合運(yùn)用場(chǎng)地觀(guān)測(cè)和ENVI-met模擬的方法分析城市道路綠地植物群落對(duì)PM2.5的影響,相關(guān)成果可為城市道路綠地設(shè)計(jì)提供依據(jù),對(duì)改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量具有重大意義。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域及實(shí)驗(yàn)點(diǎn)簡(jiǎn)介

1.1.1研究區(qū)域

合肥位于中國(guó)華東地區(qū),長(zhǎng)三角西端,江淮之間。合肥是安徽省省會(huì)城市,2018年末常駐總?cè)丝?08.7萬(wàn)人,GDP達(dá)到7822.9億元。研究區(qū)域位于合肥南二環(huán)道路(圖1),南二環(huán)是城市主干道,道路交通量高,道路斷面為雙向四車(chē)道,道路寬度約為40 m,道路中部有一條寬約3 m的綠帶,道路東西兩向各15 m的車(chē)道,兩側(cè)有3 m的人行道。道路周邊的植物群落豐富,栽種楊樹(shù),紅葉石楠,冬青和梧桐。

圖1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)所處位置Fig.1 Location and distribution of experimental points

1.1.2實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布在南二環(huán)路與金寨路交叉口到南二環(huán)路與宿松路交叉口1000 m范圍內(nèi)(圖1)。3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和一個(gè)對(duì)照點(diǎn)同處于同一段道路上,周邊環(huán)境(除植物)較為相似,建筑為中低層建筑,建筑對(duì)風(fēng)的影響較小,屬于較為開(kāi)放的道路環(huán)境。其中,一號(hào)點(diǎn)周邊為二層的商業(yè)居住空間,二號(hào)點(diǎn)周邊為四層的居住空間,三號(hào)點(diǎn)周邊為開(kāi)放空間,四號(hào)點(diǎn)周邊為二層的商業(yè)居住空間,建筑高度較為低矮,同時(shí)綠地距離建筑距離較遠(yuǎn)(30—40 m),對(duì)綠地周邊環(huán)境影響小。4個(gè)點(diǎn)處于同一段道路,交通流量差異很小,可重點(diǎn)考慮道路植物群落差異對(duì)PM2.5濃度的影響。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)植物群落分別為喬木(一號(hào)點(diǎn))、喬木+樹(shù)籬(二號(hào)點(diǎn))、喬木+樹(shù)籬+灌木(三號(hào)點(diǎn))和沒(méi)有植物的對(duì)照點(diǎn)(四號(hào)點(diǎn)),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的道路斷面形式見(jiàn)圖2,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的植物群落配置見(jiàn)表1。

圖2 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)道路斷面Fig.2 Experimental point road section

表1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)植物分布

1.2 數(shù)據(jù)收集

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年4月12日—4月14日,天氣晴朗。使用ETEST- 100大氣顆粒物檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)PM2.5、溫度、濕度數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)前統(tǒng)一調(diào)試儀器,確保記錄的數(shù)據(jù)為同一時(shí)間,數(shù)據(jù)頻率為每5 min一次。每天具體監(jiān)測(cè)時(shí)間是8:00—18:00,每天收集9—10 h的數(shù)據(jù),共產(chǎn)生28 h的數(shù)據(jù)。風(fēng)向,風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)自附近的氣象站(位于包河區(qū)洛崗機(jī)場(chǎng)附近)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

使用SPSS 24進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,Origin 2018繪圖。ENVI-met 4.4進(jìn)行建模和模擬分析。

根據(jù)消解率的公式：P=(Cs-Cm)/Cs,P是消解率,Cs是對(duì)照點(diǎn)的平均濃度,Cm是實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的平均濃度,計(jì)算顆粒物的消減率。

將綠地長(zhǎng)度、寬度、高度和消減率導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行回歸分析,得出作用方程。

為更加清晰的了解綠地對(duì)道路污染物消減的工作機(jī)制,使用ENVI-met建立理想模型,采用控制變量的方法對(duì)綠地的各要素進(jìn)行建模模擬研究。模型的風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果由ENVI-met的Atmosphere模塊中導(dǎo)出。

1.4 ENVI-met模擬參數(shù)

ENVI-met模型構(gòu)建的地理坐標(biāo)、模型、大氣環(huán)境、污染源的參數(shù)如表2中所示,分別建立5個(gè)模型,其中b、c、d、e 4個(gè)模型分別代表著4種(綠地的長(zhǎng)度、寬度、高度、LAI)不同的要素,以及a模型作為對(duì)照用的常量(表3),對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。模擬計(jì)算時(shí)間為10 h。其中污染物的放置,由于道路較寬(40 m)且為雙向四車(chē)道,將污染源分別在兩個(gè)車(chē)道上放置。

表2 ENVI-met模擬參數(shù)

表3 植物模型參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)向以北風(fēng)和東北風(fēng)為主,4月12日和13日風(fēng)速較弱以0—4 m/s為主,14日風(fēng)速較強(qiáng)可達(dá)8 m/s,三天的風(fēng)向基本以垂直和傾斜于道路為主,三日的風(fēng)環(huán)境中12日主風(fēng)向?yàn)閮A斜于道路,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間有一定的上下風(fēng)關(guān)系,但12日處于微風(fēng)環(huán)境(0—4 m/s)上下風(fēng)向?qū)︻w粒物的影響較低,13、14日主風(fēng)向?yàn)榇怪庇诘缆?各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間無(wú)明顯的上下風(fēng)關(guān)系,圖3了風(fēng)速和風(fēng)向的日變化。

圖3 風(fēng)玫瑰圖Fig.3 Wind rose

2.2 不同道路監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度分布特征

如圖4所示,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)三日的PM2.5濃度基本隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)下凹式分布,最高值出現(xiàn)在早晨,最低值出現(xiàn)在中午及下午。其中：4月12日最高值出現(xiàn)在8:00的四號(hào)點(diǎn)(141 μg/m3),最低值出現(xiàn)在12:17的一號(hào)點(diǎn)(61 μg/m3),相差131%；4月13日最高值出現(xiàn)在8:40的四號(hào)點(diǎn)(228 μg/m3),最低值出現(xiàn)在16:40的三號(hào)點(diǎn)(29 μg/m3),相差686%；4月14日最高值出現(xiàn)在8:35的三號(hào)點(diǎn)(117 μg/m3),最低值出現(xiàn)在14:10的二號(hào)點(diǎn)(33 μg/m3),相差254%。

圖4 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)PM2.5濃度日變化圖Fig.4 Experimental point PM2.5 concentration change chart

如圖5所示,4月12日和4月13日四號(hào)點(diǎn)的PM2.5濃度總體高于其他3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn),三號(hào)點(diǎn)的PM2.5濃度最低。4月14日4個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)PM2.5濃度差異性較低,三號(hào)點(diǎn)濃度高于其他點(diǎn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)PM2.5濃度時(shí)空特征Fig.5 Experimental point PM2.5 concentration spatiotemporal characteristics

根據(jù)消解率的公式,計(jì)算得出總體消解率三號(hào)點(diǎn)>二號(hào)點(diǎn)>一號(hào)點(diǎn)(14.2%>12.9%>9.2%)。

2.3 不同道路綠地植物群落對(duì) PM2.5濃度的影響

回歸分析得出綠地長(zhǎng)度,寬度,高度和消減作用有著相關(guān)性,得出函數(shù)p=-0.237x+13.167y+0.522z,x是綠地長(zhǎng)度,y是綠地寬度,z是綠地高度,p是消解率。

2.3.1綠地植物種類(lèi)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著綠地植物物種豐富度的增加而消解率逐步加強(qiáng),相較于從無(wú)到有植物而增加的9.2%的消減作用而言,進(jìn)一步增加樹(shù)籬和灌木帶來(lái)的消減作用逐步減弱(分別增加了3.7%和1.3%)。隨著植物種類(lèi)的增加,各種影響因素之間共同作用,加強(qiáng)了對(duì)PM2.5的消減作用。

2.3.2綠地長(zhǎng)度的影響

回歸分析表明,綠地長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致消解率的降低。綠地長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致受到綠地影響的PM2.5的總量的增加,同時(shí)也使得PM2.5濃度的穩(wěn)定和均質(zhì)化,導(dǎo)致PM2.5向綠地兩側(cè)擴(kuò)散的量與總量相比減少。

2.3.3綠地寬度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,綠地寬度的增加將加強(qiáng)消解率。綠地寬度的增加將增加顆粒物在綠地的通過(guò)時(shí)間,加強(qiáng)綠地中的植物葉面對(duì)顆粒物的吸收和遲滯作用的時(shí)間和距離,加強(qiáng)了綠地對(duì)PM2.5的消減作用。同時(shí)綠地寬度的影響也受到植物的植物葉面指數(shù)的影響。

2.3.4綠地高度的影響

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明隨著植物高度的增加,消減作用有加強(qiáng)的趨勢(shì)。有關(guān)研究表明高度達(dá)到4—5m或更高的樹(shù)木可以起到對(duì)顆粒物的消減的目的,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)論的同時(shí)也表明樹(shù)木的度的增加可能會(huì)加強(qiáng)消減作用。

2.3.5植物葉面積指數(shù)(LAI)的影響

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的LAI呈現(xiàn)從一號(hào)點(diǎn)到三號(hào)點(diǎn)遞增的趨勢(shì)。組成綠地的植物的葉面積密度決定了顆粒物通過(guò)綠地的運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)表明,綠地的消減作用與葉面指數(shù)呈正比,較高的葉面指數(shù)增加了顆粒物在綠地內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的阻力,同時(shí)也降低了風(fēng)速,使得顆粒物得以沉降。

2.4 ENVI-met模擬結(jié)果

選取模型坐標(biāo)為(X:5 m,Y:30 m,Z:1.4 m)的點(diǎn)作為觀(guān)測(cè)點(diǎn),利用12:00的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析,分別生成PM2.5濃度剖面(圖6)和平面(圖7)分布圖。圖6表明,綠地長(zhǎng)度和葉面積指數(shù)的減少在近地空間的表現(xiàn)出對(duì)PM2.5濃度較強(qiáng)的影響,綠地高度的增加會(huì)促使PM2.5在通過(guò)綠地時(shí)向更高的空中運(yùn)動(dòng)。

圖6 PM2.5剖面分布圖Fig.6 PM2.5 profile map

如圖7的PM2.5濃度平面圖所示,模型b、c、d、e的PM2.5濃度與模型a的PM2.5濃度相比增加了分別減少了2.89%、0.55%、-2.85%、-3.14%。表明綠地長(zhǎng)度和高度的增加對(duì)PM2.5消減作用起負(fù)面作用,綠地寬度和葉面積指數(shù)的增加對(duì)PM2.5起消減作用起正面作用。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的是綠地高度在模擬分析中表現(xiàn)出了負(fù)面的作用。

圖7 PM2.5平面分布圖Fig.7 PM2.5 plane distribution map

雖然綠地后面的PM2.5濃度降低,但在沒(méi)有綠地直接暴露在道路環(huán)境中的空間的濃度較其他空間快速上升。提取a,b兩個(gè)模型綠地后方的PM2.5濃度數(shù)據(jù),PM2.5濃度降低的空間是綠地后方寬度約為綠地長(zhǎng)度80%的空間,同時(shí)PM2.5濃度降低空間的寬度隨著與綠地的距離的增加而遞減,這個(gè)空間的跨度在至距離綠地10m處衰減為約為綠地長(zhǎng)度的50%。結(jié)果表明,綠地的長(zhǎng)度的一定量的減少可以在綠地后方形成一個(gè)寬度約為綠地長(zhǎng)度80%的、隨著與綠地的距離的增加而寬度遞減的較綠地長(zhǎng)度更長(zhǎng)的PM2.5濃度低谷區(qū)。圖8顯示了模型a、b的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果,綠地長(zhǎng)度的降低帶來(lái)綠地周邊的風(fēng)環(huán)境的改變,使得綠地周邊的風(fēng)速增加,導(dǎo)致顆粒物向沒(méi)有阻礙且風(fēng)速較高的空間運(yùn)動(dòng)。

圖8 模型a、b風(fēng)環(huán)境Fig.8 Model a b wind environment

3 討論

3.1 不同綠地植物配置對(duì)PM2.5消減作用的影響

無(wú)論是監(jiān)測(cè)結(jié)果還是ENVI-met模擬都表明綠地對(duì)PM2.5有著一定的消減作用,而綠地對(duì)PM2.5的消減作用強(qiáng)弱與綠地中植物的配置豐富度有關(guān),這與孫曉丹等的研究相一致[22],植被豐富度的增加和物種的改變導(dǎo)致多種因素的改變,如植物的郁閉度、疏透度以及植物微結(jié)構(gòu)等。前人的研究已經(jīng)表明綠地對(duì)大氣顆粒物的消減作用同植物群落的郁閉度成正相關(guān),同疏透度成負(fù)相關(guān)關(guān)系[23-24],同時(shí)也受到植物葉面微結(jié)構(gòu)的影響[25],這些因素綜合導(dǎo)致對(duì)PM2.5的消減作用強(qiáng)弱的改變。

3.2 綠地形態(tài)對(duì)PM2.5的消減作用的影響

模擬實(shí)驗(yàn)表明綠地的長(zhǎng)度的一定量的減少可以在綠地后方形成一個(gè)寬度約為綠地長(zhǎng)度80%的、隨著與綠地的距離的增加而寬度遞減的較綠地長(zhǎng)度更長(zhǎng)環(huán)境PM2.5濃度更低的低谷區(qū),但其他沒(méi)有綠地的空間的PM2.5濃度會(huì)加重。究其原因,較短的綠地影響道路的風(fēng)環(huán)境,使沒(méi)有綠地的空間風(fēng)速增加,導(dǎo)致PM2.5向沒(méi)有阻礙且風(fēng)速較高的空間運(yùn)動(dòng)。前人的研究更多的著重于綠地長(zhǎng)度達(dá)到一定的規(guī)模后可以有效的消減大氣顆粒物[23,26],而對(duì)于長(zhǎng)度的變化對(duì)大氣顆粒物的分布等的影響的研究較少。

綠地寬度的增加將加強(qiáng)綠地對(duì)PM2.5的消減作用,綠地寬度的增加了顆粒物在綠地的通過(guò)時(shí)間,加強(qiáng)綠地中的植物葉面對(duì)顆粒物的吸收和遲滯作用的時(shí)間和距離,這與王國(guó)玉、藺銀鼎等的研究相一致[26- 27],這也證明了綠地寬度的增加能夠有效的加強(qiáng)對(duì)大氣顆粒物消減作用。

綠地高度的變化的影響在場(chǎng)地觀(guān)測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了矛盾。模擬實(shí)驗(yàn)中,綠地高度的增加,會(huì)迫使一部分顆粒物向更高的空間運(yùn)動(dòng),在通過(guò)綠地之后由于動(dòng)能的消耗而沉積,導(dǎo)致消減作用的建少。但藺銀鼎等在通過(guò)增減遮陽(yáng)網(wǎng)的方式得出高度的曾加能夠加強(qiáng)對(duì)顆粒物的消減作用[27],這與場(chǎng)地觀(guān)測(cè)的結(jié)果相一致,說(shuō)明在實(shí)際條件下綠地高度的增加能夠加強(qiáng)對(duì)顆粒物的消減作用。

3.3 綠地對(duì)PM2.5的消減作用的不確定性

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中綠地對(duì)PM2.5的消減作用表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的不確定性,三日中各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的消解率的大小表現(xiàn)出了劇烈的波動(dòng)。這表明綠地植物對(duì)PM2.5的消減作用不僅僅受到植物群落的因素影響,同時(shí)也受到其他方面因素的影響,楊貌等、Abhijith等的研究都已經(jīng)表明綠地植物對(duì)PM2.5的消減作用受到風(fēng)速、風(fēng)向的影響[11,24],說(shuō)明了綠地對(duì)PM2.5的影響不是單一的不變的簡(jiǎn)單過(guò)程,而是多方面共同作用的復(fù)雜過(guò)程。

4 結(jié)論與建議

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量并比較了在同一條道路上擁有不同的植物群落的綠地后方的PM2.5濃度,同時(shí)也利用ENVI-met軟件進(jìn)行建模和模擬分析,評(píng)估了不同的植物群落中的植物的種類(lèi)、綠地寬度、綠地長(zhǎng)度、綠地高度、綠地植物的葉面指數(shù)等要素對(duì)PM2.5濃度的影響。

4.1 主要結(jié)論

(1)綠地對(duì)PM2.5有著一定的消減作用。

(2)綠地對(duì)PM2.5的消減作用與綠地中植物的種類(lèi)、綠地寬度、綠地植物的葉面指數(shù)等要素呈正相關(guān)。

(3)綠地長(zhǎng)度一定量的減少雖然會(huì)降低綠地后方的PM2.5濃度,但會(huì)加重其他沒(méi)有綠地的空間的濃度。

(4)綠地高度的增加會(huì)迫使PM2.5在經(jīng)過(guò)綠地時(shí)向更高的空中運(yùn)動(dòng)。

(5)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表現(xiàn)出的不確定性也表明影響作用與周邊的氣候環(huán)境有著相關(guān)性。

4.2 建議

(1)道路綠地能夠有效的減少周邊環(huán)境的PM2.5濃度,道路建設(shè)時(shí)應(yīng)建設(shè)相應(yīng)的綠地。

(2)綠地寬度的增加可以加強(qiáng)對(duì)PM2.5消解率,道路綠地的建設(shè)應(yīng)在條件允許的情況下寬度達(dá)3m或更寬。

(3)在靠近居民區(qū)的情況下可以考慮建設(shè)綠地長(zhǎng)度達(dá)到居民區(qū)長(zhǎng)度一倍左右的綠地,在居民區(qū)范圍內(nèi)形成污染物的低谷區(qū),可以適當(dāng)減少無(wú)人區(qū)的綠地。

(4)綠地高度的增加會(huì)導(dǎo)致PM2.5向更高的空間運(yùn)動(dòng),應(yīng)避免在靠近多層建筑的空間建設(shè)較高的植物。

(5)道路綠地應(yīng)有較高的植物豐富度,喬木+灌木+樹(shù)籬的組合較適宜。