姜潤聲

洪 波*

居住區(qū)室外開敞空間作為人與自然交流溝通的橋梁，其環(huán)境的舒適性、健康性對城鎮(zhèn)人居環(huán)境建設(shè)至關(guān)重要。受居住區(qū)建筑布局、綠地布局以及水景設(shè)施等因素的影響，其室外環(huán)境可能會出現(xiàn)局部惡化的現(xiàn)象，如通風(fēng)不暢造成局部空間懸浮顆粒污染物富集[1]。在大氣懸浮顆粒污染物中，空氣動力學(xué)直徑小于10和2.5μm(PM10和PM2.5)的可吸入顆粒物，不僅會降低工作效率和幸福感[2-3]、影響人們的精神和心理健康[4]，還會加劇各種呼吸道和心血管疾病的發(fā)病率[5]。

眾所周知，居住區(qū)綠化在緩解居住區(qū)局部熱島、改善住區(qū)室外空氣質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用[6]。綠化植被，尤其是喬木，能有效降低大氣懸浮顆粒污染物濃度[7-8]。喬木的種類、冠幅大小和孔隙度、葉面積密度以及植物和建筑的距離都能影響顆粒物擴散[9]。近年來，大量研究通過實測、風(fēng)洞實驗或數(shù)值模擬等方法評估了不同植物對顆粒物的捕獲速率、沉積速度、空氣動力學(xué)與沉降作用等[10-12]，以探討植物對顆粒物污染的削減作用。

然而，當(dāng)前的研究結(jié)果大多為某一特定時間、特定空間的數(shù)據(jù)，其在時間和空間上是離散的，且相關(guān)研究忽略了居民活動規(guī)律與懸浮顆粒污染物濃度分布的關(guān)系。由于活動需求和偏好等因素的差異，城市空間中居民通常具有復(fù)雜的行為模式和時空分布特征[13-14]。居民活動分布方式與大氣懸浮顆粒污染物濃度分布在時空上的疊加作用可能導(dǎo)致暴露情況的復(fù)雜變化，因此忽略居民的行為模式可能導(dǎo)致無法準確評估真實環(huán)境中的居民暴露風(fēng)險。

基于此，本研究選取居住區(qū)室外開敞空間為研究對象，通過調(diào)查典型場地中的居民數(shù)量、位置和訪問時間，利用行為制圖結(jié)合Reynolds Averaged Navier-Stokes Model與Revised Drift Flux Model建立了居民分布特征和PM2.5、PM10濃度分布特征的時空映射，系統(tǒng)分析居民在場地中大氣懸浮顆粒污染物的暴露水平，旨在探明以下3個問題：1)居民在室外開敞空間中活動存在什么樣的行為規(guī)律？2)居民室外活動時暴露在怎樣的PM2.5、PM10濃度中？3)基于居民行為規(guī)律和PM2.5、PM10濃度時空分布特征，如何準確地評價居民的暴露風(fēng)險？

1 研究方法

1.1 實驗場地

選取陜西楊凌示范區(qū)恒大城小區(qū)的開敞空間為研究對象。該居住區(qū)占地面積約12hm2，為33層行列式高層住宅，綠化率為38%。其西側(cè)和北側(cè)是農(nóng)田，東側(cè)和南側(cè)為其他居住區(qū)，之間均有城市道路相隔。居住區(qū)的室外開敞空間被4組平行排列的塔樓劃分為3個綠化區(qū)域，每個區(qū)域均設(shè)有開敞的活動空間。

研究選取居民訪問數(shù)量最高的4個典型的室外開敞空間開展實測，包括1個大型活動場(B)，2個中型活動場(M1和M2)和1個小型活動場(S)(圖1)。實驗場地的選取遵循了全面覆蓋性的原則：1)4個場地的空間結(jié)構(gòu)、功能和占地面積均不相同，包含了小區(qū)室外開敞空間的典型特征；2)4個場地分別位于4行行列式塔樓之間的綠地中，與主導(dǎo)風(fēng)向下建筑迎風(fēng)面積大致形成梯度變化；3)4個場地的周邊區(qū)域包含了植被、水體、鋪裝場地和建筑等景觀要素，能較全面反映景觀要素對活動空間大氣懸浮顆粒污染物的影響特征。

圖1 場地及測點位置

1.2 實地監(jiān)測

1.2.1 居民行為監(jiān)測

研究選取2019年11月10─11日和15─16日共4d開展居民行為監(jiān)測(包括2d工作日和2d周末)。調(diào)查居民在室外開敞空間中的居民數(shù)量、訪問位置和時間。采用空間注記法統(tǒng)計場地中居民的位置及數(shù)量，利用代碼將居民的訪問時間、空間位置和行為類型標(biāo)記在一張按比例繪制的地圖上，以探討具體行為與場地在空間上的相互關(guān)系[15]。研究采用了非參與的行為觀察方法，實驗員通過手持GPS定位器記錄場地中居民的活動位置，并標(biāo)記在場地平面圖上，每20min記錄一次。實驗時間為每天的9：00─18：00?？紤]到在平面圖上直接記錄居民的動態(tài)活動可能出現(xiàn)較大的偏差，為了提升數(shù)據(jù)的可信度，同時也通過錄像機(SONY HDR-CX405)拍攝視頻留存，后期利用近景拍攝測量技術(shù)進行數(shù)據(jù)校對和分析，并提供圖像輔助說明。實驗期間在每個場地周圍的固定位置上各設(shè)置2～4臺錄像機，相機視角固定不變，無死角地覆蓋全場地。錄像機輸出視頻為MP4格式，25幀/s。

1.2.2 環(huán)境監(jiān)測

居民行為監(jiān)測的同時在每個活動場地中設(shè)置儀器記錄行人高度(1.5m)的風(fēng)速和風(fēng)向(Kestrel 5500，Nielsen-Kellerman Co.USA)，及PM2.5、PM10濃度(Aerocet 531S，Metone USA)。監(jiān)測點均固定設(shè)置在活動場地中部。另外在15號居民樓的屋頂上設(shè)置對照監(jiān)測點C，記錄來流風(fēng)速、風(fēng)向及PM濃度(圖1)。各點監(jiān)測同步進行，每1min記錄一次風(fēng)速和風(fēng)向，每5min記錄一次顆粒物濃度。實驗期間，對照監(jiān)測點C的主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)和西南風(fēng)，最大風(fēng)速達到4.3m/s；平均PM10在216.9和337.2μg/m3之間，PM2.5在87.1和120.8μg/m3之間。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 CFD模型

研究采用Reynolds Averaged Navier-Stokes Model與Revised Drift Flux Model三維穩(wěn)態(tài)等溫流場分別模擬湍流和顆粒物擴散。該模型基于標(biāo)準k-ε模型的修正模型，可準確地再現(xiàn)建筑物周圍的流場。所有控制方程均采用SIMPLE算法和QUICK差分格式。模擬中所有參數(shù)的迭代收斂標(biāo)準設(shè)置為10-6。模擬計算在i7 2.67 GHz處理器上使用PHOENICS計算求解。

1.3.2 模型設(shè)置

通過對室外開敞空間中的植被、建筑、水體和下墊面鋪裝等空間景觀類型的進行參數(shù)化建模(圖2)。入口邊界設(shè)置為梯度風(fēng)，出口邊界設(shè)置零梯度的固定壓力，地面邊界設(shè)置恒定的粗糙度，頂邊界設(shè)置恒定的水平速度和湍流動能，將平行于來流風(fēng)向的對稱邊界設(shè)置為無梯度滑移壁面。

圖2 計算域(2-1)及模型細節(jié)(2-2)

入口邊界的來流風(fēng)為梯度風(fēng)，計算公式如下：

式中，u(z)為在高度z處的水平速度；u0為在高度z0處的水平速度。在該模型中，u0=3.1m/s，z0=99.0m，α=0.25[16]。

湍流動能k(m2/s2)及其耗散率ε(m2/s3)設(shè)置為：

式中，u＊為摩擦速率；δ為邊界層的深度；K為von Karman常數(shù)。在該模型中，u＊=0.52m/s，K=0.4，Cμ=0.09[17]。

由于居住區(qū)內(nèi)部污染源較少，且該地區(qū)主要的大氣懸浮顆粒污染源主要來自大氣輸送[18]，在模擬中將污染源項添加到入口邊界，且假定添加到入口邊界的平均濃度恒定。

在湍流模型中，將植被的樹冠作為多孔介質(zhì)，枝干則近似于樹葉處理[19]。由于樹冠產(chǎn)生的拽力和壓力降低空氣流動的動能。因此，在模擬植被對紊流流場的影響時，考慮了基于動量方程的阻力。通過在動量方程中引入源項來表示植物冠層對湍流的阻力，用下式表示：

式中，Cd為阻力系數(shù)；LAD為垂直于流體方向的葉面積密度(m2/m3)；z為垂直空間坐標(biāo)，|U|為表面矢量速度(m/s)；ui為i方向上的表面笛卡爾速度(m/s)。葉面積指數(shù)(LAI)可以用LAD的積分值來表示，LAI定義如下：

式中，h為冠層平均高度。當(dāng)0≤z≤zm，校準常數(shù)n=6，當(dāng)zm≤z≤h，n=0.5；αm是α在垂直位置zm上的最大值。為了計算方便，假設(shè)葉面積密度在垂直方向上不變，并且可以通過樹冠高度和LAI計算獲得，如：

氣流和植被冠層之間的湍流相互作用，可以通過在動量方程中添加源項來表示：

式中，βp、βd、C4ε和C5ε為經(jīng)驗常數(shù)；βp為由樹冠的曳力產(chǎn)生的尾流平均動能；βd為Kolmogorov能量梯度的耗散動能。在本研究中，βp、βd以及閉合常數(shù)C4ε和C5ε分別是1.0、3.0、1.5和1.5[20-21]。

Revised Drift Flux Model模型考慮了顆粒與流體(空氣)相之間的滑移，是一種修正的歐拉模型。模型中，植被通過湍流擴散增強了顆粒沉積。植被吸收部分懸浮顆粒污染物，同時一些懸浮顆粒污染物也可能會從葉片上再次懸浮或被沖刷掉[22]。因此植物對顆粒物的空氣動力學(xué)和沉降作用通過添加項來表述(Ssink和Sresuspension)[23]。該模型表示為：

式中，Vj和Vslip,j分別為顆粒物在j方向上的平均流體(空氣)速度和沉降速度(m/s)；C為入口邊界顆粒濃度(μg/m3)；εp為湍流擴散率(m2/s)，可以簡化為1.0[23]；Sc為粒子源的形成速率(kg/m3s)；τp為粒子的弛豫時間；gj為j方向的重力加速度(m/s2)；∑Fj為作用在粒子上的合力(m/s2)；Smj為顆粒在j方向的動量源[kg/(m2s2)]；是空氣的分子運動黏度(Ns/m2)；Vpj和Vpi分別為j和i方向上的粒子速度(m/s)。Ssink為單位時間內(nèi)每立方米植被吸收的顆粒物濃度(μg/m3)；Sresuspension為單位時間內(nèi)每立方米植物形成的二次揚塵(μg/m3)；α為LAD(m2/m3)。

源項Ssink和Sresuspension，分別由下式表示：

式中，Vd為顆粒在葉片上的沉積速度(m/s)；Presuspension為再懸浮顆粒的百分比；v為風(fēng)速(m/s)。

1.3.3 模型驗證

研究使用3種網(wǎng)格劃分方式(粗網(wǎng)格：Xmin=Ymin=Zmin=0.01H；細網(wǎng)格：Xmin=Ymin=Zmin=0.005H；極細網(wǎng)格：Xmin=Ymin=Zmin= 0.002 5H)檢驗場地網(wǎng)格的收斂性[24]。由于場地建筑為南北向行列式排布，選用實驗期間來流風(fēng)向為45°下的顆粒物濃度(PM2.5=91.6μg/m3，PM10=300.9μg/m3)和風(fēng)速(1.0m/s)作為入口邊界參數(shù)進行模擬分析。沿場地的中間線(x=180m)，3種密度的網(wǎng)格呈現(xiàn)相似的顆粒物濃度和風(fēng)速變化趨勢(圖3)。粗網(wǎng)格和細網(wǎng)格之間的網(wǎng)格收斂指數(shù)為4.61%，細網(wǎng)格和極細網(wǎng)格之間的網(wǎng)格收斂指數(shù)為3.87%，都滿足計算要求(＜5%)[25]。極細網(wǎng)格精度最高，因此在隨后的模擬分析中選擇了極細網(wǎng)格進行模擬分析。

圖3 3種不同密度的網(wǎng)格中行Z=1.5m的PM10(3-1)、PM2.5(3-2)和風(fēng)速(3-3)的預(yù)測值

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，分別選擇實驗期間4個頻率最高的來流風(fēng)向下的PM2.5、PM10濃度以及風(fēng)速作為邊界參數(shù)進行模擬分析(表1)。各測點實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)較接近，R2均大于0.95。4種工況下各測點的模擬風(fēng)速與實測風(fēng)速的最大偏差不超過0.3m/s(圖4-1)。其他場地中幾乎不存在植物覆蓋的區(qū)域，模擬與實測數(shù)據(jù)接近。

表1 4個典型來流風(fēng)工況的模擬邊界參數(shù)

4種工況下多數(shù)測點的實測PM2.5和PM10濃度與模擬數(shù)據(jù)的最大偏差不超過20和30μg/m3，小于實測值的10%。僅工況3中的場地M1和工況4中場地B的實測值與模擬結(jié)果的偏差接近20%(圖4-2、4-3)。這是因為在這2個場地中大量的居民活動產(chǎn)生的湍流造成了場地中沉降顆粒物的二次揚塵，該效應(yīng)在低濃度的情況下更顯著[26]。此外，PM2.5的模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性強于PM10。由于在模擬過程中，研究假設(shè)顆粒隨氣流擴散，較大尺寸顆粒之間的摩擦和阻力較大，導(dǎo)致實測與模擬的PM10值差異略大[30]。

圖4 各場地中不同監(jiān)測點的風(fēng)速(4-1)、PM2.5(4-2)和PM10(4-3)的測量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果比較

2 結(jié)果與討論

2.1 居民室外場地中的時空分布規(guī)律

實驗期間居民在4個場地活動的有效訪問數(shù)量為4 977人次(其中，工作日為1 923人次，周末為3 054人次)。場地B的訪問數(shù)量最多，4d內(nèi)共計達到2 361人，其次是S點和M1點，分別是1 323人次和819人次，M2點訪問數(shù)量最少僅474人次。各場地中居民訪問數(shù)量均在早上9：00后持續(xù)增加，約在11：00達到峰值，隨后降低，又在13：20后開始增加。周末的訪問數(shù)量更多，變化規(guī)律與工作日基本相同。研究將場地中訪問數(shù)量高于平均值的時段作為居民暴露的高峰時段。全部場地中訪問數(shù)量高于平均值的時段約為10：30─12：30以及15：00─18：00。經(jīng)統(tǒng)計這高峰時段中居民訪問數(shù)量總計3 610人次，為全部人數(shù)的72.5%，是居民活動的主要時段。

各場地中居民訪問密度均呈明顯的不均勻分布，其中低密度網(wǎng)格(≤12)的數(shù)量遠高于高密度網(wǎng)格，約占總數(shù)的92.1%，而訪問次數(shù)僅占總數(shù)的18.7%(圖5-1)。表明多數(shù)居民偏好于集中訪問場地中某些固定范圍內(nèi)的空間。進一步用熱點分析的方法調(diào)查居民訪問的主要位置(圖5-2)。該方法通過比較每個網(wǎng)格與一定距離內(nèi)相鄰網(wǎng)格中的居民數(shù)量，來顯示具有更多居民的網(wǎng)格所在的位置[27]。結(jié)果表明，每個場地中分布了多個熱點，熱點范圍內(nèi)均存在基礎(chǔ)設(shè)施。經(jīng)統(tǒng)計居民數(shù)量占場地中總?cè)藬?shù)的79.7%，每個熱點網(wǎng)格平均每天被訪問12.86人次，非熱點網(wǎng)格僅0.55人次?？梢姛狳c區(qū)域是居民活動的主要位置。

圖5 場地中居民訪問位置的密度分析(5-1)和熱點分析(5-2)

2.2 PM2.5、PM10濃度的時空分布特征

大多數(shù)場地中平均顆粒物濃度在來傾斜風(fēng)向下達到最大值。場地B和M1的平均濃度在45°風(fēng)向下最高，M2在225°風(fēng)向下最高。由于居住區(qū)內(nèi)的建筑平行布置，當(dāng)來流風(fēng)向與建筑走向傾斜時，使垂直于建筑方向和平行方向上的氣流分量疊加形成了螺旋流動[28]。這種流態(tài)延長了懸浮顆粒物在場地中的運動軌跡和滯留時間，導(dǎo)致顆粒物在場地中的聚集。場地S的平均濃度則在接近垂直的風(fēng)向下(185°)達到了最大值，同時其他場地達到了最低值。由于場地S靠近場地的南側(cè)邊緣，其上風(fēng)位置沒有建筑遮蔽，高濃度的顆粒物可直接進入場地。而其他場地則位于建筑的背風(fēng)位置，建筑寬立面阻礙了氣流并在其背風(fēng)位置形成風(fēng)影區(qū)，氣流越過建筑頂部后形成了垂直渦流區(qū)，削弱了垂直方向的顆粒物通量[29]，同時植物冠層攔截渦流中向下的氣流中的懸浮顆粒物，導(dǎo)致行人高度的顆粒物濃度降低[30]。

不同場地中顆粒物的平均濃度也存在明顯差異?？拷^(qū)邊緣的場地B和S在大多數(shù)工況下暴露于高濃度中，位于小區(qū)中部的M1中的平均濃度在所有工況下均保持在較低水平。因為位于居住區(qū)中央位置在所有工況下均遠離上風(fēng)位置，植物冠層對懸浮顆粒物的沉積作用在順風(fēng)距離上的累積效果相比于上風(fēng)位置更強，同時建筑偏轉(zhuǎn)氣流形成的渦流阻礙了懸浮顆粒物向下風(fēng)處的擴散。因此將活動場地設(shè)置在靠近居住區(qū)中央位置可以避免其位于上風(fēng)處，從而降低居民的暴露風(fēng)險。

此外，場地中央普遍存在一個濃度較高的區(qū)域，面積更大的活動場地中該區(qū)域的面積更大。這是由于場地中央均為硬質(zhì)鋪裝，其表面的顆粒物沉積速率相比于周圍的綠地更低。同時其周邊圍合的植物冠層形成湍流，阻礙了懸浮顆粒物濃度向場地外的擴散，導(dǎo)致場地中央?yún)^(qū)域的顆粒物濃度較高(圖6)。

圖6 各場地在不同工況下的PM2.5濃度分布

2.3 居民暴露風(fēng)險評估

各場地中不同暴露位置上的PM10濃度差在22.5～110.1μg/m3之間。由于居民暴露位置集中在場地內(nèi)部的空曠區(qū)域，其間的顆粒物濃度分布相比于植物覆蓋區(qū)域更為均勻[29]，同時居民暴露位置僅占全場地面積的0.8%～10.3%，大部分場地中居民暴露位置均未與場地中濃度最高或最低區(qū)域重疊。

多數(shù)情況下居民暴露位置的平均濃度高于場地平均濃度。二者的PM10和PM2.5濃度差最大可達98.1和54.0μg/m3。這是由于居民訪問的主要位置靠近場地中央的空曠區(qū)域，相比于邊緣靠近綠地的位置懸浮顆粒物濃度更高。其他少數(shù)情形中，顆粒物從場地邊緣植物稀少的區(qū)域大量進入場地，這時邊緣位置上居民暴露于較高的濃度中，表明場地中的平均濃度不適用于評估居民暴露水平(圖7)。由于熱點位置是居民暴露的主要位置，研究中將熱點范圍內(nèi)的平均濃度作為評估居民暴露風(fēng)險的指標(biāo)。相比于場地平均濃度，該指標(biāo)更接近居民暴露水平的平均值(圖8)。各場地中居民暴露位置的平均PM10和PM2.5濃度和熱點范圍內(nèi)平均PM10和PM2.5濃度之間的線性回歸都顯示出相似的趨勢(R2＞0.99)。世界衛(wèi)生組織空氣質(zhì)量標(biāo)準(WHO AQGs)Interim Target-1(IT-1)的時均PM10和PM2.5濃度分別是150和75μg/m3，結(jié)果表明所有場地在不同工況下均存在超過WHO AQGs標(biāo)準的情況。

圖8 室外場地中居民暴露點平均濃度和熱點平均濃度的關(guān)系(8-1為PM10，8-2為PM2.5)

3 結(jié)論

本研究利用行為制圖分析了居住區(qū)室外4個典型活動場地中居民的活動規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬分析了場地中PM2.5、PM10的時空分布特征，通過建立居民活動規(guī)律和顆粒物分布時空映射，系統(tǒng)評估了居民室外活動的暴露風(fēng)險，并提出了居民室外暴露的評價指標(biāo)。結(jié)論如下。

1)該住區(qū)居民暴露于室外懸浮顆粒污染的高峰時段是10：30─12：30以及15：00─18：00；居民暴露的主要位置位于基礎(chǔ)設(shè)施附近的熱點區(qū)域。

2)傾斜風(fēng)向下，4個典型活動場地的PM2.5、PM10濃度更高。位于居住區(qū)邊緣的場地更容易暴露于較高的濃度中。鋪裝場地周圍環(huán)合的植物容易富集顆粒物，增加了場地內(nèi)顆粒物濃度。

3)居民暴露點的平均濃度在大多數(shù)情況下高于場地的平均濃度。熱點平均濃度與居民暴露點的平均濃度的擬合度較高(R2＞0.99)，可用于評估居住區(qū)居民室外開敞空間懸浮顆粒物的暴露情況。

注：文中圖片均由作者繪制。