何紅弟,盧丹妮,趙紅梅

(上海交通大學船舶與海洋建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室 智能交通與無人機研究中心,上海 200240)

近年來,隨著全球城市化進程的不斷深入,城市機動車保有量持續(xù)增加,這無疑加重了城市交通基礎設施供求的突出矛盾.為了緩解這一矛盾,很多城市在中心城區(qū)建設城市高架道路[1],如上海市建有內環(huán)高架、南北高架、延安路高架等,覆蓋了城市80%的核心區(qū)域;北京市建有三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)等多條高架環(huán)路,基本上包圍了城市的核心區(qū)域;日本的東京建有江戶橋、三宅坂等高架橋,覆蓋了東京都中心地區(qū)[2].

這些位于中心城區(qū)的高架道路在一定程度上緩解了城市的交通擁堵,但同時也加劇了城市的空氣污染.高架道路一方面抬高了交通污染源,另一方面其建成環(huán)境又阻礙了地面道路污染物的擴散.Zhi等[3]通過實測發(fā)現(xiàn),高架道路下方人行橫道上顆粒物的濃度比無高架道路時的情形高49%,凸顯了高架道路的“蓋子效應”.這些交通污染物在街道峽谷長時間的停留給行人的健康造成一定的危害.Liu等[4]發(fā)現(xiàn)城市的CO濃度每立方米增加1 mg,中國居民心血管疾病死亡率增加1.12%,冠心病死亡率增加1.75%.由此可見,與無高架道路相比,高架道路相關的交通污染嚴重影響了城市居民的身體健康.

本工作利用CiteSpaceⅤ軟件對關鍵詞“城市高架橋”和“交通污染”在Web of Science數(shù)據(jù)庫中進行挖掘分析,結果如圖1所示.由圖1(a)可以看出:高架道路交通污染在過去10年持續(xù)成為研究的熱點,且研究的方向主要集中在超細污染物、高架道路、計算流體力學、交通相關污染物、實地測量、顆粒污染物等;2013年前后研究熱點主要是污染物在高架道路的擴散,但2018年以后趨向于高架道路人群污染物的暴露及高架道路的優(yōu)化.此外,由圖1(b)可以發(fā)現(xiàn),研究的區(qū)域主要分布在中國、美國、意大利、日本、西班牙、英國等國家.尤其在中國,快速的城市化進程導致城市高架道路密集,由此產(chǎn)生的交通污染問題受到了廣泛關注.

圖1 基于CiteSpaceⅤ的城市高架街谷交通污染相關文獻分析Fig.1 Literature analysis of traffic pollution in street canyons with viaduct based on CiteSpaceⅤ

本工作首先從污染源出發(fā),分析了城市高架街谷的交通污染特征;然后,基于實測結果,歸納了高架街谷交通污染物的水平分布、垂直分布等特征,并討論了排放源、建成環(huán)境、氣象條件等因素對高架街谷污染物擴散的影響規(guī)律;最后,對高架街谷交通污染物的發(fā)展方向進行了總結和展望.

1 城市高架街谷的交通污染特征

1.1 交通排放源特征

圖2為城市高架街谷的雙排放源示意圖.可以看出,高架橋使街谷原本單一的地面排放源變成了地面和高架路組成的雙層交通排放源[5].在地面道路上,由于交叉口紅綠燈的存在,行駛車輛走走停停、頻繁的加速或減速,產(chǎn)生額外的交通排放.在高架道路上,車輛行駛的速度較快,交通流量偏大,也會產(chǎn)生大量的交通污染[6].Zhi等[3]通過計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法進行數(shù)值模擬,結果發(fā)現(xiàn):車輛在高架道路和地面道路具有不同的行駛特征,由此產(chǎn)生不同的交通排放;與地面道路相比較,高架道路上PM10、PM2.5和PM1.0的平均質量濃度分別高15%、10%和12%.

圖2 城市高架街谷的雙污染源示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual pollution sources in street canyons with viaduct

1.2 建成環(huán)境特征

圖3為機動車尾氣擴散示意圖.可以看出,高架街谷由于特殊的立體結構,通常會阻礙街道峽谷內污染物的擴散,導致高架橋下方長期聚集大量的污染物,造成了顯著的“蓋子效應”[7-14].Zhi等[3]通過實測發(fā)現(xiàn),與無高架道路相比,高架道路水平方向人行橫道上1.5 m處顆粒物的濃度增大了49%.李志遠[15]通過數(shù)值模擬仿真分析發(fā)現(xiàn),高架橋覆蓋的街道峽谷內

圖3 機動車尾氣擴散示意圖Fig.3 Schematic diagram of vehicle exhaust gas dispersion

可吸入顆粒物(PM2.5和PM10)的最大濃度約為無高架覆蓋的情況下的1.5倍.Hao等[16]通過數(shù)值模擬研究了高架道路、噪聲屏障等因素對城市街道峽谷中顆粒物擴散高度的影響,結果表明,高架道路的立體結構會導致污染物的長時間聚集.邱兆文等[17]采用實地監(jiān)測和數(shù)值模擬相結合的方法,分析了對稱型街道峽谷內高架橋沿線交通顆粒物的擴散機制,發(fā)現(xiàn)高架橋的存在會影響街道峽谷內的空氣流場,導致橋面顆粒物向橋下地面沉積,造成地面顆粒物濃度增大,“蓋子效應”明顯.

2 交通污染物的時空分布規(guī)律

2.1 水平分布規(guī)律

研究表明,與傳統(tǒng)的高速公路類似,高架街谷交通污染物水平方向呈現(xiàn)指數(shù)遞減特征,但擴散范圍明顯增大.Sharma等[18]通過對在高速公路交通排放顆粒物與氣態(tài)污染物進行觀測實驗,發(fā)現(xiàn)污染物的濃度在250 m處出現(xiàn)顯著的衰減特征.Zhu等[19-20]的實測研究表明,顆粒物數(shù)濃度在地面高速公路的迎風側呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律,且在300 m處的濃度與背景濃度趨同.Joerger等[21]對高架道路下風向地面的污染物進行了監(jiān)測,結果表明:在高峰和非高峰場景下超細顆粒物都出現(xiàn)了指數(shù)遞減的趨勢,且遞減距離達到500 m以內(見圖4).

圖4 高架路(Ⅰ-81號)垂直方向顆粒物的擴散[21]Fig.4 Dispersion of particulate matter along the distance away from viaduct(Ⅰ-81)[21]

隨著無人機等新技術的出現(xiàn),很多學者對高架道路上空的污染物分布進行了監(jiān)測.Cao等[22]利用無人機對高架道路同高度的污染物進行了監(jiān)測,結果表明:風向對顆粒物的遞減趨勢影響比較大,其中顆粒物數(shù)濃度在不同風向下遞減69%～289%,顆粒物質量濃度遞減7%～28%.Li等[23]利用無人機對高架道路臨街社區(qū)30 m的高空進行了監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)PM1.0沿高架道路出現(xiàn)明顯的遞減趨勢,遞減幅度達到44%.總體來說,交通污染物在高架道路水平方向普遍呈現(xiàn)指數(shù)遞減的規(guī)律,但由于高架道路抬高了污染源的位置,導致污染物在高架街谷水平方向擴散的范圍明顯增大.需要強調的是,高架道路污染物水平擴散的范圍與高架橋的建成環(huán)境、氣象、交通等因素密切相關[24].

2.2 垂直分布規(guī)律

傳統(tǒng)城市街谷的交通污染物在垂直方向上的分布呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢[25-27],而城市高架街谷交通污染物的垂直分布呈現(xiàn)雙峰分布的趨勢[5,28-30].圖5為高架路周邊街道峽谷內交通污染物的垂直分布特征.Tong等[9]通過實測證實:高架道路的存在抬高了污染源,使得污染物在與高架橋等高位置出現(xiàn)一個顯著的突增現(xiàn)象;與無高架道路相比,高架道路臨街建筑相同垂直高度上黑碳(black carbon,BC)的濃度增加了43%～54%.李志遠等[29]對上海市內環(huán)高架街谷不同高度的污染物進行了測量,實測結果表明:顆粒物濃度沿垂直方向逐步遞減;在與高架橋等高的位置,污染物濃度會出現(xiàn)一個顯著的突增現(xiàn)象.高雅[30]以上海市中環(huán)高架路邊的一座大廈為測量地點,對9個不同高度點上的PM2.5和CO濃度進行觀測,發(fā)現(xiàn)交通污染物濃度從地面開始衰減,但在高架橋聲屏障上方的位置出現(xiàn)了濃度的增加.Lu等[5]在上海市中心內環(huán)高架橋旁路邊建筑的不同樓層對交通排放物(PM1.0、CO和BC等)進行了測量,實測表明,城市高架街谷交通污染物垂直方向上呈現(xiàn)雙峰分布的趨勢,峰值出現(xiàn)在高架下方和噪聲屏障上方.

圖5 高架路周邊街道峽谷內交通污染物的垂直分布特征[5]Fig.5 Vertical distribution characteristics of traffic pollutants in street canyons with viaduct[5]

2.3 時間分布規(guī)律

高架街谷的“蓋子效應”阻止了污染物的擴散,導致交通排放污染物在高架街谷的滯留時間較長.張傳福等[10]利用CFD結合離散相模型,研究了高架街道峽谷內顆粒物的擴散,結果表明,高架路會阻礙顆粒物的運輸,且隨著街谷高度的增加,顆粒物在街道峽谷的停留時間延長.許曉秦[31]通過數(shù)值模擬對比分析了傳統(tǒng)街谷與高架街谷污染物的擴散過程,并研究了兩種場景下顆粒物的擴散(見圖6).高架的存在減弱了高架兩側的渦旋強度,同時高架上的顆粒物也會在逆時針渦旋的作用下被攜帶到街谷底部,導致其無法擴散而滯留.數(shù)值模擬結果顯示,高架街谷顆粒物滯留的時間是傳統(tǒng)街谷情況下的1.5倍[31].

圖6 有無高架橋及噪聲屏障的街道峽谷內顆粒物擴散[31]Fig.6 Particulate matter dispersion in street canyons with and without viaducts and noise barriers[31]

另外,高架街谷污染物的分布在不同的時間段會出現(xiàn)明顯的差異.Joerger等[21]研究發(fā)現(xiàn):在高架街谷水平方向上高峰時段污染物的濃度明顯大于平峰時段(見圖4);在距離高架街谷200～300 m的位置處,高峰時段的水平濃度呈現(xiàn)增大,交通污染物平峰時段呈現(xiàn)減少的趨勢.Lu等[5]研究發(fā)現(xiàn):在高峰和平峰時段,垂直方向上交通污染物的濃度都出現(xiàn)了雙峰分布,峰值在高架下方和聲屏障上方;在早高峰時段,垂直方向上交通污染物濃度的最大峰值在噪聲屏障上方,而晚高峰時段的垂直方向上的最大峰值出現(xiàn)在高架橋下方.

3 交通污染物的擴散規(guī)律

3.1 雙層交通排放源的影響

黃玉婷等[32]通過數(shù)值模擬分析了高架橋附近交通狀態(tài)對街谷PM2.5分布的影響,研究發(fā)現(xiàn):不同的交通狀態(tài)可以改變排放源的強度與湍流動能的大小,進而影響交通排放污染物PM2.5的產(chǎn)生與擴散過程.在交通暢通狀態(tài)下,機動車流行駛容易引起較大的湍流動能,導致交通污染物擴散范圍增大,街道峽谷的污染物濃度就偏小.在交通擁堵狀態(tài)下,機動車流引起的湍流動能變小,但機動車流的排放偏大,導致街道峽谷內PM2.5濃度水平整體高于交通暢通下的情形,且在不同空間區(qū)域內的變化達5.60%～47.13%.李政桐等[8]利用CFD方法研究了非均勻污染源、非均勻交通誘導作用對街谷污染物分布的影響.當車流潮汐現(xiàn)象發(fā)生在地面道路時,高架橋對高架下方空間流場的改變對污染物分布的不均勻性造成影響.由此可見,不同的交通狀態(tài)產(chǎn)生的不同排放強度的污染物和不同行駛狀態(tài)引起的湍流,共同影響了交通排放物從尾氣管到路邊的擴散過程和高架街谷污染物的空間分布.

3.2 高架街谷建成環(huán)境的影響

高架街谷建成環(huán)境相對來說比較復雜,既包括街谷兩邊的建筑群,也包括高架道路的形態(tài).這些建成環(huán)境的改變都會影響高架街谷空氣空間的渦旋結構和渦旋方向(見圖7),進而影響交通污染物在高架街谷的擴散.高架街谷兩邊一般高樓林立,其幾何結構直接影響著交通污染物的對外擴散[33].張傳福等[10]通過數(shù)值模擬研究了3種高寬比較小的淺街道峽谷對谷內污染物的影響,結果表明:高寬比越大,街谷的污染物濃度越高,同時污染物在街谷平均滯留的時間越長.Hang等[34]通過數(shù)值模擬研究了深街道峽谷的情形,結果發(fā)現(xiàn):由于周圍建筑物的阻礙導致通風不暢,深街道峽谷中污染物的濃度普遍高于淺街道峽谷;在高寬比為5的深街道峽谷中,污染物的濃度是高寬比為1～2淺街道峽谷情況下的10～20倍.Ding等[35]通過風洞試驗和數(shù)值模擬研究了對稱高架街谷兩邊屋頂?shù)钠露葘止任廴疚飻U散的影響,結果發(fā)現(xiàn):當高架街谷兩邊建筑的屋頂是平頂時,街谷的流場出現(xiàn)一個較大的渦流;而當屋頂是斜頂時,高架街谷則出現(xiàn)兩個較小的渦流;與平頂?shù)那樾蜗啾容^,斜頂特征的高架街谷更有利于污染物擴散.

圖7 有無高架橋及噪聲屏障的街道峽谷內空氣流場[31]Fig.7 Air flow field in the street canyon with and without viaducts and noise barriers[31]

高架路的幾何特征對于街谷內污染物的擴散有著重要的影響[14].朱楚雄等[36]通過仿真分析發(fā)現(xiàn):當高架橋的高度與建筑物高度相同時,高架橋下方的污染物質量濃度最大;而當高架橋高于建筑物高度時,其對峽谷內的空氣流動和污染物擴散的影響基本可以忽略;高架橋的寬度有利于保護其上方的背風面建筑物的污染.張穎慧[33]研究發(fā)現(xiàn):同一街谷內高架寬度的增加對顆粒物擴散的阻礙作用增強,顆粒物在街谷底部濃度越大;在街道峽谷寬度不變的情況下,高架路中間空隙的增加不利于背風面顆粒物的擴散,但能有效減少迎風面顆粒物的積聚.Hang等[37]通過風洞試驗研究了高架道路形態(tài)對污染物空間分布的影響,結果發(fā)現(xiàn),高架道路的存在會抑制地面道路污染物的擴散,并且高架道路的高度、寬度分別與地面污染物濃度成反比、正比.

高架橋的噪聲屏障對污染物的擴散也有影響.Hang等[34,38]通過CFD仿真的方法,發(fā)現(xiàn)噪聲墻可阻礙高架橋上方的空氣流動,導致氣態(tài)污染物濃度略微升高.許曉秦[31]對設置噪聲墻的高架街谷進行CFD仿真,發(fā)現(xiàn)當高架存在噪聲墻時,高架街谷顆粒物濃度的分布是不均勻的.Su等[39]對帶有噪聲屏障的街道峽谷內的流場和污染物濃度場進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)與無隔聲屏障相比,隔聲屏障的存在物理阻隔了污染物擴散路徑,提高了街道峽谷內污染物濃度的峰值,其中行人高度處背風面污染物濃度升高27.51%～28.72%,迎風面升高11.64%～19.99%.綜上可知,噪聲屏障的存在可以緩解高架橋上方的空氣污染,但是會增加高架橋下方的污染物濃度.

3.3 氣象因素的影響

高架街谷污染物擴散的主要外部因素是街谷建筑頂部環(huán)境風的驅動,其方向和速度直接影響街谷污染物的擴散過程.圖8為垂直和平行風向下城市高架街谷內流場的流線圖和速度分布.當來流風向平行于高架橋方向時,高架街谷污染物容易擴散,其濃度較低;當來流風向垂直于高架橋方向時,高架橋的阻擋改變了主干道背風面污染物的爬墻效應,其下方主干道迎風面和背風面污染物都不易擴散,導致污染物濃度較高.秦成君[40]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),當來流風向平行于高架橋方向時,來流受高架橋上下引橋的阻擋,在引橋下方收縮形成低風速渦旋,造成污染物聚積.He等[41]通過CFD模擬了來流風向垂直高架街谷的情形,發(fā)現(xiàn)街谷背風側污染物濃度為迎風側的1～3倍.張穎慧[33]通過仿真發(fā)現(xiàn),高架街谷背風面顆粒物濃度為迎風面的1.0～3.4倍.Brixey等[42]借助風洞試驗與CFD仿真相結合的方法,研究了高架街谷內交通排放污染物擴散的過程,發(fā)現(xiàn)沿迎風側建筑物向下、逆風側建筑物向上的氣流運動更有助于街道峽谷內的空氣循環(huán)流動,可以加快交通排放污染物在街道峽谷內的擴散過程,從而有效減少污染物在此建成環(huán)境下的停留時間.邱兆文等[17]采用實地監(jiān)測和數(shù)值模擬相結合的方法,分析了街道峽谷內高架橋沿線交通顆粒物的擴散機制,發(fā)現(xiàn)背風側污染物的濃度約是迎風側的2倍.總體來說,與垂直風向相比較,高架街谷的平行風向更利于街谷污染物的擴散[40],垂直風向下高架街谷背風側污染物濃度是迎風側的1～3倍.

圖8 垂直和平行風向下城市高架街谷內流場的流線圖及速度分布[32]Fig.8 Streamline diagram and velocity distribution of the flow field in street canyons with viaduct with vertical and parallel winds[32]

在恒定的風向下,風速對街谷污染物的影響是顯而易見的.風速越大,高架街谷的污染物越容易擴散[43].但隨著風速的增加,背風側積聚的顆粒物逐漸擴散.Hang等[43]通過CFD模擬對比分析了不同風速下污染物的分布情況,結果發(fā)現(xiàn):當垂直方向的風速大于2.0 m/s時,高架街谷容易出現(xiàn)順時針的渦流結構,導致背風側的污染物濃度較高;當垂直方向的風速小于0.5 m/s時,高架街谷容易出現(xiàn)逆時針的渦流結構,導致迎風側的污染物濃度較高.Cai等[44]通過實測和仿真分析研究了高架道路上污染物的擴散情況,發(fā)現(xiàn)風速越高,高架路面上PM2.5擴散越快,其濃度越低.

除了環(huán)境風的影響外,高架街谷的溫度對污染物也有重要的影響.Hang等[34,38]借助CFD仿真的方法,研究了地表溫度對街道峽谷內氣態(tài)污染物與顆粒物的擴散影響,結果發(fā)現(xiàn),高架和地面道路的地表溫度可以增強街道峽谷內的空氣流動循環(huán)過程,從而降低氣態(tài)污染物與細顆粒物濃度值.許曉秦[31]通過數(shù)值模擬研究了太陽輻射對街道峽谷內的污染物的影響,結果如圖9所示.由圖9可以發(fā)現(xiàn),太陽輻射的增強會影響地表溫度的升高,導致街谷風場主渦旋和次渦旋的中心向上偏移,進而加速街谷污染物的擴散過程.由此可見,地面溫度的升高可以促進高架街谷內的空氣流動,改變高架街谷的空氣流場,有利于高架街谷內污染物的擴散.

圖9 高架街谷中高架表面溫度不同時的空氣流場[31]Fig.9 Air flow field in street canyons with viaduct under varied viaduct surface temperatures[31]

4 總結與展望

4.1 總結

(1)城市高架街谷的交通污染呈現(xiàn)顯著的“蓋子效應”.相比于傳統(tǒng)的城市街谷的單交通污染排放源,城市高架街谷呈現(xiàn)出地面道路和高架道路雙層交通污染排放源特征.大量實測結果顯示,高架道路對交通污染源有抬升作用,影響了交通污染物在街谷的分布規(guī)律.此外,高架道路阻礙了城市街谷內交通污染物的擴散,導致大量交通污染物聚集在城市街谷內,形成顯著的“蓋子效應”.

(2)高架道路和地面道路的雙層交通污染排放源決定著高架街谷交通污染物的時空分布規(guī)律.與無高架的街谷相比,高架街谷污染物在道路兩側也呈現(xiàn)指數(shù)遞減,但遞減距離可達500 m,遠高于無高架街谷情況下的250 m.在垂直分布方向上,高架街谷污染物呈現(xiàn)雙峰的分布,雙峰的峰值往往出現(xiàn)在高架下方和噪聲屏障上方,并與不同時段(早晚高峰與平峰)的交通流量密切相關.

(3)交通、立體建成環(huán)境以及微環(huán)境氣象等因素影響高架街谷交通污染物的擴散.關于交通因素,地面道路交通排放的增加會導致街谷污染物的聚集,高架道路交通排放的增加會影響街谷污染物的水平分布和垂直分布.關于立體建成環(huán)境因素,高架街谷的高寬比越高,街谷的污染物濃度越低,高架橋的噪聲屏障影響污染物的垂直分布,導致污染物在噪聲屏障上方聚集.關于微環(huán)境氣象因素,高架街谷的高風速、迎風面和平行風等環(huán)境有利于交通污染物的擴散,高架和地面道路的地表溫度的升高可增強街道峽谷內的空氣流動循環(huán)過程,從而降低污染物濃度值.

4.2 展望

隨著全球城市化進程的進一步深入,城市高架交通污染問題將成為未來研究的熱點.通過上述的綜述,我們認為未來的研究趨勢將集中在以下3方面.

(1)城市高架街谷室內外污染物的相互擴散.城市臨街小區(qū)與城市高架街谷緊密相連,污染物在二者之間的擴散非常頻繁.因此,交通污染物在高架街谷與臨街建筑內之間的相互擴散機制以及自然通風、機械通風等方式對相互擴散的影響規(guī)律都亟需研究.

(2)城市高架街谷的建成環(huán)境.文獻調研發(fā)現(xiàn),城市高架街谷建成環(huán)境決定著街谷污染物的擴散規(guī)律.因此,建成環(huán)境包括街谷的高寬比、高架的高寬比、高架橋的噪聲屏障、高架周圍的植被等對城市高架街谷交通污染物的擴散的影響亟需理清.高架街谷建成環(huán)境的優(yōu)化和未來規(guī)劃將是研究的方向之一.

(3)城市高架街谷污染物的擴散機理.越來越多的實測研究發(fā)現(xiàn),污染物之間耦合的動力學特征(如氣溶膠凝結、凝聚等)、污染物不同氣象環(huán)境下的化學反應等對研究污染物的擴散機理尤為關鍵.因此,這些方面將是未來的研究趨勢之一.此外,不同于現(xiàn)有的微觀時間尺度的擴散模擬,城市高架路網(wǎng)交通排放物在城市大尺度的擴散機理,也將是未來的研究趨勢.