王友君，亢燕銘，陳勇航

（1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

建筑和綠化對(duì)街谷空氣污染物擴(kuò)散的影響

王友君1，2，亢燕銘2，陳勇航2

（1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

在靜風(fēng)條件下，對(duì)上海松江區(qū)典型的對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)街谷內(nèi)CO2和CO的濃度和PM1.0進(jìn)行了連續(xù)實(shí)測(cè).引入街谷約束物（建筑或綠化）高度與約束物距機(jī)動(dòng)車(chē)道中心距離之比，即高遠(yuǎn)比（H／D），表征該約束物對(duì)街谷空氣污染物擴(kuò)散的阻礙作用.研究結(jié)果表明：背景風(fēng)速低于0.5m／s時(shí)，綠化和建筑對(duì)污染物擴(kuò)散稀釋的影響同樣重要；污染物濃度的擴(kuò)散衰減特性與街谷高遠(yuǎn)比和污染物種類(lèi)有關(guān)；高遠(yuǎn)比越大，越不利于空氣污染物擴(kuò)散；自街谷機(jī)動(dòng)車(chē)道中心到人行道，PM1.0衰減程度大于氣態(tài)污染物.

街谷；綠化；空氣污染物；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；擴(kuò)散

城市道路與兩側(cè)建筑物及綠化帶約束所形成的一條相對(duì)狹窄的區(qū)域，習(xí)慣上稱(chēng)之為街道峽谷（街谷）.城市居民室外生活時(shí)間大部分在街道微環(huán)境中度過(guò)［1］，而道路上車(chē)輛排放是街谷中空氣污染的主要來(lái)源［2］，并對(duì)人體健康構(gòu)成威脅［3］.因此，街谷內(nèi)空氣污染物的擴(kuò)散問(wèn)題受到很多研究者的關(guān)注［4］.雖然已有不少學(xué)者利用數(shù)值模擬研究街谷污染物擴(kuò)散的結(jié)果［5－6］，但多數(shù)研究缺少現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支持［7］.文獻(xiàn)［8］假設(shè)街谷無(wú)限長(zhǎng)，并默認(rèn)兩側(cè)建筑與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離相等，提出用高寬比的概念表征二維街谷流場(chǎng)的特征.但是，現(xiàn)實(shí)街谷兩側(cè)建筑物到機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離在很多情況下并不相等，污染物濃度在很短距離內(nèi)也可能差異很大［9］，而且綠化帶本身也會(huì)對(duì)污染物擴(kuò)散產(chǎn)生影響［10－11］.很少有文獻(xiàn)在考慮建筑及路邊綠化帶構(gòu)成的街谷約束物與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心距離不等的基礎(chǔ)上，研究實(shí)際三維街谷的局部約束特征對(duì)交通污染物擴(kuò)散的影響規(guī)律.本文擬選擇上海市松江區(qū)西林北路和文誠(chéng)路上的代表性路段作為實(shí)測(cè)點(diǎn)，以溫度、相對(duì)濕度、PM1.0、CO2和CO濃度為監(jiān)測(cè)參數(shù)，分析建筑高度、綠化帶及其與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離等因素對(duì)街谷內(nèi)空氣污染物擴(kuò)散衰減的影響.

1 實(shí)測(cè)準(zhǔn)備

1.1 被測(cè)街谷與監(jiān)測(cè)位置

西林北路和文誠(chéng)路位于上海市松江區(qū)，前者為南北向主干道，全長(zhǎng)約1 500m，兩側(cè)建筑基本等高，可視為對(duì)稱(chēng)街谷；后者為東西向，全長(zhǎng)約1 200m，大部分路段街道兩側(cè)建筑高度相差較大，可視為不對(duì)稱(chēng)街谷.街道兩側(cè)基本為住宅小區(qū)和沿街商用建筑.被測(cè)街道和測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖1所示.根據(jù)兩側(cè)建筑高度、布置形式及綠化疏密情況，針對(duì)上述被測(cè)街谷各選擇4處監(jiān)測(cè)位置.每一監(jiān)測(cè)位置設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)位于機(jī)動(dòng)車(chē)道中心，另一個(gè)位于人行道邊靠建筑一側(cè)（街邊），監(jiān)測(cè)儀器距地面高度約1.2m，如圖1（b）所示.西林北路4處監(jiān)測(cè)位置（A，B，C，D）均位于路東側(cè)，其中C點(diǎn)設(shè)在開(kāi)闊的城市綠地處，可作為局地?cái)U(kuò)散情況對(duì)比點(diǎn).文誠(chéng)路上4處監(jiān)測(cè)位置中，E和F點(diǎn)位于路南側(cè)，G和H點(diǎn)位于路北側(cè).各監(jiān)測(cè)位置處的約束物（即綠化帶和沿街建筑物）的幾何特征如表1所示.

表1 被測(cè)街谷的幾何特征Table 1 Geometrical features of the test street canyons

1.2 監(jiān)測(cè)條件的選取

為減少氣象條件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，監(jiān)測(cè)選擇晴到多云（云量少于40%）天氣，背景風(fēng)速小于0.5m／s，風(fēng)向基本平行于街谷，且不穩(wěn)定度較高的時(shí)段進(jìn)行.實(shí)測(cè)過(guò)程分別于2010年3月和7月的工作日進(jìn)行，每日監(jiān)測(cè)時(shí)間為9：00～17：00.取滿足以上氣象條件的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，經(jīng)人工計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，被測(cè)街谷車(chē)流量和車(chē)型比例相近，平均車(chē)流量約為（450±50）輛／h，小型車(chē)比例大于85%.

1.3 測(cè)量參數(shù)與測(cè)量?jī)x器

由于細(xì)粒子對(duì)人體健康影響較大，本文對(duì)顆粒物的監(jiān)測(cè)以PM1.0為代表參數(shù)；氣態(tài)污染物則以CO2和CO為標(biāo)志物.同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)局地環(huán)境空氣溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量記錄.

PM1.0的測(cè)量采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的粉塵監(jiān)測(cè)儀 SidePak AM510型，測(cè)量范圍為0.001～20mg／m3，最小分辨率為0.001mg／m3.CO2和CO質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的Q－Trak 7565型.其中CO2的測(cè)量范圍為0～9 821mg／m3，誤差為±3.0%，分辨率為1.964mg／m3；CO的測(cè)量范圍為0～625mg／m3，誤差為±3.0%，分辨率為0.125mg／m3.此外，利用 Q－Trak 7565同時(shí)記錄被測(cè)點(diǎn)處的空氣溫度和相對(duì)濕度.上述儀器使用前均經(jīng)儀器供應(yīng)商標(biāo)定或校準(zhǔn).背景CO2和CO質(zhì)量濃度在東華大學(xué)松江校區(qū)湖心島北監(jiān)測(cè)，取48h連續(xù)測(cè)量的平均值.

1.4 監(jiān)測(cè)方法

為比較同一監(jiān)測(cè)位置（剖面）上2個(gè)測(cè)點(diǎn)處污染物質(zhì)量濃度的相對(duì)大小和衰減特點(diǎn)，本文引入衰減因子f，以分析街谷兩側(cè)約束物（建筑或綠化）對(duì)污染物擴(kuò)散的約束和阻滯作用的強(qiáng)弱，其計(jì)算式如式（1）所示.

2 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)稱(chēng)街谷

靜風(fēng)和近似靜風(fēng)條件下，西林北路4處監(jiān)測(cè)位置的溫度、濕度、污染物質(zhì)量濃度及衰減因子f的變化情況如圖2所示.由圖2（a）和2（b）可以看出，4個(gè)位置機(jī)動(dòng)車(chē)道中心處的溫度、相對(duì)濕度（RH）相差不大，平均值分別為16.8℃和44.0%；街邊處的平均值分別為14.1℃和54.0%.監(jiān)測(cè)期間，背景CO2和CO平均質(zhì)量濃度分別為879和2.01mg／m3.由圖2（c）～2（e）可以看出，有效時(shí)段內(nèi)，機(jī)動(dòng)車(chē)道中心測(cè)量點(diǎn)的CO2和CO質(zhì)量濃度雖均有波動(dòng)，但變化不大，平均值分別為1 462 和2.86mg／m3，PM1.0均值為0.060mg／m3；人行道外測(cè)量點(diǎn)3種污染物質(zhì)量濃度的均值分別為1 401，2.54和0.047 mg／m3.由于C點(diǎn)位置處在城市綠地段，擴(kuò)散條件較好，所以C點(diǎn)位置污染物濃度最低.

由圖2（f）可以看出，在垂直于街谷的方向上，綠化帶的約束作用對(duì)溫、濕度的變化和污染物擴(kuò)散的影響比較明顯.溫度和3個(gè)污染物參數(shù)的衰減程度隨約束特征變化的規(guī)律大體一致.如A點(diǎn)處建筑物高度僅為14m，但是街邊與建筑之間有楊樹(shù)（20m）和法國(guó)冬青（2m）組成的綠化屏障，溫度和污染物的f值相對(duì)最高，即擴(kuò)散與稀釋程度最弱.B和D點(diǎn)處建筑高19m，但街邊與建筑物之間無(wú)綠化，所以溫度和污染物的f值較A點(diǎn)處略小，即此段內(nèi)污染物擴(kuò)散優(yōu)于A點(diǎn)處.而C處無(wú)建筑，綠化主要為大面積草坪，所以除CO的f值較高外，溫度、CO2和PM1.0的f值均較小，即衰減程度最強(qiáng).因此，綠化帶實(shí)際上對(duì)污染物擴(kuò)散進(jìn)行了約束，減少了污染物向兩側(cè)建筑物的擴(kuò)散.此外，街谷內(nèi)不同種類(lèi)污染物衰減規(guī)律不同.就本文的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，PM1.0的f值小于氣態(tài)污染物；氣態(tài)污染物中，CO的f值小于CO2.

2.2 不對(duì)稱(chēng)街谷

圖3給出了靜風(fēng)條件下文誠(chéng)路4處監(jiān)測(cè)位置的溫度、相對(duì)濕度、污染物質(zhì)量濃度及f值的變化情況.圖3（a）和3（b）表明，4個(gè)監(jiān)測(cè)位置機(jī)動(dòng)車(chē)道中心處的溫度、相對(duì)濕度的平均值分別為33.5℃和72.9%；街邊的平均值分別為32.6℃和72.6%.即路中和路邊溫度、相對(duì)濕度基本沒(méi)有明顯變化.背景CO2和CO在監(jiān)測(cè)期間的平均質(zhì)量濃度分別為923和2.2mg／m3.圖3（c）～3（e）給出了4個(gè)監(jiān)測(cè)位置處污染物質(zhì)量濃度變化和平均值情況.其中，全路段機(jī)動(dòng)車(chē)道中心處CO2，CO和PM1.0的平均質(zhì)量濃度分別為1 455，3.36和0.197mg／m3，街邊的平均質(zhì)量濃度分別為1 371，3.14和0.171mg／m3.圖3（f）反映了不對(duì)稱(chēng)街谷的建筑高度或綠化及其與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離對(duì)溫、濕度變化和污染物擴(kuò)散稀釋的影響.建筑高度變化顯著時(shí)，如從E點(diǎn)處建筑高40m變化到F點(diǎn)處建筑高10m時(shí)，溫、濕度和污染物的f值均明顯降低.建筑與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心距離變化顯著時(shí)，亦有相似規(guī)律.如從G處建筑與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心距離的25m變化到H點(diǎn)處的約40m時(shí)，相對(duì)濕度、CO2和PM1.0的f值均降低.需要說(shuō)明的是，H點(diǎn)處路邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地下車(chē)庫(kù)出口距離較近（約10m），故溫度和CO的f值略高，但不影響總體衰減規(guī)律.

圖3 文誠(chéng)路（不對(duì)稱(chēng)街谷）4個(gè)路段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Test data on four locations of Wencheng Road（unsymmetrical street canyon）

一般情況下，對(duì)于這種不對(duì)稱(chēng)街谷，污染物通常容易在建筑物高度較低的一側(cè)擴(kuò)散和稀釋?zhuān)珡谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，不對(duì)稱(chēng)街谷的污染物擴(kuò)散亦明顯受街邊濃密綠化帶高度的影響.如文誠(chéng)路西段北側(cè)G點(diǎn)處沿街建筑高約25m，與之相對(duì)的街道南側(cè)的F點(diǎn)處建筑高15m，但因F點(diǎn)處建筑與街道間有雪松（15m）和法國(guó)冬青（2m）組成的綠化帶，從而使得F點(diǎn)處溫度、CO2和CO質(zhì)量濃度的衰減程度反而低于G點(diǎn)處.文誠(chéng)路東段南側(cè)E點(diǎn)處建筑高約40m，與街道間也有雪松（15m）和法國(guó)冬青（2m）組成的綠化帶；與之相對(duì)的北側(cè)H點(diǎn)處建筑高19m，無(wú)高大綠化帶.從綠化和建筑的角度考慮，E點(diǎn)處比H點(diǎn)處不利于污染物擴(kuò)散，所以E點(diǎn)處相對(duì)濕度、CO2和PM1.0的f值均大于H點(diǎn)處.即便H點(diǎn)處污染物質(zhì)量濃度有時(shí)還會(huì)受地下車(chē)庫(kù)排放的污染物的影響，也只有溫度和CO質(zhì)量濃度略微偏高.

就建筑物與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離來(lái)看，由于文誠(chéng)路綠化帶主要設(shè)置于路南側(cè)，F(xiàn)點(diǎn)和E點(diǎn)處的建筑物實(shí)際上離街道中心距離相對(duì)較遠(yuǎn)，這進(jìn)一步也表明了即使在不對(duì)稱(chēng)街谷，綠化帶對(duì)污染物的擴(kuò)散也起到了約束作用.

總體而言，不對(duì)稱(chēng)街谷內(nèi)污染物質(zhì)量濃度變化規(guī)律比對(duì)稱(chēng)街谷更復(fù)雜.約束物（建筑或綠化）越高，距離機(jī)動(dòng)車(chē)道中心越近，約束作用越強(qiáng)，越不利于交通污染物擴(kuò)散衰減.綠化屏障對(duì)交通污染物擴(kuò)散和稀釋的影響可能與兩側(cè)建筑物同樣重要.

3 街谷約束特性的表征

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，街道兩側(cè)的綠化帶或建筑物越高，并且與機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離越近，越不利于污染物擴(kuò)散.因此，定義高遠(yuǎn)比H／D，即約束物高度H與約束物距機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離D之比，以表征約束物對(duì)污染物擴(kuò)散的阻礙作用.若約束物既有建筑又有綠化，則街谷約束物的有效高遠(yuǎn)比H／DT等于單體約束物高遠(yuǎn)比Hi／Di中的最大值，即

以約束特征比較規(guī)則的西林北路東側(cè)和文誠(chéng)路北側(cè)監(jiān)測(cè)位置為例，根據(jù)表1和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表2給出了靜風(fēng)條件下6處街谷監(jiān)測(cè)位置的Hi／Di和H／DT及相應(yīng)的f值.由表2可以看出，H／DT值越大，f值也越大.對(duì)于6個(gè)監(jiān)測(cè)位置，H／DT從大到小的順序?yàn)镋，A，B，D，F(xiàn)，C，而f值大致也遵循這一順序.

表2 監(jiān)測(cè)街谷的高遠(yuǎn)比及對(duì)應(yīng)的污染物衰減因子Table 2 Ratios of street canyon height to center distance and the relative pollutants decay indexs

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選取上海松江區(qū)兩條典型的對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)街谷，在近似靜風(fēng)的氣象條件下，以溫度、相對(duì)濕度、CO2和CO質(zhì)量濃度及PM1.0作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行連續(xù)多日測(cè)量，分析了街谷約束特征（建筑及綠化特點(diǎn)）對(duì)溫、濕度變化和污染物橫向擴(kuò)散衰減的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明，街谷側(cè)面約束物（綠化和建筑）對(duì)交通污染物的擴(kuò)散衰減特性有重要影響，街谷約束特征由建筑幾何結(jié)構(gòu)和高度、建筑物距機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離、綠化幾何特征（由植物種類(lèi)和布置形式）、綠化帶到機(jī)動(dòng)車(chē)道中心的距離等因素組成.所選3種污染物衰減程度隨街谷約束特征變化的規(guī)律基本一致.因此，可用約束物高遠(yuǎn)比H／D表征或輔助表征約束物對(duì)街谷內(nèi)交通污染物擴(kuò)散的影響程度.

參 考 文 獻(xiàn)

［1］KAUR S，NIEUWENHUIJSENB M J，COLVILE R N.Fine particulate matter and carbon monoxide exposure concentrations in urban street transport microenvironment ［J］. Atmospheric Environment，2007，41（23）：4781－4810.

［2］COLVILE R N，HUTCHINSON E J，MINDELL J S，et al.The transport sector as a source of air pollution ［J］.Atmospheric Environment，2001，35（9）：1537－1565.

［3］NYBERG F，GUSTAVSSON P，J?RUP L，et al.Urban air pollution and lung cancer in Stockholm ［J］.Epidemiology，2000，11（5）：487－495.

［4］OLGA V T，MIKHAILUTA S V，PITT A，et al.Air pollution dispersion within urban street canyons ［J］.Atmospheric Environment，2009，43（2）：245－252.

［5］LI X，LIU C，DENNIS Y C L.Numerical investigation of pollutant transport characteristics inside deep urban street canyons ［J］.Atmospheric Environment，2009，43（15）：2410－2418.

［6］XIE X，HUANG Z，WANG J，et al.Thermal effects on vehicle emission dispersion in an urban street canyon ［J］.Transportation Research Part D：Transport and Environment，2005，10（3）：197－212.

［7］NIACHOU K，LIVADA I，SANTAMOURIS M.Experimental study of temperature and airflow distribution inside an urban street canyon during hot summer weather conditions：Part I：Air and surface temperatures ［J］.Building and Environment，2008，43（8）：1383－1392.

［8］OKE T R.Street design and urban canopy layer climate［J］.Energy and Buildings，1988，11（1／2／3）：103－113.

［9］TOMLIN A S，SMALLEY R J，TATE J E，et al.A field study of factors influencing the concentrations of a trafficrelated pollutant in the vicinity of a complex urban junction［J］.Atmospheric Environment，2009，43（32）：5027－5037.

［10］GROMKE C，RUCK B.Influence of trees on the dispersion of pollutants in an urban street canyon：Experimental investigation of the flow and concentration field ［J］.Atmospheric Environment，2007，41（16）：3287－3302.

［11］BUCCOLIERI R，GROMKE C，DI SABATINO S，et al.Aerodynamic effects of trees on pollutant concentration in street canyons［J］.Science of the Total Environment，2009，407（19）：5247－5256.

Influence of Buildings and Tree Planting on Air Pollutants Diffusion in Street Canyon

WANGYou－jun1，2，KANGYan－ming2，CHENYong－h(huán)ang2
（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

CO2and CO concentrations and PM1.0are continuously monitored in typical symmetry and asymmetry street canyons in Songjiang，Shanghai under static ambient conditions，respectively.Ratio of the height of street canyon restrictive objects（buildings or tree planting）to the distance of them apart from the center of motor vehicles driveways，H／D，is introduced to denote the block effect on air pollutants diffusion.The research result indicates that when the ambient wind speed is less than0.5 m／s，tree planting is as important as buildings on the effect of blocking air pollutants diffusion.And diffusion and reduction characteristics of the concentrations depend on the ratios of street canyon and pollutant species.The higher theH／D，the stronger the disadvantage of diffusion is.The gradient for PM1.0reduction is greater than the cases of gaseous pollutants from the center of motor vehicles driveways to side pavement.

street canyons；tree planting；air pollutants；field measurement；diffusion

TU 985.18；X 502

A

1671－0444（2012）06－0740－05

2011－08－01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40975093）

王友君（1980—），男，山東濟(jì)寧人，博士，研究方向?yàn)榇髿馕廴九c氣溶膠動(dòng)力學(xué).E－mail：hedanfo＠126.com

亢燕銘（聯(lián)系人），男，教授，E－mail：ymkang＠dhu.edu.cn