王薇 ,程歆玥
1. 安徽建筑大學建筑與規(guī)劃學院,安徽 合肥 230601;2. 安徽建筑大學建成環(huán)境與健康重點實驗室,安徽 合肥 230601
空氣污染不僅對人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等造成危害,更會影響氣候變化、交通運輸和生態(tài)系統(tǒng)等,給國家經(jīng)濟帶來重大損失,因此引起廣泛關(guān)注(Meszaros et al.,2015;She et al.,2020;吳凌云等,2021)。中國共產(chǎn)黨的十九屆五中全會對“十四五”期間生態(tài)文明建設(shè)進行了全面部署,提出要深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)、持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量。習近平總書記指出,“十四五”期間,中國生態(tài)文明建設(shè)進入了以降碳為重點戰(zhàn)略方向、推動減污降碳協(xié)同增效、促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期(孫金龍,2021;黃潤秋,2021)。一方面是建筑面積的增加,在“十四五”期間,中國常住人口城鎮(zhèn)化率已提高到65%,2021年中國新開工改造城鎮(zhèn)老舊小區(qū)5.3萬個(李克強,2021)。另一方面是生活方式的轉(zhuǎn)變,人民基于對美好生活的追求,節(jié)水節(jié)電的生活方式向更舒適、更健康、更安全的建筑環(huán)境轉(zhuǎn)變(安永碳中和課題組,2021)。建筑行業(yè)的雙碳目標不應(yīng)僅著眼于單體建筑的改造,也要看成以城市街區(qū)為整體的節(jié)能系統(tǒng),加強污染防治建設(shè)和生態(tài)建設(shè),持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量。在此研究背景下,研究城市不同功能街道峽谷的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的時空分布特征,分析其影響因素并進行評價,對城市的生態(tài)文明建設(shè)具有重要的指導意義。
城市街道峽谷是城市居民生活的主要場所之一,其在城市建成環(huán)境中的占比高達三成(于洋等,2020)。街道峽谷是指兩側(cè)具有連續(xù)高大建筑物的狹長街道(Nicholson,1975)。1993年,街道峽谷這一概念被引入中國,后來被進一步擴展。即使街道兩旁的建筑物高低不平、不連續(xù)甚至有一定的缺口,也可稱作街道峽谷(周洪昌等,1994;王寶民等,2005)。街道峽谷內(nèi)污染物的擴散主要受交通量、氣象條件、天空開闊度、街道峽谷高寬比和朝向等影響(鄧寄豫等,2017;葛曉燕,2018)。由于兩側(cè)建筑的阻擋,傳輸?shù)奈廴疚镫y以擴散,進而產(chǎn)生累積效應(yīng);同時,由于街道峽谷附近人口較多,街道峽谷內(nèi)的污染物不僅影響室外環(huán)境質(zhì)量,還會作為置換源影響室內(nèi)空氣質(zhì)量,進而影響城市居民的身體健康。
目前關(guān)于街道峽谷的相關(guān)研究主要分為模型與模擬(Ahmadi et al.,2020)、污染與濃度(Huang et al.,2021)、建筑與道路(Miao et al.,2020)3個方面,涉及計算機軟件、環(huán)境科學、建筑學、市政交通、風景園林等多門學科??紤]到街道峽谷類型較多,分類較為復(fù)雜,過多的形態(tài)化劃分往往會造成重復(fù)的選擇,許多研究者對研究對象的劃分方式進行了簡化(劉超等,2021)。例如,刁貝娣等(2021)利用K-Means聚類分析方法,將全國338個城市劃分為工業(yè)型城市、資源型城市、中心型城市、其他類型城市共4類,分析其PM2.5健康風險及影響因素差異。張丹龍等(2016)按人類活動、城市規(guī)劃布局和交通流量將淮南市劃分為文教區(qū)、商業(yè)交通區(qū)、公園綠地、居住區(qū)、煤炭運輸區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)共6類,分析不同功能區(qū)葉面塵和地表灰塵中重金屬分布特征和來源。劉晴等(2019)將泰安市典型生態(tài)功能區(qū)劃分為廣場公園區(qū)、居民住宅區(qū)、城市道路區(qū)、工業(yè)廠房區(qū)共4類,分析其空氣負離子的時空分布。相較于上述的分類方式,本研究按照城市用地布局、交通流量將合肥市不同功能街道峽谷劃分為商業(yè)型、居住型、辦公型共3類。
街道峽谷的研究大多集中在城市宏觀層面,而對于與人體接觸緊密的街道峽谷中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的探討較少,且國內(nèi)多集中在污染物來源解析,對于交通排放空間格局的研究較少(陳嵐琪等,2020;王薇等,2021d)。基于此,本研究以合肥市2021年夏季3種典型的功能型街道峽谷為例,采用固定式監(jiān)測點的方式實測街道峽谷內(nèi)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度,并結(jié)合附近國控監(jiān)測點數(shù)據(jù),分析PM2.5和 PM10在街道峽谷的時空分布規(guī)律。同時,利用SPSS 25.0軟件分析污染物和空氣溫度、相對濕度等環(huán)境因子的相關(guān)性,并使用AQI對不同功能街道峽谷的空氣質(zhì)量進行評價,從而為城市街道峽谷空氣污染防治提供對策,并給出城市設(shè)計、交通管理方面的建議;同時,對于改善城市街道峽谷的空氣質(zhì)量,提高街道峽谷居民的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)具有積極意義。
合 肥 市 地 處 于 中 緯 度 地 帶 ( 31°52′N ,117°17′E),是季風氣候最為明顯的區(qū)域之一,屬于典型的夏熱冬冷氣候區(qū)城市,全年氣溫夏熱冬冷,春秋溫和,年平均氣溫在 15—16 ℃之間,屬于溫和型氣候,夏季平均氣溫在27.5—28.5 ℃左右,冬季平均氣溫在1.5—5.0 ℃之間,相對濕度與溫度的年變化相一致,夏季最大,冬季最小。城市主導風向為東南風,其中夏季東南風,冬季東北風,年平均風速在1.6—3.3 m·s-1之間(王薇等,2021a)。2020 年合肥市全市 PM2.5年均值為 36 μg·m-3,未達到國家二級標準(35 μg·m-3),超標0.03倍(合肥市生態(tài)環(huán)境局,2021)。
為研究合肥市不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量濃度變化特征,按照周邊建筑功能、建筑密度、停留時間和交通流量等,將合肥市的街道峽谷劃分為商業(yè)型、居住型和辦公型3個類別,如表1所示。商業(yè)型街道峽谷的建筑密度高,人流量大,而且頻繁的商業(yè)活動會加劇街道峽谷內(nèi)的污染物濃度水平。以沈陽市某商業(yè)街區(qū)為例(李綏等,2014),污染物質(zhì)量濃度變化在一定范圍內(nèi)與濕度呈正相關(guān),由于街道峽谷兩側(cè)建筑高度、形態(tài)和密度的差異,形成街道峽谷局部流場,對污染物的擴散效果具有較大影響。居住型街道峽谷與居民生活聯(lián)系密切,且居民停留時間較長。以合肥市高層高密度城市住區(qū)為例(王薇等,2021c;夏斯涵,2021),不同空間形態(tài)下的細顆粒物濃度分布是不同的。辦公型街道峽谷對辦公人群而言是白天停留時間最長的地方,與辦公生活密切接觸(Ruan et al.,2019)。目前,對辦公區(qū)的研究多集中在室內(nèi)污染物防治方面,對辦公型街道峽谷的研究較少。
表1 不同功能街道峽谷測點信息表Table 1 Information table of measurement points in different functional streets and canyons
本研究根據(jù)建筑布局、建筑高度、街道寬度、植物綠化等方面特征,綜合選取并確定監(jiān)測樣點,分析城市街道峽谷PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度的時空分布特征。3類不同功能的街道峽谷各布設(shè)7個樣點,如圖1所示。
根據(jù)街道峽谷測點的分布,配置7臺ONETEST 500粉塵濃度監(jiān)測儀和7臺KESTREL 5500手持式風速儀進行測試。粉塵濃度監(jiān)測儀測試 PM2.5質(zhì)量濃度及溫濕度,其中 PM2.5質(zhì)量濃度的測量范圍為0—1000 μg·m-3,測量精度±10% FS,分辨率為 0.1 μg·m-3;溫度的測量范圍為-20—60 ℃,測量精度±0.5%,分辨率為 0.1 ℃;相對濕度的測量范圍為0—100%,測量精度±3%,分辨率為0.1%。測試每2秒鐘記錄一次數(shù)據(jù)。測試高度與一般人體呼吸高度保持一致,距離地面1.5 m,如圖1所示。
圖1 商業(yè)型(a)、居住型(b)和辦公型街道峽谷(c)樣點布設(shè)Figure 1 Layout of sample points in commercial (a), residential (b) and office street canyons (c)
實測選擇在2021年8月1—13日進行,每天08:00—18:00,共10 h,監(jiān)測街道峽谷內(nèi)的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度、溫濕度等。測試期間天氣晴穩(wěn)一致。
根據(jù)生態(tài)環(huán)境部 2018年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)修改單(生態(tài)環(huán)境部,2018),空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,簡稱 AQI)是一個用來定量描述空氣質(zhì)量水平的數(shù)值,取值范圍位于0—500之間,如表2所示。
表2 空氣污染物濃度等級評價標準Table 2 Evaluation standards for air pollutant concentration levels
目前,中國尚無正式的空氣質(zhì)量指數(shù)標準,但此修訂單中的PM2.5質(zhì)量濃度值可用來評價不同街道峽谷的空氣質(zhì)量水平??諝赓|(zhì)量指數(shù)的計算公式如下:
式中:
I——空氣質(zhì)量指數(shù),即AQI,輸出值;
ρ——PM2.5日均值質(zhì)量濃度,輸入值;
Ilow——對應(yīng)于ρlow的指數(shù)限值,常量;
Ihigh——對應(yīng)于ρhigh的指數(shù)限值,常量;
ρlow——小于或等于ρ的質(zhì)量濃度限值,常量;
ρhigh——大于或等于ρ的質(zhì)量濃度限值,常量。其中,指數(shù)限值和質(zhì)量濃度限值的常量如表3所示。
表3 PM2.5的空氣質(zhì)量指數(shù)限值和質(zhì)量濃度限值Table 3 Air quality index limit and mass concentration limit of PM2.5
2.1.1 日分布特征
測試期間PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日分布特征如圖2所示,整體呈現(xiàn)波形分布,PM2.5和PM10的波動一致,驗證了PM2.5和PM10之間具有較高的相關(guān)性。圖2中的國控值具體指顆粒物24 h平均一級濃度限值,其中 PM2.5為 35 μg·m-3,PM10為 50 μg·m-3(生態(tài)環(huán)境部,2018),以此作為參考值來衡量街道峽谷的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度是否低于國控限值。PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在8月11日,分別為 63.70 μg·m-3和 72.40 μg·m-3,高于一級標準極限值;PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度低谷值出現(xiàn)在8 月 3 日,分別為 15.28 μg·m-3和 16.69 μg·m-3,低于一級標準極限值。8月3日、8月7日、8月8日PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均低于一級標準極限值,在此期間,各類街道峽谷背景濃度低,空氣質(zhì)量較好。
圖2 商業(yè)型(a)、居住型(b)和辦公型街道峽谷(c)PM2.5和PM10日均質(zhì)量濃度Figure 2 Commercial (a), residential (b) and office street canyons (c) PM2.5 and PM10 average daily mass concentration
2.1.2 小時變化特征
對測試期間PM2.5和PM10小時質(zhì)量濃度取平均值后,可得出其小時變化規(guī)律。不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量濃度的變化規(guī)律、極值時間與大小各不相同。從中可以看出,商業(yè)型街道峽谷PM2.5和PM10小時均值質(zhì)量濃度基本位于一級標準極限值上下,極值變化范圍分別為 33.59—61.22 μg·m-3和39.81—67.65 μg·m-3,波峰出現(xiàn)在 08:00—09:00,波谷出現(xiàn)在 14:00—15:00。居住型街道峽谷 PM2.5和PM10小時均值質(zhì)量濃度基本位于一級標準極限值以下,極值變化范圍分別為 32.73—39.84 μg·m-3和37.35—46.89 μg·m-3,波峰出現(xiàn)在 08:00—09:00,PM2.5小時質(zhì)量濃度的波谷出現(xiàn)在 12:00—13:00,PM10小時質(zhì)量濃度的波谷出現(xiàn)在14:00—15:00。辦公型街道峽谷PM2.5和PM10小時均值質(zhì)量濃度基本位于一級標準極限值以上,極值變化范圍分別為40.51—73.71 μg·m-3和 48.10—85.19 μg·m-3,波峰出現(xiàn)在08:00—09:00,波谷出現(xiàn)在16:00—17:00。
2.2.1 不同功能街道峽谷PM2.5和PM10日變化特征
由圖3可以看出,合肥市不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量日變化特征差異較大。具體表現(xiàn)在從 PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度日變化趨勢上看,辦公型街道峽谷與商業(yè)型街道峽谷日變化呈明顯的下降型雙峰形式,居住型街道峽谷呈平穩(wěn)型雙峰形式。在3種類型街道峽谷中,辦公型街道峽谷的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最高,其次是商業(yè)型街道峽谷,居住型街道峽谷最低。
步驟1 根據(jù)生產(chǎn)過程中對潛在制造能力的影響,確定潛在制造能力水平影響因素集合FP=(fp1,fp2,,fpi)。
空氣質(zhì)量濃度與人群的活動方式有很大的關(guān)系。由圖 3可以看出,合肥市不同功能街道峽谷的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均在08:00—09:00早高峰達到峰值。此時,由于人流車流量大,汽車尾氣排放多,空氣中的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度高。辦公型街道峽谷12:00—13:00以及17:00—18:00處于下班高峰期,PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度略有上升。商業(yè)型街道峽谷在14:00—15:00溫度高,購物出行人數(shù)少,PM2.5和PM10質(zhì)量濃度下降為低谷值。居住型街道峽谷的PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度在全天基本保持不變,但隨著15:00—16:00車流量增加而上升至第二個峰值。
圖3 不同功能街道峽谷PM2.5(a)和PM10(b)日變化Figure 3 Diurnal changes of PM2.5 (a) and PM10 (b) in different functional street canyons
2.2.2 各監(jiān)測點PM2.5和PM10變化特征
空氣質(zhì)量濃度與監(jiān)測點環(huán)境特征也有很大關(guān)系。如圖4所示,街道峽谷各監(jiān)測點PM2.5和PM10變化特征相一致。商業(yè)型街道峽谷峰值在D點官亭路步行街,低谷值在G點長江西路機非干道綠化帶旁;居住型街道峽谷峰值在B點綠地贏海下沉廣場,低谷值在G點金地國際城西門入口景觀綠化旁;辦公型街道峽谷峰值在E點可苑路,低谷值在G點可苑路和北一環(huán)交叉口。
圖4 街道峽谷不同測點PM2.5(a)和PM10(b)分布特征Figure 4 Distribution characteristics of PM2.5 (a)and PM10 (b) at different measurement points in the street canyon
商業(yè)型街道峽谷 D點位于小吃步行街旁,廚房油煙大,周邊為多層建筑,人流車流量大,停留時間長,且測點周邊沒有綠化,PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度最高;G點位于主干道旁,周邊為高層建筑,雖人流量和車流量較大,但停留時間短,且測點周邊有灌木綠化帶,對PM2.5質(zhì)量濃度起到一定的降解作用,PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度最低。
居住型街道峽谷B點位于下沉廣場,易造成顆粒物累積,PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度最高;G點位于主干道旁,周邊為高層和多層建筑,雖人流量和車流量較大,但停留時間短,且測點周邊有灌木綠化帶,對PM2.5質(zhì)量濃度起到一定的降解作用,PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度最低。
辦公型街道峽谷E點位于次干道旁,周邊為多層建筑,人流車流量較大且行車緩慢,PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度最高;G點位于主次干道交叉口,風速大,靠近綠化和噴泉,PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度最低。
2.3.1 街道峽谷整體相關(guān)性分析
對不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量濃度與環(huán)境因子進行相關(guān)性分析,表明PM2.5質(zhì)量濃度同PM10質(zhì)量濃度、空氣溫度、相對濕度具有線性關(guān)系(圖5)。Person相關(guān)性分析結(jié)果表明(表4),PM2.5質(zhì)量濃度與 PM10質(zhì)量濃度、相對濕度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,與空氣溫度具有顯著的負相關(guān)關(guān)系。
表4 街道峽谷PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和環(huán)境因子Person相關(guān)性系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between the mass concentration of PM2.5 and PM10 in the street canyon and the environmental factor Person
圖5 街道峽谷PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和環(huán)境因子相關(guān)性分析Figure 5 Correlation analysis of the mass concentration of PM2.5 and PM10 and environmental factors in the street canyon
夏季高溫,太陽輻射增強,當街道峽谷地面溫度升高時,大氣對流運動加劇,垂直擴散作用增強,甚至會破壞形成的逆溫層,導致大氣擴散作用增強,可以大大降低PM2.5和PM10質(zhì)量濃度。夏季相對濕度低于60%時,空氣干燥,PM2.5和PM10粒子不容易吸濕增長,因此PM2.5和PM10質(zhì)量濃度較低(王佳佳等,2020)。
2.3.2 不同功能街道峽谷相關(guān)性分析
對不同功能街道峽谷PM2.5和PM10質(zhì)量濃度進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性不盡相同。如圖6所示,各類街道峽谷的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系均為正相關(guān)關(guān)系。商業(yè)型街道峽谷和辦公型街道峽谷的 PM2.5質(zhì)量濃度和空氣溫度呈正相關(guān)關(guān)系,居住型街道峽谷 PM2.5質(zhì)量濃度和空氣溫度呈負相關(guān)關(guān)系。商業(yè)型街道峽谷和居住型街道峽谷的 PM2.5質(zhì)量濃度和相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系,辦公型街道峽谷 PM2.5質(zhì)量濃度和相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。這是因為辦公型街道峽谷相對濕度較高(61%—80%),PM2.5和PM10等污染物粒子更容易吸濕增長,粒徑增大,相應(yīng)的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度也增加,引發(fā)空氣污染(高嵩等,2020)。PM2.5質(zhì)量濃度和風速呈負相關(guān)關(guān)系,風速越大,PM2.5質(zhì)量濃度越低。
圖6 商業(yè)型(a)、居住型(b)和辦公型街道峽谷(c)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和環(huán)境因子相關(guān)性分析Figure 6 Correlation analysis of PM2.5 and PM10 mass concentrations and environmental factors in commercial(a), residential (b) and office street canyons (c)
對各監(jiān)測點的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度有效值進行統(tǒng)計,并運用AQI對其數(shù)據(jù)進行計算分析,得出表5。由表4可知,在夏季,合肥市不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量水平以優(yōu)良為主,空氣質(zhì)量級別多分布在一級和二級。
表5 不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量評價Table 5 Evaluation of air quality in different functional streets and valleys
對表4不同功能街道峽谷空氣質(zhì)量進行評價,得到辦公型、居住型、商業(yè)型街道峽谷的 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度平均值及其AQI值,如圖7所示。由圖 7可知,對不同功能街道峽谷而言,PM2.5和PM10質(zhì)量濃度平均值:商業(yè)型>辦公型>居住型,且AQI值規(guī)律與之相同。在城市規(guī)劃中,建議重點關(guān)注商業(yè)型街道峽谷的空氣質(zhì)量。
圖7 不同功能街道峽谷AQI對比Figure 7 Comparison of AQI of different functional street canyons
(1)PM2.5和PM10之間具有較高的相關(guān)性,波峰出現(xiàn)在 08:00—09:00,波谷多出現(xiàn)在 14:00—15:00。夏季,合肥市街道峽谷空氣質(zhì)量良好,PM2.5平均質(zhì)量濃度范圍為 15.28—63.70 μg·m-3,PM10平均質(zhì)量濃度范圍為 16.69—72.40 μg·m-3,位于一級標準極限值上下。
續(xù)圖6 商業(yè)型(a)、居住型(b)和辦公型街道峽谷(c)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和環(huán)境因子相關(guān)性分析Continued Figure 6 Correlation analysis of PM2.5 and PM10 mass concentrations and environmental factors in commercial(a), residential (b) and office street canyons (c)
(2)合肥市辦公型街道峽谷與商業(yè)型街道峽谷日變化呈明顯的下降型雙峰形式,居住型街道峽谷呈平穩(wěn)型雙峰形式。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度:辦公型街道峽谷>商業(yè)型街道峽谷>居住型街道峽谷。街道峽谷內(nèi)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度峰值多在下沉廣場和次干道,低谷值多在主干道綠化帶旁和主次干道交叉口。
(3)夏季,合肥市街道峽谷 PM2.5質(zhì)量濃度與PM10質(zhì)量濃度和相對濕度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,與空氣溫度具有顯著的負相關(guān)關(guān)系。
(4)運用AQI對夏季合肥市不同功能街道峽谷進行評價,其空氣質(zhì)量水平以優(yōu)良為主,空氣質(zhì)量級別多分布在I級和II級。
(1)對街道峽谷內(nèi)非必要出行的居民而言,建議避免在08:00—09:00出行,鼓勵在14:00—15:00出行。
(2)3個功能區(qū)中居住型街道峽谷空氣質(zhì)量最優(yōu),而辦公街道峽谷空氣質(zhì)量相對較差,重點關(guān)注下沉廣場、底層高密度的街道峽谷,建議增加綠化植被,提倡公共交通使用率,以改善商業(yè)型街道峽谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。
(3)在城市建設(shè)中,應(yīng)因地制宜采用適宜技術(shù)完善建筑細部構(gòu)造,合理確定街道峽谷高寬比和長寬比,系統(tǒng)性地將綠色建材、綠色生態(tài)技術(shù)和清潔能源融入建筑設(shè)計,以多元化方法實現(xiàn)“雙碳”目標愿景,助力城市綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。