建筑和绿化对街谷空气污染物扩散的影响

王友君，亢燕铭，陈勇航

（1.上海海洋大学 食品学院，上海 201306；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

建筑和绿化对街谷空气污染物扩散的影响

王友君1，2，亢燕铭2，陈勇航2

（1.上海海洋大学 食品学院，上海 201306；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

在静风条件下，对上海松江区典型的对称和不对称街谷内CO2和CO的浓度和PM1.0进行了连续实测.引入街谷约束物（建筑或绿化）高度与约束物距机动车道中心距离之比，即高远比（H／D），表征该约束物对街谷空气污染物扩散的阻碍作用.研究结果表明：背景风速低于0.5m／s时，绿化和建筑对污染物扩散稀释的影响同样重要；污染物浓度的扩散衰减特性与街谷高远比和污染物种类有关；高远比越大，越不利于空气污染物扩散；自街谷机动车道中心到人行道，PM1.0衰减程度大于气态污染物.

街谷；绿化；空气污染物；现场监测；扩散

城市道路与两侧建筑物及绿化带约束所形成的一条相对狭窄的区域，习惯上称之为街道峡谷（街谷）.城市居民室外生活时间大部分在街道微环境中度过［1］，而道路上车辆排放是街谷中空气污染的主要来源［2］，并对人体健康构成威胁［3］.因此，街谷内空气污染物的扩散问题受到很多研究者的关注［4］.虽然已有不少学者利用数值模拟研究街谷污染物扩散的结果［5－6］，但多数研究缺少现场监测数据的支持［7］.文献［8］假设街谷无限长，并默认两侧建筑与机动车道中心的距离相等，提出用高宽比的概念表征二维街谷流场的特征.但是，现实街谷两侧建筑物到机动车道中心的距离在很多情况下并不相等，污染物浓度在很短距离内也可能差异很大［9］，而且绿化带本身也会对污染物扩散产生影响［10－11］.很少有文献在考虑建筑及路边绿化带构成的街谷约束物与机动车道中心距离不等的基础上，研究实际三维街谷的局部约束特征对交通污染物扩散的影响规律.本文拟选择上海市松江区西林北路和文诚路上的代表性路段作为实测点，以温度、相对湿度、PM1.0、CO2和CO浓度为监测参数，分析建筑高度、绿化带及其与机动车道中心的距离等因素对街谷内空气污染物扩散衰减的影响.

1 实测准备

1.1 被测街谷与监测位置

西林北路和文诚路位于上海市松江区，前者为南北向主干道，全长约1 500m，两侧建筑基本等高，可视为对称街谷；后者为东西向，全长约1 200m，大部分路段街道两侧建筑高度相差较大，可视为不对称街谷.街道两侧基本为住宅小区和沿街商用建筑.被测街道和测点的具体位置如图1所示.根据两侧建筑高度、布置形式及绿化疏密情况，针对上述被测街谷各选择4处监测位置.每一监测位置设2个监测点，一个位于机动车道中心，另一个位于人行道边靠建筑一侧（街边），监测仪器距地面高度约1.2m，如图1（b）所示.西林北路4处监测位置（A，B，C，D）均位于路东侧，其中C点设在开阔的城市绿地处，可作为局地扩散情况对比点.文诚路上4处监测位置中，E和F点位于路南侧，G和H点位于路北侧.各监测位置处的约束物（即绿化带和沿街建筑物）的几何特征如表1所示.

表1 被测街谷的几何特征Table 1 Geometrical features of the test street canyons

1.2 监测条件的选取

为减少气象条件对测量数据的影响，监测选择晴到多云（云量少于40%）天气，背景风速小于0.5m／s，风向基本平行于街谷，且不稳定度较高的时段进行.实测过程分别于2010年3月和7月的工作日进行，每日监测时间为9：00～17：00.取满足以上气象条件的有效数据进行分析.监测时间段内，经人工计数统计，被测街谷车流量和车型比例相近，平均车流量约为（450±50）辆／h，小型车比例大于85%.

1.3 测量参数与测量仪器

由于细粒子对人体健康影响较大，本文对颗粒物的监测以PM1.0为代表参数；气态污染物则以CO2和CO为标志物.同时对监测点局地环境空气温度和相对湿度进行测量记录.

PM1.0的测量采用美国TSI公司生产的粉尘监测仪 SidePak AM510型，测量范围为0.001～20mg／m3，最小分辨率为0.001mg／m3.CO2和CO质量浓度的监测采用美国TSI公司生产的Q－Trak 7565型.其中CO2的测量范围为0～9 821mg／m3，误差为±3.0%，分辨率为1.964mg／m3；CO的测量范围为0～625mg／m3，误差为±3.0%，分辨率为0.125mg／m3.此外，利用 Q－Trak 7565同时记录被测点处的空气温度和相对湿度.上述仪器使用前均经仪器供应商标定或校准.背景CO2和CO质量浓度在东华大学松江校区湖心岛北监测，取48h连续测量的平均值.

1.4 监测方法

为比较同一监测位置（剖面）上2个测点处污染物质量浓度的相对大小和衰减特点，本文引入衰减因子f，以分析街谷两侧约束物（建筑或绿化）对污染物扩散的约束和阻滞作用的强弱，其计算式如式（1）所示.

2 实测结果与分析

2.1 对称街谷

静风和近似静风条件下，西林北路4处监测位置的温度、湿度、污染物质量浓度及衰减因子f的变化情况如图2所示.由图2（a）和2（b）可以看出，4个位置机动车道中心处的温度、相对湿度（RH）相差不大，平均值分别为16.8℃和44.0%；街边处的平均值分别为14.1℃和54.0%.监测期间，背景CO2和CO平均质量浓度分别为879和2.01mg／m3.由图2（c）～2（e）可以看出，有效时段内，机动车道中心测量点的CO2和CO质量浓度虽均有波动，但变化不大，平均值分别为1 462 和2.86mg／m3，PM1.0均值为0.060mg／m3；人行道外测量点3种污染物质量浓度的均值分别为1 401，2.54和0.047 mg／m3.由于C点位置处在城市绿地段，扩散条件较好，所以C点位置污染物浓度最低.

由图2（f）可以看出，在垂直于街谷的方向上，绿化带的约束作用对温、湿度的变化和污染物扩散的影响比较明显.温度和3个污染物参数的衰减程度随约束特征变化的规律大体一致.如A点处建筑物高度仅为14m，但是街边与建筑之间有杨树（20m）和法国冬青（2m）组成的绿化屏障，温度和污染物的f值相对最高，即扩散与稀释程度最弱.B和D点处建筑高19m，但街边与建筑物之间无绿化，所以温度和污染物的f值较A点处略小，即此段内污染物扩散优于A点处.而C处无建筑，绿化主要为大面积草坪，所以除CO的f值较高外，温度、CO2和PM1.0的f值均较小，即衰减程度最强.因此，绿化带实际上对污染物扩散进行了约束，减少了污染物向两侧建筑物的扩散.此外，街谷内不同种类污染物衰减规律不同.就本文的监测结果看，PM1.0的f值小于气态污染物；气态污染物中，CO的f值小于CO2.

2.2 不对称街谷

图3给出了静风条件下文诚路4处监测位置的温度、相对湿度、污染物质量浓度及f值的变化情况.图3（a）和3（b）表明，4个监测位置机动车道中心处的温度、相对湿度的平均值分别为33.5℃和72.9%；街边的平均值分别为32.6℃和72.6%.即路中和路边温度、相对湿度基本没有明显变化.背景CO2和CO在监测期间的平均质量浓度分别为923和2.2mg／m3.图3（c）～3（e）给出了4个监测位置处污染物质量浓度变化和平均值情况.其中，全路段机动车道中心处CO2，CO和PM1.0的平均质量浓度分别为1 455，3.36和0.197mg／m3，街边的平均质量浓度分别为1 371，3.14和0.171mg／m3.图3（f）反映了不对称街谷的建筑高度或绿化及其与机动车道中心的距离对温、湿度变化和污染物扩散稀释的影响.建筑高度变化显著时，如从E点处建筑高40m变化到F点处建筑高10m时，温、湿度和污染物的f值均明显降低.建筑与机动车道中心距离变化显著时，亦有相似规律.如从G处建筑与机动车道中心距离的25m变化到H点处的约40m时，相对湿度、CO2和PM1.0的f值均降低.需要说明的是，H点处路边监测点与地下车库出口距离较近（约10m），故温度和CO的f值略高，但不影响总体衰减规律.

图3 文诚路（不对称街谷）4个路段的实测数据Fig.3 Test data on four locations of Wencheng Road（unsymmetrical street canyon）

一般情况下，对于这种不对称街谷，污染物通常容易在建筑物高度较低的一侧扩散和稀释，但从监测数据来看，不对称街谷的污染物扩散亦明显受街边浓密绿化带高度的影响.如文诚路西段北侧G点处沿街建筑高约25m，与之相对的街道南侧的F点处建筑高15m，但因F点处建筑与街道间有雪松（15m）和法国冬青（2m）组成的绿化带，从而使得F点处温度、CO2和CO质量浓度的衰减程度反而低于G点处.文诚路东段南侧E点处建筑高约40m，与街道间也有雪松（15m）和法国冬青（2m）组成的绿化带；与之相对的北侧H点处建筑高19m，无高大绿化带.从绿化和建筑的角度考虑，E点处比H点处不利于污染物扩散，所以E点处相对湿度、CO2和PM1.0的f值均大于H点处.即便H点处污染物质量浓度有时还会受地下车库排放的污染物的影响，也只有温度和CO质量浓度略微偏高.

就建筑物与机动车道中心的距离来看，由于文诚路绿化带主要设置于路南侧，F点和E点处的建筑物实际上离街道中心距离相对较远，这进一步也表明了即使在不对称街谷，绿化带对污染物的扩散也起到了约束作用.

总体而言，不对称街谷内污染物质量浓度变化规律比对称街谷更复杂.约束物（建筑或绿化）越高，距离机动车道中心越近，约束作用越强，越不利于交通污染物扩散衰减.绿化屏障对交通污染物扩散和稀释的影响可能与两侧建筑物同样重要.

3 街谷约束特性的表征

实测数据表明，街道两侧的绿化带或建筑物越高，并且与机动车道中心的距离越近，越不利于污染物扩散.因此，定义高远比H／D，即约束物高度H与约束物距机动车道中心的距离D之比，以表征约束物对污染物扩散的阻碍作用.若约束物既有建筑又有绿化，则街谷约束物的有效高远比H／DT等于单体约束物高远比Hi／Di中的最大值，即

以约束特征比较规则的西林北路东侧和文诚路北侧监测位置为例，根据表1和实测数据，表2给出了静风条件下6处街谷监测位置的Hi／Di和H／DT及相应的f值.由表2可以看出，H／DT值越大，f值也越大.对于6个监测位置，H／DT从大到小的顺序为E，A，B，D，F，C，而f值大致也遵循这一顺序.

表2 监测街谷的高远比及对应的污染物衰减因子Table 2 Ratios of street canyon height to center distance and the relative pollutants decay indexs

4 结 语

本文选取上海松江区两条典型的对称和不对称街谷，在近似静风的气象条件下，以温度、相对湿度、CO2和CO质量浓度及PM1.0作为监测参数，进行连续多日测量，分析了街谷约束特征（建筑及绿化特点）对温、湿度变化和污染物横向扩散衰减的影响规律.研究结果表明，街谷侧面约束物（绿化和建筑）对交通污染物的扩散衰减特性有重要影响，街谷约束特征由建筑几何结构和高度、建筑物距机动车道中心的距离、绿化几何特征（由植物种类和布置形式）、绿化带到机动车道中心的距离等因素组成.所选3种污染物衰减程度随街谷约束特征变化的规律基本一致.因此，可用约束物高远比H／D表征或辅助表征约束物对街谷内交通污染物扩散的影响程度.

参 考 文 献

［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，JÄRUP 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－hang2
（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

国家自然科学基金资助项目（40975093）

王友君（1980—），男，山东济宁人，博士，研究方向为大气污染与气溶胶动力学.E－mail：hedanfo＠126.com

亢燕铭（联系人），男，教授，E－mail：ymkang＠dhu.edu.cn