道路绿化隔离带消减颗粒物效应及配置参数研究

陈小平

汪小爽

周志翔*

随着城市化进程的加快和机动车辆拥有量骤增，交通污染业已成为全球大多数国家城市空气颗粒物的主要来源之一[1-4]。由于颗粒物对人体健康和空气质量的影响，给人们的日常生活、工作、出行都带来了严重困扰[5-7]。除了控制机动车数量和排放强度，改善油质以及采用新能源汽车等措施外，道路绿化带因其可以影响含颗粒物气流的扩散以及绿化带中的植物可通过其树冠和粗糙叶面滞留颗粒物，也被诸多学者认为是一种改善街道空气质量的有效且经济地方式[8-12]。

目前关于道路绿化隔离带(机动车道与非机动车道间的分隔带)调控街道空气质量的研究主要有模型模拟和实验测定2种研究思路[7，11-22]，且由于现实条件(街道结构、污染程度、植被配置、微气候等)复杂，模型模拟研究较多，而实验测定研究非常少。绝大部分模拟研究是基于理想化的街道环境，只考虑了植物对于含颗粒物气流的阻挡作用而忽视了其吸附及沉降作用，忽视了街道植物对微气候的影响，也未考虑因机动车行驶导致的街道气体流动对颗粒物扩散的影响；且模型模拟的结果间存在一定的矛盾，部分研究发现街道绿化导致街道空气质量恶化[13，23-24]，部分研究发现街道绿化可以改善空气质量[11，15，25]。相对于模型模拟结果来说，目前的实验测定相关结果均显示道路绿化隔离带能够有效地改善街道空气质量[7，16，20-22，26]。

绿化隔离带对颗粒物的调控作用主要是受其植物配置及树种组成的影响，但现有的研究中关于道路绿化带配置结构的大多数研究仅限于定性的描述[7，20，22，27-28]，如乔灌草、乔灌、灌木、灌草、草地等，而不同生活型植物(乔木、灌木)的区别很模糊且变化范围较大，很少有研究定量化地分析绿化带垂直结构。此外，由于绿化隔离带位置特殊且宽度较窄，其垂直结构显得更加重要。

本研究拟以垂直于主导风向的城市干道绿化隔离带为研究对象，通过测定绿化隔离带前后不同粒径颗粒物(TSP、PM10和PM2.5)的浓度，定量分析道路绿化隔离带对街道颗粒物浓度的消减作用；并提出用分层疏透度来表征绿化隔离带的垂直结构特征，分析其与颗粒物浓度消减效果的关系，以期为城市道路绿化隔离带设计及优化提供依据。

1 研究方法

1.1 研究地点的选择

实验点选择在湖北省武汉市市区进行(图1-1)。武汉市属于北亚热带湿润性季风气候区，常年雨量充沛，雨热同季。以夏季最长约130d，且高温高湿，春秋二季各约60d。年降水量在1150～1450mm之间，全年平均气温15.8～17.5℃。夏季主导风向为东南风，且根据统计资料，武汉市1990—2009年间静风(风速小于0.2m/s)频率达到了28%。基于360卫星地图模式，挑选具有道路绿化隔离带的西南—东北走向的城市干道，并基于实地踏勘，进一步甄选和落实研究街道。所有样带在同一条道路上，则可认为街道结构、街道环境、车流量等近似一样，在选择样带的时候排除街道结构差异较大的样带。综合以上选择方法，最终确定了绿化隔离带配置较丰富且生长较好，车流量较大的和平大道为研究地点(图1-2)。

1.2 样带的选择

在样带的选择过程中，以垂直结构(疏透度)存在明显差异的绿化隔离带样带为主，结构类型(乔灌草、乔灌、灌木等)为辅；此外，样带的选取需避开道路交叉口和绿化隔离带开口的位置(样带距道路交叉口或绿化隔离带开口处至少15m)，且周边环境无其他明显污染源，道路交通可认为是街道颗粒物的主要来源。每条样带的长度设置为10m，其具体宽度以实际测定为准(本研究中为3.5m左右)。最后通过实地调查和甄选，本研究选取了垂直于主导风向的24条样带为研究对象。具体的样带位置、街道特征及绿化隔离带信息见表1。

1.3 采样点设置

图1 采样点布置图(1-1底图引自中国科学院资源与环境科学数据中心)

根据空气动力学原理，颗粒物一般由机动车道向两侧非机动车道和人行道扩散。因此，本研究中选取机动车道一侧为对照点，非机动车道一侧为采样点[17，27]。采样点全部安置在道路下风向，并分别在1/3和2/3处设置2组测定点，具体位置安排如图1-3所示。

1.4 颗粒物采样方法

本研究中实验的测定时间段主要在2016年6—8月。之前的研究成果及实地观测结果显示，样区9：00—16：00间车流量相对比较稳定，为了避免样点之间因为车流量的差异而影响实验测定结果，因此每天的测定时间选择在9：00—16：00之间。如遇下雨天气，雨后3d再测。

街道空气颗粒物浓度测定采用的是A E R O C E T 531 S 手持式粉尘仪(美国MetOne)，该仪器可同时测定TSP、PM10、PM2.5等的浓度。采样时，测定点距地面1.5m，采样点和对照点同时采样，每组测定点分别测定5次，10个测量值的平均值作为该样带的测量值。在仪器测定过程中，进气口均朝向机动车道方向，同时尽可能避免人为抖动。

为了定量地体现道路绿化隔离带对TSP、PM10、PM2.5等粒径颗粒物浓度的消减效果，消减效率(P)公式如下[16-17，26]：

式中：P代表消减效率，Cs表示对照点(机动车道一侧)浓度，Cm表示采样点(非机动车道一侧)浓度。

1.5 道路绿化隔离带结构特征表征方法

疏透度是表征绿化带空间配置的重要参数，可以定量地体现其垂直层面上的植物分布情况[28]。在参考Van Renterghem和Botteldooren[29]以及胡喜生等[28]研究方法的基础上，本研究提出了分层疏透度，即将所有样带以其实际高度纳入到同一标准下研究，并根据其实际高度进行分层处理。在测定过程中，在样带一侧放置一根2m高的标杆，然后拍摄其垂直面照片，并基于标杆的高度校正绿化带的实际高度，最后利用数字图像法分析不同高度层次绿化隔离带的疏透度。

2 结果与分析

2.1 道路绿化隔离带垂直结构特征

研究中24条道路绿化隔离带分层疏透度如表2所示。疏透度值越大，说明对应层次的配置结构越稀疏，反之越小说明配置结构越紧密。从表2中可以看出，不同样带间不同层次疏透度差异比较大，说明所选的样带间植物配置情况区别度较大，如乔灌草结构的绿化隔离带在0～2、2～4、4～6、6～8m高度层次都存在一定的分布，灌木结构的样带在0～2、2～4m高度层次有分布，而草本结构的样带只在0～2m高度区间有分布。总体看来，此方法相对于以前的描述性研究结果可以更好地定量化表征绿化隔离带的垂直结构配置特征，以及不同配置方式间的差异。

表1 垂直于主导风向的道路绿化隔离带样带信息表

2.2 绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效应

绿化隔离带对颗粒物(T S P、P M10及PM2.5)的消减效果如图2所示。从图中我们可以看出，绿化隔离带对大粒径颗粒物(TSP和PM10)的消减效果较好，平均消减效率分别为13.79%和11.14%；而对PM2.5的消减效果则相对复杂，有的样带能够消减空气PM2.5，部分样带则会导致空气PM2.5浓度上升，恶化非机动车道空气质量。

不同样带由于植物选择和配置模式的差异，对颗粒物的消减效率有所差异。如1#和9#样带层次较丰富，乔木层紫叶李的冠幅小但结构紧密，广玉兰位于样带边缘，样带绿量较高；灌木层木槿、红叶石楠、火棘、法国冬青结构紧密，且前后搭配有序，非常有利于阻滞颗粒物。而19#号样带则为草地，植被高度较低，且种类单一，不能有效阻滞颗粒物。因此，1#和9#样带对TSP和消减效率分别高达21.1%和21.87%，对PM10的消减效率高达17.75%和18.39%，而19#样地对TSP和PM10的消减效率则仅为4.19%和2.76%。

2.3 颗粒物消减效率与绿化隔离带垂直结构特征指标相关性分析

绿化隔离带对颗粒物的消减效率与绿化隔离带垂直结构特征指标(疏透度)之间的相关性分析结果如表3所示。分析结果显示，0～2m高度范围内的疏透度与TSP、PM10和PM2.5消减效率呈显著负相关。TSP和PM10消减效率与2～4、4～6、6～8m区间范围内的疏透度呈不同程度的负相关，且随着高度增加，疏透度对颗粒物消减效率的影响越小。PM2.5消减效率则与2～4、4～6、6～8m高度范围内的疏透度呈不同程度的正相关。

3 讨论

研究发现绿化隔离带由于对含颗粒物气流的阻滞以及植物叶片的吸附作用，对颗粒物浓度有较好的消减效果，尤其是对TSP和PM10(平均消减效率分别为13.79%和11.14%)，说明道路绿化隔离带可以作为改善街道空气质量的一种有效方式[8-9，22]。但是研究中发现样带对不同粒径的颗粒物消减效果存在差异，对粒径较大的颗粒物(TSP和PM10)较粒径小的颗粒物(PM2.5)效果好，主要归因于不同粒径颗粒物的扩散方式有差异。粒径小的颗粒物受布朗扩散的影响，粒径较大的颗粒物则会受布朗扩散和湍流撞击的双重影响，而粒径大于10µm的颗粒物则主要受湍流撞击影响[30]。粒径大的颗粒物相对于粒径小的颗粒物表现的更容易沉降，在碰撞到绿化隔离带中植物时，直接被粗糙的植物叶片吸附或者由于撞击作用沉降到下层植物上；相反，粒径较小的颗粒物(如本研究中PM2.5)主要随气流运行则很难沉降，尤其是在气流比较复杂的街道环境当中。因此，本研究结果发现，绿化隔离带对TSP和PM10有较好的消减效果，而对PM2.5的消减效果相对复杂。

以往的研究中关于绿化隔离带结构的差异主要是通过定性的描述[7，20，22，26-27]，如乔灌草、乔灌、灌木、草地等；后来也有部分研究采用了叶面积指数(LAI)和叶面积密度(LAD)来定量的描述绿化隔离带植物配置[10，14，19，31-33]，但是还是无法对绿化隔离带的植物选择和配置提供相对精确的指导。本文中提出的分层疏透度，可以指导植物的选择及配置，尤其是针对道路绿化隔离带，也可以为以后的相关定量研究提供理论基础。

研究中发现绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效率均与0～2m高度区间内的疏透度呈显著负相关关系。这和近期的模型研究结果相一致，如Wania等[23]研究发现1.5m高的绿篱可以改善街道的空气质量，而种植密集的乔木则会恶化街道空气质量；Gromke等[15]发现2.25m高的绿篱对街道污染物的浓度有较好的消减作用且绿篱孔隙度越低其消减效果越好；Li等[34]通过模型研究指出垂直于主导风向道路绿化隔离带设置最佳高度范围在0.9～2.5m，1.1m可以作为低层绿篱的最佳设计高度，而2.0m可以作为高层绿篱的最佳设计高度。此外，除了绿化隔离带的配置结构外，隔离带中植物种类组成、叶片形态结构及树皮结构的差异，也会影响街道空气质量的改善效果。因此，在交通流量较大的城市干道上，应该避免使用冠大荫浓的乔木，多配置结构紧密和叶密度较大的灌木；多选用叶片结构粗糙或者有绒毛的植物，可以进一步提升空气质量改善效果。

图2 绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效率(2-1代表TSP，2-2代表PM10，2-3代表PM2.5)

4 结论

道路绿化隔离带对颗粒物有较好的消减效果，可以作为一种有效且经济地改善街道空气质量的措施。研究发现道路绿化隔离带对大粒径颗粒物(TSP和PM10)的消减效果较小粒径颗粒物(PM2.5)好，道路绿化隔离带对颗粒物的消减效率与其植物配置紧密相关。分层疏透度能够定量地表征绿化隔离带垂直结构特征和体现不同样带间植物配置的差异，0～2m区间范围内的疏透度对颗粒物的消减效率影响最明显。因此在以后的城市道路绿化隔离带植物选择和配置设计当中，应该多选用结构紧密的灌木，尽量减少或者避免使用冠大荫浓的高大乔木。

表2 24条道路绿化隔离带样带疏透度

致谢：感谢硕士研究生黄鑫、彭圣警、郑夔荣等在实验调查和测定中的帮助。

表3 颗粒物消减效率与疏透度相关性分析