基于大气污染治理的城市绿地景观格局优化研究——以永州市为例

邓 洁

（永州职业技术学院，湖南永州 425000）

近年来，在快速城市化进程背景下，人口剧增、产业聚集、交通拥堵等问题引发城市空气质量的持续恶化。现有研究表明，绿地可有效消减大气污染物，其作用机制主要体现在直接作用和间接影响2 个方面：一方面在于绿地植物对PM2.5 等污染物具有直接阻滞、吸收、覆盖等作用[1]；另一方面布局合理的绿地斑块和廊道可穿插、联结形成贯穿城市的风道，从而间接加快大气污染物的稀释扩散[2]。

在目前城市建设用地普遍紧张的情况下，通过增加绿地面积来改善空气质量往往难以实现。因而在整个城市乃至市域层面，借助景观生态学原理与方法，通过调整优化现有绿地景观格局以改善城市空气质量，在现阶段城市大气污染治理和绿地系统规划工作中具有重要的现实意义。

1 研究地点与方法

1.1 研究区域概况

永州市地处湖南省南部，为国家历史文化古城，其中心城区440km2，冷水滩区、零陵区一北一南呈南北狭长的双城模式，生态新城片区位于中部连接两区。2018 年该市建成区面积62.21km2，常住人口53.72 万人，绿化覆盖率为30.42%，绿地率为27.3%，人均公园绿地面积为3.8m2。冬、春、秋三季以偏北风为主，夏季盛行偏南风，2017、2018 年空气质量优良率分别为85.5%、82.2%，呈逐年下降趋势，主要空气污染物为PM2.5，其次为O3、PM10[3]。

本次研究区域确定为永州市城市规划外环线以内区域，鉴于夏季为植物生长最茂盛、吸收污染物能力最强的季节，故将研究时段设为2018 年8 月1～31 日，并针对PM2.5 这一主要空气污染物展开与城市绿地格局的相关性研究。

1.2 研究方法及数据处理

1.2.1 绿地景观格局分析技术。基于邵天一、邱义山等人的研究成果[2,4]，结合本次研究目的，主要选取6 种绿地景观格局指数：斑块平均面积（MPS）、最大斑块指数（LPI）、斑块密度（PD）/廊道密度（CD）、平均斑块形状指数（MSI）、平均最近邻近距离（MNN）对永州市绿地景观格局与PM2.5 分布的相关性展开分析。

数据获取及处理过程如下：基于2018 年8 月永州市Quick Bird 卫星影像（其分辨率为30m），运用ArcGIS 等软件，通过影像融合、校正、矢量信息提取等，获取永州市绿地景观分类数据。将上述数据导入软件Fragstats4.2 中计算得出各绿地景观格局指数。

1.2.2 计算流体力学（CFD）仿真技术。由于空气质量监测站布点数量有限，获取的数据往往无法全面客观地反映城市空气污染物浓度分布。CFD 技术具有流体分析的优势，目前已有利用CFD 大气环境模拟值应用于城市规划的实践[5]，但利用该技术分析评估及优化绿地生态格局的研究则较少涉及。本次研究着眼于利用CFD，模拟在城市大气流场运动下PM2.5 扩散与绿地景观格局的相互影响。

用于CFD 模拟污染物分布的数据包括：运用ERDAS Imagine 9.3、ArcGIS 获取，解析得到的永州市城区建筑密度、容积率、地表温度、绿化覆盖率等环境数据；研究时段内城市温度、风速等气象数据；研究时段内5个环境空气质量监测点的PM2.5 日均值，5 家国家级省级重点监控企业污染源监测PM2.5 日均值、根据城市道路日交通流量换算得到的PM2.5 浓度值。对于上述数据处理过程如下：（1）根据建筑密度、容积率等城市三维空间数据，按1︰1 比例创建空间尺度为35000m×15000m×150m 的城市模型，输入基本气象数据以及已知污染物浓度数据；（2）在模型南部和北部边界设置进风口、出风口模拟永州市夏季主导风向，平均风速设定为历史平均风速3m/s，设置mixture 模型模拟污染物扩散形态，得到现有城市绿地格局下的城市风速图（图1）以及PM2.5 浓度分布图（图2）。结合实地监测数据进行验证，验证结果显示CFD 仿真模拟数据与实测值的相对误差，均满足城市尺度模型的模拟精度要求。

2 结果与分析

2.1 城市绿地现状景观格局结构分析

从表1 可知，生态新城区的绿地斑块平均面积最大，达到了4.61hm2，显著大于冷水滩区和零陵区，这表明生态新城的绿地斑块面积较大，绿化覆盖率高、人工硬质地面较少，根据ArcGIS 色谱分析结合现场踏查，该区绿化斑块以野生林和经济林为主，而冷水滩区的斑块平均面积比零陵区多0.95hm2。

表1 城市绿地现状景观格局结构指数

在反映绿地破碎度的指标方面，零陵区的斑块密度大于其它2 区，为32.60，表明该区绿地斑块较为破碎，这可能与零陵区是旧城区、绿化面积少而分散有关；冷水滩区的绿地廊道密度为1.78，比零陵区和生态新城区分别高出了1.05 和0.54，可见该区绿地廊道连续性较好，通过对卫星图像分析表明，无论是道路绿道还是滨水蓝道，冷水滩区的河东均优于河西。零陵区绿地廊道最低，可知该区绿化廊道数量较少，绿地斑块之间的连通性较差。

零陵区的最大斑块指数最大，为28.3%，其次是冷水滩区和生态新城区，这表明零陵区的绿地斑块优势度大、面积差异性较大，该区最大的绿地斑块为泉南高速以南、由湘江围合的林地；生态新城区的平均斑块形状指数最大，为1.57，说明该区的绿地斑块形状最不规整，这可能与其是新区、建设强度不大有关，绿地形状较为松散、曲折，其次是冷水滩区、零陵区，这2 个城区均为旧城区，绿地形状较为规整。

在反映绿地离散程度的平均最近邻近距离指数上，零陵区平均值最小，为91，表明该区城市绿地之间距离较近，因而斑块密度也最高；生态新城区平均值最大，为164，表明该区绿地较为离散，结合卫星图像分析可知，生态新城区的林地斑块主要由农田分隔开。

2.2 城市绿地景观现状格局下城市风速模拟分析

图1 显示距地1.5m 处的城市风速的水平扩散情况。在3 个城区中，建筑密度和容积率最低、绿化覆盖率最高的生态新城区风速相对较大，尤其是湘江沿岸、永州大道沿线及大片农田区域，最大风速达到了城市平均风速3m/s，表明在该区域沿着河流和南北向城市干道已形成了一定的城市风廊，利于空气污染物的扩散和稀释。

冷水滩、零陵两城区大部分区域风速均低于平均风速，尤其在冷水滩区的河西、零陵区的河东等旧城区，城市风速最低为0m/s，这些区域具有建筑密度高，绿地面积小而破碎、位置分散等特点，未形成明显的道路绿廊；在城区中高层建筑集中的高容积率区域，如冷水滩区的河东、零陵区的城北区域，局部风速都在1.0m/s 左右，这表明高层建筑对城市内部风速影响较大。

图1 绿地现状景观格局下城市风速模拟分析平面

两区风速最大的区域均位于城郊，这些区域大都绿化覆盖率较高，绿地斑块具有面积大、密度小、形状曲折松散等特点。

2.3 城市绿地景观现状格局下PM2.5 浓度模拟分布分析

图2 显示距地1.50m 处PM2.5 水平空间的浓度分布情况，在绿地现状景观格局和城市风速影响下，PM2.5 浓度较高区域主要分布在零陵、冷水滩两区建筑密度高、绿地面积较小较零散分布的城市地段，如冷水滩区河西零陵路、凤凰路及永州大道、零陵区黄古山路、南津中路、芝山路及潇水路沿线片区，PM2.5 模拟浓度值范围为75～150μg/m3，（超过了国标GB3095-2012 中PM2.5日均值二级浓度限值75μg/m3）。这些区域建筑密度高，城市道路狭窄、交通流量大，拥堵现象严重，道路绿化严重不足，缺乏面积较大的集中绿地，城市风速较低。PM2.5 浓度较低区域主要分布在生态新城区、冷水滩及零陵两区郊区，这些区域建筑密度低，地表主要覆盖物为林地和农田，风道效应明显。但生态新城区永州大道沿线PM2.5 浓度模拟值要略高于该区其它区域，此外在冷水滩区九嶷大道及零陵区阳明大道沿线部分片区、芝山北路以西部分区域，PM2.5 模拟值达200μg/m3左右，这些区域道路日交通流量不大，但根据ArcGIS 色谱分析结合现场踏查，发现这些区域正处于城市双修和居住区建筑工程施工，土地裸露、绿化覆盖率低，表明道路、房屋施工及渣土运输会增加空中扬尘，导致PM2.5 浓度增大。

图2 绿地现状景观格局下PM2.5 模拟分析平面

3 基于大气污染治理的永州城市绿地景观格局优化策略

通过对永州市绿地景观格局结构以及城市风速、PM2.5 浓度的模拟分析研究，可以看出，城市绿地景观格局与城市风速、PM2.5 浓度有明显的相关性，城市绿地斑块面积较小、分布零散、形状规整、绿地廊道连接性较差的区域，风速普遍较低，PM2.5 浓度则相应较高，这造成永州市目前空气污染物分布极不均匀，零陵、冷水滩两城区的局部区域污染较为严重，因此，结合景观生态学原理及上述分析结果，在现有绿地格局基础上，可对永州市绿地景观格局进行优化设计，形成“一轴、一环、一带、八楔”的绿地网络空间结构，“一轴”即贯穿城区南北的湘江风光带生态轴，“一环”即沿城市外环路形成的环城绿廊，“一带”即沿永州大道绿化景观带，“八楔”即城市组团之间即内部的生态绿廊（图3）。具体措施如下：

3.1 合理布局城市绿地斑块的数量和大小

相关研究表明，“集中+分散”的城市绿地布局方式能将城市绿地的生态功能最大化[6]，目前永州市各城区绿地斑块分布不均，其中生态新城绿地斑块面积较大且集中，而零陵、冷水滩两区的绿地斑块面积小且破碎度高，加上这两区城市人口聚集、交通量大，绿地对高浓度空气污染物的消减作用十分有限。结合未来城市规划发展，可将两区内个别绿地扩大形成3～4 个形状松散、边界曲折的大型斑块，结合布局分散的小型斑块，最大化发挥绿地斑块对空气污染物的净化作用。

图3 永州市城市绿地结构优化图

3.2 建立完善的绿廊和风廊网络

在城市尺度上，永州市中心城区依托贯穿南北的潇水、湘江蓝道和永州大道绿道，已形成通畅的风廊，但对于蓝道未达、绿道结构不完善的旧城区，在组团尺度上并未形成明显风廊，故应在这些区域南北主导风向上加强建设通风廊道，包括拓宽城市道路、降低建筑密度、降低通风廊道内植物密度、利用道路绿地连通绿地斑块等，以建立完善的城市绿廊和风廊网络，利用大气湍流和城市内部的风环境加快空气污染物的稀释。

3.3 调整楔形绿地数量和位置

楔形绿地对改善城市通风环境有着重要的作用，永州市现有规划中的4 块楔形绿地有3 块都集中在生态新城区，对其余两区空气环境改善非常有限，建议取消面积较小的复兴岭森林公园以北河东组团北隔离绿楔，在冷水滩区的唐家岭、伏塘、百花塘森林公园、零陵区的西山公园、西瓜岭森林公园绿地的基础上，增建5块深入城区的楔形绿地，将城郊的新鲜空气引入城市组团内部。