城市高架街谷交通污染物的扩散研究综述

何红弟,卢丹妮,赵红梅

(上海交通大学船舶与海洋建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室 智能交通与无人机研究中心,上海 200240)

近年来,随着全球城市化进程的不断深入,城市机动车保有量持续增加,这无疑加重了城市交通基础设施供求的突出矛盾.为了缓解这一矛盾,很多城市在中心城区建设城市高架道路[1],如上海市建有内环高架、南北高架、延安路高架等,覆盖了城市80%的核心区域;北京市建有三环、四环、五环等多条高架环路,基本上包围了城市的核心区域;日本的东京建有江户桥、三宅坂等高架桥,覆盖了东京都中心地区[2].

这些位于中心城区的高架道路在一定程度上缓解了城市的交通拥堵,但同时也加剧了城市的空气污染.高架道路一方面抬高了交通污染源,另一方面其建成环境又阻碍了地面道路污染物的扩散.Zhi等[3]通过实测发现,高架道路下方人行横道上颗粒物的浓度比无高架道路时的情形高49%,凸显了高架道路的“盖子效应”.这些交通污染物在街道峡谷长时间的停留给行人的健康造成一定的危害.Liu等[4]发现城市的CO浓度每立方米增加1 mg,中国居民心血管疾病死亡率增加1.12%,冠心病死亡率增加1.75%.由此可见,与无高架道路相比,高架道路相关的交通污染严重影响了城市居民的身体健康.

本工作利用CiteSpaceⅤ软件对关键词“城市高架桥”和“交通污染”在Web of Science数据库中进行挖掘分析,结果如图1所示.由图1(a)可以看出:高架道路交通污染在过去10年持续成为研究的热点,且研究的方向主要集中在超细污染物、高架道路、计算流体力学、交通相关污染物、实地测量、颗粒污染物等;2013年前后研究热点主要是污染物在高架道路的扩散,但2018年以后趋向于高架道路人群污染物的暴露及高架道路的优化.此外,由图1(b)可以发现,研究的区域主要分布在中国、美国、意大利、日本、西班牙、英国等国家.尤其在中国,快速的城市化进程导致城市高架道路密集,由此产生的交通污染问题受到了广泛关注.

图1 基于CiteSpaceⅤ的城市高架街谷交通污染相关文献分析Fig.1 Literature analysis of traffic pollution in street canyons with viaduct based on CiteSpaceⅤ

本工作首先从污染源出发,分析了城市高架街谷的交通污染特征;然后,基于实测结果,归纳了高架街谷交通污染物的水平分布、垂直分布等特征,并讨论了排放源、建成环境、气象条件等因素对高架街谷污染物扩散的影响规律;最后,对高架街谷交通污染物的发展方向进行了总结和展望.

1 城市高架街谷的交通污染特征

1.1 交通排放源特征

图2为城市高架街谷的双排放源示意图.可以看出,高架桥使街谷原本单一的地面排放源变成了地面和高架路组成的双层交通排放源[5].在地面道路上,由于交叉口红绿灯的存在,行驶车辆走走停停、频繁的加速或减速,产生额外的交通排放.在高架道路上,车辆行驶的速度较快,交通流量偏大,也会产生大量的交通污染[6].Zhi等[3]通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法进行数值模拟,结果发现:车辆在高架道路和地面道路具有不同的行驶特征,由此产生不同的交通排放;与地面道路相比较,高架道路上PM10、PM2.5和PM1.0的平均质量浓度分别高15%、10%和12%.

图2 城市高架街谷的双污染源示意图Fig.2 Schematic diagram of dual pollution sources in street canyons with viaduct

1.2 建成环境特征

图3为机动车尾气扩散示意图.可以看出,高架街谷由于特殊的立体结构,通常会阻碍街道峡谷内污染物的扩散,导致高架桥下方长期聚集大量的污染物,造成了显著的“盖子效应”[7-14].Zhi等[3]通过实测发现,与无高架道路相比,高架道路水平方向人行横道上1.5 m处颗粒物的浓度增大了49%.李志远[15]通过数值模拟仿真分析发现,高架桥覆盖的街道峡谷内

图3 机动车尾气扩散示意图Fig.3 Schematic diagram of vehicle exhaust gas dispersion

可吸入颗粒物(PM2.5和PM10)的最大浓度约为无高架覆盖的情况下的1.5倍.Hao等[16]通过数值模拟研究了高架道路、噪声屏障等因素对城市街道峡谷中颗粒物扩散高度的影响,结果表明,高架道路的立体结构会导致污染物的长时间聚集.邱兆文等[17]采用实地监测和数值模拟相结合的方法,分析了对称型街道峡谷内高架桥沿线交通颗粒物的扩散机制,发现高架桥的存在会影响街道峡谷内的空气流场,导致桥面颗粒物向桥下地面沉积,造成地面颗粒物浓度增大,“盖子效应”明显.

2 交通污染物的时空分布规律

2.1 水平分布规律

研究表明,与传统的高速公路类似,高架街谷交通污染物水平方向呈现指数递减特征,但扩散范围明显增大.Sharma等[18]通过对在高速公路交通排放颗粒物与气态污染物进行观测实验,发现污染物的浓度在250 m处出现显著的衰减特征.Zhu等[19-20]的实测研究表明,颗粒物数浓度在地面高速公路的迎风侧呈现指数衰减规律,且在300 m处的浓度与背景浓度趋同.Joerger等[21]对高架道路下风向地面的污染物进行了监测,结果表明:在高峰和非高峰场景下超细颗粒物都出现了指数递减的趋势,且递减距离达到500 m以内(见图4).

图4 高架路(Ⅰ-81号)垂直方向颗粒物的扩散[21]Fig.4 Dispersion of particulate matter along the distance away from viaduct(Ⅰ-81)[21]

随着无人机等新技术的出现,很多学者对高架道路上空的污染物分布进行了监测.Cao等[22]利用无人机对高架道路同高度的污染物进行了监测,结果表明:风向对颗粒物的递减趋势影响比较大,其中颗粒物数浓度在不同风向下递减69%～289%,颗粒物质量浓度递减7%～28%.Li等[23]利用无人机对高架道路临街社区30 m的高空进行了监测,发现PM1.0沿高架道路出现明显的递减趋势,递减幅度达到44%.总体来说,交通污染物在高架道路水平方向普遍呈现指数递减的规律,但由于高架道路抬高了污染源的位置,导致污染物在高架街谷水平方向扩散的范围明显增大.需要强调的是,高架道路污染物水平扩散的范围与高架桥的建成环境、气象、交通等因素密切相关[24].

2.2 垂直分布规律

传统城市街谷的交通污染物在垂直方向上的分布呈现指数衰减趋势[25-27],而城市高架街谷交通污染物的垂直分布呈现双峰分布的趋势[5,28-30].图5为高架路周边街道峡谷内交通污染物的垂直分布特征.Tong等[9]通过实测证实:高架道路的存在抬高了污染源,使得污染物在与高架桥等高位置出现一个显著的突增现象;与无高架道路相比,高架道路临街建筑相同垂直高度上黑碳(black carbon,BC)的浓度增加了43%～54%.李志远等[29]对上海市内环高架街谷不同高度的污染物进行了测量,实测结果表明:颗粒物浓度沿垂直方向逐步递减;在与高架桥等高的位置,污染物浓度会出现一个显著的突增现象.高雅[30]以上海市中环高架路边的一座大厦为测量地点,对9个不同高度点上的PM2.5和CO浓度进行观测,发现交通污染物浓度从地面开始衰减,但在高架桥声屏障上方的位置出现了浓度的增加.Lu等[5]在上海市中心内环高架桥旁路边建筑的不同楼层对交通排放物(PM1.0、CO和BC等)进行了测量,实测表明,城市高架街谷交通污染物垂直方向上呈现双峰分布的趋势,峰值出现在高架下方和噪声屏障上方.

图5 高架路周边街道峡谷内交通污染物的垂直分布特征[5]Fig.5 Vertical distribution characteristics of traffic pollutants in street canyons with viaduct[5]

2.3 时间分布规律

高架街谷的“盖子效应”阻止了污染物的扩散,导致交通排放污染物在高架街谷的滞留时间较长.张传福等[10]利用CFD结合离散相模型,研究了高架街道峡谷内颗粒物的扩散,结果表明,高架路会阻碍颗粒物的运输,且随着街谷高度的增加,颗粒物在街道峡谷的停留时间延长.许晓秦[31]通过数值模拟对比分析了传统街谷与高架街谷污染物的扩散过程,并研究了两种场景下颗粒物的扩散(见图6).高架的存在减弱了高架两侧的涡旋强度,同时高架上的颗粒物也会在逆时针涡旋的作用下被携带到街谷底部,导致其无法扩散而滞留.数值模拟结果显示,高架街谷颗粒物滞留的时间是传统街谷情况下的1.5倍[31].

图6 有无高架桥及噪声屏障的街道峡谷内颗粒物扩散[31]Fig.6 Particulate matter dispersion in street canyons with and without viaducts and noise barriers[31]

另外,高架街谷污染物的分布在不同的时间段会出现明显的差异.Joerger等[21]研究发现:在高架街谷水平方向上高峰时段污染物的浓度明显大于平峰时段(见图4);在距离高架街谷200～300 m的位置处,高峰时段的水平浓度呈现增大,交通污染物平峰时段呈现减少的趋势.Lu等[5]研究发现:在高峰和平峰时段,垂直方向上交通污染物的浓度都出现了双峰分布,峰值在高架下方和声屏障上方;在早高峰时段,垂直方向上交通污染物浓度的最大峰值在噪声屏障上方,而晚高峰时段的垂直方向上的最大峰值出现在高架桥下方.

3 交通污染物的扩散规律

3.1 双层交通排放源的影响

黄玉婷等[32]通过数值模拟分析了高架桥附近交通状态对街谷PM2.5分布的影响,研究发现:不同的交通状态可以改变排放源的强度与湍流动能的大小,进而影响交通排放污染物PM2.5的产生与扩散过程.在交通畅通状态下,机动车流行驶容易引起较大的湍流动能,导致交通污染物扩散范围增大,街道峡谷的污染物浓度就偏小.在交通拥堵状态下,机动车流引起的湍流动能变小,但机动车流的排放偏大,导致街道峡谷内PM2.5浓度水平整体高于交通畅通下的情形,且在不同空间区域内的变化达5.60%～47.13%.李政桐等[8]利用CFD方法研究了非均匀污染源、非均匀交通诱导作用对街谷污染物分布的影响.当车流潮汐现象发生在地面道路时,高架桥对高架下方空间流场的改变对污染物分布的不均匀性造成影响.由此可见,不同的交通状态产生的不同排放强度的污染物和不同行驶状态引起的湍流,共同影响了交通排放物从尾气管到路边的扩散过程和高架街谷污染物的空间分布.

3.2 高架街谷建成环境的影响

高架街谷建成环境相对来说比较复杂,既包括街谷两边的建筑群,也包括高架道路的形态.这些建成环境的改变都会影响高架街谷空气空间的涡旋结构和涡旋方向(见图7),进而影响交通污染物在高架街谷的扩散.高架街谷两边一般高楼林立,其几何结构直接影响着交通污染物的对外扩散[33].张传福等[10]通过数值模拟研究了3种高宽比较小的浅街道峡谷对谷内污染物的影响,结果表明:高宽比越大,街谷的污染物浓度越高,同时污染物在街谷平均滞留的时间越长.Hang等[34]通过数值模拟研究了深街道峡谷的情形,结果发现:由于周围建筑物的阻碍导致通风不畅,深街道峡谷中污染物的浓度普遍高于浅街道峡谷;在高宽比为5的深街道峡谷中,污染物的浓度是高宽比为1～2浅街道峡谷情况下的10～20倍.Ding等[35]通过风洞试验和数值模拟研究了对称高架街谷两边屋顶的坡度对街谷污染物扩散的影响,结果发现:当高架街谷两边建筑的屋顶是平顶时,街谷的流场出现一个较大的涡流;而当屋顶是斜顶时,高架街谷则出现两个较小的涡流;与平顶的情形相比较,斜顶特征的高架街谷更有利于污染物扩散.

图7 有无高架桥及噪声屏障的街道峡谷内空气流场[31]Fig.7 Air flow field in the street canyon with and without viaducts and noise barriers[31]

高架路的几何特征对于街谷内污染物的扩散有着重要的影响[14].朱楚雄等[36]通过仿真分析发现:当高架桥的高度与建筑物高度相同时,高架桥下方的污染物质量浓度最大;而当高架桥高于建筑物高度时,其对峡谷内的空气流动和污染物扩散的影响基本可以忽略;高架桥的宽度有利于保护其上方的背风面建筑物的污染.张颖慧[33]研究发现:同一街谷内高架宽度的增加对颗粒物扩散的阻碍作用增强,颗粒物在街谷底部浓度越大;在街道峡谷宽度不变的情况下,高架路中间空隙的增加不利于背风面颗粒物的扩散,但能有效减少迎风面颗粒物的积聚.Hang等[37]通过风洞试验研究了高架道路形态对污染物空间分布的影响,结果发现,高架道路的存在会抑制地面道路污染物的扩散,并且高架道路的高度、宽度分别与地面污染物浓度成反比、正比.

高架桥的噪声屏障对污染物的扩散也有影响.Hang等[34,38]通过CFD仿真的方法,发现噪声墙可阻碍高架桥上方的空气流动,导致气态污染物浓度略微升高.许晓秦[31]对设置噪声墙的高架街谷进行CFD仿真,发现当高架存在噪声墙时,高架街谷颗粒物浓度的分布是不均匀的.Su等[39]对带有噪声屏障的街道峡谷内的流场和污染物浓度场进行了数值模拟,发现与无隔声屏障相比,隔声屏障的存在物理阻隔了污染物扩散路径,提高了街道峡谷内污染物浓度的峰值,其中行人高度处背风面污染物浓度升高27.51%～28.72%,迎风面升高11.64%～19.99%.综上可知,噪声屏障的存在可以缓解高架桥上方的空气污染,但是会增加高架桥下方的污染物浓度.

3.3 气象因素的影响

高架街谷污染物扩散的主要外部因素是街谷建筑顶部环境风的驱动,其方向和速度直接影响街谷污染物的扩散过程.图8为垂直和平行风向下城市高架街谷内流场的流线图和速度分布.当来流风向平行于高架桥方向时,高架街谷污染物容易扩散,其浓度较低;当来流风向垂直于高架桥方向时,高架桥的阻挡改变了主干道背风面污染物的爬墙效应,其下方主干道迎风面和背风面污染物都不易扩散,导致污染物浓度较高.秦成君[40]通过数值模拟发现,当来流风向平行于高架桥方向时,来流受高架桥上下引桥的阻挡,在引桥下方收缩形成低风速涡旋,造成污染物聚积.He等[41]通过CFD模拟了来流风向垂直高架街谷的情形,发现街谷背风侧污染物浓度为迎风侧的1～3倍.张颖慧[33]通过仿真发现,高架街谷背风面颗粒物浓度为迎风面的1.0～3.4倍.Brixey等[42]借助风洞试验与CFD仿真相结合的方法,研究了高架街谷内交通排放污染物扩散的过程,发现沿迎风侧建筑物向下、逆风侧建筑物向上的气流运动更有助于街道峡谷内的空气循环流动,可以加快交通排放污染物在街道峡谷内的扩散过程,从而有效减少污染物在此建成环境下的停留时间.邱兆文等[17]采用实地监测和数值模拟相结合的方法,分析了街道峡谷内高架桥沿线交通颗粒物的扩散机制,发现背风侧污染物的浓度约是迎风侧的2倍.总体来说,与垂直风向相比较,高架街谷的平行风向更利于街谷污染物的扩散[40],垂直风向下高架街谷背风侧污染物浓度是迎风侧的1～3倍.

图8 垂直和平行风向下城市高架街谷内流场的流线图及速度分布[32]Fig.8 Streamline diagram and velocity distribution of the flow field in street canyons with viaduct with vertical and parallel winds[32]

在恒定的风向下,风速对街谷污染物的影响是显而易见的.风速越大,高架街谷的污染物越容易扩散[43].但随着风速的增加,背风侧积聚的颗粒物逐渐扩散.Hang等[43]通过CFD模拟对比分析了不同风速下污染物的分布情况,结果发现:当垂直方向的风速大于2.0 m/s时,高架街谷容易出现顺时针的涡流结构,导致背风侧的污染物浓度较高;当垂直方向的风速小于0.5 m/s时,高架街谷容易出现逆时针的涡流结构,导致迎风侧的污染物浓度较高.Cai等[44]通过实测和仿真分析研究了高架道路上污染物的扩散情况,发现风速越高,高架路面上PM2.5扩散越快,其浓度越低.

除了环境风的影响外,高架街谷的温度对污染物也有重要的影响.Hang等[34,38]借助CFD仿真的方法,研究了地表温度对街道峡谷内气态污染物与颗粒物的扩散影响,结果发现,高架和地面道路的地表温度可以增强街道峡谷内的空气流动循环过程,从而降低气态污染物与细颗粒物浓度值.许晓秦[31]通过数值模拟研究了太阳辐射对街道峡谷内的污染物的影响,结果如图9所示.由图9可以发现,太阳辐射的增强会影响地表温度的升高,导致街谷风场主涡旋和次涡旋的中心向上偏移,进而加速街谷污染物的扩散过程.由此可见,地面温度的升高可以促进高架街谷内的空气流动,改变高架街谷的空气流场,有利于高架街谷内污染物的扩散.

图9 高架街谷中高架表面温度不同时的空气流场[31]Fig.9 Air flow field in street canyons with viaduct under varied viaduct surface temperatures[31]

4 总结与展望

4.1 总结

(1)城市高架街谷的交通污染呈现显著的“盖子效应”.相比于传统的城市街谷的单交通污染排放源,城市高架街谷呈现出地面道路和高架道路双层交通污染排放源特征.大量实测结果显示,高架道路对交通污染源有抬升作用,影响了交通污染物在街谷的分布规律.此外,高架道路阻碍了城市街谷内交通污染物的扩散,导致大量交通污染物聚集在城市街谷内,形成显著的“盖子效应”.

(2)高架道路和地面道路的双层交通污染排放源决定着高架街谷交通污染物的时空分布规律.与无高架的街谷相比,高架街谷污染物在道路两侧也呈现指数递减,但递减距离可达500 m,远高于无高架街谷情况下的250 m.在垂直分布方向上,高架街谷污染物呈现双峰的分布,双峰的峰值往往出现在高架下方和噪声屏障上方,并与不同时段(早晚高峰与平峰)的交通流量密切相关.

(3)交通、立体建成环境以及微环境气象等因素影响高架街谷交通污染物的扩散.关于交通因素,地面道路交通排放的增加会导致街谷污染物的聚集,高架道路交通排放的增加会影响街谷污染物的水平分布和垂直分布.关于立体建成环境因素,高架街谷的高宽比越高,街谷的污染物浓度越低,高架桥的噪声屏障影响污染物的垂直分布,导致污染物在噪声屏障上方聚集.关于微环境气象因素,高架街谷的高风速、迎风面和平行风等环境有利于交通污染物的扩散,高架和地面道路的地表温度的升高可增强街道峡谷内的空气流动循环过程,从而降低污染物浓度值.

4.2 展望

随着全球城市化进程的进一步深入,城市高架交通污染问题将成为未来研究的热点.通过上述的综述,我们认为未来的研究趋势将集中在以下3方面.

(1)城市高架街谷室内外污染物的相互扩散.城市临街小区与城市高架街谷紧密相连,污染物在二者之间的扩散非常频繁.因此,交通污染物在高架街谷与临街建筑内之间的相互扩散机制以及自然通风、机械通风等方式对相互扩散的影响规律都亟需研究.

(2)城市高架街谷的建成环境.文献调研发现,城市高架街谷建成环境决定着街谷污染物的扩散规律.因此,建成环境包括街谷的高宽比、高架的高宽比、高架桥的噪声屏障、高架周围的植被等对城市高架街谷交通污染物的扩散的影响亟需理清.高架街谷建成环境的优化和未来规划将是研究的方向之一.

(3)城市高架街谷污染物的扩散机理.越来越多的实测研究发现,污染物之间耦合的动力学特征(如气溶胶凝结、凝聚等)、污染物不同气象环境下的化学反应等对研究污染物的扩散机理尤为关键.因此,这些方面将是未来的研究趋势之一.此外,不同于现有的微观时间尺度的扩散模拟,城市高架路网交通排放物在城市大尺度的扩散机理,也将是未来的研究趋势.