城市道路绿化形态对机动车尾气颗粒物扩散影响的对比观测研究

＊孙小燕 解昕睿 赵路爽 张云伟

（西安交通大学地球环境科学系 陕西 710049）

随着经济发展和城市化进程加快，城市空气污染已经成为我国主要的环境问题之一[1]。机动车尾气是城市空气污染物的一个主要来源，认识其在城市街谷内扩散与分布特征，可降低行人的暴露风险[2]。

城市道路绿化被认为是改善城市环境质量的一种有效方案[3-5]。研究表明，增加城市绿化植被可降低局部大气和地表温度，减弱交通噪声，并有可能进一步影响大气污染化学反应，导致臭氧等污染物浓度降低[6-7]。同时，城市道路绿化会阻碍污染物扩散，进而导致城市街谷内空气质量恶化[8-9]。Miao 等[4]观测了沈阳市某绿化街谷内近地面高度不同粒径颗粒物（Particulate matter，PM）浓度，结果显示绿化树木有利于去除粗颗粒物，但细颗粒物浓度比无绿化情景下还要高。胡杨等[8]研究结果显示，城市街谷内绿化植被可导致局部大气中颗粒物浓度增加近一倍。Karttunen 等[9]研究显示，茂密的行道树会使人行道上的大气中PM10和PM2.5浓度分别增加123%和72%，可见城市道路绿化对局部污染物浓度影响非常明显。苗纯萍等[3]对城市街谷内污染物分布的综述显示，数值模拟是当前较为经济高效的研究手段，然而针对数值模拟开展的现场观测尤为紧缺。

因此，本文选取西安市几个典型绿化街道作为观测点，进行路边颗粒浓度的对比观测，分析不同绿化形态对机动车尾气扩散的影响，以期为通过合理建设城市绿化设施改善城市道路环境提供参考依据。

1.观测方案

(1)观测地点选取

在西安市多条具有不同绿化形态的街道布置了20个观测点，并将其绿化植被配置形态分为5 个类型：树木绿化（T）、树-草绿化（TG）、灌木绿化（S）、树-灌木绿化（TS）及树-灌木-草绿化（TSG），如图1 所示。

(2)观测方法

于2021 年的四、五月份开展了现场观测实验，图1 所示即为观测现场的照片。20 次现场观测皆在白天11:00—16:00 进行，其中13:00—15:00 交通量相对稳定，没有交通堵塞的影响。

采用科尔诺公司生产的激光粉尘检测仪进行现场观测，观测指标主要为PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0、PM10。每次观测实验均布置4 个观测点，如图1(f)所示。其中，点位A、C 位于绿化带内侧，靠近机动车道，距离绿化带约0.5～1 m，离汽车尾气最近；而点位B、D 位于绿化带外的人行道上，离绿化带约2～4 m。4 个点位分两组，A、B 为一组，布置在绿化良好的路段；而C、D 组观测点布置在相邻的无绿化或绿化非常稀疏的路段。两组观测点形成对比，有助于分析绿化对机动车尾气向人行道扩散的影响。

(3)数据处理方法

绿化带对机动车尾气扩散有阻挡作用。人行道上污染物浓度相较机动车道减少的比例称为绿化带对污染物的净化百分率，计算公式如下[10]：

式中，P 为净化百分率；Cs为绿化带前方观测点位（A、C 观测点）测得的颗粒物浓度值（μg/m3）；Cm为绿化带后方的观测点位（B、D 观测点）测得的颗粒物浓度值（μg/m3）。

2.观测结果与讨论

(1)道路边污染物浓度的变化趋势

观测安排在空气质量为良以上的晴朗天气日，此时背景浓度低，观测结果更能体现机动车尾气在路边的分布规律。在绿化路段的绿化带内侧与外侧PM2.5的平均浓度分别为（30.25±16.71）μg/m3和（30.10±16.87）μg/m3，PM10的平均浓度分别为（40.57±20.37）μg/m3和（36.78±20.34）μg/m3。颗粒物浓度总体呈现随着离机动车道距离增加而降低的趋势；在绿化良好的路段颗粒物浓度降低的幅度更大，说明路边绿化带对机动车尾气水平扩散有明显的阻碍作用，这有利于降低行人的暴露风险。不同粒径的颗粒污染物分布规律，主要呈现两种分布趋势，如图2 所示。

图2 不同粒径颗粒物浓度的两种分布趋势

第一种分布趋势如图2（a）所示。在绿化良好的路段，不同粒径的颗粒物浓度随离机动车道距离增加而降低，颗粒物净化百分率均是正值；而在无绿化或绿化稀疏路段，细颗粒污染物（PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5）平均浓度随离机动车道距离增加呈现升高的趋势，颗粒物净化百分率均是负值，而粗颗粒物（PM5.0、PM10）平均浓度呈下降趋势。

第二种分布趋势如图2（b）所示。总体上颗粒物浓度都随远离机动车道而呈现下降趋势，颗粒物净化百分率均是正值。并且在绿化良好路段不同粒径的颗粒物浓度下降百分比要明显高于在无绿化或绿化稀疏路段的观测结果。在这种情况下，机动车尾气有明显的从机动车道向路边扩散的趋势，而路边绿化对行人的身体健康起到了积极的保护作用。

(2)不同道路绿化形态对机动车尾气扩散的影响分析

树-灌木-草（TSG）绿化形态对不同粒径颗粒物污染物的影响较均衡。各种颗粒物浓度净化百分率相差不大，都在6%左右，其中对PM2.5的影响效果最明显，如图3 所示。TSG 绿化形态对PM2.5和PM5.0的净化百分率是最高的，这与数值模拟的结果表现一致[11]。TSG 配置形态的复层结构可使颗粒污染物滞留在树层、灌木层和草本层植被表面，能大幅降低扬尘污染。总体上，TSG 绿化形态更有利于消减机动车尾气向人行道扩散，对行人健康有显著的积极作用。

图3 不同绿化植被配置形态对颗粒物的净化百分率影响

单以高大的树为绿化（绿化形态T）对超细颗粒物的扩散阻碍效果非常好，远远高于其他类型，但对粗颗粒物的消减效果不显著。单以灌木为绿化（绿化形态S）对各粒径的颗粒物浓度影响比较均一，但都不显著，净化百分率均小于2%。

树-草（TG）绿化形态对颗粒物浓度净化百分率在五种配置形态中处在中间位置，对细颗粒物的消减效果要比粗颗粒物显著。树-灌木（TS）与TG 绿化形态不同，其对粗颗粒物的消减效果最好，而对于细颗粒物的消减效果一般。

(3)不同粒径颗粒物水平扩散规律

由图3 可以看出，细颗粒物PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5对绿化配置形态更敏感，不同绿化形态对细颗粒物浓度的影响差别明显，而对粗颗粒物净化百分率差别不大。树冠的遮挡能减弱街谷内通风，影响细颗粒物扩散；而灌木丛的阻挡对粗颗粒物更明显，但是单一的灌木绿化效果不好，这与以往的研究结论表现一致。

3.结论

本文对西安市不同绿化形态的路段开展现场观测，分析了城市街谷内绿化对机动车尾气水平扩散的影响。主要结论如下：

（1）路边颗粒物浓度在水平方向上随远离机动车道而降低，道路绿化能在一定程度上阻碍机动车尾气物向人行道扩散。

（2）不同绿化形态对不同粒径颗粒物的消减作用不同，差异显著。其中，树-灌木-草绿化形态对机动车尾气的综合消减能力最好，而单一的灌木绿化带对颗粒物浓度的消减效果最差。

（3）细颗粒物水平扩散受绿化形态影响的差异显著，树和树-草绿化形态对细颗粒物的消减效果更为显著，而树-灌木-草和树-灌木绿化形态对粗颗粒物消减效果更佳。

另外，不同粒径的颗粒物的空气动力学特征不同，要详细揭示道路绿化形态对机动车尾气扩散的影响机理，需进一步结合数值模拟结果分析。