基于ENVI-met的道路绿带规划设计对PM2.5消减作用的模拟研究

郭晓华 戴菲＊ 殷利华

近年来，空气污染尤其是颗粒物污染引发的“雾霾天气”受到了人们的广泛关注。其中，细颗粒物（particulate matter，粒径＜2.5μm，简称PM2.5），是现今空气污染的罪魁祸首。据联合国环境规划署（UNEP）报道，空气污染已导致全球每年超过100万例的过早死亡以及100万例的胎死腹中[1]。研究表明，绿色基础设施是消减城市颗粒物的有效方法之一[2-3]。街区尺度绿化覆盖率与颗粒物浓度呈显著负相关，绿化覆盖率每提高10%，可分别降低PM10、PM2.5浓度13.83%、7.58%[4]。然而，植物在道路空间中对颗粒物消减作用的研究结果一直存在争议[5]。既往研究总结表明，植物在街道峡谷空间中，高大的树木起到负作用，而低矮的绿篱则可起到一定的消减作用；在开放式的道路空间中，植被对颗粒物消减则呈现积极的作用[6]。具体情况又随植物复杂的降污原理而变化，植被的特征如沉积速率、叶面积密度、高度、树冠、配置方式、叶片特性（多毛、蜡质）、季节变化等都与颗粒物消减作用相关[7]。

目前，关于道路绿化与颗粒物的消减作用，国内外研究多关注微观尺度层面，集中在绿化植物的类型及种类、植物配置形式、绿带宽度等对颗粒物的消减效果[8-11]。而对于规划设计层面——道路绿带断面布置形式则未有涉及。城市道路绿地是城市绿地系统重要的组成部分，它们以网状及线状形式将整个城市绿地连成一体，形成良好的城市生态系统。城市道路绿带的断面形式是道路绿地规划设计的核心内容，它与城市上位规划紧密衔接，是城市道路绿地管控的重点，是城市道路绿地设计的前提。中国常见的道路绿地断面形式有一板两带、两板三带、三板四带、四板五带式[12]。在现今城市用地日趋紧张的背景下，如何在有限的城市道路绿地率前提下，通过对道路绿带断面合理的空间规划和前瞻性布局，使其生态效益最大化，具有重要的理论及实践意义。

目前，城市街区尺度微气候研究方法包括实测、风洞试验和数值模拟。现阶段研究成果以实测为主，但实测方法耗力耗时，且受地理气候条件限制，无法排除其他环境条件干扰，难以推出普适性结论。风洞试验，成本较高，推广困难。数值模拟方法，利用计算机模拟微气候，参数调整便捷，可控性强，逐渐受到学者们的普遍重视[13]。街区尺度常用的空气污染物扩散模型有：ENVI-met、FLUENT、MISKAM和OSPM[14]。其中，ENVI-met是微气候指标最完整、植被模块最为完善的模拟软件，最适用于风景园林小气候的模拟研究。

目前，中国运用ENVI-met研究风景园林小气候成果处于起步阶段，由CNKI进行主题为“ENVI-met”并“绿地”“绿化”“风景园林”“规划设计”交叉检索，共出现文献28篇，研究成果主要集中在小气候指标如温度、湿度、风环境、热舒适性方面[15-17]，而对于污染物扩散，仅张伟在居住区绿地布局对微气候影响中探讨了PM10浓度[18]。由Web of Science 检索“ENVI-met”and“particulate matter，air pollution，PM”可知，国外运用ENVI-met模拟道路绿化及颗粒物消减作用方面积累了一定的研究成果，主要应用在研究街道峡谷空间不同高宽比、植物配置等对颗粒物的扩散及沉积作用影响。例如Wania 模拟不同高宽比及不同植物配置下，街道通风及颗粒物扩散的影响，结果表明，高宽比值越大，植物密度越大，在街道峡谷中风速越小，越不利于颗粒物扩散[1]。Vos 对比19种植物配置形式对污染物浓度的作用，结果表明街道中的乔木不利于污染物扩散[5]。香港城市大学Morakinyo 结合“扩散——沉降方法”模拟植物屏障对颗粒物消减作用，提出植物屏障与颗粒物源的适宜距离等指标[19-20]。Nikolova模拟了真实街道中颗粒物的扩散与沉降，认为在街道峡谷中，通风是影响颗粒物分布的主要因素[21-22]。此外，一些学者还对ENVI-met模型进行了验证，表明实地测量法、生物磁学监测方法与模型计算结果一致，进一步证实了ENVI-met运用于颗粒物扩散的有效性[23-25]。

笔者首次将ENVI-met运用于城市道路断面绿带规划设计模拟中，定量研究城市道路绿带断面规划布局对PM2.5消减的效果，为城市规划及风景园林设计决策者提供科学量化依据，研究内容具体反映在以下几个方面：1）不同道路绿化带类型，对PM2.5扩散的整体分布有何影响？2）不同道路绿化带类型，对PM2.5的消减作用如何？3）各类型道路绿化带断面形式，能够多大程度消减人行道PM2.5浓度？

1 研究方法

1.1 案例设计

1.1.1 研究地概况

武汉地处长江中下游，江汉平原东部，亚热带季风性湿润气候区。由2016年国家环保部门统计的338个地区及以上城市颗粒物年平均浓度可知[26]，武汉排名12位，并与其后城市PM2.5污染差值不大，能代表国内典型大中城市的污染水平。武汉总面积8 494.41km2，2017年常住人口1 091.4万，具有典型大城市道路交通特征。

1.1.2 道路红线及绿地率

研究重点探讨道路绿带断面形式对PM2.5的消减作用，故设定同等道路宽度及绿地率。据《城市道路交通规划设计规范》中“城市道路各类道路的规划指标，大城市道路宽度主干道为45～55m，次干道40～50m”[27]，故案例设计道路选用主次干道常见红线宽度50m；据《城市道路绿化规划与设计规范》，“园林景观路绿地率不得小于40%”[28]，为保证道路绿地对颗粒物的消减效果，案例设计绿地率为40%。分别按道路绿带断面布置形式设置四组：一板两带式、两板三带式、三板四带式、四板五带式设置，对比无绿化带道路（CK），具体参数如图所示（图1）。

1.2 网格设置及参数设置

网 格 数 设 置 60×80×30， 空 间 精 度1m×1m×2m，z轴采用equidistant，即最下方5个格Z=0.2×2=0.4m，以提高人体高度空间的计算精度。添加嵌套网格5个。因颗粒物模拟是稳态计算，故模型运算时间设计为6h，前5h是预热阶段，最后1h计算值为结果讨论时间。

模型选取2017年8月份典型夏季日，天气参数（初始温度、相对湿度）参考该月份平均天气，风速设置1m/s（静风条件），风向为垂直于道路风向及倾斜风向。污染源参数，据武汉市交通局信息，选取武汉市主干道交通流量，计算得出PM2.5排放速率为12.7μg/s/m，考虑到道路宽度及双向车道，设置为两条污染源，排放高度0.3m，排放速率为6.35μg/s/m[19]。

表1 ENVI-met主要参数设置Tab.1 ENVI-met main parameter setting

研究重点是探讨道路绿化断面形式对PM2.5消减影响，故统一道路绿带内植物配置类型。根据既往研究，对颗粒物消减作用最佳的配置模式是乔+灌+草[8]，灌木0～2m高度对颗粒物的净化效果起到关键性作用[11]。Abhijith在综述中也总结推荐2m为绿带的最优高度[6]。故设计灌木高度2m；从ENVI-met 3D 数据库中，选用武汉市市树水杉，树高15m，冠幅7m，设计株行距8m。对数据库中数据参数根据武汉实际情况，查阅相关资料进行修正或添加[29]，具体参数见表（表1）。

1.3 消减程度及消减率指标

1.3.1 PM2.5浓度差值图

运用“LEONARDO”模块将模拟计算结果图像化，得出道路三维空间内PM2.5浓度的平面及剖面分布图。将各道路绿带断面形式与CK道路的PM2.5浓度值分布图叠加比较计算，可得出各道路绿带断面形式作用于PM2.5浓度改变的差值图，用以探讨绿带断面形式对PM2.5浓度的消减程度。平面图选取Z=1.5m人行呼吸高度值；剖面图选取倾斜风向Y=60m，垂直风向Y=40m，以代表各风向下扩散较稳定的区域。

1.3.2 消减率

已有研究表明，受道路污染影响最为严重的空间是交通主干道及其两侧50m以内、1.7m以下的低空范围的空气[30]，而此范围正是人行空间。故本研究重点关注不同道路绿带条件下，人行道1.5m高度的颗粒物变化。在横断面机动车道边缘（0m）及人行道分别设置监测点，纵向间隔10m，每条道路共计12个，计算消减率平均值。计算参照《中华人民共和国环境保护标准》，消减百分率的公式为：P=（Cs-Cm）/Cs。Cs是道路边（0m）的PM2.5的浓度值，Cm是不同宽度绿带外人行道PM2.5的浓度值[10]。

2 结果与分析

2.1 道路绿带断面形式对PM2.5浓度总体分布的影响

因研究结果讨论的重点在于探讨道路绿带断面形式对PM2.5的消减作用，故ENVI-met模型中省略背景浓度值差异，计算结果用相对浓度值表示[5]，文中统一表述为PM2.5浓度（图2、3）。道路空间中PM2.5浓度的平面及剖面分布整体趋同。PM2.5浓度由蓝色至黑色图例区域逐步升高，道路空间中浓度最高区域主要出现在机动车道源头，都呈现随风向扇面扩散的趋势，垂直风较倾斜风更利于颗粒物的扩散，下风向颗粒物浓度普遍高于上风向，扩散高度在10m以内。

2 PM2.5浓度平面分布图Plane distribution of PM2.5 concentration

3 PM2.5浓度剖面分布图及1.5m高度相对浓度折线图Profile distribution of PM2.5 concentration and relative concentration polyline chart at 1.5m height

不同道路断面绿化类型对细颗粒物浓度的分布存在显著影响。从平面图上看（图2），对比CK无绿化道路，绿化后各形式道路PM2.5扩散区域有所收敛，机动车道污染物浓度明显增加，非机动车道及人行道颗粒物浓度略有下降；从剖面云图上及1.5m高度相对浓度折线图看（图3），CK道路浓度为1.44～2.22μg/m3（浅蓝色）区域扩散范围在x轴52m处左右，道路绿化后该浓度区域云图不同程度的缩短了1～4m，说明绿化带显著影响了颗粒物浓度的扩散；从1.5m高度相对浓度折线图上看，在x轴47m左右各绿化道路相对于无绿化道路（CK）PM2.5浓度值开始下降，说明绿化带能一定程度的消减人行道PM2.5浓度值。取道路红线边缘x轴55m为例，假设实际无绿化道路PM2.5浓度值为100μg/m3的话，倾斜风向下，一板两带式浓度为80μg/m3，两板三带式为74μg/m3，三板四带式为85μg/m3，四板五带式为76μg/m3；垂直风向下，一板两带式浓度为77μg/m3，两板三带式为73μg/m3，三板四带式为84μg/m3，四板五带式为79μg/m3。此外，在两板三带式及四板五带式道路空间中，上下风向机动车浓度趋于近似，而中央分车带区域呈现明显的浓度下降“低谷”，说明由于上下行车道间的中央分车绿带阻隔，影响了道路空间中PM2.5的浓度分布。

2.2 道路绿带断面形式对PM2.5消减程度

将各道路绿化断面类型的PM2.5浓度值与CK道路相比较，得出平面差值分布图（图4）。图例由蓝色至红色区域，差值由负值转为正值。正值区域（红色）说明道路绿化后PM2.5浓度增加，负值区域（蓝色）说明道路绿化后PM2.5浓度下降。由图4可知，由于绿化的作用，机动车道区域的颗粒物浓度都呈现不同程度的增加趋势，而非机动车道、人行道的颗粒物浓度则出现下降趋势。浓度增加最高的区域，普遍出现在上风向机动车道。其中，两板三带式浓度增加最明显，倾斜风向下达到4.27 μg/m3、垂直风向下达到3.16μg/m3；其次为四板五带式，倾斜风向下达到4.23μg/m3、垂直风向下达到3.15μg/m3。浓度下降最大的区域，出现在两侧非机动车道及人行道区域，两板三带式浓度下降最明显，倾斜风向下道路减少1.82μg/m3，垂直风向下减少1.08μg/m3；其次为四板五带式，倾斜风向下减少1.00μg/m3，垂直风向下减少0.28μg/m3。此外，两板三带式及四板五带式绿化类型，上下行机动车道之间也出现明显的颗粒物浓度下降区域，再次反映了中央分车绿化带的消减作用。

将各绿化类型道路的剖面与对照道路相比较，得出各剖面浓度差值（图5）。由图示可知，垂直空间内，各道路绿带断面形式下，机动车道浓度值增加，气流上升并朝下风向偏转扩散，形成一个明显的高浓度扩散区，影响高度在15m左右。而15m正是案例设计的乔木树高，反映树木对颗粒物的扩散形成一定的阻滞作用。浓度下降值的最大区域都出现在下风向人行道侧高浓度扩散区以下，形成一个“庇护区”，最低影响高度为2m（垂直风向下三板四带式差值图）。而2m为案例设计绿篱高度，可反映绿篱对PM2.5的扩散起到隔离作用。

从PM2.5的消减面积来看，四板五带式>两板三带式>一板两带式>三板四带式；从PM2.5的消减程度来看，两板三带式>四板五带式> 一板两带式>三板四带式。两板三带式消减程度最高，垂直风向下达到4.42μg/m3；三板四带式消减程度最差，倾斜风向下仅有0.23 μg/m3。

4 PM2.5浓度平面差值图PM2.5 concentration plane difference diagram

5 PM2.5浓度剖面差值图PM2.5 concentration profile difference diagram

2.3 道路绿带断面形式对人行道PM2.5消减率

为进一步得知各道路断面绿化对人行道的消减率，分别沿机动车道及人行道每间隔10m设置监测点，在1.5m高度取值，据人行道颗粒物消减率公式计算，各绿化板式平均颗粒物消减率倾斜风条件下：CK道路为54%、一板两带62%、两板三带72%、三板四带67%、四板五带72%；各绿化板式消减率分别提高了8%、18%、13%、18%。垂直风向下，CK道路为48%、一板两带54%、两板三带62%、三板四带53%、四板五带60%，各绿化板式分别提高了6%、14%、5%、12%。两板三带与四板五带式消减率较好，最佳效果为倾斜风条件下两板三带式，人行道消减率提高了18%。

3 结论与讨论

3.1 道路绿带断面类型对颗粒物分布有显著影响

道路绿化带能明显改变道路空间中PM2.5浓度的分布。不同程度的绿化能导致机动车道PM2.5浓度增加，非机动车道及人行道PM2.5浓度减少。

植物对颗粒物消减作用机理，主要分为扩散和滞尘2个方面。本研究表明，不同道路空间中污染物的分布都呈现随风向扇面扩散趋势，这与既往研究扩散作用占主导相一致。而不同的绿化带布局，影响了PM2.5浓度的分布，两侧分车绿带阻滞了PM2.5的扩散，由PM2.5剖面浓度差值图（图5）可以看出，PM2.5集聚在机动车道内，使得机动车道内浓度上升；PM2.5继续随气流上升并朝下风向偏转，再次形成一个浓度差值的扩散区。如此，在此扩散区域下的人行道空间，就因受到绿化带的阻滞而形成一个低浓度“庇护区”。而中央分车绿带，阻隔了上下行机动车道的扩散，使得两条机动车道浓度值近似；同时，由于中央分车绿带的滞尘作用，形成一个浓度“低谷”。由此可知，在道路空间内，植物的扩散作用对PM2.5的分布起到主导作用，滞尘作用次之。

3.2 道路绿化能明显消减人行道颗粒物浓度

研究重点关注了人行空间，通过模拟分析道路空间PM2.5的平面和垂直分布，发现道路绿化虽然增加了机动车道内的PM2.5浓度，但却能明显改善非机动车道、人行道内的PM2.5。而非机动车道及人行道则是暴露在空气中、受害最大的人群，是道路环境改善的主要受众群体。

由此可见，道路绿化是消减人行道PM2.5污染的重要举措。以往的道路绿化强调植物的美化和降温作用，对绿地消减颗粒物并未重视，甚至疑其消减功能[5]。但既往研究探讨街道空间，大都作为一个整体来讨论，得出植物影响颗粒物的扩散，产生不佳效果的结论[1]。笔者研究表明不同的道路绿带类型，均能不同程度的降低人行道PM2.5浓度，可以有效地改善人行空气环境。而且，植物的配置类型也与PM2.5浓度的增减紧密相关，PM2.5浓度的增减扩散高度与植物高度基本一致。因此，在道路绿带规划设计时，应在近人行空间高度上，保证安全视距的前提下，尽可能设置浓密的植物绿障，以阻滞机动车道的颗粒物扩散。枝叶浓密的乔木对机动车道PM2.5浓度扩散也起到了一定的阻滞和隔离作用，有利于人行道空间PM2.5浓度的消减。

3.3 两板三带式、四板五带式绿化消减效果最佳

通过对比分析，得出从PM2.5消减区域来讲，四板五带式>两板三带式>一板两带式>三板四带式；从PM2.5消减程度来看，两板三带式>四板五带式> 一板两带式>三板四带式；从消减提高率来看，两板三带式、四板五带式绿化类型对人行道空间的消减效果最佳。

在进行道路绿地规划设计时，应尽量选用两板三带式及四板五带式的布局。如若道路空间以人行为主，或道路红线外用地仍是其他休闲空间，则应以降低颗粒物浓度最大区域为主，选择四板五带式布局。如道路以车行为主且周边少有人活动空间，则绿地设计应以最大程度消减颗粒物为主，选用三板四带式布局效果最佳。

4 研究展望

本文作者运用模拟研究方法，通过变量控制，一定程度上排除了其他因素的影响，仅关注道路绿带对PM2.5的消减作用。但道路绿带除消减颗粒物浓度外，还承担了遮阴、降温、増湿、等多种重要功能。ENVI-met模拟计算小气候指标还包括温度、湿度、风环境等，后续研究将拓展小气候维度，综合考虑多种环境因子，并结合实测，从解决具体问题入手，使研究结果更精确。同时，本文作者中重点探讨了植物在横断面的布局形式，但植物在街道空间中的纵向布局也是影响颗粒物浓度的重要因素，如何合理设计绿化带间隔和长度也是将来研究的方向，以期为道路绿化设计提供更为详尽的指导和依据。

注释：

文中图、表均由作者绘制。