雾霾天气下夜间道路照明的分析与优化措施研究*

李　轩，　孙凤明，　周昌昊

(1.河北工程大学 建筑与艺术学院，河北 邯郸 056038；2.中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200000)

工业化、城市化进程的加快和森林的大面积消失，致使大气环境恶化，最典型的表现是近年来在京津冀、长三角和珠三角等地区的雾霾天气[1-2].雾霾天气下空气中大量气溶胶粒子会导致阳光和道路灯光被散射或吸收而无法到达地面[3-4]，使周边环境昏暗，能见度下降，严重影响车辆和行人的出行安全，甚至导致车祸的发生，造成生命危险和巨大的经济损失[5].而大多数城市在路灯设计时并没有考虑雾霾对道路照明的影响.

本文利用数字照度计(JTG01)，在邯郸市交通流量较大的人民路路段进行照度测试，把无雾霾时的道路照明情况与雾霾时的道路照明情况进行对比，同时进行道路照明光环境模拟，根据分析及模拟结果对夜间雾霾时的道路照明情况做出分析和研究，并针对所产生的问题提出相应的改进措施，对以后道路照明设计有一定的借鉴作用.

1　实验方法

1.1　实验设计

据《照明测量方法》GB/T5700-2008的规定，采用中心布点法对邯郸市人民路具有代表性的路段进行布点，测试位置定在人民路龙湖公园南门路段，路灯采用对称布灯的方式，测量时取1/2路段进行测试[6].将两灯杆之间纵向划分为10等分，每条车道横向划分为2等份，形成一组网格.每一个网格的中心点路面为测试点，照度计的接收器放在测试点并贴在地面上进行测量，共80个测试点.布点位置如图1所示.

选定无霾、轻度霾和重度霾(雾霾的轻重程度根据当天的空气质量指数来判断)[7]三种天气情况下的夜间进行测量，记录测量数据，测试3天，将这3组数据进行对比分析得出结论.

1.2　调查问卷

设计调查问卷，随机选择100个人进行问卷调查，了解人们对于雾霾天气下夜间外出时视觉的主观感受，并进行汇总分析，得出结论.

2　测试结果

测试在2017年1月到2017年2月雾霾频发期进行，天气状况为无霾、轻度霾、重度霾，测试时间为晚上8：00-9：00，记录测试数据.测试期间邯郸市AQI指数如图2所示.

2.1　无雾霾天气下道路照明现状

据空气质量表(图2)，选择无雾霾天气(2017-01-20夜间)，空气质量为优或良，AQI指数75.用照度计对选定路段道路照明情况进行测试，记录数据如表1所示.

根据GB/T5700-2008的规定，中心布点法的平均照度按下式计算：

(1)

式中：Eav为平均照度，Ei为在第i个测点上的照度，M为纵向测点数,N为横向测点数.中心布点法的照度均匀度U1和U2的计算为：

U1=Emin/Emax，U2=Emin/Eav，

(2)

式中：U1为照度均匀度(极差)，Emin为最小照度，Emax为最大照度，U2为照度均匀度(均差).

表1　无霾天气下道路照度数据表

在无霾天气下根据式(1)计算可得其平均照度为38.0 lx.其中Emax=108.6 lx,Emin=5.9 lx.其照度均匀度依据式(2)计算可得U1=0.054,U2=0.155.

2.2　轻度雾霾天气下道路照明现状

根据空气质量表(图2)，选择空气质量为轻度污染(2017-01-22夜间)， AQI指数为132.用照度计对选定路段道路照明情况进行测量，记录数据如表2所示.

表2　轻度霾天气下道路照度数据表

在轻度雾霾天气下根据式(1)计算可得其平均照度为26.0 lx.其中Emax=82.5 lx，Emin=4.8 lx.根据式(2)可得其照度均匀度为U1=0.058,U2=0.185.

2.3　重度雾霾的天气下道路照明现状

据空气质量表(图2)，选择空气质量为重度污染(2017-02-04夜间)，AQI指数为248，用照度计对选定路段道路照明情况进行测量，记录数据如表3所示.

表3　重度霾天气下道路照度数据表

在重度雾霾天气下，根据式(1)计算可得其平均照度为14.5 lx.其中Emax=47.5 lx，Emin=3.9 lx.据式(2)可得其照度均匀度为U1=0.082,U2=0.269.

3　结果分析

3.1　测试道路照度分析

根据《城市道路照明设计标准》CJJ 45-2015中的规定，对于城市快速路、主干路，路面平均照度需要达到20 lx，照度均匀度U2最小值为0.4[8].由表1、表2和表3可知，在无雾霾、轻度雾霾天气下，夜间测试路段道路照明的平均照度38.0 lx和26.0 lx达到国家标准平均照度20.0 lx的要求，且高于国家标准；重度雾霾的天气下平均照度14.5 lx远低于国家标准；三种天气条件下照度均匀度U2为0.155、0.185和0.269，均低于国家标准，照度均匀度较差.

(1) 雾霾对照度的影响

通过以上分析，在无霾、轻度霾及重度霾三种不同天气状况下，其路面平均照度、最大照度和最小照度如图3所示.AQI指数与道路照度相关性如图4所示.由图3可以看出，雾霾天气下测试路段各测点照度都有所下降，且在重度雾霾天气下，最大照度下降了约 56.3%，最小照度下降了约33.9%，而平均照度下降了约61.8%.研究表明，地面空气湿度增大导致大气中吸湿性粒子膨胀，使得大气气溶胶的光学厚度增加，引起测点照度下降[9].因此雾霾对道路照明有很大的影响.由图4可以发现，空气质量指数(AQI指数)越大，照度越小，AQI指数与道路照度呈负相关关系.

(2) 雾霾对照度均匀度的影响

在无霾、轻度霾和重度霾三种不同天气状况下，其照度均匀度如图5所示. AQI指数与照度均匀度的相关性如图6所示.由图5可知，测试路段在雾霾天气下道路照度均匀度有所提升，重度雾霾天气下照度均匀度提升得尤为明显.从数据分析结果可知，无霾天气下，最小照度与最大照度值和平均照度与最小照度值相差较大，其照度均匀度(均差)较小，从而导致路面照度均匀度较差.而在雾霾天气下，大量的雾霾颗粒致使灯光被散射或吸收，对路面照度产生了较大的影响.雾霾天气对最大照度区域的路面照度影响较大，对最小照度区域影响相对较小，雾霾颗粒的存在使得各测点的照度差值缩小，照度均匀度较无霾天气高.由图6可知，随着AQI指数的增加，U1和U2也随之增加，AQI指数与照度均匀度呈正相关关系.

3.2　调查问卷分析

根据调查问卷的答题情况进行汇总分析，以受访者的视觉主观感受作比例图，结果如图7和图8所示.

雾霾天气下空气中大量的雾霾颗粒使空气混浊，尤其是重度雾霾时，路面照度下降，周边环境昏暗,最低能见度甚至不足百米[10]，严重影响出行安全.由图7可知，雾霾天气下，79%的受访者感觉路面清晰度低.绝大多数的机动车驾驶人无法看清道路情况，行人和非机动车在过马路时有可能无法发现行驶中的汽车而发生意外.但是，雾霾在使照度下降的同时提升了照度均匀度，路面上过亮区域不再产生刺眼的眩光.从图8可以看出，80%的受访者认为眩光的影响程度减弱，机动车驾驶员驾车时的舒适程度有所提高.

4　道路照明系统优化建议

人民路测试路段两路灯之间的中部区域照度严重不足，可考虑两路灯之间加一功率较小的路灯.通过软件DIALux进行道路照明模拟，经过优化后道路上各点照度有了很大的提高，从表4可知优化后平均照度、中间照度、照度均匀度也有了很大提高，且优化后达到了国家标准.考虑到节能，可以对中间所增加的路灯采用智能控制系统，在照度达标及无霾的时候不必开启，在路面照度不足或中重度霾时开启.这样既可以节约资源，又可在照度不足或雾霾天气时提高两路灯之间中部区域的照度，以提高路面清晰程度.

表4　道路照明模拟优化前后照度对比

5　结　论

本文通过实地测试，对不同程度雾霾天气下夜间道路的照明情况进行了测量，并对人们的视觉主观感受进行了调查，对测试数据进行了汇总分析及调查问卷的汇总分析.结果表明：(1) 雾霾降低了路面照度，但提高了路面照度均匀度，减小了眩光程度.(2) AQI指数与路面照度呈负相关关系，而与照度均匀度呈正相关关系.(3) 雾霾天气下，最大能见度会大幅度减小，路面清晰度下降.(4) 在雾霾影响较重的地区进行道路路灯设计时，应考虑选用透雾透霾能力较强的灯具.

[1]颜鹏，刘桂清，周秀骥，等.上甸子秋冬季雾霾期间气溶胶光学特性[J].应用气象学报，2010,21(3):257-265.

[2]钱峻屏，黄菲，杜鹃，等．广东省雾霾天气能见度的时空特征分析:季节变化[J].生态环境，2006,15(6):1324-1330.

[3]闵敏,王普才,宗雪梅,等.灰霾过程中的气溶胶特性观测研究[J].气候与环境研究,2009(2):153-160.

[4]杨军,牛忠清,石春娥,等.南京冬季雾霾过程中气溶胶粒子的微物理特征[J].环境科学,2010(7):1425-1431.

[5]穆泉,张世秋.2013年1月中国大面积雾霾事件直接社会经济损失评估[J].中国环境科学,2013(11):2087-2094.

[6]照明测量方法:GB/T5700-2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[7]环境空气质量标准:GB 3095-2012[S].北京:中国环境科学研究院,2016.

[8]城市道路照明设计标准:CJJ45-2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[9]刘刚,鲁世伟,党睿,等.雾霾天气对建筑光环境影响的定量化研究[J].照明工程学报:2015,26(6)：22-26.

[10]唐逸立,宋亚男,周小丽,等.模拟雾环境下视觉可见度实验研究[J].照明工程学报:2015,26(6)：71-75.