城市三维形态与大气污染的关联性研究综述

刘 畅 曹星煜 王新宇 张馨予

（中国矿业大学，江苏 徐州 221100）

1 研究背景

1.1 国内大气污染情况

一座城市经济社会水平的飞速进步，城市化进度的加速提升，往往造成不小的环境污染问题，生活生产的废水排放引起的水污染，机动车尾气排放和工厂浓烟引发的大气污染，干扰人们正常生活的噪声污染，这些都是我们常见的环境问题。其中大气污染与人们生产生活联系紧密，它的影响范围广影响力度大，危害着人们的健康。近年来我国持续受到大气污染的影响，雾霾甚至在2013年成为了中国的年度关键词之一，2018年1月，京津冀及其周边地区发生了为期一个月的区域性严重环境污染，空气质量远不达标，城市被迫采取停课、停工、限行等应急措施，对社会造成了不可估量的损失。

从环保部公开的最新环境状况公报中的数据发现，全国的城市中，有53.4%（180 个）的城市大气质量超过了环境质量规范，只有46.6%（157个）的城市达到标准(评价所涉及的污染物浓度均达到标准)，虽然大气污染情况有所改善，但结果依然不理想，依然存在一半以上的地区大气污染严重。其中全国城市累计呈现严重污染的天数有452d，重度污染1666d，以颗粒物为首要污染物的天数分别占重度及以上污染天数的78.8%和19.8%[1]。

1.2 国内外研究现状

世界城市化和工业化进程首先从西方国家开始，他们在发展过程中同样面对着严峻的环境污染问题。大气污染的研究最早是基于工业大革命后的生产技术和小汽车普遍使用，从技术手段上着手研究，为改善空气质量水平，不断提升节能环保技术。21世纪初期，随着新城市运动的兴起，无序蔓延的城市形态开始引起人们的关注，并由此引发了大量学者对大气污染和城市形态的关联性研究，用城市要素解决空气环境问题的思路也开始出现。从国外有关城市形态与大气污染的部分研究结论中发现：①低密度的城市形态更容易产生污染，且人口密度与CO、氮化物及挥发性有机物呈负相关；②城市结构方面，研究发现紧凑多中心的城市结构可以降低大气污染；③城市交通体系对环境的影响十分显著，完善的公共交通可以大大缓解城市压力。

现有资料显示，学者对大气污染的研究多在环境科学和气象学领域，从阻止污染源产生、治理角度入手，而有关城市三维形态与大气污染关联性的研究较少。丁沃沃等人的研究讨论了城市微气候和城市形态直接相关的两个方面：城市的肌理形状和城市的街巷空间，两者都直接影响了城市天空的开阔度和城市粗糙度，继而影响到城市的空气质量[2]。张纯等人研究表明城市形态与空气质量之间的关系更多是间接、复杂而非简单的线性关系，应将人口、产业、用地和交通进行综合考虑[3]。秦蒙等人研究表明城市蔓延与空气质量有着一定关联度，城市蔓延会通过影响人口规模、通勤距离、污染排放等加重雾霾程度[4]。由此可见，气污染载体的载体是城市，城市形态与污染的扩散密切相关。因此从城市三维形态入手，研究其与大气污染的内在关联性是非常必要的。

2 城市三维形态：加入高度信息及衍生特征

城市三维形态由城市内部的绿化、交通及建筑设施基面等共同组合而成，具有不同功能的基面在三维空间中组合在一起，形成特定的形态结构[5]。目前国内多从平面入手研究城市形态，内容包括城市肌理、城市功能布局、建筑空间组织等二维指标。三维形态与二维形态的最大差异莫过于加入了高度的信息。本文选取可量化的城市蔓延度、城市结构、城市规模、建筑高度等指标对其与大气污染的关联性进行探究。

3 城市三维形态与大气污染的关联性

3.1 城市蔓延度与大气污染的关联性

城市蔓延度体现了一座城市内部空间的疏密程度即空间物质状态的城市密度。早期人们的研究认为人类活动越集中的地方往往伴随着严重的空气污染，因此美国20世纪中期通过将人口转移到广阔的郊区来减轻城市的空气环境压力。通过之后的研究发现:蔓延的城市空间会造成更恶劣的大气污染，相反聚集组团发展的城市环境污染轻，因为在这样的城市中能将公共交通设置高效利用，从而减轻尾气排放。近两年的研究也证实了这个结论，无论在何种情况下，低密度的蔓延都是不利于城市大气圈的。

3.2 城市结构与大气污染的关联性

有两种城市结构，一种是城市围绕一种中心区集中发展的单核心结构，另一种是由多个核心发展起来的多核心城市。研究发现，单核心结构的城市能很好地缩短交通道路网络，从而减轻尾气排放，但单核心结构也会导致人口与道路的集中而产生区域超负荷。多核心城市效率最高，但由于交通网络分散，单位面积利用率低。因此，采用多核心的城市结构时，需要合理布局人口与交通分布，实现经济高效的城市结构，控制交通带来的废气排放量，提高城市空气质量。

3.3 城市规模与大气污染的关联性

城市规模一般指城市常住人口数量，这里的城市规模指的是城市的建成区面积。城市规模与大气污染相关，城市在扩张的同时会利用大量的资源，生产作业过程中也会产生大量的扬尘与粉尘，造成一定程度的大气污染。但也有其他研究表示城市的人口规模与综合污染指数不存在显著的相关关系。

3.4 建筑高度与大气污染的关联性

大气污染会受到城市高层建筑布置方式的间接影响，因城市化进程加速、土地资源日益稀缺等原因，城市将高层建筑集中到一起建设，使得高层建筑过度密集，导致均匀层界面升高，均匀层界面以下气流难以进入，空气流通收到阻碍导致污染物无法及时扩散，导致有害气体在城市空间积聚。有研究发现，对于高度不均匀的建筑，凸高的建筑会产生导流效果，可增强街谷通风，由此可见街谷高度的非均匀性可缓解大气污染[6]。

4 影响机制探究

城市三维形态与大气污染之间的影响机制并非直接的，目前已有的研究对于城市形态对大气污染影响机制的探究多是来源于污染物排放源头角度的，即城市三维形态布局会影响交通布局或第二产业集聚，进而影响汽车尾气排放或工厂污染物排放，最终影响大气环境。城市三维形态中会形成区域气流场，而这些区域气流场是污染物扩散至关重要的环节。实验证明，小于2m/s的风速对污染物扩散作用很小，导致大气污染物在一定区域内大量汇集，而超过6m/s的风速会加快空气中污染物的扩散。城市大多数情况下处于微风状态，微风状态下城市的均匀层界面及街道峪谷系数对大气污染程度有很大影响[7]。微风状态下风很难以进入均匀层界面以下，当城市中出现高层建筑集聚的情况时，污染物无法向外扩散，造成此区域的空气质量下降。

5 针对大气污染对城市三维形态的优化建议

城市风环境能加速污染物扩散、降低城市大气污染，除了在规划时控制完善城市建筑分布格局、建筑密度和建筑高度等三维特征之外，还需注意街谷高宽比(H/A)以获得良好的通风环境；也可在建筑高密度空间设置城市景观生态通风廊道来加速气流场运转，通过景观生态通风廊道从城市下层引入空气，让新鲜空气由此进入并贯穿城市，再从尾端排出；在污染集中区域增加大型绿地及水体、灰空间等也可以通过滞尘有效地缓解城市大气污染。