城市大气环境的氮氧化物污染及治理技术研究

黄 鑫

（福建省福州环境监测中心站，福建 福州 350000）

城市化促进了经济增长和人类发展，但也加剧了城市空气污染，使之成为全球最大的公共卫生风险。据报道，在拥有空气质量监测系统的城市中，超过80%的城市人口呼吸的空气未达到世界卫生组织（WHO）的标准，全世界每年有420 万人死于环境空气污染。为对抗空气污染，WHO 发布了4 项空气污染物的排放（控制）标准，即颗粒物（PM）、二氧化氮（NO）、臭氧（O）和二氧化硫（SO）。目前，许多城市已经建立了环境空气质量监测站，以评估其环境污染物含量是否达标。

车辆排放通常被视为城市空气污染的主要排放源。城市街道是户外活动的重要公共空间，因此，街道峡谷空气污染会对公众（行人、司机和自然通风建筑物中的居民）健康造成不利影响。由于靠近排放源，路边污染物浓度通常远高于周围污染物浓度。此外，城市人口的快速增长不仅增加了交通量和排放量，还推动了中高密度住房的发展，尤其是在交通枢纽和购物中心周围，高层和密集的建筑物形成了深深的街道峡谷，限制了污染物的扩散，使得路边空气污染问题进一步恶化。与宽阔街道相比，城市街道峡谷的污染物浓度更高。

本文综述了影响城市街道峡谷中车辆排放物产生与扩散的因素，比较了各种路边空气污染控制策略的有效性，以期为政策制定者和城市规划者有效地规划和管理城市发展，并达到高空气质量标准提供理论支持。

1 影响城市街道峡谷中车辆排放物产生与扩散的因素

1.1 交通状况

汽车尾气是城市街道峡谷环境中空气污染物的主要来源，而交通量构成和驾驶条件是影响尾气排放的重要因素。交通量越高，通常会使污染物排放量更高，从而导致街道峡谷的污染程度更高。但不同车辆的排放速率不同，故对总排放量的贡献也各有差别。据估计，虽然重型柴油车（HDV）在全球道路车辆总数中所占比例很小（＜5%），但它们在公路上排放40%～60%的氮氧化物（NO）和PM 以及70%～90%的黑碳。因此，在柴油车车流量较高的道路上，空气污染物浓度也较高。此外，排放标准过时、行驶里程高或发动机排放控制系统故障的车辆可能会产生比其他车辆更多的尾气。

驾驶条件可以通过两种方式影响路边空气质量，即排放率和车辆引起的湍流。由于重载车辆排放率高，因此在上坡路段加油、红绿灯或公交车站后加速、拥挤路段频繁停车/启动和加减速都会导致空气中污染物浓度上升。与怠速状态的车辆相比，行驶中的车辆会产生湍流，这大大增强了排放物的扩散，从而降低了街道峡谷的排放物浓度。此外，由于所谓的活塞效应，单向交通比双向交通更有利于排放物的扩散。

1.2 峡谷几何形态

街道峡谷形成了以底部地面和两侧建筑物为界的半封闭空间，因此汽车尾气只能通过顶部的敞开空间扩散。与宽阔的街道相比，这极大地限制了自然通风去除污染物的效果，并导致空气污染物浓度升高。街道峡谷最重要的参数是纵横比（/）。一般来说，峡谷越深（/越大），越会削弱通风，阻碍污染物的扩散。

建筑物长度与街道宽度之比（/）是影响街道峡谷污染物扩散的另一个关键参数。当/很大时，扩散过程可以简化为二维问题。然而，在现实世界中，城市区域被分割成具有有限/的街区。在这种情况下，道路交叉口成为街道峡谷之间空气交换和排放再分配的重要场所，这些过程因环境风、建筑高度、建筑对称性和大气稳定性而变得复杂。

此外，街道峡谷在高度（对称或不对称）和屋顶形状（平面、三角形或倾斜）方面的不同会影响街道峡谷内的风致湍流，从而影响空气质量。而街道障碍物的存在也改变了街道峡谷的几何形态，如树木、高架桥、隔声屏障和路边停放的汽车。与决定整体流场的/、/和建筑配置不同，街内屏障仅影响街道峡谷底部的气流，但这种局部稀释对行人呼吸区的空气质量也很重要。

1.3 气象条件

天气条件包括各种气象参数，如风速、风向、温度、湿度和阳光。其中，风速和风向是影响街道峡谷排放物扩散的首要因素。

较高的风速通常会形成风致湍流并更快地消除车辆排放物，从而改善路边空气质量。在风向方面，平行于街道轴线的风有利于排放物的去除，但平行风产生的垂直气流有限，因此一个潜在的问题是长街道峡谷顺风区域的排放物累积。另外，垂直于街道轴线的风不利于排放物的扩散，并且建筑物屋顶引起的涡流（类似于顶盖驱动空腔流）导致排放物分布不均匀。此外，倾斜风可能会产生污染物去除的最佳和最差条件，因为风向的微小变化可以显著改变街道内的气流和污染物分布。

阳光对路边空气质量也有显著影响，其加热建筑物的外墙和地面，这种热效应会产生浮力，推动街道峡谷中的气流和排放物扩散。其他天气参数对排放物扩散的影响较小，如环境温度和湿度。

1.4 化学反应

化学反应不会改变气流，但会显著影响街道峡谷中的污染物成分。大多数车辆排放物是惰性的，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），而NO可以在几十秒内与O快速反应，因此被视为具有化学反应性。O不是由车辆直接排放，而是在阳光照射下，由NO和挥发性有机物（VOCs）经光化学反应生成的二次污染物。NO排放以柴油车为主，其主要以NO 的形式存在，通常会导致路边的O浓度比周围环境低，而NO浓度比周围高。街道峡谷中的NO-O反应会受到多种因素的影响，包括天气条件（主要是风、温度和阳光）、交通条件（NO和VOCs 的来源）和峡谷几何形态（影响阳光照射和街道气流的纵横比）。此外，植被也可以通过在叶片表面沉积PM 排放物和通过叶片气孔吸收气体污染物（如O和NO）来减少空气污染，其净化能力主要取决于植被种类及环境条件。

2 控制路边空气污染的策略

2.1 交通干预

2.1.1 新的车辆技术和法规

先进的车辆技术（如电动汽车和更清洁的发动机）和严格的排放法规（如Euro 6 标准）对于缓解与交通有关的空气污染问题至关重要。其中，电动汽车通常被认为是最有效的解决方案。有研究通过“从油井到车轮”分析法估算了中国电动汽车和汽油车的排放量，结果表明，与汽油车相比，电动汽车的VOCs降低了98%，NO降低了34%，但一次PM和SO未发生显著变化。据预测，到2030年，适度的电动汽车普及率（20%的私人乘用车和80%的商用乘用车电动化）可使中国长江三角洲的PM平均浓度降低0.4 ～1.1 μg/m。

目前，由于价格、里程和充电基础设施等问题，电动汽车仅占全球汽车销量的一小部分，以内燃机为动力的传统汽车仍在市场中占主导地位。因此，由日益严格的法规推动更清洁的发动机技术的发展对于减少与运输相关的空气污染同样重要。与Euro 1 标准相比，Euro 6 标准中柴油乘用车的CO、HC 和NO排放限值至少降低了80%，汽油乘用车至少降低了60%，极大限制了道路车辆的排放量。

2.1.2 在用车辆的排放控制

减少在用车辆排放的方法有很多，如使用天然气制油（GTL）或加氢处理植物油（HVO）等替代燃料、车改、淘汰旧车、高排放车辆筛选、奇偶车牌驾驶限制和发动机改造等。此外，还可创建低排放区（LEZ），限制高排放车辆进入指定街道或市中心，目前，全球已建立250 多个LEZ。为了减少交通拥堵，降低空气污染，伦敦、斯德哥尔摩和新加坡等城市还实施了拥堵收费计划（CCS）。

2.2 城市规划

通过城市设计改善空气质量的策略可分为两种，即整体峡谷几何形态设计和街内屏障设计。第一种会影响街道峡谷内的整体气流，而第二种主要影响峡谷内低空区域的气流。

整体峡谷几何参数的设计包括纵横比、街道/建筑朝向、建筑高度配置和屋顶形状。这些因素通过影响街道峡谷内的风致湍流，影响空气通风和污染物去除。一般来说，较低的纵横比、与盛行风向平行的街道以及平行于林荫大道的较短侧边的建筑物有利于污染物扩散，高度不一致的街道峡谷比高度一致的更有利于扩散，上升峡谷（逆风建筑低于顺风建筑）的路边空气质量优于下降峡谷。此外，在污染物去除方面，促进对流效应的策略（如建筑物分离）比促进湍流扩散的策略（如建筑后退）更有效。

路内屏障大致分为多孔屏障（如树木和树篱）和固体屏障（如路边停放的汽车、隔声围栏和高架桥）。路内屏障的核心设计原则是在对通风影响最小的情况下，最大限度地减少从排气管到路边呼吸区的排放物。

3 结论

路边空气质量很大程度上取决于交通状况、气象条件、街道峡谷特征和路内屏障的协同作用。通过实施一些潜在的排放控制措施，如设置树篱、隔声屏障和低排放区等，可以改善路边空气质量。而峡谷几何形态设计，如建筑高度、屋顶形状和街道方向等，也是影响路边空气质量的重要因素。仔细评估交通状况和城市规划对排放物扩散的影响，根据实际情况，制定合适的污染物控制措施和排放法规，这对于维持可持续和宜居的城市环境至关重要。迄今为止，对改善路边空气质量的控制措施和城市规划还缺乏系统的调查和通用指南，未来在这方面需要进行更全面、深入的研究和实践。