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基于PM2.5时空分布的城市通风廊道构建
摘要：治理寒地城市冬季产生的PM2.5至关重要。本研究以大庆市西城区为研究对象，基于PM2.5时空分布构建通风廊道。结果表明：（1）研究区域PM2.5具有季节周期性，通常在秋季上升，冬季达到最高，春季之后下降；（2） PM2.5浓度空间分布呈现出“东高西低”的特征；（3）对比通风廊道构建前后的风环境模拟结果,构建后西城区低风速区显著减少。
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高强度的城市建设导致空气被污染，改善城市内PM2.5污染对城市发展和居民生命健康安全的危害至关重要。
20世纪50年代德国斯图加特市为缓解空气污染，在城市中划分的作用空间、补偿空间、空气引导通道，完善了通风廊道扩散污染物的体系[1]。之后研究方法随技术发展。使用地理信息系统平台（Geographic Information Systems,GIS）将城市绿地系统与冷热岛强度、城市下垫面相结合研究通风潜力[2]。目前以研究PM2.5的时空分布为主要方法，根据气象要素与污染物的相关性提出策略[3-5]。
本研究以大庆市西城区为研究对象，通过城市形态分析通风环境，结合最小成本路径法（least cost path,LCP）和PM2.5时空分布构建通风廊道。
1、研究区域及研究方法
1.1研究区域
研究区域如图1所示。大庆市位于中国东北部高纬度地带，地形由平原、丘陵和湿地构成，属于温带大陆性气候，秋冬季节长，春夏季节短，夏季主导风向为东南风，冬季主导方向为西北风。大庆市西城区东起世纪大道与西一路相交环岛，北至北二路，南至西干线，西至乘风西路，城区整体沿昆仑大街、中央南大街、乘风大街、银浪大街由南至北沿轴线呈组团式分布。由于大庆市冬季取暖、工厂排放和交通运输所产生的空气污染物累积，常有雾霾产生。
1.2研究方法
使用GIS评估城市风环境，选用建筑密度（building density,BD）、天空开阔度（sky view factor,SVF）、地表粗糙度（roughness length,RL）计算城市通风潜力。以LCP为基础结合城市规划构建通风廊道。为分析研究区域PM2.5的时空分布特征，使用ORIGIN统计2018—2021年PM2.5的浓度变化，PM2.5数据来自城市空气质量发布平台和上海青悦数据。使用GIS分析2018—2021年PM2.5年均浓度空间分布特征，数据来自达尔豪斯大学气象分析组。2020—2021年风向风速数据来自NASA全球模拟同化办公室。风环境模拟选用WindPerfectDX软件。设定风向为西北。根据表1可知，模拟时选取10 m高度处风速上限为5 m/s。
2、研究结果
2.1城市风环境分析
根据表1和《地面气象观测规范风向和风速》（GB/T 35227—2017）进行风频统计，2020—2021年10 m高度出现风向为西北方向的次数分别为7次和5次。2020—2021年10 m高度处西北风向风频为58.3%和41.6%。全年西北风出现频率高且集中于冬季。
风环境影响因素如图2所示，均按自然断点法分为五类。中央大街、乘风大街等主干道沿线区域建筑密度高、天空开阔度小、地表粗糙度大、通风潜力低。密集的建筑不利于PM2.5扩散。
图1研究区域
图2风环境影响因素分布图
图3西城区冬季风环境模拟
风环境模拟结果如图3所示，城市内西南方向存在大量低风速区，密集的建筑群之间也有大量低风速区；少部分区域如西宾路、让杜路沿线区域有明显的高风速区，其余区域如新城街、乘风西路沿线区域有零散分布的高风速区。
2.2大气污染物PM2.5的时空分布分析
大庆市PM2.5年均浓度均处于《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）划定的国家二级标准以下（35μg/m3），但远未达到一级标准（15μg/m3）；四年间，PM2.5超标天数分别为20 d、34 d、47 d、21 d；连续2 d以上超标现象出现波动回落，与2018年相比，2020年达标率由93.4%上升至95.8%（见表2）。由图4可知，出现污染的日期多集中于冬季和春季，夏秋季节空气质量普遍良好。根据图4可知，PM2.5污染集中于冬季。PM2.5浓度曲线为连续的“U”形，每年PM2.5浓度均从秋季节开始增长，冬季达到最高，之后下降。
表1 2020—2021年10 m高度处风速风向统计
图4 2018—2021年PM2.5浓度逐日变化图
由图5(a)—(d）可知，2018—2021年年均PM2.5浓度分布存在相似性。PM2.5浓度低的区域集中在西城区西南部的乘风西路、乘风大街、银浪大街等区域；PM2.5浓度较高的区域集中在大庆市西城区的北部、东部、西部的中央大街、银浪大街—西干线沿线区域。根据图5(e）可知，中央大街、长庆街等沿线区域的PM2.5污染物浓度低于新城街沿线区域的PM2.5浓度。乘风大街、南三路沿线区域浓度低于银浪大街—西干线沿线区域的浓度，该区域浓度最低。银浪大街—西干线等沿线区域的浓度，略高于中央大街、建安街等沿线区域。因此西城区PM2.5空间分布特征为“东高西低”。
2.3城市通风廊道构建
由于在本研究中PM2.5空间分布是构建城市通风廊道的重要参考因素，而廊道构建要考虑多个阻力面，因此需要对阻力面进行分组讨论。以通风潜力、建筑密度作为一组阻力面；以PM2.5空间分布、通风潜力、建筑密度作为另一组阻力面，分别计算最小成本路径。结果划分为4类成本，阻力值越大则成本越高，反之越低。结果如图6所示。以建筑密度、通风潜力、PM2.5空间分布为阻力面的结果如图7所示。将两组结果叠加构建通风廊道如图8所示。一号廊道经过乘风西路区域，该区域为工业用地；二号廊道经过中央大街、西苑街向南连接银浪大街、西干线区域，该廊道以南北向贯穿西城区；三号廊道经过长庆街到创业大道区域。通风廊道构建后的风环境模拟如图9所示，与图3相比，西城区出现了更多的高风速区。
表2 2018—2021年PM2.5浓度数据统计
2.4城市空气污染治理策略
城市规划中应避免与高度起伏小且分布密集的建筑相邻，让不同高度建筑错落布置，防止气流被阻挡。要将新建工业用地远离城区布置，改善工业建筑的分布，保留足够的空间确保冬季盛行风的穿行。此外，城市绿地系统能够改善空气污染，城市街道的绿化树木可增加湍流使颗粒物浓度减少[6]。湖泊也能够降低PM2.5的浓度，大庆市多湖泊，可在削减PM2.5时发挥作用[7]。
图5 2018—2021年PM2.5年均浓度分布图和四年平均浓度分布图
图6基于建筑密度、通风潜力的最小成本路径
图7基于建筑密度、通风潜力、PM2.5空间分布的最小成本路径
图8基于大气污染物PM2.5分布的通风廊道构建
图9城市通风廊道构建后的城市风环境模拟
3、结语
本研究以大庆市西城区的三维矢量数据为基础，根据PM2.5污染物时空分布特征和城市通风潜力构建有利于大气污染物扩散的城市通风廊道。大庆市西城区的PM2.5浓度变化具有明显的周期性，浓度在秋季上升，在冬季达到最高值，次年春季下降。大庆市西城区PM2.5空间分布具有“东高西低”的特征。城市通风廊道构建改善了低风速区的通风，中央大街、乘风西路沿线区域的通风性均有所改善。虽然本文基于城市风环境影响因素和PM2.5时空分布进行了通风廊道的构建，但对于寒地城市通风与防风之间的界限仍需要更多的探讨。此外，对于如何改善建成区风环境也需要进一步的研究。
参考文献:
[1]曾忠忠,佀颖鑫.基于三种空间尺度的城市风环境研究[J].城市发展研究,2017,24(04):35-42.
[2]薛立尧,张沛,王瓅晨,等.城市通风分析及绿地协同规划设计研究:以西安为例[J].现代城市研究,2021(09):77-84,91.
[4]吴盛岚,何文杰,李玉华,等.2016—2020年武汉市PM2.5时空分布特征及与气象因子的相关性分析[J].湖北大学学报(自然科学版),2023,45(06):924-932.
[5]陈彦宁,张金谱,裴成磊,等.2016—2020年广州市PM2.5时空分布特征[J].环境科学学报,2022,42(12):273-285.
[7]朱春阳,曾元梓,陈奕汝,等.城市湖泊湿地对空气PM10､PM2.5的影响:以武汉为例[J].中国园林,2016,32(11):88-93.
文章来源:李静薇,胡佳和,雷武强,等.基于PM_(2.5)时空分布的城市通风廊道构建[J].城市建筑,2024,21(16):83-86.
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2024-08-21
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