武汉街道峡谷中垂直绿化的滞尘效应及应用

街道峡谷中垂直绿化的滞尘效应及应用——以武汉市为例

 

摘要：【目的】城市街道中人群活动密集，其空气质量问题值得关注。为解决街道峡谷内颗粒污染物难以扩散的问题，探究垂直绿化净化街道峡谷空气的能力和策略。

 

【方法】以垂直绿化的滞尘效应为研究对象，通过现场调研与实测、正交实验结合计算机软件数值模拟等方法，定量探讨垂直绿化在街道峡谷形态、相对风向、布局方式等多种因素共同作用下的滞尘效应，并比较各因素的影响强弱。

 

【结果】1）街道峡谷宽度、布局方式与水平向布置密度对垂直绿化滞尘效应影响最强。

2）垂直绿化更适宜布置在道路较窄的城市支路以及迎风时长较多的建筑立面。

 

【结论】得出滞尘效应最优的因素水平组合，总结出垂直绿化滞尘效应最佳的设计策略与滞尘能力模型，并评估垂直绿化在武汉市的滞尘潜力，为垂直绿化在街道峡谷中的应用提供理论依据。

 

随着中国经济持续发展，道路交通工具使用频率升高，导致大量有害气体的排放。2020年全年监测数据显示[1]，全国337个地级及以上城市中空气质量不达标者比例占43.3%、污染物超标天数比例为13.0%。其中，以可吸入颗粒物PM2.5、PM10为首要污染物的超标天数分别占总超标天数的51%和11.7%。空气质量与人们的身体健康息息相关。有研究表明，人群长时间暴露在高浓度颗粒物环境中会增加呼吸系统疾病与心血管疾病的患病风险[2]。

 

城市街道建筑密集，街道路面与两侧建筑物所形成的下垫面形式称为街道峡谷[3]。污染气体在街道峡谷中不易扩散，导致污染物不断积累[2]，且仅靠自然通风难以快速降低污染物含量，亟须寻求其他净化方式。研究表明，植物可通过滞尘效应减少空气中的可吸入颗粒物[4]，目前已有大量研究证实植物对可吸入颗粒物的吸附能力与植物的种类、密度、种植布局等因素相关[5-7]，这些因素既能影响颗粒物的沉积，也能影响颗粒物在空气中的扩散。随着城市化的发展，城市中绿化面积占比受限。垂直绿化技术通过固定、攀扶、垂吊、贴植等方式在建筑外墙上铺设绿色植物，不仅可以增加城市绿量率，还可以通过植物的滞尘效应改善城市空气环境。

 

近年来，已有关于垂直绿化滞尘效应的研究探讨了种植设计对滞尘量的影响[8-9]，并分析了街道环境中街道宽高比、不同建筑相对高度、来流风向等对垂直绿化滞尘效应的影响[10]。Perini等[11]通过电子显微镜与图像分析软件定量分析了不同种类植物对颗粒物的滞尘效应；Qin等[12]证实了在不同街道峡谷形式下垂直绿化各因素对颗粒物的扩散影响程度不同。目前相关研究多数采用单一变量多次实验的方法，缺少多个影响因素对垂直绿化滞尘效应的分析以及各因素对滞尘效应影响强弱的比较。本研究基于正交实验和数值模拟方法，评估街道峡谷中不同影响因素对垂直绿化滞尘效应的影响，得出垂直绿化滞尘效应的变化规律与最优设计策略。

 

1研究方法

 

本研究对垂直绿化临近区域的空气质量进行实测，用ENVI-met软件对实测地点进行数值模拟。通过对比模拟与实测数据，验证数值模拟的可靠性；再用模拟实验的方法对街道峡谷中影响垂直绿化滞尘效应的多种因素进行数值模拟研究。

 

1.1现场实测

 

实测地点选择在人车流量大、现有垂直绿化养护良好的武汉市北湖西路。北湖西路属于城市支路，街道峡谷宽16m，沿街围墙上布置有高6m的间断式垂直绿化，实测地点道路两侧高层建筑分别高48、24m。笔者于2022年夏季7月对其临近区域进行空气质量检测，将测点布置于垂直绿化表面以及人行道边缘（图1）。

 

实测内容包括空气温度与相对湿度、PM10与PM2.5浓度、测点风速。空气温湿度及颗粒物浓度用鑫思特HT-9600粉尘浓度检测仪，测量范围为0~1000μg/m3，颗粒物测量精度为1μg，误差为±1%。

风速用希玛AR866A手持式高精度热敏风速仪测量，测量范围为0~30m/s，测量精度为0.01m/s，误差为±1%。实测时选择无风或微风的晴天，避免环境风速变化过大对颗粒污染物扩散产生影响。将空气质量检测仪器布置在人体呼吸高度1.5m，在测点位置进行测量，每隔30min进行一次数据收集，每次收集数据为1min内的平均值。由于日间人群活动量和车流量远大于夜间，故选择实测时段为08：00—20：30，共12.5h。

 

1.2模拟实验

 

1.2.1因素与水平的确定

 

本研究选取的实验指标为垂直绿化迎风面与背风面的滞尘量，即垂直绿化所在单元格的滞尘量总和。本研究选择街道峡谷高度、街道峡谷宽度、相对风向、叶面积密度（leafareadensity,LAD）、垂直绿化水平向布置密度（简称水平向布置密度）、垂直绿化布局方式（简称布局方式）共6个因素作为正交实验因素。通过统计武汉市街道现状，总结街道峡谷形态特征、风环境现状，并根据垂直绿化现状确定各因素的不同水平取值（表1）。

 

1.2.2正交实验设计

 

实验共计6种因素、3个水平，根据正交表L18（36）列出实验计划，共需进行18次模拟实验（表2）。



其中街道峡谷形态与垂直绿化设计方式均不相同，街道峡谷共9种形式（图2），垂直绿化共18种布置形式（图3）。

 

1.2.3模拟参数设置

 

ENVI-met软件的模型分辨率为0.5~10m，模型风场求解采用Navier-Stokes方程，湍流模型基于Mellor等[13]深化的修正k-ε模型。本研究根据湖北省气象与生态自动监测网（zdz.hbqx.gov.cn）发布的武汉市夏季典型气象日数据，假设可吸入颗粒物为连续线性排放，并处于汽车尾气排放高度（离地0.3m处），双向分布在街道峡谷中央。小客车的PM10排放因子为0.72，排放速率为180μg/m·s；PM2.5排放因子则为PM10排放因子乘以系数0.7，排放速率为126μg/m·s[14]（表3）。

 

街道峡谷污染源设置于车道中线（图4）。使用简单植物模块设置3种不同LAD的垂直绿化，垂直绿化高度为6m，宽度为0.5m。街道长度设置为60m，尽量符合颗粒污染物停留时间更长的情形[15]。