城市三維形態與大氣污染的關聯性研究綜述

劉 暢 曹星煜 王新宇 張馨予

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221100）

1 研究背景

1.1 國內大氣污染情況

一座城市經濟社會水平的飛速進步，城市化進度的加速提升，往往造成不小的環境污染問題，生活生產的廢水排放引起的水污染，機動車尾氣排放和工廠濃煙引發的大氣污染，干擾人們正常生活的噪聲污染，這些都是我們常見的環境問題。其中大氣污染與人們生產生活聯系緊密，它的影響范圍廣影響力度大，危害著人們的健康。近年來我國持續受到大氣污染的影響，霧霾甚至在2013年成為了中國的年度關鍵詞之一，2018年1月，京津冀及其周邊地區發生了為期一個月的區域性嚴重環境污染，空氣質量遠不達標，城市被迫采取停課、停工、限行等應急措施，對社會造成了不可估量的損失。

從環保部公開的最新環境狀況公報中的數據發現，全國的城市中，有53.4%（180 個）的城市大氣質量超過了環境質量規范，只有46.6%（157個）的城市達到標準(評價所涉及的污染物濃度均達到標準)，雖然大氣污染情況有所改善，但結果依然不理想，依然存在一半以上的地區大氣污染嚴重。其中全國城市累計呈現嚴重污染的天數有452d，重度污染1666d，以顆粒物為首要污染物的天數分別占重度及以上污染天數的78.8%和19.8%[1]。

1.2 國內外研究現狀

世界城市化和工業化進程首先從西方國家開始，他們在發展過程中同樣面對著嚴峻的環境污染問題。大氣污染的研究最早是基于工業大革命后的生產技術和小汽車普遍使用，從技術手段上著手研究，為改善空氣質量水平，不斷提升節能環保技術。21世紀初期，隨著新城市運動的興起，無序蔓延的城市形態開始引起人們的關注，并由此引發了大量學者對大氣污染和城市形態的關聯性研究，用城市要素解決空氣環境問題的思路也開始出現。從國外有關城市形態與大氣污染的部分研究結論中發現：①低密度的城市形態更容易產生污染，且人口密度與CO、氮化物及揮發性有機物呈負相關；②城市結構方面，研究發現緊湊多中心的城市結構可以降低大氣污染；③城市交通體系對環境的影響十分顯著，完善的公共交通可以大大緩解城市壓力。

現有資料顯示，學者對大氣污染的研究多在環境科學和氣象學領域，從阻止污染源產生、治理角度入手，而有關城市三維形態與大氣污染關聯性的研究較少。丁沃沃等人的研究討論了城市微氣候和城市形態直接相關的兩個方面：城市的肌理形狀和城市的街巷空間，兩者都直接影響了城市天空的開闊度和城市粗糙度，繼而影響到城市的空氣質量[2]。張純等人研究表明城市形態與空氣質量之間的關系更多是間接、復雜而非簡單的線性關系，應將人口、產業、用地和交通進行綜合考慮[3]。秦蒙等人研究表明城市蔓延與空氣質量有著一定關聯度，城市蔓延會通過影響人口規模、通勤距離、污染排放等加重霧霾程度[4]。由此可見，氣污染載體的載體是城市，城市形態與污染的擴散密切相關。因此從城市三維形態入手，研究其與大氣污染的內在關聯性是非常必要的。

2 城市三維形態：加入高度信息及衍生特征

城市三維形態由城市內部的綠化、交通及建筑設施基面等共同組合而成，具有不同功能的基面在三維空間中組合在一起，形成特定的形態結構[5]。目前國內多從平面入手研究城市形態，內容包括城市肌理、城市功能布局、建筑空間組織等二維指標。三維形態與二維形態的最大差異莫過于加入了高度的信息。本文選取可量化的城市蔓延度、城市結構、城市規模、建筑高度等指標對其與大氣污染的關聯性進行探究。

3 城市三維形態與大氣污染的關聯性

3.1 城市蔓延度與大氣污染的關聯性

城市蔓延度體現了一座城市內部空間的疏密程度即空間物質狀態的城市密度。早期人們的研究認為人類活動越集中的地方往往伴隨著嚴重的空氣污染，因此美國20世紀中期通過將人口轉移到廣闊的郊區來減輕城市的空氣環境壓力。通過之后的研究發現:蔓延的城市空間會造成更惡劣的大氣污染，相反聚集組團發展的城市環境污染輕，因為在這樣的城市中能將公共交通設置高效利用，從而減輕尾氣排放。近兩年的研究也證實了這個結論，無論在何種情況下，低密度的蔓延都是不利于城市大氣圈的。

3.2 城市結構與大氣污染的關聯性

有兩種城市結構，一種是城市圍繞一種中心區集中發展的單核心結構，另一種是由多個核心發展起來的多核心城市。研究發現，單核心結構的城市能很好地縮短交通道路網絡，從而減輕尾氣排放，但單核心結構也會導致人口與道路的集中而產生區域超負荷。多核心城市效率最高，但由于交通網絡分散，單位面積利用率低。因此，采用多核心的城市結構時，需要合理布局人口與交通分布，實現經濟高效的城市結構，控制交通帶來的廢氣排放量，提高城市空氣質量。

3.3 城市規模與大氣污染的關聯性

城市規模一般指城市常住人口數量，這里的城市規模指的是城市的建成區面積。城市規模與大氣污染相關，城市在擴張的同時會利用大量的資源，生產作業過程中也會產生大量的揚塵與粉塵，造成一定程度的大氣污染。但也有其他研究表示城市的人口規模與綜合污染指數不存在顯著的相關關系。

3.4 建筑高度與大氣污染的關聯性

大氣污染會受到城市高層建筑布置方式的間接影響，因城市化進程加速、土地資源日益稀缺等原因，城市將高層建筑集中到一起建設，使得高層建筑過度密集，導致均勻層界面升高，均勻層界面以下氣流難以進入，空氣流通收到阻礙導致污染物無法及時擴散，導致有害氣體在城市空間積聚。有研究發現，對于高度不均勻的建筑，凸高的建筑會產生導流效果，可增強街谷通風，由此可見街谷高度的非均勻性可緩解大氣污染[6]。

4 影響機制探究

城市三維形態與大氣污染之間的影響機制并非直接的，目前已有的研究對于城市形態對大氣污染影響機制的探究多是來源于污染物排放源頭角度的，即城市三維形態布局會影響交通布局或第二產業集聚，進而影響汽車尾氣排放或工廠污染物排放，最終影響大氣環境。城市三維形態中會形成區域氣流場，而這些區域氣流場是污染物擴散至關重要的環節。實驗證明，小于2m/s的風速對污染物擴散作用很小，導致大氣污染物在一定區域內大量匯集，而超過6m/s的風速會加快空氣中污染物的擴散。城市大多數情況下處于微風狀態，微風狀態下城市的均勻層界面及街道峪谷系數對大氣污染程度有很大影響[7]。微風狀態下風很難以進入均勻層界面以下，當城市中出現高層建筑集聚的情況時，污染物無法向外擴散，造成此區域的空氣質量下降。

5 針對大氣污染對城市三維形態的優化建議

城市風環境能加速污染物擴散、降低城市大氣污染，除了在規劃時控制完善城市建筑分布格局、建筑密度和建筑高度等三維特征之外，還需注意街谷高寬比(H/A)以獲得良好的通風環境；也可在建筑高密度空間設置城市景觀生態通風廊道來加速氣流場運轉，通過景觀生態通風廊道從城市下層引入空氣，讓新鮮空氣由此進入并貫穿城市，再從尾端排出；在污染集中區域增加大型綠地及水體、灰空間等也可以通過滯塵有效地緩解城市大氣污染。