合肥市不同功能街道峽谷PM2.5和PM10時空分布特征及影響因素分析

王薇 ，程歆玥

1. 安徽建筑大學建筑與規劃學院，安徽 合肥 230601；2. 安徽建筑大學建成環境與健康重點實驗室，安徽 合肥 230601

空氣污染不僅對人體的呼吸系統、心血管系統、免疫系統、生殖系統、神經系統等造成危害，更會影響氣候變化、交通運輸和生態系統等，給國家經濟帶來重大損失，因此引起廣泛關注（Meszaros et al.，2015；She et al.，2020；吳凌云等，2021）。中國共產黨的十九屆五中全會對“十四五”期間生態文明建設進行了全面部署，提出要深入打好污染防治攻堅戰、持續改善環境質量。習近平總書記指出，“十四五”期間，中國生態文明建設進入了以降碳為重點戰略方向、推動減污降碳協同增效、促進經濟社會發展全面綠色轉型、實現生態環境質量改善由量變到質變轉變的關鍵時期（孫金龍，2021；黃潤秋，2021）。一方面是建筑面積的增加，在“十四五”期間，中國常住人口城鎮化率已提高到65%，2021年中國新開工改造城鎮老舊小區5.3萬個（李克強，2021）。另一方面是生活方式的轉變，人民基于對美好生活的追求，節水節電的生活方式向更舒適、更健康、更安全的建筑環境轉變（安永碳中和課題組，2021）。建筑行業的雙碳目標不應僅著眼于單體建筑的改造，也要看成以城市街區為整體的節能系統，加強污染防治建設和生態建設，持續改善環境質量。在此研究背景下，研究城市不同功能街道峽谷的PM2.5和PM10質量濃度的時空分布特征，分析其影響因素并進行評價，對城市的生態文明建設具有重要的指導意義。

城市街道峽谷是城市居民生活的主要場所之一，其在城市建成環境中的占比高達三成（于洋等，2020）。街道峽谷是指兩側具有連續高大建筑物的狹長街道（Nicholson，1975）。1993年，街道峽谷這一概念被引入中國，后來被進一步擴展。即使街道兩旁的建筑物高低不平、不連續甚至有一定的缺口，也可稱作街道峽谷（周洪昌等，1994；王寶民等，2005）。街道峽谷內污染物的擴散主要受交通量、氣象條件、天空開闊度、街道峽谷高寬比和朝向等影響（鄧寄豫等，2017；葛曉燕，2018）。由于兩側建筑的阻擋，傳輸的污染物難以擴散，進而產生累積效應；同時，由于街道峽谷附近人口較多，街道峽谷內的污染物不僅影響室外環境質量，還會作為置換源影響室內空氣質量，進而影響城市居民的身體健康。

目前關于街道峽谷的相關研究主要分為模型與模擬（Ahmadi et al.，2020）、污染與濃度（Huang et al.，2021）、建筑與道路（Miao et al.，2020）3個方面，涉及計算機軟件、環境科學、建筑學、市政交通、風景園林等多門學科。考慮到街道峽谷類型較多，分類較為復雜，過多的形態化劃分往往會造成重復的選擇，許多研究者對研究對象的劃分方式進行了簡化（劉超等，2021）。例如，刁貝娣等（2021）利用K-Means聚類分析方法，將全國338個城市劃分為工業型城市、資源型城市、中心型城市、其他類型城市共4類，分析其PM2.5健康風險及影響因素差異。張丹龍等（2016）按人類活動、城市規劃布局和交通流量將淮南市劃分為文教區、商業交通區、公園綠地、居住區、煤炭運輸區、經濟開發區共6類，分析不同功能區葉面塵和地表灰塵中重金屬分布特征和來源。劉晴等（2019）將泰安市典型生態功能區劃分為廣場公園區、居民住宅區、城市道路區、工業廠房區共4類，分析其空氣負離子的時空分布。相較于上述的分類方式，本研究按照城市用地布局、交通流量將合肥市不同功能街道峽谷劃分為商業型、居住型、辦公型共3類。

街道峽谷的研究大多集中在城市宏觀層面，而對于與人體接觸緊密的街道峽谷中PM2.5和PM10質量濃度的探討較少，且國內多集中在污染物來源解析，對于交通排放空間格局的研究較少（陳嵐琪等，2020；王薇等，2021d）。基于此，本研究以合肥市2021年夏季3種典型的功能型街道峽谷為例，采用固定式監測點的方式實測街道峽谷內PM2.5和PM10質量濃度，并結合附近國控監測點數據，分析PM2.5和 PM10在街道峽谷的時空分布規律。同時，利用SPSS 25.0軟件分析污染物和空氣溫度、相對濕度等環境因子的相關性，并使用AQI對不同功能街道峽谷的空氣質量進行評價，從而為城市街道峽谷空氣污染防治提供對策，并給出城市設計、交通管理方面的建議；同時，對于改善城市街道峽谷的空氣質量，提高街道峽谷居民的生態環境品質具有積極意義。

1 研究概況與方法

1.1 研究區域劃分與樣點布設

合 肥 市 地 處 于 中 緯 度 地 帶 （ 31°52′N ，117°17′E），是季風氣候最為明顯的區域之一，屬于典型的夏熱冬冷氣候區城市，全年氣溫夏熱冬冷，春秋溫和，年平均氣溫在 15—16 ℃之間，屬于溫和型氣候，夏季平均氣溫在27.5—28.5 ℃左右，冬季平均氣溫在1.5—5.0 ℃之間，相對濕度與溫度的年變化相一致，夏季最大，冬季最小。城市主導風向為東南風，其中夏季東南風，冬季東北風，年平均風速在1.6—3.3 m·s-1之間（王薇等，2021a）。2020 年合肥市全市 PM2.5年均值為 36 μg·m-3，未達到國家二級標準（35 μg·m-3），超標0.03倍（合肥市生態環境局，2021）。

為研究合肥市不同功能街道峽谷空氣質量濃度變化特征，按照周邊建筑功能、建筑密度、停留時間和交通流量等，將合肥市的街道峽谷劃分為商業型、居住型和辦公型3個類別，如表1所示。商業型街道峽谷的建筑密度高，人流量大，而且頻繁的商業活動會加劇街道峽谷內的污染物濃度水平。以沈陽市某商業街區為例（李綏等，2014），污染物質量濃度變化在一定范圍內與濕度呈正相關，由于街道峽谷兩側建筑高度、形態和密度的差異，形成街道峽谷局部流場，對污染物的擴散效果具有較大影響。居住型街道峽谷與居民生活聯系密切，且居民停留時間較長。以合肥市高層高密度城市住區為例（王薇等，2021c；夏斯涵，2021），不同空間形態下的細顆粒物濃度分布是不同的。辦公型街道峽谷對辦公人群而言是白天停留時間最長的地方，與辦公生活密切接觸（Ruan et al.，2019）。目前，對辦公區的研究多集中在室內污染物防治方面，對辦公型街道峽谷的研究較少。

表1 不同功能街道峽谷測點信息表Table 1 Information table of measurement points in different functional streets and canyons

本研究根據建筑布局、建筑高度、街道寬度、植物綠化等方面特征，綜合選取并確定監測樣點，分析城市街道峽谷PM2.5和 PM10質量濃度的時空分布特征。3類不同功能的街道峽谷各布設7個樣點，如圖1所示。

1.2 監測方法

根據街道峽谷測點的分布，配置7臺ONETEST 500粉塵濃度監測儀和7臺KESTREL 5500手持式風速儀進行測試。粉塵濃度監測儀測試 PM2.5質量濃度及溫濕度，其中 PM2.5質量濃度的測量范圍為0—1000 μg·m-3，測量精度±10% FS，分辨率為 0.1 μg·m-3；溫度的測量范圍為-20—60 ℃，測量精度±0.5%，分辨率為 0.1 ℃；相對濕度的測量范圍為0—100%，測量精度±3%，分辨率為0.1%。測試每2秒鐘記錄一次數據。測試高度與一般人體呼吸高度保持一致，距離地面1.5 m，如圖1所示。

圖1 商業型（a）、居住型（b）和辦公型街道峽谷（c）樣點布設Figure 1 Layout of sample points in commercial (a), residential (b) and office street canyons (c)

實測選擇在2021年8月1—13日進行，每天08:00—18:00，共10 h，監測街道峽谷內的PM2.5和PM10質量濃度、溫濕度等。測試期間天氣晴穩一致。

1.3 空氣質量評價標準

根據生態環境部 2018年發布的《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）修改單（生態環境部，2018），空氣質量指數（Air Quality Index，簡稱 AQI）是一個用來定量描述空氣質量水平的數值，取值范圍位于0—500之間，如表2所示。

表2 空氣污染物濃度等級評價標準Table 2 Evaluation standards for air pollutant concentration levels

目前，中國尚無正式的空氣質量指數標準，但此修訂單中的PM2.5質量濃度值可用來評價不同街道峽谷的空氣質量水平。空氣質量指數的計算公式如下：

式中：

I——空氣質量指數，即AQI，輸出值；

ρ——PM2.5日均值質量濃度，輸入值；

Ilow——對應于ρlow的指數限值，常量；

Ihigh——對應于ρhigh的指數限值，常量；

ρlow——小于或等于ρ的質量濃度限值，常量；

ρhigh——大于或等于ρ的質量濃度限值，常量。其中，指數限值和質量濃度限值的常量如表3所示。

表3 PM2.5的空氣質量指數限值和質量濃度限值Table 3 Air quality index limit and mass concentration limit of PM2.5

1.4 數據分析與處理

2 結果與分析

2.1 街道峽谷PM2.5和PM10時間分布特征

2.1.1 日分布特征

測試期間PM2.5和PM10質量濃度日分布特征如圖2所示，整體呈現波形分布，PM2.5和PM10的波動一致，驗證了PM2.5和PM10之間具有較高的相關性。圖2中的國控值具體指顆粒物24 h平均一級濃度限值，其中 PM2.5為 35 μg·m-3，PM10為 50 μg·m-3（生態環境部，2018），以此作為參考值來衡量街道峽谷的PM2.5和PM10質量濃度是否低于國控限值。PM2.5和PM10平均質量濃度峰值出現在8月11日，分別為 63.70 μg·m-3和 72.40 μg·m-3，高于一級標準極限值；PM2.5和PM10平均質量濃度低谷值出現在8 月 3 日，分別為 15.28 μg·m-3和 16.69 μg·m-3，低于一級標準極限值。8月3日、8月7日、8月8日PM2.5和PM10質量濃度均低于一級標準極限值，在此期間，各類街道峽谷背景濃度低，空氣質量較好。

圖2 商業型（a）、居住型（b）和辦公型街道峽谷（c）PM2.5和PM10日均質量濃度Figure 2 Commercial (a), residential (b) and office street canyons (c) PM2.5 and PM10 average daily mass concentration

2.1.2 小時變化特征

對測試期間PM2.5和PM10小時質量濃度取平均值后，可得出其小時變化規律。不同功能街道峽谷空氣質量濃度的變化規律、極值時間與大小各不相同。從中可以看出，商業型街道峽谷PM2.5和PM10小時均值質量濃度基本位于一級標準極限值上下，極值變化范圍分別為 33.59—61.22 μg·m-3和39.81—67.65 μg·m-3，波峰出現在 08:00—09:00，波谷出現在 14:00—15:00。居住型街道峽谷 PM2.5和PM10小時均值質量濃度基本位于一級標準極限值以下，極值變化范圍分別為 32.73—39.84 μg·m-3和37.35—46.89 μg·m-3，波峰出現在 08:00—09:00，PM2.5小時質量濃度的波谷出現在 12:00—13:00，PM10小時質量濃度的波谷出現在14:00—15:00。辦公型街道峽谷PM2.5和PM10小時均值質量濃度基本位于一級標準極限值以上，極值變化范圍分別為40.51—73.71 μg·m-3和 48.10—85.19 μg·m-3，波峰出現在08:00—09:00，波谷出現在16:00—17:00。

2.2 街道峽谷PM2.5和PM10空間分布特征

2.2.1 不同功能街道峽谷PM2.5和PM10日變化特征

由圖3可以看出，合肥市不同功能街道峽谷空氣質量日變化特征差異較大。具體表現在從 PM2.5和 PM10質量濃度日變化趨勢上看，辦公型街道峽谷與商業型街道峽谷日變化呈明顯的下降型雙峰形式，居住型街道峽谷呈平穩型雙峰形式。在3種類型街道峽谷中，辦公型街道峽谷的PM2.5和PM10質量濃度最高，其次是商業型街道峽谷，居住型街道峽谷最低。

步驟1 根據生產過程中對潛在制造能力的影響，確定潛在制造能力水平影響因素集合FP=(fp1,fp2，，fpi)。

空氣質量濃度與人群的活動方式有很大的關系。由圖 3可以看出，合肥市不同功能街道峽谷的PM2.5和PM10質量濃度均在08:00—09:00早高峰達到峰值。此時，由于人流車流量大，汽車尾氣排放多，空氣中的PM2.5和PM10質量濃度高。辦公型街道峽谷12:00—13:00以及17:00—18:00處于下班高峰期，PM2.5和 PM10質量濃度略有上升。商業型街道峽谷在14:00—15:00溫度高，購物出行人數少，PM2.5和PM10質量濃度下降為低谷值。居住型街道峽谷的PM2.5和 PM10質量濃度在全天基本保持不變，但隨著15:00—16:00車流量增加而上升至第二個峰值。

圖3 不同功能街道峽谷PM2.5（a）和PM10（b）日變化Figure 3 Diurnal changes of PM2.5 (a) and PM10 (b) in different functional street canyons

2.2.2 各監測點PM2.5和PM10變化特征

空氣質量濃度與監測點環境特征也有很大關系。如圖4所示，街道峽谷各監測點PM2.5和PM10變化特征相一致。商業型街道峽谷峰值在D點官亭路步行街，低谷值在G點長江西路機非干道綠化帶旁；居住型街道峽谷峰值在B點綠地贏海下沉廣場，低谷值在G點金地國際城西門入口景觀綠化旁；辦公型街道峽谷峰值在E點可苑路，低谷值在G點可苑路和北一環交叉口。

圖4 街道峽谷不同測點PM2.5（a）和PM10（b）分布特征Figure 4 Distribution characteristics of PM2.5 (a)and PM10 (b) at different measurement points in the street canyon

商業型街道峽谷 D點位于小吃步行街旁，廚房油煙大，周邊為多層建筑，人流車流量大，停留時間長，且測點周邊沒有綠化，PM2.5和PM10平均質量濃度最高；G點位于主干道旁，周邊為高層建筑，雖人流量和車流量較大，但停留時間短，且測點周邊有灌木綠化帶，對PM2.5質量濃度起到一定的降解作用，PM2.5和PM10平均質量濃度最低。

居住型街道峽谷B點位于下沉廣場，易造成顆粒物累積，PM2.5和PM10平均質量濃度最高；G點位于主干道旁，周邊為高層和多層建筑，雖人流量和車流量較大，但停留時間短，且測點周邊有灌木綠化帶，對PM2.5質量濃度起到一定的降解作用，PM2.5和PM10平均質量濃度最低。

辦公型街道峽谷E點位于次干道旁，周邊為多層建筑，人流車流量較大且行車緩慢，PM2.5和PM10平均質量濃度最高；G點位于主次干道交叉口，風速大，靠近綠化和噴泉，PM2.5和PM10平均質量濃度最低。

2.3 PM2.5和PM10質量濃度與環境因子相關性分析

2.3.1 街道峽谷整體相關性分析

對不同功能街道峽谷空氣質量濃度與環境因子進行相關性分析，表明PM2.5質量濃度同PM10質量濃度、空氣溫度、相對濕度具有線性關系（圖5）。Person相關性分析結果表明（表4），PM2.5質量濃度與 PM10質量濃度、相對濕度具有顯著的正相關關系，與空氣溫度具有顯著的負相關關系。

表4 街道峽谷PM2.5和PM10質量濃度和環境因子Person相關性系數Table 4 Correlation coefficient between the mass concentration of PM2.5 and PM10 in the street canyon and the environmental factor Person

圖5 街道峽谷PM2.5和PM10質量濃度和環境因子相關性分析Figure 5 Correlation analysis of the mass concentration of PM2.5 and PM10 and environmental factors in the street canyon

夏季高溫，太陽輻射增強，當街道峽谷地面溫度升高時，大氣對流運動加劇，垂直擴散作用增強，甚至會破壞形成的逆溫層，導致大氣擴散作用增強，可以大大降低PM2.5和PM10質量濃度。夏季相對濕度低于60%時，空氣干燥，PM2.5和PM10粒子不容易吸濕增長，因此PM2.5和PM10質量濃度較低（王佳佳等，2020）。

2.3.2 不同功能街道峽谷相關性分析

對不同功能街道峽谷PM2.5和PM10質量濃度進行相關性分析，結果表明PM2.5和PM10質量濃度與環境因子的相關性不盡相同。如圖6所示，各類街道峽谷的PM2.5和PM10質量濃度相關系均為正相關關系。商業型街道峽谷和辦公型街道峽谷的 PM2.5質量濃度和空氣溫度呈正相關關系，居住型街道峽谷 PM2.5質量濃度和空氣溫度呈負相關關系。商業型街道峽谷和居住型街道峽谷的 PM2.5質量濃度和相對濕度呈正相關關系，辦公型街道峽谷 PM2.5質量濃度和相對濕度呈負相關關系。這是因為辦公型街道峽谷相對濕度較高（61%—80%），PM2.5和PM10等污染物粒子更容易吸濕增長，粒徑增大，相應的PM2.5和PM10質量濃度也增加，引發空氣污染（高嵩等，2020）。PM2.5質量濃度和風速呈負相關關系，風速越大，PM2.5質量濃度越低。

圖6 商業型（a）、居住型（b）和辦公型街道峽谷（c）PM2.5和PM10質量濃度和環境因子相關性分析Figure 6 Correlation analysis of PM2.5 and PM10 mass concentrations and environmental factors in commercial(a), residential (b) and office street canyons (c)

3 不同功能街道峽谷空氣質量評價

對各監測點的PM2.5和PM10質量濃度有效值進行統計，并運用AQI對其數據進行計算分析，得出表5。由表4可知，在夏季，合肥市不同功能街道峽谷空氣質量水平以優良為主，空氣質量級別多分布在一級和二級。

表5 不同功能街道峽谷空氣質量評價Table 5 Evaluation of air quality in different functional streets and valleys

對表4不同功能街道峽谷空氣質量進行評價，得到辦公型、居住型、商業型街道峽谷的 PM2.5和PM10質量濃度平均值及其AQI值，如圖7所示。由圖 7可知，對不同功能街道峽谷而言，PM2.5和PM10質量濃度平均值：商業型＞辦公型＞居住型，且AQI值規律與之相同。在城市規劃中，建議重點關注商業型街道峽谷的空氣質量。

圖7 不同功能街道峽谷AQI對比Figure 7 Comparison of AQI of different functional street canyons

4 結論與建議

4.1 結論

（1）PM2.5和PM10之間具有較高的相關性，波峰出現在 08:00—09:00，波谷多出現在 14:00—15:00。夏季，合肥市街道峽谷空氣質量良好，PM2.5平均質量濃度范圍為 15.28—63.70 μg·m-3，PM10平均質量濃度范圍為 16.69—72.40 μg·m-3，位于一級標準極限值上下。

續圖6 商業型（a）、居住型（b）和辦公型街道峽谷（c）PM2.5和PM10質量濃度和環境因子相關性分析Continued Figure 6 Correlation analysis of PM2.5 and PM10 mass concentrations and environmental factors in commercial(a), residential (b) and office street canyons (c)

（2）合肥市辦公型街道峽谷與商業型街道峽谷日變化呈明顯的下降型雙峰形式，居住型街道峽谷呈平穩型雙峰形式。PM2.5和PM10質量濃度：辦公型街道峽谷＞商業型街道峽谷＞居住型街道峽谷。街道峽谷內PM2.5和PM10質量濃度峰值多在下沉廣場和次干道，低谷值多在主干道綠化帶旁和主次干道交叉口。

（3）夏季，合肥市街道峽谷 PM2.5質量濃度與PM10質量濃度和相對濕度具有顯著的正相關關系，與空氣溫度具有顯著的負相關關系。

（4）運用AQI對夏季合肥市不同功能街道峽谷進行評價，其空氣質量水平以優良為主，空氣質量級別多分布在I級和II級。

4.2 建議

（1）對街道峽谷內非必要出行的居民而言，建議避免在08:00—09:00出行，鼓勵在14:00—15:00出行。

（2）3個功能區中居住型街道峽谷空氣質量最優，而辦公街道峽谷空氣質量相對較差，重點關注下沉廣場、底層高密度的街道峽谷，建議增加綠化植被，提倡公共交通使用率，以改善商業型街道峽谷內的空氣質量。

（3）在城市建設中，應因地制宜采用適宜技術完善建筑細部構造，合理確定街道峽谷高寬比和長寬比，系統性地將綠色建材、綠色生態技術和清潔能源融入建筑設計，以多元化方法實現“雙碳”目標愿景，助力城市綠色轉型和可持續發展。