城市道路綠化形態對機動車尾氣顆粒物擴散影響的對比觀測研究

＊孫小燕 解昕睿 趙路爽 張云偉

（西安交通大學地球環境科學系 陜西 710049）

隨著經濟發展和城市化進程加快，城市空氣污染已經成為我國主要的環境問題之一[1]。機動車尾氣是城市空氣污染物的一個主要來源，認識其在城市街谷內擴散與分布特征，可降低行人的暴露風險[2]。

城市道路綠化被認為是改善城市環境質量的一種有效方案[3-5]。研究表明，增加城市綠化植被可降低局部大氣和地表溫度，減弱交通噪聲，并有可能進一步影響大氣污染化學反應，導致臭氧等污染物濃度降低[6-7]。同時，城市道路綠化會阻礙污染物擴散，進而導致城市街谷內空氣質量惡化[8-9]。Miao 等[4]觀測了沈陽市某綠化街谷內近地面高度不同粒徑顆粒物（Particulate matter，PM）濃度，結果顯示綠化樹木有利于去除粗顆粒物，但細顆粒物濃度比無綠化情景下還要高。胡楊等[8]研究結果顯示，城市街谷內綠化植被可導致局部大氣中顆粒物濃度增加近一倍。Karttunen 等[9]研究顯示，茂密的行道樹會使人行道上的大氣中PM10和PM2.5濃度分別增加123%和72%，可見城市道路綠化對局部污染物濃度影響非常明顯。苗純萍等[3]對城市街谷內污染物分布的綜述顯示，數值模擬是當前較為經濟高效的研究手段，然而針對數值模擬開展的現場觀測尤為緊缺。

因此，本文選取西安市幾個典型綠化街道作為觀測點，進行路邊顆粒濃度的對比觀測，分析不同綠化形態對機動車尾氣擴散的影響，以期為通過合理建設城市綠化設施改善城市道路環境提供參考依據。

1.觀測方案

(1)觀測地點選取

在西安市多條具有不同綠化形態的街道布置了20個觀測點，并將其綠化植被配置形態分為5 個類型：樹木綠化（T）、樹-草綠化（TG）、灌木綠化（S）、樹-灌木綠化（TS）及樹-灌木-草綠化（TSG），如圖1 所示。

(2)觀測方法

于2021 年的四、五月份開展了現場觀測實驗，圖1 所示即為觀測現場的照片。20 次現場觀測皆在白天11:00—16:00 進行，其中13:00—15:00 交通量相對穩定，沒有交通堵塞的影響。

采用科爾諾公司生產的激光粉塵檢測儀進行現場觀測，觀測指標主要為PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0、PM10。每次觀測實驗均布置4 個觀測點，如圖1(f)所示。其中，點位A、C 位于綠化帶內側，靠近機動車道，距離綠化帶約0.5～1 m，離汽車尾氣最近；而點位B、D 位于綠化帶外的人行道上，離綠化帶約2～4 m。4 個點位分兩組，A、B 為一組，布置在綠化良好的路段；而C、D 組觀測點布置在相鄰的無綠化或綠化非常稀疏的路段。兩組觀測點形成對比，有助于分析綠化對機動車尾氣向人行道擴散的影響。

(3)數據處理方法

綠化帶對機動車尾氣擴散有阻擋作用。人行道上污染物濃度相較機動車道減少的比例稱為綠化帶對污染物的凈化百分率，計算公式如下[10]：

式中，P 為凈化百分率；Cs為綠化帶前方觀測點位（A、C 觀測點）測得的顆粒物濃度值（μg/m3）；Cm為綠化帶后方的觀測點位（B、D 觀測點）測得的顆粒物濃度值（μg/m3）。

2.觀測結果與討論

(1)道路邊污染物濃度的變化趨勢

觀測安排在空氣質量為良以上的晴朗天氣日，此時背景濃度低，觀測結果更能體現機動車尾氣在路邊的分布規律。在綠化路段的綠化帶內側與外側PM2.5的平均濃度分別為（30.25±16.71）μg/m3和（30.10±16.87）μg/m3，PM10的平均濃度分別為（40.57±20.37）μg/m3和（36.78±20.34）μg/m3。顆粒物濃度總體呈現隨著離機動車道距離增加而降低的趨勢；在綠化良好的路段顆粒物濃度降低的幅度更大，說明路邊綠化帶對機動車尾氣水平擴散有明顯的阻礙作用，這有利于降低行人的暴露風險。不同粒徑的顆粒污染物分布規律，主要呈現兩種分布趨勢，如圖2 所示。

圖2 不同粒徑顆粒物濃度的兩種分布趨勢

第一種分布趨勢如圖2（a）所示。在綠化良好的路段，不同粒徑的顆粒物濃度隨離機動車道距離增加而降低，顆粒物凈化百分率均是正值；而在無綠化或綠化稀疏路段，細顆粒污染物（PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5）平均濃度隨離機動車道距離增加呈現升高的趨勢，顆粒物凈化百分率均是負值，而粗顆粒物（PM5.0、PM10）平均濃度呈下降趨勢。

第二種分布趨勢如圖2（b）所示。總體上顆粒物濃度都隨遠離機動車道而呈現下降趨勢，顆粒物凈化百分率均是正值。并且在綠化良好路段不同粒徑的顆粒物濃度下降百分比要明顯高于在無綠化或綠化稀疏路段的觀測結果。在這種情況下，機動車尾氣有明顯的從機動車道向路邊擴散的趨勢，而路邊綠化對行人的身體健康起到了積極的保護作用。

(2)不同道路綠化形態對機動車尾氣擴散的影響分析

樹-灌木-草（TSG）綠化形態對不同粒徑顆粒物污染物的影響較均衡。各種顆粒物濃度凈化百分率相差不大，都在6%左右，其中對PM2.5的影響效果最明顯，如圖3 所示。TSG 綠化形態對PM2.5和PM5.0的凈化百分率是最高的，這與數值模擬的結果表現一致[11]。TSG 配置形態的復層結構可使顆粒污染物滯留在樹層、灌木層和草本層植被表面，能大幅降低揚塵污染。總體上，TSG 綠化形態更有利于消減機動車尾氣向人行道擴散，對行人健康有顯著的積極作用。

圖3 不同綠化植被配置形態對顆粒物的凈化百分率影響

單以高大的樹為綠化（綠化形態T）對超細顆粒物的擴散阻礙效果非常好，遠遠高于其他類型，但對粗顆粒物的消減效果不顯著。單以灌木為綠化（綠化形態S）對各粒徑的顆粒物濃度影響比較均一，但都不顯著，凈化百分率均小于2%。

樹-草（TG）綠化形態對顆粒物濃度凈化百分率在五種配置形態中處在中間位置，對細顆粒物的消減效果要比粗顆粒物顯著。樹-灌木（TS）與TG 綠化形態不同，其對粗顆粒物的消減效果最好，而對于細顆粒物的消減效果一般。

(3)不同粒徑顆粒物水平擴散規律

由圖3 可以看出，細顆粒物PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5對綠化配置形態更敏感，不同綠化形態對細顆粒物濃度的影響差別明顯，而對粗顆粒物凈化百分率差別不大。樹冠的遮擋能減弱街谷內通風，影響細顆粒物擴散；而灌木叢的阻擋對粗顆粒物更明顯，但是單一的灌木綠化效果不好，這與以往的研究結論表現一致。

3.結論

本文對西安市不同綠化形態的路段開展現場觀測，分析了城市街谷內綠化對機動車尾氣水平擴散的影響。主要結論如下：

（1）路邊顆粒物濃度在水平方向上隨遠離機動車道而降低，道路綠化能在一定程度上阻礙機動車尾氣物向人行道擴散。

（2）不同綠化形態對不同粒徑顆粒物的消減作用不同，差異顯著。其中，樹-灌木-草綠化形態對機動車尾氣的綜合消減能力最好，而單一的灌木綠化帶對顆粒物濃度的消減效果最差。

（3）細顆粒物水平擴散受綠化形態影響的差異顯著，樹和樹-草綠化形態對細顆粒物的消減效果更為顯著，而樹-灌木-草和樹-灌木綠化形態對粗顆粒物消減效果更佳。

另外，不同粒徑的顆粒物的空氣動力學特征不同，要詳細揭示道路綠化形態對機動車尾氣擴散的影響機理，需進一步結合數值模擬結果分析。