北京地区消减PM_2_5_等颗粒物污染的绿地设计技术探析_王国玉

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北京地区消减PM 2.5等颗粒物污染的绿地设计技术探析Research of Greenbelt Design Technology on PM 2.5 Pollution Reduction in Beijing摘 要:针对绿地对空气中可吸入颗粒物污染防治,在对道路绿带、公园绿地典型样地消减PM 2.5功能监测的基础上,分析影响绿地PM 2.5消减能力的宽度、绿地规模、植物群落、物种构成、水平结构、垂直结构等关键指标,进而构建6种消减PM 2.5污染典型植物群落模式,为北京地区应对空气污染绿地建设提供一定的技术支撑。

关 键 词:风景园林;PM 2.5污染;绿地设计;植物配置文章编号:1000-6664(2014)07-0070-07中图分类号:TU 986 文献标志码:A 收稿日期:2014-02-20; 修回日期:2014-05-24基金项目:北京市科委课题《应对空气PM 2.5污染的北京绿化造林关键技术研究与示范》和“十二五”国家科技支撑计划课题《低碳宜居型建筑室外绿地建设技术研究》(编号2013BAJ02B01)共同资助Abstract: According to the inhalable particle pollution control of green space, based on the PM 2.5 pollution reduction monitoring of roadside and park greenbelt, this paper analyzes the ability of PM 2.5 pollution reduction of green space with key indicators of different width, scale, species composition, and horizontal and vertical structures. 6 kinds of typical plant community modes for PM 2.5 pollution reduction were build, supporting the greenbelt construction of reducing air pollution in Beijing.Key words: landscape architecture; PM 2.5 pollution; greenbelt design; plant disposition近十几年来,伴随着城市建设与经济发展,北京及周边区域在GDP 持续高位增长同时,生态环境也付出了沉重的代价。

尽管北京市连续采取大气污染治理措施,空气中主要污染物浓度逐年下降,但大气污染物排放总量仍然超过环境容量,空气质量与国家新标准和公众期盼依然存在较大差距。

北京市大气污染复合型特征突出,城市正常运转和市民日常生活产生的污染物所占比重越来越大,以PM 2.5污染为主要特征的大气污染防治形势日益严峻,甚至已经成为影响北京城市发展、人民幸福生活、首都功能发挥的首要环境限制。

PM 2.5也称细颗粒物或可入肺颗粒物,是指空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物。

通常用质量浓度表示,单位为μg/m 3;与PM 2.5紧密相关的还有总悬浮颗粒物(TSP,Total Suspended Particle)和可吸入颗粒物(PM 10),其中TPS指小于100μm的颗粒物总量,PM 10指小于10μm的颗粒物总量[1]。

颗粒物按来源可分为一次颗粒物和二次颗粒物。

一次颗粒物在环境中未发生变化,保持其排放时的原有物理和化学性状。

大气中某些污染组分之间,或这些组分与大气成分之间发生反应而产生的颗粒物,称为二次颗粒物,是PM 2.5的主要来源。

如二氧化硫、氮氧化物、有机气体等在大气中经光化学反应所形成的硫酸盐、硝酸盐和有机气溶胶等,也是PM 2.5的主要组成部分,占PM 2.5总量的40%左右。

城市绿地作为“绿色基础设施”是城市生态系统的重要组成部分,发挥着改善生态环境、美化景观环境、优化居住环境、丰富人文环境、提升王国玉 / WANG Guo-yu 白伟岚 / BAI Wei-lan 李新宇* / LI Xin-yu 赵松婷 / ZHAO Song-ting投资环境的作用。

在绿地应对空气颗粒物污染方面,经过多年探索,已经明确认识到增加地表覆盖、提高叶面积、增加植物群落层次,能够强化绿地阻尘、滞粉能力。

同时植物通过叶片吸收、改善微气候环境等能够加速颗粒物的沉降和积淀。

绿地对降低可吸入颗粒物污染具有重要的不可替代作用,已经在广大民众中形成共识,但是绿地对PM 2.5的消减作用到底有多大,如何才能更有效地发挥绿地降低PM 2.5污染的重要功能,还缺少必要的研究和总结。

例如,目前北京推荐的治理PM 2.5植物以杨树、国槐等乡土阔叶树为主[2],但其个体净化能力到底有多大,乔、灌、草结合模式如何搭配等都还缺乏科学的数据作支撑。

1 国内外研究现状1.1 北京及华北区域霾污染成因雾霾天气形成的直接原因是空气中的污染物和雾气无法扩散,聚集在一个小范围内。

值得指出的是,雾和霾是2个不同的概念,雾是近地面空气中水汽凝结(或凝华)的产物,对健康影响不大,不具有污染性;霾是由于空气中悬浮大量颗粒物所导致的水平能见度降低到10km以下的一种浑浊现象,造成气候、环境、健康等方面的负面影响[1]。

近年来以京津冀为代表的华北地区霾天气日频,PM 2.5污染日趋加重,主要原因包括[1,3]:首先,京津地区及华北北部人口聚集的绵延城镇形成的大面积污染排放带,易于造成大范围、区域性污染累积;其次,北京位于太行山和燕山山脉脚* 通信作者(Author for correspondense) E-mail: lxy09618@下的华北平原北端,西部、北部和东北山体绵延环抱,东南为平原,整体地形呈簸箕状,导致偏南弱气流作用下,华北平原污染排放带上累积的污染物缓慢输运到北京地区,与北京地区本地累积污染物叠加形成重污染,此种情况多雾霾同时出现。

而早春的沙尘性灰霾,则主要源于偏西、偏北气流带来的西北沙尘带飘尘和北京当地干燥的扬尘的叠加。

1.2 绿地消减PM2.5污染及影响因子现阶段对于PM2.5的研究可分为几个方面[4-7,11],即对PM2.5本身认知的研究,包括分布特征研究、组成研究、来源解析等;对PM2.5的监测方法与仪器的研究;对PM2.5危害的研究(主要集中在医学领域),以及PM2.5的综合防治研究。

其中,对污染物特征及来源解析研究最为集中,我国不同地区和城市如北京、上海、广州、济南,兰州等地均展开了相关研究[8]。

PM2.5综合防治中研究中多侧重交通、能源、环保科技等方面的技术突破及相关的综合防控技术[9-10],在绿地植被对PM2.5的作用研究方面则处于起步阶段[11]。

但有关植物消纳、降解空气颗粒物(TSP、PM10)等方面的研究[12-13],可以为绿地植被消减PM2.5研究提供借鉴,但PM2.5最重要的特性之一是长期漂浮不沉降,其分布规律和治理方法因此有着很大的区别,不可简单套用。

1)乔木消减PM2.5污染能力较高。

研究证实相比较矮小的植物,乔木去除气体污染物和颗粒污染物的能力更高。

不同树种因其局部形态学特性而具有不同滞尘能力,如叶表面特性、树冠结构、枝叶密度和叶面倾角等。

由于叶片是植物滞留大气颗粒物最主要的载体,叶表面特性的差异是植物滞留大气颗粒物能力不同的重要原因[14]。

乔木除了比其他植被类型具有更高的叶面积外,还能够产生更多的湍流;乔木凭借茂硕的林冠层比灌木和草本植物更能有效地捕获大气中的悬浮颗粒物。

Matsuda等对日本夏季落叶林进行了硫酸盐PM2.5沉降速率的研究,发现27m处的PM2.5浓度显著高于21m处,以乔木为主的植物群落的阻滞吸附作用会使PM2.5浓度显著降低[15]。

柴一新等发现,植物叶片的粗糙度及附着绒毛的疏密程度会影响该种植物的滞尘能力[16]。

王会霞等认为,滞尘量与树叶接触角呈显著负相关,与表面自由能及其色散分量呈显著正相关,而与极性分量相关关系不显著[17]。

2)常绿针叶树种消减PM2.5作用较为显著。

针叶树凭借其更小更密集的叶子、更复杂的枝茎和全年的有叶期,比阔叶树更能有效滞留空气中的颗粒物。

对元大都遗址公园绿地PM2.5污染现状研究表明[18],对不同绿地而言,油松林,刺槐、国槐、金银木混交林,白蜡林,刺槐林内PM10、PM2.5浓度比较高;油松、国槐混交林,海棠林,国槐、垂柳、油松混交林,白皮松林PM10、PM2.5浓度比较低;检测结果表明以常绿针叶树种为主的植物群落消减PM2.5的能力好于落叶阔叶树种为主的植物群落。

3)植物滞尘能力受绿地内部结构、树种规格等因素影响。

牛生杰等[19]研究发现,植被覆盖度好的地点上空PM2.5浓度小于沙漠地点上空。

林地可有效截滞大气颗粒物,粟志峰研究认为,郁闭度1.0的片林较空旷地区减少降尘37.5%,比郁闭度0.2的林地减少21.7%[20]。

不同的绿化覆盖率同样对颗粒物有影响,覆盖率越大,影响的程度越大,其颗粒物含量越低。

反之,覆盖率越低,则颗粒物浓度就越高。

有关研究表明在同一城市,覆盖率98%的区域与覆盖率5%的区域颗粒物浓度相差80%以上;98%覆盖率的区域TSP浓度仅是5%覆盖率区域TSP浓度的1/6。

此外,树种规格、生长状况及群落稳定性对颗粒物污染的消减能力有显著影响;有研究发现,芝加哥健康生长大树(胸径>70cm)去除污染物量是小树(胸径<7cm)的60~70倍[21]。

总体来说,温暖、无风、低湿性的环境不利于绿地植物对PM2.5的黏滞和吸附,绿地能够有效地调节微环境的温、湿度,合理的层次结构利于内部湍流的形成,从而增加PM2.5的黏滞和吸附速率。

迄今,从树木生物学特征、气象条件等方面讨论植物去除PM2.5及其他颗粒物的研究很多,但缺乏树种结构与PM2.5浓度变化关系的研究。

目前尚未有相关植物群落规模、树种规格、水平结构、垂直结构等与PM2.5浓度变化影响关系的文献研究。

2 技术思路与样地设置2.1 技术思路研究通过文献梳理,分析北京地区PM2.5发生机理、区域特点及绿地应对PM2.5机理研究,并在现场调研基础上,结合绿地消减PM2.5监测数据,分析监测群落结构、环境及相关功能指标特点,综合筛选有效应对PM2.5污染绿地植物群落,进而提炼区域应对PM2.5污染典型植物群落配置模式与相关技术,形成北京地区应对空气污染绿地建设的技术支撑。

2.2 样地设置研究针对城市道路绿地(含防护、附属等绿地类型)、公园绿地等主要绿地形式,选择典型样地,进行绿地消减PM2.5能力的监测,监测仪器为PDR-1500便携式气溶胶颗粒物检测仪。