成果简介

近日，课题组何红弟、卢丹妮、赵红梅在《上海大学学报》（自然科学版）发表“城市高架街谷交通污染物的扩散研究综述”论文，并被选为8月份的封面文章。该论文通过文献调研，对城市高架街谷的交通污染特征及其建成环境特征进行了梳理，对城市高架街谷交通污染物的时空分布规律进行归纳，对交通、建成环境以及微气象环境等因素对交通污染物在高架街谷扩散规律的影响进行分析。研究结果期望对未来的高架道路建设提供参考。

引言

近年来, 随着全球城市化进程的不断深入, 城市机动车保有量持续增加, 这无疑加重了城市交通基础设施供求的突出矛盾。 为了缓解这一矛盾, 很多城市在中心城区建设城市高架道路, 如上海市建有内环高架、南北高架、延安路高架等, 覆盖了城市 80% 的核心区域; 北京市建有三环、四环、五环等多条高架环路, 基本上包围了城市的核心区域; 日本的东京建有江户桥、三宅坂等高架桥, 覆盖了东京都中心地区。

这些位市中心城区的高架道路在一定程度上缓解了城市的交通拥堵, 但同时也加剧了城市的空气污染。 高架道路一方面抬高了交通污染源, 另一方面其建成环境又阻碍了地面道路污染物的扩散。 本工作利用 CiteSpaceV 软件对关键词“城市高架桥”和“交通污染” 在 Web of Science 数据库中进行挖掘分析。研究发现高架道路交通污染在过去 10 年持续成为研究的热点, 且研究的方向主要集中在超细污染物、高架道路、计算流体力学、交通相关污染物、实地测量、颗粒污染物等; 2013 年前后研究热点主要是污染物在高架道路的扩散, 但 2018 年以后趋向千高架道路人群污染物的暴露及高架道路的优化。 此外, 研究的区域主要分布在中国、美国、意大利、日本、西班牙、英国等国家。 尤其在中国, 快速的城市化进程导致城市高架道路密集, 由此产生的交通污染问题受到了广泛关注。

基于CiteSpace Ⅴ 的城市高架街谷交通污染相关文献分析

本工作首先从污染源出发, 分析了城市高架街谷的交通污染特征; 然后, 基于实测结果, 归纳了高架街谷交通污染物的水平分布、垂直分布等特征, 并讨论了排放源、建成环境、气象条件等因素对高架街谷污染物扩散的影响规律; 最后, 对高架街谷交通污染物的发展方向进行了总结和展望。

主要成果及结论

高架桥使街谷原本单一的地面排放源变成了地面和高架路组成的双层交通排放源。 在地面道路上, 由千交叉口红绿灯的存在, 行驶车辆走走停停、频繁的加速或减速, 产生额外的交通排放。 在高架道路上, 车辆行驶的速度较快, 交通流量偏大, 也会产生大量的交通污染。 Zhi 等通过计算流体动力学方法进行数值模拟, 结果发现: 车辆在高架道路和地面道路具有不同的行驶特征, 由此产生不同的交通排放; 与地面道路相比较, 高架道路上 PM10、PM2。5 和 PM1。0 的平均质量浓度分别高 15%、10% 和 12%。

城市高架街谷双污染源示意图

研究表明, 与传统的高速公路类似, 高架街谷交通污染物水平方向呈现指数递减特征, 但扩散范围明显增大。传统城市街谷的交通污染物在垂直方向上的分布呈现指数衰减趋势, 而城市高架街谷交通污染物的垂直分布呈现双峰分布的趋势。此外，高架街谷的“盖子效应”阻止了污染物的扩散, 导致交通排放污染物在高架街谷的滞留时间较长。

有无高架桥及噪声屏障的街道峡谷内颗粒物扩散

高架街谷建成环境相对来说比较复杂,既包括街谷两边的建筑群,也包括高架道路的形态。这些建成环境的改变都会影响高架街谷空气空间的涡旋结构和涡旋方向,进而影响交通污染物在高架街谷的扩散。高架街谷两边一般高楼林立,其几何结构直接影响着交通污染物的对外扩散。通过文献调研，结果表明:高宽比越大,街谷的污染物浓度越高,同时污染物在街谷平均滞留的时间越长。此外，由于周围建筑物的阻碍导致通风不畅,深街道峡谷中污染物的浓度普遍高于浅街道峡谷;在高宽比为5的深街道峡谷中,污染物的浓度是高宽比为1∼2浅街道峡谷情况下的10∼20倍。

有无高架桥及噪声屏障的街道峡谷内空气流场

高架街谷污染物扩散的主要外部因素是街谷建筑顶部环境风的驱动,其方向和速度直接影响街谷污染物的扩散过程。当来流风向平行千高架桥方向时,高架街谷污染物容易扩散,其浓度较低;当来流风向垂直千高架桥方向时,高架桥的阻挡改变了主千道背风面污染物的爬墙效应,其下方主千道迎风面和背风面污染物都不易扩散,导致污染物浓度较高。

垂直和平行风向下城市高架街谷内流场的流线图及速度分布

小结

(1)城市高架街谷的交通污染呈现显著的“盖子效应”。相比于传统的城市街谷的单交通污染排放源, 城市高架街谷呈现出地面道路和高架道路双层交通污染排放源特征。大量实测结果显示, 高架道路对交通污染源有抬升作用, 影响了交通污染物在街谷的分布规律。此外, 高架道路阻碍了城市街谷内交通污染物的扩散, 导致大量交通污染物聚集在城市街谷内, 形成显著的“盖子效应”。

(2)高架道路和地面道路的双层交通污染排放源决定着高架街谷交通污染物的时空分布规律。 与无高架的街谷相比, 高架街谷污染物在道路两侧也呈现指数递减, 但递减距离可达500 m, 远高于无高架街谷情况下的 250 m。 在垂直分布方向上, 高架街谷污染物呈现双峰的分布, 双峰的峰值往往出现在高架下方和噪声屏障上方, 并与不同时段(早晚高峰与平峰)的交通流量密切相关。

(3)交通、立体建成环境以及微环境气象等因素影响高架街谷交通污染物的扩散。 关于交通因素, 地面道路交通排放的增加会导致街谷污染物的聚集, 高架道路交通排放的增加会影响街谷污染物的水平分布和垂直分布。 关于立体建成环境因素, 高架街谷的高宽比越高, 街谷的污染物浓度越低, 高架桥的噪声屏障影响污染物的垂直分布, 导致污染物在噪声屏障上方聚集。 关于微环境气象因素, 高架街谷的高风速、迎风面和平行风等环境有利千交通污染物的扩散, 高架和地面道路的地表温度的升高可增强街道峡谷内的空气流动循环过程, 从而降低污染物浓度值。

展望

随着全球城市化进程的进一步深入, 城市高架交通污染问题将成为未来研究的热点。 通过研究, 我们认为未来的研究趋势将集中在以下3方面。

城市高架街谷室内外污染物的相互扩散。城市临街小区与城市高架街谷紧密相连, 污染物在二者之间的扩散非常频繁。因此,交通污染物在高架街谷与临街建筑内之间的相互扩散机制以及自然通风、机械通风等方式对相互扩散的影响规律都亟需研究。

城市高架街谷的建成环境。文献调研发现,城市高架街谷建成环境决定着街谷污染物的扩散规律。 因此, 建成环境包括街谷的高宽比、高架的高宽比、高架桥的噪声屏障、高架周围的植被等对城市高架街谷交通污染物的扩散的影响亟需理清。 高架街谷建成环境的优化和未来规划将是研究的方向之一。

城市高架街谷污染物的扩散机理。 越来越多的实测研究发现, 污染物之间耦合的动力学特征(如气溶胶凝结、凝聚等)、污染物不同气象环境下的化学反应等对研究污染物的扩散机理尤为关键。因此,这些方面将是未来的研究趋势之一。此外,不同千现有的微观时间尺度的扩散模拟, 城市高架路网交通排放物在城市大尺度的扩散机理,也将是未来的研究趋势。

*本研究获得了国家自然科学基金面上项目“基于垂直监测的城市高架交通排放物的三维扩散机理研究（No.12072195）”的资助。

论文链接

https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDAUTO&filename=SDXZ202204001&uniplatform=NZKPT&v=boHJFoUz9aP6GJsZ8xdtGq9Q7-0iAp9Rg8fuTGX1QdDo7SP4UU_32Ar7bn_bSf-c

论文引用方式

何红弟,卢丹妮,赵红梅.城市高架街谷交通污染物的扩散研究综述[J].上海大学学报(自然科学版),2022,28(04):569-581.

作者信息：卢丹妮，硕士研究生

研究方向：交通污染