園林植被規(guī)劃對空氣污染控制作用

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摘要:居民的健康直接受空氣污染程度的影響，控制空氣污染的重要因素之一是植被，因此提出園林植被規(guī)劃對空氣污染控制的作用建模分析方法。建立數(shù)字高程模型和污染物擴(kuò)散模型，在此基礎(chǔ)上研究園林植被規(guī)劃對空氣污染的控制作用。研究結(jié)果表明，針對交通排放的污染物濃度，園林植被的控制效果并不明顯，園林植物主要是在空間中對污染物進(jìn)行隔離，通過大氣擴(kuò)散稀釋作用降低空氣中污染物的質(zhì)量濃度，且植被葉面指數(shù)年內(nèi)變化與空氣污染濃度之間存在時(shí)間不同步性。

關(guān)鍵詞:園林植被;空氣污染;建模分析;數(shù)字高程模型;污染物擴(kuò)散模型

前言

環(huán)境和生物之間存在相互作用的關(guān)系，在一定范圍的生態(tài)環(huán)境中，植物群落會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，進(jìn)而影響附近的生存環(huán)境［1－2］。在城市生態(tài)環(huán)境的空氣污染治理方面，園林植物發(fā)揮了巨大作用，這主要是由于園林植物具有吸收污染物和抵抗污染物的能力，因此植物屬于生態(tài)環(huán)境中不可缺少的一部分［3－4］。植物通常利用葉面上存在的氣孔和枝條中存在的皮孔實(shí)現(xiàn)污染物的吸附，利用自身的氧化作用在體內(nèi)降解吸附的污染物，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒物質(zhì)并釋放到大氣中，從而達(dá)到凈化空氣的作用。但類型不同的植物對應(yīng)的生態(tài)功能都不相同，降解污染物的能力也存在差異，因此通過規(guī)劃園林植被，構(gòu)建不同的綠化生態(tài)體系，可以有針對性地治理空氣污染問題，提高城市環(huán)境的質(zhì)量。

1數(shù)字高程模型園林植被規(guī)劃對空氣污染控制的作用建模分析

方法通過GIS數(shù)據(jù)構(gòu)建城市的數(shù)字高程模型(Digit-alElevationModel，DEM)［5－6］。園林植被通常情況下在夏季生長的最旺盛，在DEM模型中將偏南風(fēng)作為主導(dǎo)風(fēng)向，通過下式計(jì)算入口處對應(yīng)的風(fēng)速u(z):u(z)=u*κlnzz()0(1)式中，u*代表摩擦速度;κ代表卡爾曼常數(shù)，在本次建模分析中取0.4;z、z0均代表粗糙度參數(shù)。設(shè)ε(z)代表入口處對應(yīng)的湍流耗散率，可通過下式計(jì)算得到:ε(z)=C34μκ32kz(2)式中，k代表入口處對應(yīng)的湍動(dòng)能，計(jì)算公式如式(3):k=u*2Cμ(3)針對建筑物和樹木對流場產(chǎn)生的阻力，園林植被規(guī)劃對空氣污染控制的作用建模分析方法采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬［7－8］。計(jì)算樹木對流場產(chǎn)生的阻力時(shí)，一般情況下只考慮慣性阻力，不考慮粘性阻力，構(gòu)建樹木冠層對應(yīng)的動(dòng)量方程:uj∂ui∂xj=－1ρ∂P∂xi+∂∂xj(v+vt)∂uix[]j+SD(4)式中，v代表運(yùn)動(dòng)粘度;ρ代表空氣密度;P代表空氣壓強(qiáng);vt代表湍流粘度，通常情況下由湍流脈動(dòng)引起;SD代表內(nèi)部阻力源項(xiàng)，通常情況下由植被引起，其計(jì)算公式如式(5):SD=－Cdαui|u|(5)式中，Cd通常情況下由植被的結(jié)構(gòu)決定，屬于慣性阻力系數(shù)，在區(qū)間［0.1，0.3］內(nèi)取值;α代表葉面積密度，可由實(shí)驗(yàn)測得。冠層內(nèi)存在的湍流會(huì)受到植被的影響，用k描述湍動(dòng)能，用ε描述湍動(dòng)能耗散率，此時(shí)對應(yīng)的湍動(dòng)能方程表達(dá)式為:uj∂ε∂xj=∂∂xj(v+vtσε)∂kx[]j++vt∂ui∂xj+∂uj∂x()i∂ui∂xj－ε+Sk(6)式中，Sk為k中存在的源項(xiàng)，可通過下式計(jì)算得到:Sk=12Cdα|u|3－2Cdα|u|k(7)通過下式對湍流耗散率方程進(jìn)行改進(jìn):uj∂ε∂xj=∂∂xj(v+vtσε)∂kx[]j+Cε1εkvt∂ui∂xj+∂uj∂x()i∂ui∂xj－Cε2ε2k+Sε(8)上述方程中，Sε為湍流耗散率中存在的源項(xiàng);Cε1、Cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。Sε可通過下式計(jì)算得到:Sε=εkCε3Cdα|u|3－4Cε4Cdα|u|ε(9)式中，Cε3、Cε4代表經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。綜合上述計(jì)算數(shù)據(jù)，采用ArcGIS軟件構(gòu)建研究區(qū)域的數(shù)字高程模型。

2污染物擴(kuò)散模型

城市下墊面和城市風(fēng)場會(huì)對污染物的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。污染物在空氣中擴(kuò)散的主要原因是大氣擴(kuò)散和大氣運(yùn)輸，其中造成污染物擴(kuò)散的重要原因是空氣中存在的湍流作用，因此在此次研究過程中通過梯度輸送理論模擬污染物在空氣中的運(yùn)輸。在梯度輸送理論中通過半經(jīng)驗(yàn)的湍流理論封閉處理湍流運(yùn)動(dòng)的方程組，求解污染物在空氣中的擴(kuò)散。將湍流半經(jīng)驗(yàn)理論應(yīng)用在湍流擴(kuò)散模擬中時(shí)，假定局地污染物的質(zhì)量濃度梯度與污染物的質(zhì)量輸運(yùn)通量之間為正比關(guān)系，可通過下述公式進(jìn)行描述:ρC'u'i=－ρKi∂c∂xi(10)式中，C代表污染物對應(yīng)的質(zhì)量濃度;Ki代表x、y、z方向中存在的湍流擴(kuò)散系數(shù)。污染物的擴(kuò)散方程通常情況下符合質(zhì)量守恒定理，構(gòu)建污染物在空氣中通用的擴(kuò)散方程:∂c∂t+u∂c∂x+v∂c∂y+w∂c∂z=∂∂x(Kx∂c∂x)+∂∂y(Ky∂c∂y)+∂∂z(Kz∂c∂z)(11)式中，w代表擴(kuò)散系數(shù)，此時(shí)存在如下擴(kuò)散運(yùn)輸方程:u∂c∂x+v∂c∂y+w∂c∂z=∂∂x(Γx∂c∂x)+∂∂y(Γy∂c∂y)+∂∂z(Γz∂c∂z)+S(12)式中，Γx、Γy、Γz均代表廣義擴(kuò)散系數(shù)，上述系數(shù)通常都由兩部分構(gòu)成:Γi=ηtσT+λcp(13)公式右邊的第一項(xiàng)描述的是湍流脈動(dòng)部分，公式右邊的第二項(xiàng)描述的是擴(kuò)散部分。在湍流擴(kuò)散方程中由植被吸收污染物的沉降匯Ssink和建筑群的污染物散發(fā)源項(xiàng)構(gòu)成源項(xiàng)，沉降匯Ssink的計(jì)算公式如式(14):Ssink=Cβvd(14)式中，β代表葉面積密度;vd代表污染物對植被的沉降速度。

3分析結(jié)果

3.1膜采樣分析

如圖1所示不同監(jiān)測點(diǎn)在全部風(fēng)向條件下的污染物質(zhì)量濃度。圖1污染物在不同監(jiān)測點(diǎn)下的質(zhì)量濃度根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)可知，小流量膜采樣污染物的含量在不同天氣條件下的變化較大。監(jiān)測第11d的污染物質(zhì)量濃度最高，監(jiān)測第10d的污染物質(zhì)量濃度最低。天氣形勢在監(jiān)測期間內(nèi)可以分為以下三種類型:(1)污染型:2d～3d、9d、12d～15d;(2)雨后晴天型:4d、7d～8d、10d;(3)晴天型:1d、5d～6d、11d。將監(jiān)測點(diǎn)4作為參照點(diǎn)，該點(diǎn)的污染物質(zhì)量濃度在2d時(shí)高于其他監(jiān)測點(diǎn)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是2d下午研究區(qū)域以靜風(fēng)為主，與監(jiān)測點(diǎn)3相比，監(jiān)測點(diǎn)4與馬路之間的距離較短，此時(shí)大氣污染物的主要來源是交通排放擴(kuò)散。

3.2DustTrack8530監(jiān)測分析

采用DustTrack8530在膜采樣的同時(shí)監(jiān)測不同點(diǎn)位的污染物質(zhì)量濃度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象局預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，分析污染物在南風(fēng)時(shí)段下的數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:污染物在13d時(shí)的質(zhì)量濃度最高，污染物在7d和10d時(shí)的質(zhì)量濃度最低。污染物在1d、8d、11d、13d時(shí)的質(zhì)量濃度變化沒有規(guī)律。監(jiān)測點(diǎn)在7d和10d的差距較小，污染物質(zhì)量濃度普遍較低。污染物在1d、5d、11d、12d、14d的質(zhì)量濃度由低到高的排序?yàn)楸O(jiān)測點(diǎn)3＜監(jiān)測點(diǎn)2＜監(jiān)測點(diǎn)1。這幾天監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)向主要為弱南風(fēng)，植物葉片吸附和植物滯留都會(huì)對交通排放的污染物擴(kuò)散過程產(chǎn)生影響，污染物此時(shí)在大氣中的濃度有所降低。6d上午的風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，對應(yīng)的風(fēng)速為0.4m/s，下午的風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，對應(yīng)的風(fēng)速為0.6m/s，上午和下午的觀測數(shù)據(jù)為:6d下午時(shí)段內(nèi)的污染物質(zhì)量濃度明顯低于上午時(shí)段內(nèi)的污染物濃度，造成這種現(xiàn)象的主要原因是污染物在大氣中的擴(kuò)散程度受風(fēng)速的影響較大。上下湍流和混合層高度在下午時(shí)段內(nèi)較高，污染物此時(shí)在空氣中的分布均勻性相對較高，因此污染物在大氣中的濃度有所降低。在相同時(shí)間段內(nèi)，不同監(jiān)測點(diǎn)中的污染物對應(yīng)的質(zhì)量濃度相差較小。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)中，污染物顆粒在相同樹種內(nèi)不存在規(guī)律性;配置不同但寬度相同的綠化帶對污染物的凈化能力差異較小。通過上述分析可知，污染物質(zhì)量濃度在不同監(jiān)測點(diǎn)中的變化不存在明顯規(guī)律，表明在降低交通污染物排放質(zhì)量濃度方面園林植被的作用較小，通過重力降塵無法消除大氣中存在的污染物，因?yàn)樵谕牧鲾_動(dòng)下落到植被上的污染物還會(huì)懸浮到大氣中。

3.3平行監(jiān)測結(jié)果

假設(shè)污染物在大氣中的擴(kuò)散速度相同，根據(jù)污染物質(zhì)量濃度在監(jiān)測點(diǎn)5～監(jiān)測點(diǎn)9的差異，分析污染物濃度受園林植物的影響。如圖2所示各監(jiān)測點(diǎn)在南風(fēng)條件下的污染物平均質(zhì)量濃度相差不大，與其他監(jiān)測點(diǎn)相比，污染物在監(jiān)測點(diǎn)9的平均質(zhì)量濃度較高，造成這種現(xiàn)象的主要原因是與植物的吸附作用相比，建筑物對污染物的吸附作用較差。人們在治理大氣污染時(shí)對大氣濃度隨時(shí)間變化的重視度較低，只關(guān)注植被的空間特征。研究園林植被對空氣污染的控制作用時(shí)，在相互作用理論的基礎(chǔ)上可知，植物凈化大氣污染物的能力通常情況下受大氣污染因子與植被凈化因子的影響。對園林植被對空氣污染控制的作用進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)該先分析植被凈化能力的時(shí)間與空氣污染水平之間存在的關(guān)系，對可控因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能提高植被的凈化能力。大氣污染在北方城市中的年內(nèi)變化較為顯著，且季節(jié)變化也會(huì)對植物的生長產(chǎn)生影響。在時(shí)間上季節(jié)變化與大氣污染的匹配程度會(huì)對園林植被凈化大氣污染物的能力產(chǎn)生影響(見圖3～圖5)。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，隨著季節(jié)的變化植被葉面指數(shù)的變化呈倒U型，PM10濃度的變化呈U型，因此植被葉面指數(shù)與PM10濃度之間呈負(fù)相關(guān)，兩者都會(huì)對植被凈化量產(chǎn)生影響。大氣污染情況在1月份、2月份和12月份最為嚴(yán)重，此時(shí)PM10在空氣中的含量較高，在這些月份中絕大部分樹木還沒有發(fā)芽，植物的葉面指數(shù)與其他月份相比較低，降低了PM10的凈化量;PM10濃度在3月－5月之間呈下降趨勢，樹木在此階段開始生長，葉面指數(shù)也不斷增加，在此條件下植被凈化量有所提高;植被的葉面指數(shù)在5月－9月達(dá)到最高，但PM10濃度卻較低，造成這種現(xiàn)象的主要原因是植物的凈化能力沒有得到提高;PM10在空氣中的濃度在10月份迅速增高，此時(shí)的植被凈化量最高，葉面指數(shù)在11月－12月中不斷下降，凈化的PM10逐漸減少。綜上所述，大氣污染的年內(nèi)變化與植被葉面指數(shù)之間的時(shí)間同步性較差，這種情況降低了植被凈化污染物的能力，主要表現(xiàn)為樹葉在冬季枯落，凈化量隨著葉面指數(shù)的降低而降低，導(dǎo)致污染物在冬季的濃度較高;大氣污染物濃度在夏季的濃度較小，雖然植被在該季節(jié)中茂盛，但凈化量較低。

4結(jié)語

大氣污染問題的逐漸加重，提高了人們對環(huán)境治理的重視程度，并開始尋找各種途徑降低空氣污染程度。植被可以降低風(fēng)速，同時(shí)可以增加地面粗糙度，易于大氣污染物的沉降，樹葉表面的濕潤特性、紋理、油脂和絨毛等有利于污染物的吸附，因此在空氣污染控制中，規(guī)劃園林植被是有效手段之一。

作者:周江龍 單位:福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司