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摘 要： 摘 要：首先分析了武漢市空間結構和空氣質量(PM2.5)現狀，運用WRF/CMAQ耦合的方法模擬了2015年冬季武漢都市發展區內PM2.5濃度的時空分布情況，并從城市空間結構、用地建設強度、通風廊道三個方面討論了城市空間布局對武漢城區空氣質量的影響。結果表明：一、
摘 要：首先分析了武漢市空間結構和空氣質量(PM2.5)現狀，運用WRF/CMAQ耦合的方法模擬了2015年冬季武漢都市發展區內PM2.5濃度的時空分布情況，并從城市空間結構、用地建設強度、通風廊道三個方面討論了城市空間布局對武漢城區空氣質量的影響。結果表明：一、武漢城區冬季的PM2.5濃度呈“單峰型”日變化規律，早上8點前后的濃度最高;二、PM2.5濃度的空間分布存在明顯的圈層差異，由內向外逐漸降低，二環內的最大濃度是同一時刻全市平均值的2倍以上;三、分散式布局、高容低密的建設模式以及引入通風廊道三種方法都能有效地降低主城區的PM2.5濃度，但分散式布局和引入通風廊道的方式會在城市局部地區，尤其是下風方向形成弱風區而造成PM2.5累積，高容低密模式在降低主城區內PM2.5濃度上的作用最為顯著，最大降幅可達87μg/m3，是兼顧城市發展需求和改善空氣質量的良好手段。
關鍵詞：城市空間結構;PM2.5濃度;數值模擬;武漢市
0 引 言
城市化帶來的城市熱島效應和大氣污染已成為城市的主要環境問題，它們不僅增加了城市空調負荷和能源需求，引發城市的熱浪、霧霾等極端天氣事件，還會增加心血管和呼吸系統的致病機率[1-3]，大大增加兒童到呼吸門診就診的概率[4-5]。近年來，隨著我國霧霾問題的日益嚴峻，大氣污染問題受到了不同學科領域的廣泛研究。最早開始大氣污染問題研究的是氣象學科和環境學科，關注的重點是大氣內各種成分的物理、化學過程[6-8]，包括大氣污染物的排放、擴散、化學反應等[9-11]。由于這兩個領域的研究范圍巨大(網格精度為幾公里至幾十公里)，通常會忽略復雜的城市形態，僅將城市抽象成單一幾何形體。而目前建筑學和城市規劃領域的城市空氣質量研究主要集中在微觀層面(街區尺度，網格精度通常為幾米至幾十米)，側重于街區內的建筑布局、圍合街谷的界面形式[12-14]、建筑單體的形態等因素對街區污染物擴散等的影響[15-18]，缺少了對城市整體空間形態和微氣候特征的把握。此外，從流程上來講，城市規劃在建筑設計的上一層級，城市規劃決定了城市的用地布局和形態，一旦城市規劃對容積率、建筑高度、建筑密度等指標作出了相應的規定，在街區尺度上很難再對這些指標進行調整。因此，本研究從城市空間結構、用地建設強度以及引入通風廊道三個方面討論城市空間布局對PM2.5濃度的影響機理及調控策略，以從宏觀層面對城市規劃設計和管理提供參考。
1 城市空間布局對空氣污染的影響機理
城市內的工業生產、機動車數量的激增、居民生活中煤炭、石油等化石能源的使用是導致城市空氣質量惡化的主要原因[19-20]。在城市規劃層面，城市空間結構會根據城市用地現狀和地形地貌特征對城市建設用地做出相應的空間布局，它決定了城市整體空間形態的集聚或分散，同時也影響到城市大氣污染物排放的空間分布;城市用地建設強度是根據社會經濟發展目標對不同性質建設用地的各類建設指標(容積率、建筑密度、建筑高度、綠地率等)做出相應的規定，它決定了城市三維空間形態，改變了城市地表粗糙度長度和大氣邊界層高度，對城市風環境和污染物的擴散途徑影響重大;而通風廊道的引入則是為了將郊區涼爽、干凈的空氣引入城市內部，以促進大氣污染物的擴散。概括起來，城市空間布局對空氣質量的影響主要體現在污染物排放源和擴散途徑兩個方面。
一是城市空間布局決定了城市污染源的空間分布。不同用地所產生的大氣污染物的排放時間和排放強度有所不同，因此在進行城市用地組織時需要結合其排放規律進行合理的安排。例如，工業排放是大氣污染物的重要來源，在用地布局時通常布置在城市外圍區域，同時還需要考慮工業用地與城市主導風向的位置關系，避免位于城市主導風向的上風向。公共設施用地(包括商業用地和辦公用地)和居住用地是生活排放和交通排放的重要來源，合適的空間結構模式能夠縮短通勤距離，減少能源消耗和污染物排放。
二是城市空間布局會改變城市形態和影響城市微氣候，從而影響大氣污染物的擴散。如熱島效應、風速風向、相對濕度等，進而影響到大氣污染物的擴散、遷移和干濕沉降。有研究表明[21]，城市熱島效應會增加對溫度比較敏感的大氣污染物的光化學反應速率，加快二次污染物的產生。城市內建筑高度、建筑密度、街道走向等因素會顯著改變城市局部的湍流過程和湍流強度，影響城市內部的風速風向[22]，進而影響到大氣污染物的擴散和遷移[23];而城市生態空間的布局則會改變局地空氣的相對濕度，影響大氣內顆粒物和氣溶膠的干濕沉降過程，此外植被本身的吸塵滯塵作用也有助于改善城市空氣質量。
2 武漢市空間布局及空氣質量現狀解析
2.1 武漢市空間布局現狀
2.1.1 空間結構現狀
武漢有著獨特的地理位置和地形地貌特征，既有長江、漢江兩條大河穿城而過，又有東湖、南湖、湯遜湖等面積巨大、數量眾多的湖泊水體散布城市內，城市布局相對分散，因此武漢素有“大江大河大武漢”的美譽。這些要素造就了武漢“圈層式”與“組團式”相結合的復雜城市空間結構模式，既有明顯的“圈層式”結構，又在圈層外圍分布著6個城市組團，形成了“1+6”的城市空間結構模式(圖1)。而且隨著城市規模的不斷擴張，武漢市的空間結構正向分散化、多中心化趨勢發展[24]。
2.1.2 用地組織現狀
武漢市二環以內的區域為中心城區，集中了全市大部分的商業用地和公共服務設施用地，因此該區域存在容積率和建筑高度較高，建筑密度大的特點。三環以內為主城區，用地性質以居住用地為主。近年來隨著武漢市人口的不斷膨脹，高層甚至超高層住宅越來越多，但受建筑規范的限制，三環內的建筑密度要小于二環。三環以外的區域則分布著大量的工業用地，是武漢市工業排放的主要來源。
2.1.3 通風廊道組織現狀
武漢市有豐富的河流、湖泊資源，長江和漢江兩大水系為城區提供了天然的一級通風道，市區內諸如東湖、南湖、湯遜湖等眾多的湖泊水體則是良好的冷源和清潔空氣來源。但隨著城市的擴張，大量湖泊水體被侵占，密集的高層建筑隔斷了河流、湖泊之間的聯系，阻止了清潔空氣向中心城區的滲透。
2.2 武漢市PM2.5濃度時空分布現狀
運用WRF+CMAQ模式模擬了2015年冬季武漢市都市發展區內的PM2.5濃度時空分布現狀。圖2反映了武漢都市發展區內平均PM2.5的日變化曲線和典型時刻的空間分布狀況。由圖2可知，武漢市的平均PM2.5濃度日變化規律呈現出單峰型變化。00:00—07:00時段，由于地表輻射能弱，氣溫低，大氣湍流活動為全天最低，此時段內PM2.5濃度累積速度很快，到早上07:00前后，由于夜間的累積和早高峰交通排放的疊加，使得此時的平均PM2.5濃度達到全天最大值(約59.7μg/m3)。夜間18:00—20:00時段，受交通晚高峰的影響，PM2.5濃度有小幅上升，但遠小于早高峰時段僅維持在15μg/m3上下。就空間分布來看，武漢都市發展區內的平均PM2.5濃度存在明顯的圈層分異情況，無論在白天還是夜間，二環以內中心城市的平均PM2.5濃度始終高于其他區域，三環內次之，尤其在07:00左右，二環內的平均PM2.5濃度高出全市平均值2倍以上。從全市范圍來看，PM2.5濃度較高的區域主要分布在城市的西部，漢江沿線的漢口和漢陽部分區域內。
2.3 本文研究思路與技術路線
綜合上述分析可知，城市空間布局分別從大氣污染物的排放源和擴散途徑兩個方面影響著城市空氣質量。因此，在對武漢市空氣質量現狀梳理的基礎上，結合城市空間布局對空氣質量的影響機理，本文將運用WRF耦合CMAQ模式的數值模擬方法，分別從空間結構、用地建設強度、通風廊道組織三個方面設置三組案例，模擬城市空間布局的這三個要素對城市空氣質量(PM2.5濃度)的影響，并從大氣污染物的源頭控制和擴散途徑兩個方面針對城市空間布局提出優化策略(圖3)。三組案例的參數設置見表1。
3 改善空氣質量的空間布局優化策略
針對武漢市空間布局和PM2.5濃度空間分布現狀，筆者分別從城市空間結構、用地建設強度、通風廊道建設三個方面提出了優化策略，并設置三組案例對優化后的PM2.5濃度進行數值模擬，以比較優化策略的效用。
3.1 采用“多中心+組團式”的分散式空間結構模式
由表1可知，采用分散式布局的CASE1案例所有參數均與現狀CASE0案例相同，并沒有降低現有城市建設強度。從模擬結果來看(圖4-5)，在07:00和20:00兩個典型時刻，CASE1案例中心城區(二環內)的PM2.5濃度有明顯下降，中心城區的最大降幅為33 μg/m3，出現在早上07:00;三環內的最大降幅出現時間較晚，在上午10:00。比較CASE1與CASE0案例的10m風速和大氣邊界層高度可知(圖5)，全天絕大多數時刻，CASE1案例的10m風速和大氣邊界層高度都高于CASE0案例，這是降低其PM2.5濃度的主要原因。在07:00時雖然中心城區的10m風速略有降低(降低0.28m/s)，但其邊界層高度較高(增加72m)，說明該時刻CASE1案例的大氣污染物以垂直擴散為主。
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由此可見，在同等建設強度下，“多中心+組團式”的分散式布局(圖6)將中心城區部分公共服務功能分散到各組團內部，避免中心城區的人流、車流等過于集中，也可緩解鐘擺式交通帶來的早高峰和晚高峰的交通擁堵情況。“多中心+組團式”的空間結構模式打破了圈層結構下中心城區人流和物流的過度集中，一方面減少了中心城區的大氣污染物排放，從源頭上緩解了空氣污染問題;另一方面也有利于郊區涼爽、干凈的冷空氣向中心城區滲透，有利于大氣污染物的擴散。因此在規劃過程中，應當逐步疏解中心城區的部分職能，因地制宜地在城市的不同區域形成新的中心和組團，引導城市向分散式空間布局模式發展。
3.2 合理控制建設強度，發展高容低密模式
用地建設強度主要由容積率、建筑密度、建筑高度等因素構成，在城市化過程中，城市發展與建設用地緊張的矛盾一直存在，尤其是大城市，因此提高用地建設強度是必然的選擇。由表1可知，CASE2案例采用高容低密的建設模式，其容積率、建筑高度、綠地率都有所增加，但降低了建筑密度和建筑寬度，其目的也是為了在滿足城市發展建設的前提下，盡可能地增加城市綠化，將郊區干凈的空氣引入到城市內部，增加城市的通風能力。圖7顯示了CASE2與CASE0案例的PM2.5濃度差在典型時刻的空間分布情況。由此可見，雖然容積率和建筑高度都增加了，但主城區(三環內)的PM2.5濃度大范圍顯著下降，說明降低建筑密度、增加綠化的方式可以極大地改善城市空氣質量。進一步比較CASE2與CASE0案例的PM2.5濃度、10m風速和大氣邊界層高度的日變化曲線發現(圖8)，07:00時，與CASE0相比，CASE2的10m風速增加約0.4m/s，邊界層高度增加約78m，兩者在該時刻的增幅均為全天最大，使得此時PM2.5濃度的降幅最大(二環內的PM2.5濃度降幅達110μg/m3)。而在夜間20:00時，由于10m風速和大氣邊界層高度都大幅降低(圖8)，導致各圈層內的PM2.5濃度都有小幅升高，二環內的上升幅度較大，約19μg/m3，其他圈層相對較低，約5μg/m3，說明高容低密模式雖然減小了風速，但增大了邊界層高度，促進了大氣污染物的垂直擴散。
高容低密的建設模式通過增加建筑高度、降低建筑密度的方式，既滿足了城市用地開發強度需求，又增加了建筑間距，有利于郊區涼爽、清潔空氣向中心城區滲透。因此，在規劃指標的制定過程中，應該嚴格控制建筑密度，適度鼓勵高層建筑，尤其是在通風廊道沿線，避免過大的建筑密度侵占和阻塞風道。在進行城市重要節點城市設計時，建議增加風環境設計專項。
3.3 充分利用生態空間，引入通風廊道
武漢素有“百湖之城”的美譽，東湖、南湖、湯遜湖等數量眾多、面積巨大的湖泊為改善城市微氣候提供了良好的基礎。本研究結合武漢市2010版城市總體規劃中劃定的六條綠楔(圖1)，根據武漢城市建設現狀，利用鐵路、快速路、開敞空間等劃定6條寬度為1km通風廊道，并在保持容積率不變的前提下，適當增加了主城區的建筑高度，降低了建筑密度和建筑寬度，以保證通風廊道內的風能向主城區內滲透。從模擬結果來看，主城區內的PM2.5濃度下降明顯，其中二環內的PM2.5濃度最大降幅約為31μg/m3，出現在早上09:00(圖9)，三環內的最大降幅比二環略低，且出現時間晚1小時。比較CASE3與CASE0的10m風速和邊界層高度發現，盡管CASE3的邊界層高度在多數時刻都低于CASE0，但其10m風速卻高于CASE0(圖10)，這說明CASE3案例的PM2.5以水平擴散為主，即通風廊道的引入改善了武漢城區的風環境，促進了PM2.5的水平擴散。
由上述分析可知，通風廊道的引入可以顯著改善中心城區的空氣質量。鑒于影響城市風環境的主要形態指標有建筑高度、建筑密度、地表粗糙度、迎風面積比等，本文以武漢市2015年矢量建筑數據為基礎，利用ArcGIS空間分析工具和最低成本路徑法(least-costpath)分析了武漢市建筑高度和建筑密度的空間分布情況(圖11a和11b)，并以此為依據，結合數值模擬的結果，在武漢都市圈劃定“六縱一橫”共七條寬度約1~1.2km通風廊道(圖11c)，將郊區清潔空氣引入中心城區。
4 結語
改善城市空氣質量最根本、最有效的方法是從源頭上減少工業生產、交通運輸、發電、供暖等過程中產生的污染物排放。當前我國正在采取大量積極的措施來應對大氣污染問題：調整產業結構，淘汰落后產能;調整能源供給結構，加大清潔能源的使用;在建筑行業推進節能減排，在交通運輸行業提倡電動車的使用，這些措施需要長時間的努力方可見效。另一種辦法是對城市內的污染物進行疏導，通過合理的用地布局，控制建設強度，引入通風廊道等措施來促進城區內的污染物向外遷移和擴散。本文即是從后一種方法入手，立足于城市規劃專業，從宏觀層面對城市的空間布局提出改善的思路。而對更為細節層面的措施，如容積率和建筑高度的合理取值、通風廊道的具體形式等有待后續深入研究。——論文作者：許華華 陳 宏
