园林植被规划对空气污染控制作用

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摘要:居民的健康直接受空气污染程度的影响，控制空气污染的重要因素之一是植被，因此提出园林植被规划对空气污染控制的作用建模分析方法。建立数字高程模型和污染物扩散模型，在此基础上研究园林植被规划对空气污染的控制作用。研究结果表明，针对交通排放的污染物浓度，园林植被的控制效果并不明显，园林植物主要是在空间中对污染物进行隔离，通过大气扩散稀释作用降低空气中污染物的质量浓度，且植被叶面指数年内变化与空气污染浓度之间存在时间不同步性。

关键词:园林植被;空气污染;建模分析;数字高程模型;污染物扩散模型

前言

环境和生物之间存在相互作用的关系，在一定范围的生态环境中，植物群落会产生物质循环和能量流动，进而影响附近的生存环境［1－2］。在城市生态环境的空气污染治理方面，园林植物发挥了巨大作用，这主要是由于园林植物具有吸收污染物和抵抗污染物的能力，因此植物属于生态环境中不可缺少的一部分［3－4］。植物通常利用叶面上存在的气孔和枝条中存在的皮孔实现污染物的吸附，利用自身的氧化作用在体内降解吸附的污染物，将其转变为无毒物质并释放到大气中，从而达到净化空气的作用。但类型不同的植物对应的生态功能都不相同，降解污染物的能力也存在差异，因此通过规划园林植被，构建不同的绿化生态体系，可以有针对性地治理空气污染问题，提高城市环境的质量。

1数字高程模型园林植被规划对空气污染控制的作用建模分析

方法通过GIS数据构建城市的数字高程模型(Digit-alElevationModel，DEM)［5－6］。园林植被通常情况下在夏季生长的最旺盛，在DEM模型中将偏南风作为主导风向，通过下式计算入口处对应的风速u(z):u(z)=u*κlnzz()0(1)式中，u*代表摩擦速度;κ代表卡尔曼常数，在本次建模分析中取0.4;z、z0均代表粗糙度参数。设ε(z)代表入口处对应的湍流耗散率，可通过下式计算得到:ε(z)=C34μκ32kz(2)式中，k代表入口处对应的湍动能，计算公式如式(3):k=u*2Cμ(3)针对建筑物和树木对流场产生的阻力，园林植被规划对空气污染控制的作用建模分析方法采用多孔介质模型进行模拟［7－8］。计算树木对流场产生的阻力时，一般情况下只考虑惯性阻力，不考虑粘性阻力，构建树木冠层对应的动量方程:uj∂ui∂xj=－1ρ∂P∂xi+∂∂xj(v+vt)∂uix[]j+SD(4)式中，v代表运动粘度;ρ代表空气密度;P代表空气压强;vt代表湍流粘度，通常情况下由湍流脉动引起;SD代表内部阻力源项，通常情况下由植被引起，其计算公式如式(5):SD=－Cdαui|u|(5)式中，Cd通常情况下由植被的结构决定，属于惯性阻力系数，在区间［0.1，0.3］内取值;α代表叶面积密度，可由实验测得。冠层内存在的湍流会受到植被的影响，用k描述湍动能，用ε描述湍动能耗散率，此时对应的湍动能方程表达式为:uj∂ε∂xj=∂∂xj(v+vtσε)∂kx[]j++vt∂ui∂xj+∂uj∂x()i∂ui∂xj－ε+Sk(6)式中，Sk为k中存在的源项，可通过下式计算得到:Sk=12Cdα|u|3－2Cdα|u|k(7)通过下式对湍流耗散率方程进行改进: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为湍流耗散率中存在的源项;Cε1、Cε2为经验常数。Sε可通过下式计算得到:Sε=εkCε3Cdα|u|3－4Cε4Cdα|u|ε(9)式中，Cε3、Cε4代表经验常数。综合上述计算数据，采用ArcGIS软件构建研究区域的数字高程模型。

2污染物扩散模型

城市下垫面和城市风场会对污染物的扩散产生影响。污染物在空气中扩散的主要原因是大气扩散和大气运输，其中造成污染物扩散的重要原因是空气中存在的湍流作用，因此在此次研究过程中通过梯度输送理论模拟污染物在空气中的运输。在梯度输送理论中通过半经验的湍流理论封闭处理湍流运动的方程组，求解污染物在空气中的扩散。将湍流半经验理论应用在湍流扩散模拟中时，假定局地污染物的质量浓度梯度与污染物的质量输运通量之间为正比关系，可通过下述公式进行描述:ρC'u'i=－ρKi∂c∂xi(10)式中，C代表污染物对应的质量浓度;Ki代表x、y、z方向中存在的湍流扩散系数。污染物的扩散方程通常情况下符合质量守恒定理，构建污染物在空气中通用的扩散方程:∂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代表扩散系数，此时存在如下扩散运输方程: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均代表广义扩散系数，上述系数通常都由两部分构成:Γi=ηtσT+λcp(13)公式右边的第一项描述的是湍流脉动部分，公式右边的第二项描述的是扩散部分。在湍流扩散方程中由植被吸收污染物的沉降汇Ssink和建筑群的污染物散发源项构成源项，沉降汇Ssink的计算公式如式(14):Ssink=Cβvd(14)式中，β代表叶面积密度;vd代表污染物对植被的沉降速度。

3分析结果

3.1膜采样分析

如图1所示不同监测点在全部风向条件下的污染物质量浓度。图1污染物在不同监测点下的质量浓度根据图1中的数据可知，小流量膜采样污染物的含量在不同天气条件下的变化较大。监测第11d的污染物质量浓度最高，监测第10d的污染物质量浓度最低。天气形势在监测期间内可以分为以下三种类型:(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。将监测点4作为参照点，该点的污染物质量浓度在2d时高于其他监测点，造成这种现象的主要原因是2d下午研究区域以静风为主，与监测点3相比，监测点4与马路之间的距离较短，此时大气污染物的主要来源是交通排放扩散。

3.2DustTrack8530监测分析

采用DustTrack8530在膜采样的同时监测不同点位的污染物质量浓度。结合实验监测数据和气象局预报数据，分析污染物在南风时段下的数据。监测数据显示:污染物在13d时的质量浓度最高，污染物在7d和10d时的质量浓度最低。污染物在1d、8d、11d、13d时的质量浓度变化没有规律。监测点在7d和10d的差距较小，污染物质量浓度普遍较低。污染物在1d、5d、11d、12d、14d的质量浓度由低到高的排序为监测点3＜监测点2＜监测点1。这几天监测点的风向主要为弱南风，植物叶片吸附和植物滞留都会对交通排放的污染物扩散过程产生影响，污染物此时在大气中的浓度有所降低。6d上午的风向为北风，对应的风速为0.4m/s，下午的风向为南风，对应的风速为0.6m/s，上午和下午的观测数据为:6d下午时段内的污染物质量浓度明显低于上午时段内的污染物浓度，造成这种现象的主要原因是污染物在大气中的扩散程度受风速的影响较大。上下湍流和混合层高度在下午时段内较高，污染物此时在空气中的分布均匀性相对较高，因此污染物在大气中的浓度有所降低。在相同时间段内，不同监测点中的污染物对应的质量浓度相差较小。经调查发现，在不同时间、不同地点中，污染物颗粒在相同树种内不存在规律性;配置不同但宽度相同的绿化带对污染物的净化能力差异较小。通过上述分析可知，污染物质量浓度在不同监测点中的变化不存在明显规律，表明在降低交通污染物排放质量浓度方面园林植被的作用较小，通过重力降尘无法消除大气中存在的污染物，因为在湍流扰动下落到植被上的污染物还会悬浮到大气中。

3.3平行监测结果

假设污染物在大气中的扩散速度相同，根据污染物质量浓度在监测点5～监测点9的差异，分析污染物浓度受园林植物的影响。如图2所示各监测点在南风条件下的污染物平均质量浓度相差不大，与其他监测点相比，污染物在监测点9的平均质量浓度较高，造成这种现象的主要原因是与植物的吸附作用相比，建筑物对污染物的吸附作用较差。人们在治理大气污染时对大气浓度随时间变化的重视度较低，只关注植被的空间特征。研究园林植被对空气污染的控制作用时，在相互作用理论的基础上可知，植物净化大气污染物的能力通常情况下受大气污染因子与植被净化因子的影响。对园林植被对空气污染控制的作用进行研究时，应该先分析植被净化能力的时间与空气污染水平之间存在的关系，对可控因素进行调节，才能提高植被的净化能力。大气污染在北方城市中的年内变化较为显著，且季节变化也会对植物的生长产生影响。在时间上季节变化与大气污染的匹配程度会对园林植被净化大气污染物的能力产生影响(见图3～图5)。根据图中数据可知，随着季节的变化植被叶面指数的变化呈倒U型，PM10浓度的变化呈U型，因此植被叶面指数与PM10浓度之间呈负相关，两者都会对植被净化量产生影响。大气污染情况在1月份、2月份和12月份最为严重，此时PM10在空气中的含量较高，在这些月份中绝大部分树木还没有发芽，植物的叶面指数与其他月份相比较低，降低了PM10的净化量;PM10浓度在3月－5月之间呈下降趋势，树木在此阶段开始生长，叶面指数也不断增加，在此条件下植被净化量有所提高;植被的叶面指数在5月－9月达到最高，但PM10浓度却较低，造成这种现象的主要原因是植物的净化能力没有得到提高;PM10在空气中的浓度在10月份迅速增高，此时的植被净化量最高，叶面指数在11月－12月中不断下降，净化的PM10逐渐减少。综上所述，大气污染的年内变化与植被叶面指数之间的时间同步性较差，这种情况降低了植被净化污染物的能力，主要表现为树叶在冬季枯落，净化量随着叶面指数的降低而降低，导致污染物在冬季的浓度较高;大气污染物浓度在夏季的浓度较小，虽然植被在该季节中茂盛，但净化量较低。

4结语

大气污染问题的逐渐加重，提高了人们对环境治理的重视程度，并开始寻找各种途径降低空气污染程度。植被可以降低风速，同时可以增加地面粗糙度，易于大气污染物的沉降，树叶表面的湿润特性、纹理、油脂和绒毛等有利于污染物的吸附，因此在空气污染控制中，规划园林植被是有效手段之一。

作者:周江龙 单位:福建省建筑设计研究院有限公司