多尺度下建成环境对城市PM2.5浓度的影响及治理研究

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中国的快速城镇化带来了丰厚的物质基础同时也导致了严重的空气污染问题,尤其是PM2.5污染。长期暴露在高浓度的PM2.5环境中对人们的健康具有重大威胁。基于城市、街区、建筑空间尺度探讨建成环境对PM2.5浓度的影响,对于从宏观和微观尺度制定改善城市建成环境的策略,减轻居民的PM2.5暴露,提升居民的健康水平和幸福感都具有重要意义。文章首先从理论层面构建了多尺度建成环境与PM2.5浓度的关联框架。然后,基于中国288个地级市使用空间回归模型从城市尺度探讨了建成环境对PM2.5浓度的影响。其次,以重庆市主城区的185个街区为例,分别使用结构方程模型和计算机仿真方法,从街区尺度和建筑空间尺度探讨了建成环境对PM2.5浓度的影响。最后,根据研究结论,使用粒子群优化算法和计算机仿真方法,从宏观和微观尺度分别提出城市建成环境优化和治理对策。结果表明,在城市尺度上,城市规模、紧凑度、人口密度对中国南方和北方城市的PM2.5浓度都具有显著的正向影响。一般而言,规模小、适度分散、多中心的城市建成环境有利于降低PM2.5浓度。在街区尺度上:(1)PM2.5的扩散是影响PM2.5浓度的最重要的潜变量,其次是PM2.5的产生,最后是PM2.5的减轻。(2)影响PM2.5产生的因素对PM2.5浓度具有正向影响,相反,影响PM2.5扩散和减轻的因素对PM2.5浓度具有负向影响。(3)对PM2.5浓度具有显著正向影响的建成环境因素主要包括,容积率、建筑平均高度、树的聚集度、建筑密度、朝向、人口密度、街区外路网密度和工业用地面积占比;具有显著负向影响的建成环境因素主要包括,建筑高度差异、楼间距和绿化率。(4)街区内的建筑高度、密度、楼间距、朝向以及绿化率和树的聚集度对PM2.5浓度的标准化影响系数较大,是建成环境改善中需要重点关注的方面。在建筑空间尺度上:(1)建筑迎风面长度短,楼间距宽有利于改善通风条件,降低PM2.5浓度。(2)树冠对气流具有阻碍作用,通过树冠的气流速度会减小,这种负向影响与树的排布位置无关。(3)树对其周边的较小范围内的气流的影响在不同的小区布局中,不同的位置上都呈现出相似的情况,但对其周边较大范围的气流速度的影响与树的位置相关。(5)种树的数量与PM2.5浓度之间没有明显的正向或负向关联。(6)楼间距较窄时,在楼间距种树容易导致颗粒污染物集聚,楼间距较宽时,在楼间距区域种稀疏的树有利于促进空气对流,降低PM2.5浓度。(7)在多数情况下,风速越小,涡旋越多的区域更容易发生PM2.5聚集。(8)点阵建筑,建筑四周和楼间距都有树的建筑-树组合布局对应的PM2.5浓度均值和超标面积比都相对最低。(9)建筑四周和楼间距都有树的四面围合式建筑树排布形式对应的PM2.5浓度超过75μg/m~3的面积占比相对最大。在城市尺度的建成环境规划与管理中,应该鼓励规模小、适度分散、多中心的城市建成环境。在街区的规划设计中,降低容积率、建筑平均高度、树的聚集度和街区人口密度,或提高建筑高度差异可以在一定程度上降低PM2.5浓度。除了单一指标的调整外,为了达到街区内PM2.5浓度超标的时间尽量最短,需要注重所有建成环境指标的最优取值组合。在街区内建筑空间的布局方面,街区的建筑-树的规划设计布局应该根据不同区域的地形地貌特征和实际需求进行选择和布置。论文的研究结论对于以降低PM2.5浓度和减轻PM2.5暴露为目的的多个空间尺度的建成环境改善策略具有重要参考价值。
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