城市混浊治理：土地利用与城市风道的空间冲突_空气污染论文

城市雾霾管控：土地利用空间冲突与城市风道，本文主要内容关键词为：风道论文,城市论文,土地利用论文,冲突论文,空间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      修稿日期：2015-09-10

      中图分类号：F301.2 文献标识码：A 文章编号：1001-8158(2015)10-0049-08

      1 引言

      随着城镇化发展和人类活动的频繁，雾霾天气已成为备受关注的主要环境问题[1-4]。一般认为，雾霾属于空气污染的一种，雾霾天气产生机制是空气中悬浮的大量微粒和气象条件共同作用的结果；微粒主要是由于人为原因产生的，如化石燃料的燃烧，粉尘，工业污染等[5]；而大范围长期的雾霾天气的形成还包括其他因素。

      具体来说，雾霾天气的成因条件可按照污染源和污染传播过程分为两个方面：(1)人类活动产生的污染物排放。工业废气、机动车尾气、燃煤、扬尘等人类活动造成的大量污染物的排放是雾霾天气产生的直接原因[6]。(2)地形与土地利用空间结构不合理形成的特殊气候条件。空气流动是保持空气自净能力的重要因素，而城市的不合理拓展导致风道不畅，进一步使得流经市区的风速和强度下降，静风频率上升。同时热岛效应和逆温层效应使对流减弱，污染物不易扩散，是雾霾天气产生的小气候条件[7]。中国许多城市天然的地理条件使得城市形成了封闭或半封闭的结构。此外，城市快速发展和土地利用不合理而忽略了城市风道维护建设，也使得市区空气流通受到削弱。这两方面因素共同作用，是雾霾天气形成的条件及其难以消除的主要原因，而城市风道的形成、结构与空间布局又主要取决于土地利用空间布局等方面。城市的土地利用结构不仅与城市的空气污染有直接联系，也会因为对风道的影响从而间接影响城市的空气质量。城市风道不仅可以消减空气污染，还可缓解城市热岛效应以及增强城市自净能力等，对大都市雾霾的疏解具有十分重要的意义。

      总体来看，目前学术界在“人类活动—雾霾天气”关系等方面开展了一定的理论与实践探索。但基于“土地利用—雾霾天气”关系的相关研究还处于起步阶段，尤其是将土地利用(空间结构)、城市风道与雾霾管控等方面相耦合开展综合研究还缺乏系统考虑。因此，本文应用城市土地利用空间结构理论和风道理论，在系统分析杭州市气候背景、地形、主导风向、土地利用现状、土地利用总体规划及城乡总体规划的基础上，从土地利用空间冲突分析入手，构建并优化城市风道，开展城市雾霾管控研究，提出杭州市土地利用空间结构优化路径和雾霾治理对策，为杭州市土地资源合理利用和新型城镇化的健康发展提供理论依据和实践支撑。

      2 研究基础——国内外土地利用与城市风道的经验与借鉴

      雾霾天气不仅影响生产、生活安全，还对人体健康产生威胁和损害[8-9]。近年来，国内外越来越多的学者开始关注“人类活动(土地利用)—雾霾天气”关系的理论与实践研究。

      发达国家在城市发展过程中遇到的不同程度的空气污染问题，常通过土地利用空间结构优化和城市通风廊道建设的方法来净化城市空气，研究内容主要集中在大气环境变迁、土地利用和城市风道等对城市雾霾天气的影响等方面。例如，George C.Holzworth[10]针对美国7个站点的多时间点的混合深度、平均风速测定，分析包括城市规模等因素对城市空气污染扩散的影响；M.A.Arain等[11]结合土地利用回归模型和风道理论分析了加拿大安大略湖周边的多伦多和汉密尔顿市空气中的二氧化氮含量，并提出应将城市风道研究纳入土地利用分析框架；此外Jane E Clougherty等[12]采用同样的模型，通过测定分析PM2.5、NO[，2]和碳化物含量的变化情况，研究了城市交通对环境污染的影响；Kitada Igarashi等[13]主要讨论了陆海风和山谷风对空气污染扩散的影响；Jacob Baker[14]等研究了城市街渠峡谷对空气污染的影响机制；孙帅等[15]总结了西班牙巴塞罗那和美国波士顿的绿色廊道的构建；刘姝宇等[16]对德国斯图加特市的研究，总结分析了德国通风廊道规划的工作程序，并提出其对中国城市风道构建的指导意义。

      针对雾霾的治理与管控等热点科学问题，国内学者主要关注以下三个方面：(1)污染物的浓度、理化性质及其变化规律。蒋维楣[17]等介绍了城市街区污染分布的数值模拟方法，并与风洞试验结果对比证明了该方法的有效性；朱亚澜[18]等在分析城市风道改善城市气候作用的基础上，提出了城市通风道建设的具体途径。(2)雾霾天气的成因、雾霾天气时空格局、过程模拟及调控对策[3，19-20]。史军[21]、勒利梅等[22]分别研究了华东和上海地区雾霾天数的变化特征；宋晓辉等[23]总结了杭州市颗粒物污染特征及变化规律；陈秋芳等[2]利用快速迁移率粒径谱仪(FMPS)测算分析了杭州市颗粒物浓度及空间分布特征，并指出能见度和风力与颗粒物浓度呈负相关关系。(3)雾霾天气带来的危害。如熊嫒[24]总结了雾霾的6个方面危害；杨福林、高菲[16]分析了雾霾的环境毒理效应。此外，国内学者还开展了关于城市风道的合理规划，城市风道解决热岛效应的应用等研究[7]。例如，武汉市早在2005年就将城市通风道建设作为研究课题纳入武汉市总体规划，并在《武汉城市总体规划(2010-2020年)》中提出建立联系城市内外的生态廊道和城市风道的规划，实施运作后效果甚好，缓解了武汉的城市热岛效应。上海浦东规划建设的250 m宽的世纪大道，也是将其作为通风廊道改善其通风环境的尝试。

      国内外学术界均在城市风道的构建和利用风道缓解空气污染等问题上进行了有益的研究和尝试，并取得了积极的成效，这些经验可为中国城市雾霾管控提供新的思路。城市风道的建设是治理雾霾天气的有效途径，其又与城市的土地利用空间结构密切相关。因此，从调整城市土地利用空间结构入手，优化并重构城市风道，改善空气流通条件，干预空气污染传播过程，疏解雾霾天气，则成为今后土地利用与管理，特别是土地利用规划所面临的一个崭新课题。

      3 实证分析

      3.1 杭州市雾霾天气成因及条件分析

      3.1.1 一般原因 就杭州市而言，在颗粒物来源方面，洪盛茂等[19]研究发现，机动车尾气对杭州PM2.5消光能力的贡献率达到48.87%，是造成杭州市雾霾天气的首要污染源；各类工业二次污染，占36.32%；粗颗粒占10.81%；煤烟、土壤、建筑等扬尘占4%。其次，根据王传琛等[25]研究，秋冬季节，杭州城区的底层有逆温层，不利于空气的流通。第三，杭州市“三面云山一面城”的半封闭结构地形[20]，也不利于空气的流动，加上某些产业布局不当，导致污染物沿风道向城内集中。

      

      注：数据来源于《浙江省气候变化公报(2010)》。

      图1 浙江省平均风速距平历年变化图

      Fig.1 Average wind speed variation per year of Zhejiang Province

      3.1.2 城市风道——被忽视的土地利用空间结构 城市风环境比较复杂，既包括城市的盛行风，也包括局部的热力环流如街道风等，对杭州市而言，还包括海陆风的影响。由于城市土地利用空间结构的不合理安排对城市风道的堵塞是造成雾霾天气更加严重的另一个主要原因。杭州国家基准气候站的统计数据表明，2004年杭州出现雾霾天气为176天，到2013年杭州市雾霾天数已达到239天(表1)。根据《浙江省气候变化公报(2010)》显示，近50年来，浙江省平均风速呈明显的减弱趋势，平均每10年降低0.17 m/s(图1)，这主要是由于摩擦阻碍作用，导致了原本流经区域的风速以及强度明显减弱，杭州市的这一减弱趋势应会更加明显。

      目前杭州的城市建设对城市风道的整体规划、设计和建设还缺乏系统考虑，主要表现为城市整体布局的失当和局部高楼的不当集中。因此，通过优化和重构城市风道的方式来减轻城市空气污染则十分必要。

      3.2 土地利用空间整体结构对城市风道的影响

      

      

      图2 城市发展模式示意图

      Fig.2 Urban development pattern sketch

      目前，杭州市正处于城市空间结构建设的关键时期。根据《杭州市土地利用总体规划(2006-2020年)》和《杭州市城市总体规划(2001-2020年)》(下称“两规”)，杭州市未来的城市格局为“一主三副、双心双轴、六大组团六条生态带”的开放式空间结构模式，该格局对杭州城市风道的构建和功能产生了重要的影响，包括积极影响和消极影响两个方面。

      首先，杭州“两规”对城市发展空间上各个副城和组团的功能区分，不仅有效防止了以主城为中心的“摊大饼”模式的空间无序扩张(图2)，又避免了建设用地向主城区过分集中，如下沙副城所承担的高教园区功能。有序且开阔的城市空间，不仅带来了良好的通风环境，还降低了主城区对临界风速的要求，使得盛行风能够顺利通过城区，将污染物顺畅地输送扩散，降低了污染物浓度。其次，城市总体规划将杭州城市空间布局从以旧城为核心的团块状布局，转变为以钱塘江为主轴线的跨江沿江，向东向南，网络化组团式布局，使得杭州市由原来的“三面云山一面城”的半封闭结构转变为“一江春水穿城过”的开放式布局，形成的沿江跨江的城市空间布局形态能够很好地利用钱塘江天然的城市主风道功能，疏解了空气污染物。钱塘江水面宽阔，城市段宽度为2.5 km(海宁盐官)至100 km(杭州湾)之间，且贯穿全城，完全能够作为杭州市天然的主风道，保证杭州市良好的风环境。而且，钱塘江东至杭州湾汇入东海，能够很好地为杭州市输送海陆风。综上所述，杭州市“两规”中确定的城市东扩，沿江跨江发展以及网络化团块式布局，不仅避免了城市的过度集中，又保证了良好的城市通风环境。

      但是，目前杭州市“两规”也存在一些不利于城市风道功能发挥的因素，抑制了城市空气污染的疏解。根据杭州市1996-2005年各站点每日24小时观测数据可知，杭州市夏季盛行风向为东南风(ES)，冬季盛行风向为西北风(WN)。首先，对于主城东北方向的临平副城和九堡组团，在冬季盛行西北风时，该区域的建筑物必然会阻挡冬季盛行的北风。按照城市规划的布局，临平副城已有的工业区块也会带来负面影响，而江南城与主城位置接近，同样会受到影响。虽然下沙副城位置相对独立，但紧邻其外围的海宁工业园区既阻挡了冬季的北风通过，又在下沙城上风向产生了一定的空气污染源，在一定程度上加促了下沙副城雾霾天气的形成。根据杭州市气象局公布的统计数据，杭州市雾霾天气出现的时段主要是秋冬季节，这进一步验证了上文的分析结果。其次，当夏季盛行东南风时，风一般能顺利通过中心城区。但是由于杭州市江南副城和主城的相对位置，江南副城破坏了主城区的通风环境，紧密林立的高楼必然会对城市通风形成阻滞作用，减小风速并改变风向，这对城市北端的临平副城产生更为不利的影响。因此，在规划江南城的建筑布局时，应考虑留出足够的空间通道，且不适宜紧靠钱塘江。第三，下沙区和萧山区隔江南北对望，必然会形成两者之间相互阻挡关系，且萧山区工业结构比重较高的情况，污染也在所难免。第四，根据杭州城市发展的进程来看，也存在一些威胁城市风道的因素。例如，2007年12月，下沙副城进行了规划调整，试图将下沙副城与主城区进行“无缝对接”[26]，其空间无序地向主城集中，势必会导致两者间原本能作为城市风道的生态廊道被破坏，不利于城市风环境的优化。此外，当沿江的建设用地开发过于拥挤和紧密，也不利于钱塘江作为主风道效用的发挥。

      3.3 土地利用空间局部结构对城市风道的影响

      相对于土地利用空间整体布局，杭州市土地利用空间局部结构主要分析的是城市内部某个单独区块的内部结构与作为次要风道的某些主街道的规划设计，及其对城市风环境造成的影响。城市建设要求土地节约集约利用，手段之一便是增加建筑物高度和建筑密度，但楼层过高过密对于风速和污染物扩散会造成不利影响。庞赟佶[27]通过高斯模式模拟研究孤立建筑物对气流分布和污染物扩散的影响，发现较低建筑物(40 m)周边污染物扩散效果较好，而较高建筑物(80 m)的迎风侧会因气流回流而产生污染物浓度累积现象。史小朋[28]对街道渠谷的实测分析表明，街道高宽比是影响污染物扩散的最主要因素，且呈反比例关系。陈辰[21]则指出增大建筑间距，能够增加街道内的通风换气量，加速污染物稀释扩散。

      发挥城市风道功能的杭州市部分街道现状也存在着一定问题。主要表现为：(1)一些区块紧邻街道周边且建筑密集高大，这看似不会改变街道的实际宽度，但相比沿街房屋低矮的街道，则会影响其通风效果；(2)某些街道东西或南北不贯通，中段或者尽头受到高大连片建筑物阻挡，会对流经的气流形成阻滞，导致风速的减小和风向分流，则污染物会在此聚集(图3)。此外，钱江新城二期的开工和滨江区的快速发展，如不兼顾城市风道进行规划，密集的建筑群势必会影响到钱塘江这一天然城市风道功能的发挥。

      

      图3 建筑物阻挡空气流动示意图

      Fig.3 Diagram of buildings blocking the air flow

      

      图4 街道布置：高楼直立型街道(左)，“U”型街道(右)

      Fig.4 Street layout:skyscrapers type(left),U-type street(right)

      3.4 结果评价与验证

      综上所述，通过对杭州市基于土地利用空间整体和局部结构的城市风道分析，仅就城市风道功能而言，上风向存在污染企业、主风道与次级风道联结点受阻、次级风道(如生态带)受到侵蚀以及通风受其他区域遮挡的区域，更容易形成雾霾天气和较高的污染物浓度(如PM2.5)。在局部结构方面，街道狭窄，周边高楼林立，街道中途或尽头受阻的城市区块通风效果较差，也是雾霾天气的高发区，2013年市区各监测点PM2.5年日均浓度的实际观测结果也基本印证了上述结论(表2)。

      

      3.5 杭州市城市风道的优化与重构

      3.5.1 重视城市风道的重要性，将风道建设纳入“两规”之中 城市通风道的规划和营建不是一个短期就能完成的工程，其构建、运作和维护需要有思想上高度重视和制度上的充分保障。目前杭州市“两规”还没有充分认识到城市风道作用，并未从整体上将城市风道的规划设计纳入“两规”之中。

      首先，要从思想上提高人们对城市通风道重要性的认识，使其能够主动积极的维护城市风道的畅通；其次，城市通风道的建设必须从城市整体发展和规划设计层面来考量，将城市风道的规划和营建纳入“两规”，且要突出其战略性地位。新型城镇化发展必然会使城市面临有机更新，主城区改造建设和新城规划需要考虑到城市风道优化和重构。此外，在城市发展的过程中，受短期利益的驱使，很可能会出现无序建设扰乱和侵占风道的现象，必须通过一定的制度设计来维护城市风道的稳定和通畅。本文基于杭州市城市发展和土地利用空间现状，以及对杭州市城市空间结构的研究与考察，首次提出了杭州市包括主风道、次级风道等组成的城市风道体系(表3)。

      

      3.5.2 有序建设，充分利用天然主风道 城市建设首先必须尊重城市发展的现状，不能为了城市通风环境而进行大拆大建，需在可行的范围内进行改造。杭州市“两规”提出城市沿江发展战略，能很好地发挥钱塘江作为杭州市的天然主风道的功能，在传输气流和净化空气方面起着重要作用，可改善中心城区风环境和缓解雾霾天气。今后在沿江发展的同时，必须要加强城市空间布局规划的合理性，合理规划建筑高度和密度，且建筑群不能过于靠近江畔，沿江跨江发展要坚持合理规划利用空间，不能因无序扩张而阻挡了空气的流通。此外，还要加强维护和充分利用好现有的天然风道，如钱塘江和运河等。

      3.5.3 整合原有生态廊道和新旧绿地 杭州市“两规”已明确在主城、副城和组团之间规划出“绿色生态敞开空间”，这些“绿色生态敞开空间”可以作为城市风道而发挥疏解雾霾的功能。其次，杭州市城区和郊区存在着大量的生态空间资源，如西湖，西溪湿地等。通过整合这些生态空间资源，可使散落在城市空间内部的各个生态空间串联起来，形成生态空间网络，进一步发挥城市风道的功能。此外，杭州主副城以及各组团之间的各区块发展和规划必须坚持和保证不侵占其周边的绿色廊道。

      3.5.4 合理安排配置城市内部结构 城市风道的畅通能够保证外部气流进入到城市各区块内部，但是要确保风速达到一定的标准，还须合理安排其内部空间。针对目前杭州市城市风道建设存在的问题，在兼顾城市发展和通风需要的前提下，可对杭州市的主要街道进行合理的优化。具体包括以下几个方面：(1)对主要街道，要确保主风向的街道畅通，中途和尽头不被阻挡；适当降低城市中心的建筑密度，调整建筑物间距；在风洞实验和现场测定的基础上，对建筑高度进行合理安排。(2)对于已经建成的会阻挡街道通风的建筑，应在其周边布置足够的绿化带，以增加对聚积污染物的吸收；另外，在新街道的规划建设中注意绿化带的合理安排。(3)对于街道周边建筑应合理布置，不能采用两侧高楼林立的筒状结构。此外在可能的情况下拓宽城市主要街道的宽度，不能拓宽的，须保证沿街的建筑高度不宜过高，高低错开依次排列。李鹍等[29]研究表明，城市风道要取得理想的效果，其宽度要求为150 m，但对于旧城区的城市街道实际宽度很难满足这一要求，可以通过将建筑物在街道两侧依次由低到高错落布置，设计“U”型街道来增加其有效宽度(图4)。值得注意的是，在具体实行中，还须坚持土地利用经济效益、社会效益和生态环境效益的统一。

      4 结论与讨论

      (1)杭州市气候条件(特别是逆温层的存在)及特殊的“三面云山一面城”的半封闭结构地形是形成雾霾天气的自然地理基础，这样的自然地理基础不利于空气的流动，影响污染物的散溢，从而加剧雾霾的严重程度；人类生产、生活等活动(土地利用)是形成杭州市雾霾天气的直接原因；城市建设与管理、城市空间布局(城市规划、土地利用规划)等因素是形成雾霾天气的间接原因，目前杭州市的城市建设对城市风道的整体规划、设计和建设还缺乏系统考虑，主要表现为城市整体布局的失当和局部设计的不当。

      (2)就城市风道功能而言，首先从宏观尺度上看，杭州城市上风向存在污染企业、主风道(钱塘江)与次级风道(如生态带)联结点受阻、次级风道受到严重侵蚀以及通风受其他区域遮挡的区域，更容易形成雾霾天气和较高的污染物浓度；其次从微观尺度来看，在局部结构方面，街道狭窄、周边高楼林立、街道中途或尽头受阻等通风效果较差的城市区块，是雾霾天气的高发区。

      (3)通过规划城市风道来管控城市雾霾，还需要注意两个方面的问题：优化城市风环境仅是干预了空气污染的扩散和传播过程，只是一种治标的手段，不能从根本上解决城市空气污染问题，彻底消除雾霾还需要从源头做起；风环境和空气污染均是大时空尺度的概念，需要区域乃至全球尺度上的协同联动，不能仅靠“一地一城”。

      (4)今后需要进一步加强通过实地观测数据和空气动力学试验对城市通风道进行定量和定位的深入研究，包括通过构建相关模型开展城市风道的优化与重构对城市雾霾治理效果的模拟与预测研究等。

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