摘 要：首先分析了武汉市空间结构和空气质量(PM2.5)现状，运用WRF/CMAQ耦合的方法模拟了2015年冬季武汉都市发展区内PM2.5浓度的时空分布情况，并从城市空间结构、用地建设强度、通风廊道三个方面讨论了城市空间布局对武汉城区空气质量的影响。结果表明：一、武汉城区冬季的PM2.5浓度呈“单峰型”日变化规律，早上8点前后的浓度最高;二、PM2.5浓度的空间分布存在明显的圈层差异，由内向外逐渐降低，二环内的最大浓度是同一时刻全市平均值的2倍以上;三、分散式布局、高容低密的建设模式以及引入通风廊道三种方法都能有效地降低主城区的PM2.5浓度，但分散式布局和引入通风廊道的方式会在城市局部地区，尤其是下风方向形成弱风区而造成PM2.5累积，高容低密模式在降低主城区内PM2.5浓度上的作用最为显著，最大降幅可达87μg/m3，是兼顾城市发展需求和改善空气质量的良好手段。
关键词：城市空间结构;PM2.5浓度;数值模拟;武汉市
0 引 言
城市化带来的城市热岛效应和大气污染已成为城市的主要环境问题，它们不仅增加了城市空调负荷和能源需求，引发城市的热浪、雾霾等极端天气事件，还会增加心血管和呼吸系统的致病机率[1-3]，大大增加儿童到呼吸门诊就诊的概率[4-5]。近年来，随着我国雾霾问题的日益严峻，大气污染问题受到了不同学科领域的广泛研究。最早开始大气污染问题研究的是气象学科和环境学科，关注的重点是大气内各种成分的物理、化学过程[6-8]，包括大气污染物的排放、扩散、化学反应等[9-11]。由于这两个领域的研究范围巨大(网格精度为几公里至几十公里)，通常会忽略复杂的城市形态，仅将城市抽象成单一几何形体。而目前建筑学和城市规划领域的城市空气质量研究主要集中在微观层面(街区尺度，网格精度通常为几米至几十米)，侧重于街区内的建筑布局、围合街谷的界面形式[12-14]、建筑单体的形态等因素对街区污染物扩散等的影响[15-18]，缺少了对城市整体空间形态和微气候特征的把握。此外，从流程上来讲，城市规划在建筑设计的上一层级，城市规划决定了城市的用地布局和形态，一旦城市规划对容积率、建筑高度、建筑密度等指标作出了相应的规定，在街区尺度上很难再对这些指标进行调整。因此，本研究从城市空间结构、用地建设强度以及引入通风廊道三个方面讨论城市空间布局对PM2.5浓度的影响机理及调控策略，以从宏观层面对城市规划设计和管理提供参考。
1 城市空间布局对空气污染的影响机理
城市内的工业生产、机动车数量的激增、居民生活中煤炭、石油等化石能源的使用是导致城市空气质量恶化的主要原因[19-20]。在城市规划层面，城市空间结构会根据城市用地现状和地形地貌特征对城市建设用地做出相应的空间布局，它决定了城市整体空间形态的集聚或分散，同时也影响到城市大气污染物排放的空间分布;城市用地建设强度是根据社会经济发展目标对不同性质建设用地的各类建设指标(容积率、建筑密度、建筑高度、绿地率等)做出相应的规定，它决定了城市三维空间形态，改变了城市地表粗糙度长度和大气边界层高度，对城市风环境和污染物的扩散途径影响重大;而通风廊道的引入则是为了将郊区凉爽、干净的空气引入城市内部，以促进大气污染物的扩散。概括起来，城市空间布局对空气质量的影响主要体现在污染物排放源和扩散途径两个方面。
一是城市空间布局决定了城市污染源的空间分布。不同用地所产生的大气污染物的排放时间和排放强度有所不同，因此在进行城市用地组织时需要结合其排放规律进行合理的安排。例如，工业排放是大气污染物的重要来源，在用地布局时通常布置在城市外围区域，同时还需要考虑工业用地与城市主导风向的位置关系，避免位于城市主导风向的上风向。公共设施用地(包括商业用地和办公用地)和居住用地是生活排放和交通排放的重要来源，合适的空间结构模式能够缩短通勤距离，减少能源消耗和污染物排放。
二是城市空间布局会改变城市形态和影响城市微气候，从而影响大气污染物的扩散。如热岛效应、风速风向、相对湿度等，进而影响到大气污染物的扩散、迁移和干湿沉降。有研究表明[21]，城市热岛效应会增加对温度比较敏感的大气污染物的光化学反应速率，加快二次污染物的产生。城市内建筑高度、建筑密度、街道走向等因素会显著改变城市局部的湍流过程和湍流强度，影响城市内部的风速风向[22]，进而影响到大气污染物的扩散和迁移[23];而城市生态空间的布局则会改变局地空气的相对湿度，影响大气内颗粒物和气溶胶的干湿沉降过程，此外植被本身的吸尘滞尘作用也有助于改善城市空气质量。
2 武汉市空间布局及空气质量现状解析
2.1 武汉市空间布局现状
2.1.1 空间结构现状
武汉有着独特的地理位置和地形地貌特征，既有长江、汉江两条大河穿城而过，又有东湖、南湖、汤逊湖等面积巨大、数量众多的湖泊水体散布城市内，城市布局相对分散，因此武汉素有“大江大河大武汉”的美誉。这些要素造就了武汉“圈层式”与“组团式”相结合的复杂城市空间结构模式，既有明显的“圈层式”结构，又在圈层外围分布着6个城市组团，形成了“1+6”的城市空间结构模式(图1)。而且随着城市规模的不断扩张，武汉市的空间结构正向分散化、多中心化趋势发展[24]。
2.1.2 用地组织现状
武汉市二环以内的区域为中心城区，集中了全市大部分的商业用地和公共服务设施用地，因此该区域存在容积率和建筑高度较高，建筑密度大的特点。三环以内为主城区，用地性质以居住用地为主。近年来随着武汉市人口的不断膨胀，高层甚至超高层住宅越来越多，但受建筑规范的限制，三环内的建筑密度要小于二环。三环以外的区域则分布着大量的工业用地，是武汉市工业排放的主要来源。
2.1.3 通风廊道组织现状
武汉市有丰富的河流、湖泊资源，长江和汉江两大水系为城区提供了天然的一级通风道，市区内诸如东湖、南湖、汤逊湖等众多的湖泊水体则是良好的冷源和清洁空气来源。但随着城市的扩张，大量湖泊水体被侵占，密集的高层建筑隔断了河流、湖泊之间的联系，阻止了清洁空气向中心城区的渗透。
2.2 武汉市PM2.5浓度时空分布现状
运用WRF+CMAQ模式模拟了2015年冬季武汉市都市发展区内的PM2.5浓度时空分布现状。图2反映了武汉都市发展区内平均PM2.5的日变化曲线和典型时刻的空间分布状况。由图2可知，武汉市的平均PM2.5浓度日变化规律呈现出单峰型变化。00:00—07:00时段，由于地表辐射能弱，气温低，大气湍流活动为全天最低，此时段内PM2.5浓度累积速度很快，到早上07:00前后，由于夜间的累积和早高峰交通排放的叠加，使得此时的平均PM2.5浓度达到全天最大值(约59.7μg/m3)。夜间18:00—20:00时段，受交通晚高峰的影响，PM2.5浓度有小幅上升，但远小于早高峰时段仅维持在15μg/m3上下。就空间分布来看，武汉都市发展区内的平均PM2.5浓度存在明显的圈层分异情况，无论在白天还是夜间，二环以内中心城市的平均PM2.5浓度始终高于其他区域，三环内次之，尤其在07:00左右，二环内的平均PM2.5浓度高出全市平均值2倍以上。从全市范围来看，PM2.5浓度较高的区域主要分布在城市的西部，汉江沿线的汉口和汉阳部分区域内。
2.3 本文研究思路与技术路线
综合上述分析可知，城市空间布局分别从大气污染物的排放源和扩散途径两个方面影响着城市空气质量。因此，在对武汉市空气质量现状梳理的基础上，结合城市空间布局对空气质量的影响机理，本文将运用WRF耦合CMAQ模式的数值模拟方法，分别从空间结构、用地建设强度、通风廊道组织三个方面设置三组案例，模拟城市空间布局的这三个要素对城市空气质量(PM2.5浓度)的影响，并从大气污染物的源头控制和扩散途径两个方面针对城市空间布局提出优化策略(图3)。三组案例的参数设置见表1。
3 改善空气质量的空间布局优化策略
针对武汉市空间布局和PM2.5浓度空间分布现状，笔者分别从城市空间结构、用地建设强度、通风廊道建设三个方面提出了优化策略，并设置三组案例对优化后的PM2.5浓度进行数值模拟，以比较优化策略的效用。
3.1 采用“多中心+组团式”的分散式空间结构模式
由表1可知，采用分散式布局的CASE1案例所有参数均与现状CASE0案例相同，并没有降低现有城市建设强度。从模拟结果来看(图4-5)，在07:00和20:00两个典型时刻，CASE1案例中心城区(二环内)的PM2.5浓度有明显下降，中心城区的最大降幅为33 μg/m3，出现在早上07:00;三环内的最大降幅出现时间较晚，在上午10:00。比较CASE1与CASE0案例的10m风速和大气边界层高度可知(图5)，全天绝大多数时刻，CASE1案例的10m风速和大气边界层高度都高于CASE0案例，这是降低其PM2.5浓度的主要原因。在07:00时虽然中心城区的10m风速略有降低(降低0.28m/s)，但其边界层高度较高(增加72m)，说明该时刻CASE1案例的大气污染物以垂直扩散为主。
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由此可见，在同等建设强度下，“多中心+组团式”的分散式布局(图6)将中心城区部分公共服务功能分散到各组团内部，避免中心城区的人流、车流等过于集中，也可缓解钟摆式交通带来的早高峰和晚高峰的交通拥堵情况。“多中心+组团式”的空间结构模式打破了圈层结构下中心城区人流和物流的过度集中，一方面减少了中心城区的大气污染物排放，从源头上缓解了空气污染问题;另一方面也有利于郊区凉爽、干净的冷空气向中心城区渗透，有利于大气污染物的扩散。因此在规划过程中，应当逐步疏解中心城区的部分职能，因地制宜地在城市的不同区域形成新的中心和组团，引导城市向分散式空间布局模式发展。
3.2 合理控制建设强度，发展高容低密模式
用地建设强度主要由容积率、建筑密度、建筑高度等因素构成，在城市化过程中，城市发展与建设用地紧张的矛盾一直存在，尤其是大城市，因此提高用地建设强度是必然的选择。由表1可知，CASE2案例采用高容低密的建设模式，其容积率、建筑高度、绿地率都有所增加，但降低了建筑密度和建筑宽度，其目的也是为了在满足城市发展建设的前提下，尽可能地增加城市绿化，将郊区干净的空气引入到城市内部，增加城市的通风能力。图7显示了CASE2与CASE0案例的PM2.5浓度差在典型时刻的空间分布情况。由此可见，虽然容积率和建筑高度都增加了，但主城区(三环内)的PM2.5浓度大范围显著下降，说明降低建筑密度、增加绿化的方式可以极大地改善城市空气质量。进一步比较CASE2与CASE0案例的PM2.5浓度、10m风速和大气边界层高度的日变化曲线发现(图8)，07:00时，与CASE0相比，CASE2的10m风速增加约0.4m/s，边界层高度增加约78m，两者在该时刻的增幅均为全天最大，使得此时PM2.5浓度的降幅最大(二环内的PM2.5浓度降幅达110μg/m3)。而在夜间20:00时，由于10m风速和大气边界层高度都大幅降低(图8)，导致各圈层内的PM2.5浓度都有小幅升高，二环内的上升幅度较大，约19μg/m3，其他圈层相对较低，约5μg/m3，说明高容低密模式虽然减小了风速，但增大了边界层高度，促进了大气污染物的垂直扩散。
高容低密的建设模式通过增加建筑高度、降低建筑密度的方式，既满足了城市用地开发强度需求，又增加了建筑间距，有利于郊区凉爽、清洁空气向中心城区渗透。因此，在规划指标的制定过程中，应该严格控制建筑密度，适度鼓励高层建筑，尤其是在通风廊道沿线，避免过大的建筑密度侵占和阻塞风道。在进行城市重要节点城市设计时，建议增加风环境设计专项。
3.3 充分利用生态空间，引入通风廊道
武汉素有“百湖之城”的美誉，东湖、南湖、汤逊湖等数量众多、面积巨大的湖泊为改善城市微气候提供了良好的基础。本研究结合武汉市2010版城市总体规划中划定的六条绿楔(图1)，根据武汉城市建设现状，利用铁路、快速路、开敞空间等划定6条宽度为1km通风廊道，并在保持容积率不变的前提下，适当增加了主城区的建筑高度，降低了建筑密度和建筑宽度，以保证通风廊道内的风能向主城区内渗透。从模拟结果来看，主城区内的PM2.5浓度下降明显，其中二环内的PM2.5浓度最大降幅约为31μg/m3，出现在早上09:00(图9)，三环内的最大降幅比二环略低，且出现时间晚1小时。比较CASE3与CASE0的10m风速和边界层高度发现，尽管CASE3的边界层高度在多数时刻都低于CASE0，但其10m风速却高于CASE0(图10)，这说明CASE3案例的PM2.5以水平扩散为主，即通风廊道的引入改善了武汉城区的风环境，促进了PM2.5的水平扩散。
由上述分析可知，通风廊道的引入可以显著改善中心城区的空气质量。鉴于影响城市风环境的主要形态指标有建筑高度、建筑密度、地表粗糙度、迎风面积比等，本文以武汉市2015年矢量建筑数据为基础，利用ArcGIS空间分析工具和最低成本路径法(least-costpath)分析了武汉市建筑高度和建筑密度的空间分布情况(图11a和11b)，并以此为依据，结合数值模拟的结果，在武汉都市圈划定“六纵一横”共七条宽度约1~1.2km通风廊道(图11c)，将郊区清洁空气引入中心城区。
4 结语
改善城市空气质量最根本、最有效的方法是从源头上减少工业生产、交通运输、发电、供暖等过程中产生的污染物排放。当前我国正在采取大量积极的措施来应对大气污染问题：调整产业结构，淘汰落后产能;调整能源供给结构，加大清洁能源的使用;在建筑行业推进节能减排，在交通运输行业提倡电动车的使用，这些措施需要长时间的努力方可见效。另一种办法是对城市内的污染物进行疏导，通过合理的用地布局，控制建设强度，引入通风廊道等措施来促进城区内的污染物向外迁移和扩散。本文即是从后一种方法入手，立足于城市规划专业，从宏观层面对城市的空间布局提出改善的思路。而对更为细节层面的措施，如容积率和建筑高度的合理取值、通风廊道的具体形式等有待后续深入研究。——论文作者：许华华 陈 宏
