城市霧霾管控：土地利用空間沖突與城市風道

徐建春，周國鋒，徐之寒，周 德，鄭 升

（1. 浙江工商大學土地研究所，浙江 杭州 310018；2. 浙江工商大學土地資源管理系，浙江 杭州 310018；3. 愛丁堡大學地球科學學院，愛丁堡 EH89YL；4.中國民用航空華東地區空中交通管理局浙江分局，浙江 杭州 311207）

城市霧霾管控：土地利用空間沖突與城市風道

徐建春1，2，周國鋒1，2，徐之寒3，周 德1，2，鄭 升4

（1. 浙江工商大學土地研究所，浙江 杭州 310018；2. 浙江工商大學土地資源管理系，浙江 杭州 310018；3. 愛丁堡大學地球科學學院，愛丁堡 EH89YL；4.中國民用航空華東地區空中交通管理局浙江分局，浙江 杭州 311207）

研究目的：歸納分析國內外城市霧霾治理的經驗和進展，剖析土地利用空間沖突與城市風道在該領域的應用，進而尋求優化城市霧霾管控路徑。研究方法：文獻研究法，比較分析法。研究結果：（1）城市風道是空氣流通的主要廊道，與城市土地利用結構密切相關；（2）運用土地利用空間結構和城市風道相耦合的方法是治理城市霧霾的有效途徑，但在實踐中常被忽視；（3）目前杭州城市空間結構和土地利用結構對城市風道的形成有多種不利因素，存在著沖突，需要開展城市風道體系的優化與重構研究。研究結論：通過城市風道的優化與重構來管控杭州城市霧霾，是可行且有效的，是新型城鎮化發展的有效路徑之一。

土地利用；空間沖突；城市風道；霧霾；管控；杭州

1　引言

隨著城鎮化發展和人類活動的頻繁，霧霾天氣已成為備受關注的主要環境問題［1-4］。一般認為，霧霾屬于空氣污染的一種，霧霾天氣產生機制是空氣中懸浮的大量微粒和氣象條件共同作用的結果；微粒主要是由于人為原因產生的，如化石燃料的燃燒，粉塵，工業污染等［5］；而大范圍長期的霧霾天氣的形成還包括其他因素。

具體來說，霧霾天氣的成因條件可按照污染源和污染傳播過程分為兩個方面：（1）人類活動產生的污染物排放。工業廢氣、機動車尾氣、燃煤、揚塵等人類活動造成的大量污染物的排放是霧霾天氣產生的直接原因［6］。（2）地形與土地利用空間結構不合理形成的特殊氣候條件。空氣流動是保持空氣自凈能力的重要因素，而城市的不合理拓展導致風道不暢，進一步使得流經市區的風速和強度下降，靜風頻率上升。同時熱島效應和逆溫層效應使對流減弱，污染物不易擴散，是霧霾天氣產生的小氣候條件［7］。中國許多城市天然的地理條件使得城市形成了封閉或半封閉的結構。此外，城市快速發展和土地利用不合理而忽略了城市風道維護建設，也使得市區空氣流通受到削弱。這兩方面因素共同作用，是霧霾天氣形成的條件及其難以消除的主要原因，而城市風道的形成、結構與空間布局又主要取決于土地利用空間布局等方面。城市的土地利用結構不僅與城市的空氣污染有直接聯系，也會因為對風道的影響從而間接影響城市的空氣質量。城市風道不僅可以消減空氣污染，還可緩解城市熱島效應以及增強城市自凈能力等，對大都市霧霾的疏解具有十分重要的意義。

總體來看，目前學術界在“人類活動—霧霾天氣”關系等方面開展了一定的理論與實踐探索。但基于“土地利用—霧霾天氣”關系的相關研究還處于起步階段，尤其是將土地利用（空間結構）、城市風道與霧霾管控等方面相耦合開展綜合研究還缺乏系統考慮。因此，本文應用城市土地利用空間結構理論和風道理論，在系統分析杭州市氣候背景、地形、主導風向、土地利用現狀、土地利用總體規劃及城鄉總體規劃的基礎上，從土地利用空間沖突分析入手，構建并優化城市風道，開展城市霧霾管控研究，提出杭州市土地利用空間結構優化路徑和霧霾治理對策，為杭州市土地資源合理利用和新型城鎮化的健康發展提供理論依據和實踐支撐。

2　研究基礎——國內外土地利用與城市風道的經驗與借鑒

霧霾天氣不僅影響生產、生活安全，還對人體健康產生威脅和損害［8-9］。近年來，國內外越來越多的學者開始關注“人類活動（土地利用）—霧霾天氣”關系的理論與實踐研究。

發達國家在城市發展過程中遇到的不同程度的空氣污染問題，常通過土地利用空間結構優化和城市通風廊道建設的方法來凈化城市空氣，研究內容主要集中在大氣環境變遷、土地利用和城市風道等對城市霧霾天氣的影響等方面。例如，George C. Holzworth［10］針對美國7個站點的多時間點的混合深度、平均風速測定，分析包括城市規模等因素對城市空氣污染擴散的影響。M. A. Arain等［11］結合土地利用回歸模型和風道理論分析了加拿大安大略湖周邊的多倫多和漢密爾頓市空氣中的二氧化氮含量，并提出應將城市風道研究納入土地利用分析框架；此外Jane E Clougherty等［12］采用同樣的模型，通過測定分析PM2.5、NO2和碳化物含量的變化情況，研究了城市交通對環境污染的影響；Kitada Igarashi等［13］主要討論了陸海風和山谷風對空氣污染擴散的影響；JacobBaker［14］等研究了城市街渠峽谷對空氣污染的影響機制。孫帥等［15］總結了西班牙巴塞羅那和美國波士頓的綠色廊道的構建。劉姝宇等［16］對德國斯圖加特市的研究，總結分析了德國通風廊道規劃的工作程序，并提出其對中國城市風道構建的指導意義。

針對霧霾的治理與管控等熱點科學問題，國內學者主要關注以下三個方面：（1）污染物的濃度、理化性質及其變化規律。蔣維楣［17］等介紹了城市街區污染分布的數值模擬方法，并與風洞試驗結果對比證明了該方法的有效性；朱亞瀾［18］等在分析城市風道改善城市氣候作用的基礎上，提出了城市通風道建設的具體途徑。（2）霧霾天氣的成因、霧霾天氣時空格局、過程模擬及調控對策［3，19-20］。史軍［21］、勒利梅等［22］分別研究了華東和上海地區霧霾天數的變化特征，宋曉輝等［23］總結了杭州市顆粒物污染特征及變化規律，陳秋芳等［2］利用快速遷移率粒徑譜儀（FMPS）測算分析了杭州市顆粒物濃度及空間分布特征，并指出能見度和風力與顆粒物濃度呈負相關關系。（3）霧霾天氣帶來的危害。如熊媛［24］總結了霧霾的6個方面危害，楊福林、高菲［16］分析了霧霾的環境毒理效應。此外，國內學者還開展了關于城市風道的合理規劃，城市風道解決熱島效應的應用等研究［7］。例如，武漢市早在2005年就將城市通風道建設作為研究課題納入武漢市總體規劃，并在《武漢城市總體規劃（2010—2020年）》中提出建立聯系城市內外的生態廊道和城市風道的規劃，實施運作后效果甚好，緩解了武漢的城市熱島效應。上海浦東規劃建設的250 m寬的世紀大道，也是將其作為通風廊道改善其通風環境的嘗試。

國內外學術界均在城市風道的構建和利用風道緩解空氣污染等問題上進行了有益的研究和嘗試，并取得了積極的成效，這些經驗可為中國城市霧霾管控提供新的思路。城市風道的建設是治理霧霾天氣的有效途徑，其又與城市的土地利用空間結構密切相關。因此，從調整城市土地利用空間結構入手，優化并重構城市風道，改善空氣流通條件，干預空氣污染傳播過程，疏解霧霾天氣，則成為今后土地利用與管理，特別是土地利用規劃所面臨的一個嶄新課題。

注：數據來源于 《浙江省氣候變化公報（2010）》。

3　實證分析

3.1杭州市霧霾天氣成因及條件分析

3.1.1一般原因 就杭州市而言，在顆粒物來源方面，洪盛茂等［19］研究發現，機動車尾氣對杭州PM2.5消光能力的貢獻率達到48.87%，是造成杭州市霧霾天氣的首要污染源；各類工業二次污染，占36.32%；粗顆粒占10.81%；煤煙、土壤、建筑等揚塵占4%。其次，根據王傳琛等［25］研究，秋冬季節，杭州城區的底層有逆溫層，不利于空氣的流通。第三，杭州市“三面云山一面城”的半封閉結構地形［20］，也不利于空氣的流動，加上某些產業布局不當，導致污染物沿風道向城內集中。

3.1.2城市風道——被忽視的土地利用空間結構 城市風環境比較復雜，既包括城市的盛行風，也包括局部的熱力環流如街道風等，對杭州市而言，還包括海陸風的影響。由于城市土地利用空間結構的不合理安排對城市風道的堵塞是造成霧霾天氣更加嚴重的另一個主要原因。杭州國家基準氣候站的統計數據表明，2004年杭州出現霧霾天氣為176天，到2013年杭州市霧霾天數已達到239天

（表1）。根據《浙江省氣候變化公報（2010）》顯示，近50年來，浙江省平均風速呈明顯的減弱趨勢，平均每10年降低0.17 m/s（圖1），這主要是由于摩擦阻礙作用，導致了原本流經區域的風速以及強度明顯減弱，杭州市的這一減弱趨勢應會更加明顯。

目前杭州的城市建設對城市風道的整體規劃、設計和建設還缺乏系統考慮，主要表現為城市整體布局的失當和局部高樓的不當集中。因此，通過優化和重構城市風道的方式來減輕城市空氣污染則十分必要。

表1　杭州市近10年霧霾天數年際變化表Tab.1 Hangzhou haze days from 2004 to 2013

3.2土地利用空間整體結構對城市風道的影響

目前，杭州市正處于城市空間結構建設的關鍵時期。根據《杭州市土地利用總體規劃（2006—2020年）》和《杭州市城市總體規劃（2001—2020年）》（下稱“兩規”），杭州市未來的城市格局為“一主三副、雙心雙軸、六大組團六條生態帶”的開放式空間結構模式，該格局對杭州城市風道的構建和功能產生了重要的影響，包括積極影響和消極影響兩個方面。

圖2　城市發展模式示意圖Fig.2 Urban development pattern sketch

首先，杭州“兩規”對城市發展空間上各個副城和組團的功能區分，不僅有效防止了以主城為中心的“攤大餅”模式的空間無序擴張（圖2），又避免了建設用地向主城區過分集中，如下沙副城所承擔的高教園區功能。有序且開闊的城市空間，不僅帶來了良好的通風環境，還降低了主城區對臨界風速的要求，使得盛行風能夠順利通過城區，將污染物順暢地輸送擴散，降低了污染物濃度。其次，城市總體規劃將杭州城市空間布局從以舊城為核心的團塊狀布局，轉變為以錢塘江為主軸線的跨江沿江，向東向南，網絡化組團式布局，使得杭州市由原來的“三面云山一面城”的半封閉結構轉變為“一江春水穿城過”的開放式布局，形成的沿江跨江的城市空間布局形態能夠很好地利用錢塘江天然的城市主風道功能，疏解了空氣污染物。錢塘江水面寬闊，城市段寬度為2.5 km（海寧鹽官）至100 km（杭州灣）之間，且貫穿全城，完全能夠作為杭州市天然的主風道，保證杭州市良好的風環境。而且，錢塘江東至杭州灣匯入東海，能夠很好地為杭州市輸送海陸風。綜上所述，杭州市“兩規”中確定的城市東擴，沿江跨江發展以及網絡化團塊式布局，不僅避免了城市的過度集中，又保證了良好的城市通風環境。

但是，目前杭州市“兩規”也存在一些不利于城市風道功能發揮的因素，抑制了城市空氣污染的疏解。根據杭州市1996—2005年各站點每日24小時觀測數據可知，杭州市夏季盛行風向為東南風（ES），冬季盛行風向為西北風（WN）。首先，對于主城東北方向的臨平副城和九堡組團，在冬季盛行西北風時，該區域的建筑物必然會阻擋冬季盛行的北風。按照城市規劃的布局，臨平副城已有的工業區塊也會帶來負面影響，而江南城與主城位置接近，同樣會受到影響。雖然下沙副城位置相對獨立，但緊鄰其外圍的海寧工業園區既阻擋了冬季的北風通過，又在下沙城上風向產生了一定的空氣污染源，在一定程度上加促了下沙副城霧霾天氣的形成。根據杭州市氣象局公布的統計數據，杭州市霧霾天氣出現的時段主要是秋冬季節，這進一步驗證了上文的分析結果。其次，當夏季盛行東南風時，風一般能順利通過中心城區。但是由于杭州市江南副城和主城的相對位置，江南副城破壞了主城區的通風環境，緊密林立的高樓必然會對城市通風形成阻滯作用，減小風速并改變風向，這對城市北端的臨平副城產生更為不利的影響。因此，在規劃江南城的建筑布局時，應考慮留出足夠的空間通道，且不適宜緊靠錢塘江。第三，下沙區和蕭山區隔江南北對望，必然會形成兩者之間相互阻擋關系，且蕭山區工業結構比重較高的情況，污染也在所難免。第四，根據杭州城市發展的進程來看，也存在一些威脅城市風道的因素。例如，2007年12月，下沙副城進行了規劃調整，試圖將下沙副城與主城區進行“無縫對接”［26］，其空間無序地向主城集中，勢必會導致兩者間原本能作為城市風道的生態廊道被破壞，不利于城市風環境的優化。此外，當沿江的建設用地開發過于擁擠和緊密，也不利于錢塘江作為主風道效用的發揮。

3.3土地利用空間局部結構對城市風道的影響

相對于土地利用空間整體布局，杭州市土地利用空間局部結構主要分析的是城市內部某個單獨區塊的內部結構與作為次要風道的某些主街道的規劃設計，及其對城市風環境造成的影響。城市建設要求土地節約集約利用，手段之一便是增加建筑物高度和建筑密度，但樓層過高過密對于風速和污染物擴散會造成不利影響。龐赟佶［27］通過高斯模式模擬研究孤立建筑物對氣流分布和污染物擴散的影響，發現較低建筑物（40 m）周邊污染物擴散效果較好，而較高建筑物（80 m）的迎風側會因氣流回流而產生污染物濃度累積現象。史小朋［28］對街道渠谷的實測分析表明，街道高寬比是影響污染物擴散的最主要因素，且呈反比例關系。陳辰［21］則指出增大建筑間距，能夠增加街道內的通風換氣量，加速污染物稀釋擴散。

發揮城市風道功能的杭州市部分街道現狀也存在著一定問題。主要表現為：（1）一些區塊緊鄰街道周邊且建筑密集高大，這看似不會改變街道的實際寬度，但相比沿街房屋低矮的街道，則會影響其通風效果；（2）某些街道東西或南北不貫通，中段或者盡頭受到高大連片建筑物阻擋，會對流經的氣流形成阻滯，導致風速的減小和風向分流，則污染物會在此聚集（圖3）。此外，錢江新城二期的開工和濱江區的快速發展，如不兼顧城市風道進行規劃，密集的建筑群勢必會影響到錢塘江這一天然城市風道功能的發揮。

圖3　建筑物阻擋空氣流動示意圖Fig.3 Diagram of buildings blocking the air fow

圖4　街道布置：高樓直立型街道（左），“U”型街道（右）Fig.4 Street layout： skyscrapers type（left）， U-type street（right）

3.4結果評價與驗證

綜上所述，通過對杭州市基于土地利用空間整體和局部結構的城市風道分析，僅就城市風道功能而言，上風向存在污染企業、主風道與次級風道聯結點受阻、次級風道（如生態帶）受到侵蝕以及通風受其他區域遮擋的區域，更容易形成霧霾天氣和較高的污染物濃度（如PM2.5）。在局部結構方面，街道狹窄，周邊高樓林立，街道中途或盡頭受阻的城市區塊通風效果較差，也是霧霾天氣的高發區，2013年市區各監測點PM2.5年日均濃度的實際觀測結果也基本印證了上述結論（表2）。

表2　2013年市區各監測點PM2.5年日均濃度 單位：mg/m3Tab.2 The city daily average concentration of PM2.5 in 2013 unit： mg/m3

3.5杭州市城市風道的優化與重構

3.5.1重視城市風道的重要性，將風道建設納入“兩規”之中 城市通風道的規劃和營建不是一個短期就能完成的工程，其構建、運作和維護需要有思想上高度重視和制度上的充分保障。目前杭州市“兩規”還沒有充分認識到城市風道作用，并未從整體上將城市風道的規劃設計納入“兩規”之中。

首先，要從思想上提高人們對城市通風道重要性的認識，使其能夠主動積極的維護城市風道的暢通；其次，城市通風道的建設必須從城市整體發展和規劃設計層面來考量，將城市風道的規劃和營建納入“兩規”，且要突出其戰略性地位。新型城鎮化發展必然會使城市面臨有機更新，主城區改造建設和新城規劃需要考慮到城市風道優化和重構。此外，在城市發展的過程中，受短期利益的驅使，很可能會出現無序建設擾亂和侵占風道的現象，必須通過一定的制度設計來維護城市風道的穩定和通暢。本文基于杭州市城市發展和土地利用空間現狀，以及對杭州市城市空間結構的研究與考察，首次提出了杭州市包括主風道、次級風道等組成的城市風道體系（表3）。

表3　杭州市風道體系Tab.3 Wind ducts of Hangzhou

3.5.2有序建設，充分利用天然主風道 城市建設首先必須尊重城市發展的現狀，不能為了城市通風環境而進行大拆大建，需在可行的范圍內進行改造。杭州市“兩規”提出城市沿江發展戰略，能很好地發揮錢塘江作為杭州市的天然主風道的功能，在傳輸氣流和凈化空氣方面起著重要作用，可改善中心城區風環境和緩解霧霾天氣。今后在沿江發展的同時，必須要加強城市空間布局規劃的合理性，合理規劃建筑高度和密度，且建筑群不能過于靠近江畔，沿江跨江發展要堅持合理規劃利用空間，不能因無序擴張而阻擋了空氣的流通。此外，還要加強維護和充分利用好現有的天然風道，如錢塘江和運河等。

3.5.3 整合原有生態廊道和新舊綠地 杭州市“兩規”已明確在主城、副城和組團之間規劃出“綠色生態敞開空間”，這些“綠色生態敞開空間”可以作為城市風道而發揮疏解霧霾的功能。其次，杭州市城區和郊區存在著大量的生態空間資源，如西湖，西溪濕地等。通過整合這些生態空間資源，可使散落在城市空間內部的各個生態空間串聯起來，形成生態空間網絡，進一步發揮城市風道的功能。此外，杭州主副城以及各組團之間的各區塊發展和規劃必須堅持和保證不侵占其周邊的綠色廊道。

3.5.4合理安排配置城市內部結構 城市風道的暢通能夠保證外部氣流進入到城市各區塊內部，但是要確保風速達到一定的標準，還須合理安排其內部空間。針對目前杭州市城市風道建設存在的問題，在兼顧城市發展和通風需要的前提下，可對杭州市的主要街道進行合理的優化。具體包括以下幾個方面：（1）對主要街道，要確保主風向的街道暢通，中途和盡頭不被阻擋；適當降低城市中心的建筑密度，調整建筑物間距；在風洞實驗和現場測定的基礎上，對建筑高度進行合理安排。（2）對于已經建成的會阻擋街道通風的建筑，應在其周邊布置足夠的綠化帶，以增加對聚積污染物的吸收；另外，在新街道的規劃建設中注意綠化帶的合理安排。（3）對于街道周邊建筑應合理布置，不能采用兩側高樓林立的筒狀結構。此外在可能的情況下拓寬城市主要街道的寬度，不能拓寬的，須保證沿街的建筑高度不宜過高，高低錯開依次排列。李鹍等［29］研究表明，城市風道要取得理想的效果，其寬度要求為150 m，但對于舊城區的城市街道實際寬度很難滿足這一要求，可以通過將建筑物在街道兩側依次由低到高錯落布置，設計“U”型街道來增加其有效寬度（圖4）。值得注意的是，在具體實行中，還須堅持土地利用經濟效益、社會效益和生態環境效益的統一。

4　結論與討論

（1）杭州市氣候條件（特別是逆溫層的存在）及特殊的“三面云山一面城”的半封閉結構地形是形成霧霾天氣的自然地理基礎，這樣的自然地理基礎不利于空氣的流動，影響污染物的散溢，從而加劇霧霾的嚴重程度；人類生產、生活等活動（土地利用）是形成杭州市霧霾天氣的直接原因；城市建設與管理、城市空間布局（城市規劃、土地利用規劃）等因素是形成霧霾天氣的間接原因，目前杭州市的城市建設對城市風道的整體規劃、設計和建設還缺乏系統考慮，主要表現為城市整體布局的失當和局部設計的不當。

（2）就城市風道功能而言，首先從宏觀尺度上看，杭州城市上風向存在污染企業、主風道（錢塘江）與次級風道（如生態帶）聯結點受阻、次級風道受到嚴重侵蝕以及通風受其他區域遮擋的區域，更容易形成霧霾天氣和較高的污染物濃度；其次從微觀尺度來看，在局部結構方面，街道狹窄、周邊高樓林立、街道中途或盡頭受阻等通風效果較差的城市區塊，是霧霾天氣的高發區。

（3）通過規劃城市風道來管控城市霧霾，還需要注意兩個方面的問題：優化城市風環境僅是干預了空氣污染的擴散和傳播過程，只是一種治標的手段，不能從根本上解決城市空氣污染問題，徹底消除霧霾還需要從源頭做起；風環境和空氣污染均是大時空尺度的概念，需要區域乃至全球尺度上的協同聯動，不能僅靠“一地一城”。

（4）今后需要進一步加強通過實地觀測數據和空氣動力學試驗對城市通風道進行定量和定位的深入研究，包括通過構建相關模型開展城市風道的優化與重構對城市霧霾治理效果的模擬與預測研究等。

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（本文責編：陳美景）

Urban Haze Governance： Land Use Spatial Confict and Governance Urban Air Duct

XU Jian-chun1，2， ZHOU Guo-feng1，2， XU Zhi-han3， ZHOU De1，2， ZHENG Sheng4
（1. Land Institute， Zhejiang Gongshang University， Hangzhou 310018， China； 2. Department of Land Resources Management， Zhejiang Gongshang University， Hangzhou 310018， China； 3. School of Geosciences， University of Edinburgh， Edinburgh EH89YL， UK； 4. China's Civil Aviation Air Traffic Management Bureau， Zhejiang Branch in East China， Hangzhou 311207， China）

The purpose of this paper is to summarize the research process and experience on urban haze governance and to explain the way to apply land use spatial conflict and urban air duct in this domain， so as to seek an optimizing path for urban haze management and control. Methods of literature review and comparative analysis are employed. The results shows that 1）Urban air duct is a main corridor for air circulation in city. It plays an important role in dispersing the haze. And formation and construction of air duct is closely related to land use spatial structure； 2）Adjusting land use spatial structure and urban air duct are an efficient way to control urban haze， but it was often ignored in urban management practice in the past-time， 3）Currently， Hangzhou's urban spatial development and land use spatial structure exist a variety of adverse factors on building urban air duct， which shows that study on urban air duct system is needed. The conclusions are that optimization and reconstruction of urban air duct to control urban haze provides a new perspective to governance haze weather for Hangzhou，which is feasible and effective. Also， it is one of the effective paths for Hangzhou new urbanization.

land use； spatial conflict； urban air duct； haze； governance； Hangzhou

F301.2

A

1001-8158（2015）10-0049-08

10.11994/zgtdkx.2015.10.007

2015-07-13

2015-09-10

國家自然科學基金青年科學基金項目（41301619）；浙江省重點學科“浙江工商大學土地與房地產學科點建設項目”；浙江省新興特色專業“浙江工商大學土地資源管理專業”建設項目。

徐建春（1961-），男，浙江金華人，博士，教授。主要研究方向為土地利用規劃、土地管理。E-mail： xujc2002@sina.com

徐之寒（1991-），女，浙江杭州人，碩士研究生。主要研究方向為整體資源管理。E-mail： xzhida@outlook.com