嚴寒地區老舊小區圍合式結構布局對PM10 濃度的影響

齊偉民 房宏琦 趙彥博

（吉林建筑大學藝術與設計學院，吉林 長春 130118）

1 引言

老舊小區是城鎮人口主要集中地之一，同時也是老齡化居民日常生活的主要場所，其空氣質量優劣程度與居民的健康指數密切相關，但老舊小區空氣質量常常容易被忽視。可吸入顆粒物（PM10）可以進入人體肺泡，攜帶大量有毒有害物質，對人體危害程度遠大于其他大氣顆粒物［1］。我國嚴寒地區冬季時間較長，空氣質量與冬季供暖因素緊密相連，老舊居住區空間布局大多緊密狹隘，室外活動范圍十分有限。因此，空氣質量是影響人們戶外活動的重要因素，環境與空氣質量優劣直接影響人們對戶外空間的使用，尤其是老年人戶外活動受環境影響很大［2］。

大量研究表明，城市小區尺度的空間布局直接影響微環境中的氣象條件、大氣環境和個體對污染暴露的水平，即決定人居環境的舒適度和人體健康［3］。城市土地資源的利用決定了PM10的空間分布特點，空間結構決定了PM10的擴散特征。居住用地自身產生的PM10濃度較低，但容易受周邊環境的影響。城市居住區比其他類型用地構成要素多樣，進而居住區空間形態差異較大，不同的城市居住區空間形態直接影響污染物擴散狀態［4］。

近年來，相關部門對城鎮老舊小區更新工作積極推進，“十四五”規劃中明確指出，要加快老舊小區更新，逐步完備城市管理和服務，改善群眾居住環境，讓人民群眾的生活更便捷、更舒適。圍合式樓房布局結構是老舊小區常見布局之一，通過對老舊小區進行實地監測分析，探究其PM10濃度分布和影響因子，對于老舊小區更新變遷和提供對居住環境的優化策略、提升人居環境空間質量改造設計有重要的理論和現實意義。

2 研究區域與方法

2.1 研究區域

北方寒地城市受西伯利亞冷空氣極地大陸氣候的影響，每年從11 月至第二年的3 月，城市都會受到寒流以及風雪等極端天氣的影響，嚴寒地區老舊小區樓房布局緊湊、活動空間有限且居住人員集中，老齡化程度較高，這對室外空氣質量指數有較高的要求［2］。

本次研究以長春市為例，對長春市主城區內187 個老舊小區進行綜合調研，根據地理地貌、小區空間布局等監測綜合條件，選取3 處不同方位布局的監測地進行實地監測，每處監測地在樓房空隙中間高度1.5 m 處設置監測點，見圖1。

圖1 監測地平面示意及監測點位置

監測地風向以從南側吹過的風為迎風向，樓房布局、主導風向與其夾角詳情見表1。

表1 監測地點詳情

2.2 研究方法

數據采集時間為2020 年11 月—2021 年2 月、2021 年6—9 月，按冬夏兩季劃分，為避免誤差，選取雨天或雪天過后第五日晴朗微風天開始監測。采用微電腦激光粉塵儀［BB16-LD-5C（B）］進行PM10質量濃度的測量。測量時間為14 個時間段，每日06：00—20：00 進行采樣，每次采樣時間1 min，采樣間隔時間為1 h，按測點順序依次采集，每天采集14次（1 個時間段1 次），夏冬兩季各采集2 周。此外，分別使用水銀溫度計、濕度測量儀以及熱線式風速計采集溫度、濕度和風速。

2.3 數據分析

運用Excel 和SPSS 對采集的樣本數據進行歸置處理，得出居住區內PM10濃度分布規律及其影響，以及PM10濃度變化與氣候因素的相關性。

3 結果與分析

3.1 老舊小區圍合式結構布局PM10 濃度日變化分布

由圖1 可知，監測地1 和監測地2 樓房布局雖方位朝向不同，但與主導風向夾角相差無幾，因而PM10隨時間變化濃度分布趨勢幾乎相同。冬夏兩季均選取雨雪后第五日微風晴朗日數據為參考。在一日中07：00 時開始，PM10濃度逐漸呈上升趨勢，12：00達到最大值，中午緩慢回落，在14：00—15：00 達到最低值。從16：00 開始PM10濃度會緩慢上升，但幅度波動較大，明顯高于10：00—12：00 的濃度。這可能是寒地居住區早晚供暖和晝夜溫差較大以及居住區臨街，早晚高峰期時機動車流量增加等因素所造成的。監測地3 與主導風向夾角PM10濃度分布明顯高于其他監測地，導致這樣較為明顯差異的原因是主導風向與樓房夾角約90°大致呈垂直關系，而當建筑與風向夾角80°時，各個顆粒物濃度梯度值的范圍較夾角90°的居住區明顯減少［5］。冬季中3 處監測地PM10濃度隨時間走勢趨勢大概一致，08：00時濃度開始逐漸上升，在12：00 時達到峰值，下午開始緩慢回落，在13：00 時達到最低值，而后明顯上升，在18：00 時達到最大值。監測地夏季PM10質量濃度日變化見圖2。

圖2 監測地夏季PM10 質量濃度日變化

監測地冬季PM10質量濃度日變化見圖3。

圖3 監測地冬季PM10 質量濃度日變化

3.2 老舊小區圍合式結構布局PM10 濃度月變化分布

PM10質量濃度月變化如圖4 所示。PM10濃度變化走勢基本相同，全年1—2 月的濃度最大，隨著氣溫的升高和植物的生長，濃度不斷降低，6 月與7 月增長相對平穩。由于7 月北方寒地城市雨水天氣比較多，在風力和雨水的作用下顆粒物擴散較快，且由于夏季日照時間長，溫度也較同年其他季節更高，更易在近地表處構成起伏不定的層次結構，促進了空氣的對流，對PM10形成了較好的分散條件。夏季植物處于生長繁茂時期，植物的地表覆蓋率和空氣含水量較高，可以有效控制PM10濃度分布，使PM10濃度降至同年較低的水平。同年9 月PM10濃度回升，因空氣中風沙揚起的沙塵導致顆粒物中PM10質量濃度增加，這與李綏等［6］和嚴文蓮等［7］的研究結果一致。

圖4 監測地PM10 質量濃度月變化

3.3 老舊小區圍合式結構布局PM10 濃度季變化分布

將3 處監測地在冬夏的PM10質量濃度分布進行對比（見圖5），發現在季節水平上各監測地PM10濃度差異較為明顯，且各監測地PM10濃度冬季明顯高于夏季。監測地3 在冬季的均值最高，為369 mg/m3；監測地1 在夏季的均值最低，為196 mg/m3。當樓房布局與道路呈平行關系時（如監測地3），會對PM10的擴散產生顯著的阻礙，PM10大多分布在小區最外側樓房空隙的區域，主要從間距較大的幾個建筑之間的空間向小區內部擴散，小區內部呈現出整體上濃度較低［8］。

圖5 監測地PM10 質量濃度季變化

3.4 伴隨氣象因子樓房布局對PM10 分布的影響

考慮到空氣中PM10濃度的影響因素是復雜多樣的，因此采用回歸分析法探究環境因子（溫度和相對濕度）對PM10濃度變化的影響。溫度和相對濕度與PM10濃度的相關性較強，溫度與PM10濃度存在一定負相關關系，相對濕度與PM10濃度存在一定正相關關系［1］，因此得到模型：

式中，y 代表PM10濃度，mg/m3；Ta 代表空氣溫度，℃；RH 代表相對濕度，%。

4 結論與討論

PM10質量濃度日變化梯度在圍合式樓房布局不同方位中呈現出早晚高中間低的特征，這與胡敏等［9］研究相似，造成這種變化的主要原因是寒地居住區早晚供暖以及晝夜溫差較大等，夜晚低氣溫下容易產生逆溫層，空氣顆粒物PM10在底層沉淀聚集，導致觀測初期PM10質量濃度較高；太陽上升后，地溫逐漸升高，形成暖氣團，攜帶顆粒物緩慢上升，因此各監測地PM10質量濃度總體變化呈下降趨勢［1］。在監測尾聲，夜間供暖開始，導致PM10質量濃度呈緩慢回升的趨勢。建筑與當地主導風向的夾角會對顆粒污染物的擴散和稀釋產生重要影響，研究表明［10-14］，在滿足地域差異性和光照等因素的基礎上，適當減小建筑與風向的夾角或采用階梯型建筑有利于顆粒物的擴散，減輕污染物對居住區空氣環境的危害。

PM10濃度全年月變化走勢大致相同，均為2 月數值最大，污染嚴重；8 月數值最小，污染較輕。兩季季均冬季最高，夏季最低，變化較大。這是由于夏季雨量大、降水次數多，PM10主要靠降水沖刷和重力沉降作用清除，有利于顆粒物沉降，同時氣壓低，湍流運動活躍，空氣對流強，利于污染物的擴散［15］。冬季光照時間短，溫度低且多雪，氣象條件不利于PM10分散和沉降，同時冬季嚴寒地區開始燃煤供暖，使PM10濃度平均增高。氣象因子成為影響PM10濃度季節變化的最主要因素。

通過對老舊小區現狀PM10濃度實測和分析，有助于針對寒地老舊小區在空氣質量方面提出優化策略，同時也為老舊小區空間改造提供有力支撐。