城市大氣環(huán)境的氮氧化物污染及治理技術(shù)研究

黃 鑫

（福建省福州環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 福州 350000）

城市化促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長和人類發(fā)展，但也加劇了城市空氣污染，使之成為全球最大的公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道，在擁有空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的城市中，超過80%的城市人口呼吸的空氣未達(dá)到世界衛(wèi)生組織（WHO）的標(biāo)準(zhǔn)，全世界每年有420 萬人死于環(huán)境空氣污染。為對抗空氣污染，WHO 發(fā)布了4 項(xiàng)空氣污染物的排放（控制）標(biāo)準(zhǔn)，即顆粒物（PM）、二氧化氮（NO）、臭氧（O）和二氧化硫（SO）。目前，許多城市已經(jīng)建立了環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站，以評估其環(huán)境污染物含量是否達(dá)標(biāo)。

車輛排放通常被視為城市空氣污染的主要排放源。城市街道是戶外活動(dòng)的重要公共空間，因此，街道峽谷空氣污染會(huì)對公眾（行人、司機(jī)和自然通風(fēng)建筑物中的居民）健康造成不利影響。由于靠近排放源，路邊污染物濃度通常遠(yuǎn)高于周圍污染物濃度。此外，城市人口的快速增長不僅增加了交通量和排放量，還推動(dòng)了中高密度住房的發(fā)展，尤其是在交通樞紐和購物中心周圍，高層和密集的建筑物形成了深深的街道峽谷，限制了污染物的擴(kuò)散，使得路邊空氣污染問題進(jìn)一步惡化。與寬闊街道相比，城市街道峽谷的污染物濃度更高。

本文綜述了影響城市街道峽谷中車輛排放物產(chǎn)生與擴(kuò)散的因素，比較了各種路邊空氣污染控制策略的有效性，以期為政策制定者和城市規(guī)劃者有效地規(guī)劃和管理城市發(fā)展，并達(dá)到高空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供理論支持。

1 影響城市街道峽谷中車輛排放物產(chǎn)生與擴(kuò)散的因素

1.1 交通狀況

汽車尾氣是城市街道峽谷環(huán)境中空氣污染物的主要來源，而交通量構(gòu)成和駕駛條件是影響尾氣排放的重要因素。交通量越高，通常會(huì)使污染物排放量更高，從而導(dǎo)致街道峽谷的污染程度更高。但不同車輛的排放速率不同，故對總排放量的貢獻(xiàn)也各有差別。據(jù)估計(jì)，雖然重型柴油車（HDV）在全球道路車輛總數(shù)中所占比例很?。ǎ?%），但它們在公路上排放40%～60%的氮氧化物（NO）和PM 以及70%～90%的黑碳。因此，在柴油車車流量較高的道路上，空氣污染物濃度也較高。此外，排放標(biāo)準(zhǔn)過時(shí)、行駛里程高或發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制系統(tǒng)故障的車輛可能會(huì)產(chǎn)生比其他車輛更多的尾氣。

駕駛條件可以通過兩種方式影響路邊空氣質(zhì)量，即排放率和車輛引起的湍流。由于重載車輛排放率高，因此在上坡路段加油、紅綠燈或公交車站后加速、擁擠路段頻繁停車/啟動(dòng)和加減速都會(huì)導(dǎo)致空氣中污染物濃度上升。與怠速狀態(tài)的車輛相比，行駛中的車輛會(huì)產(chǎn)生湍流，這大大增強(qiáng)了排放物的擴(kuò)散，從而降低了街道峽谷的排放物濃度。此外，由于所謂的活塞效應(yīng)，單向交通比雙向交通更有利于排放物的擴(kuò)散。

1.2 峽谷幾何形態(tài)

街道峽谷形成了以底部地面和兩側(cè)建筑物為界的半封閉空間，因此汽車尾氣只能通過頂部的敞開空間擴(kuò)散。與寬闊的街道相比，這極大地限制了自然通風(fēng)去除污染物的效果，并導(dǎo)致空氣污染物濃度升高。街道峽谷最重要的參數(shù)是縱橫比（/）。一般來說，峽谷越深（/越大），越會(huì)削弱通風(fēng)，阻礙污染物的擴(kuò)散。

建筑物長度與街道寬度之比（/）是影響街道峽谷污染物擴(kuò)散的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)/很大時(shí)，擴(kuò)散過程可以簡化為二維問題。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，城市區(qū)域被分割成具有有限/的街區(qū)。在這種情況下，道路交叉口成為街道峽谷之間空氣交換和排放再分配的重要場所，這些過程因環(huán)境風(fēng)、建筑高度、建筑對稱性和大氣穩(wěn)定性而變得復(fù)雜。

此外，街道峽谷在高度（對稱或不對稱）和屋頂形狀（平面、三角形或傾斜）方面的不同會(huì)影響街道峽谷內(nèi)的風(fēng)致湍流，從而影響空氣質(zhì)量。而街道障礙物的存在也改變了街道峽谷的幾何形態(tài)，如樹木、高架橋、隔聲屏障和路邊停放的汽車。與決定整體流場的/、/和建筑配置不同，街內(nèi)屏障僅影響街道峽谷底部的氣流，但這種局部稀釋對行人呼吸區(qū)的空氣質(zhì)量也很重要。

1.3 氣象條件

天氣條件包括各種氣象參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和陽光。其中，風(fēng)速和風(fēng)向是影響街道峽谷排放物擴(kuò)散的首要因素。

較高的風(fēng)速通常會(huì)形成風(fēng)致湍流并更快地消除車輛排放物，從而改善路邊空氣質(zhì)量。在風(fēng)向方面，平行于街道軸線的風(fēng)有利于排放物的去除，但平行風(fēng)產(chǎn)生的垂直氣流有限，因此一個(gè)潛在的問題是長街道峽谷順風(fēng)區(qū)域的排放物累積。另外，垂直于街道軸線的風(fēng)不利于排放物的擴(kuò)散，并且建筑物屋頂引起的渦流（類似于頂蓋驅(qū)動(dòng)空腔流）導(dǎo)致排放物分布不均勻。此外，傾斜風(fēng)可能會(huì)產(chǎn)生污染物去除的最佳和最差條件，因?yàn)轱L(fēng)向的微小變化可以顯著改變街道內(nèi)的氣流和污染物分布。

陽光對路邊空氣質(zhì)量也有顯著影響，其加熱建筑物的外墻和地面，這種熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生浮力，推動(dòng)街道峽谷中的氣流和排放物擴(kuò)散。其他天氣參數(shù)對排放物擴(kuò)散的影響較小，如環(huán)境溫度和濕度。

1.4 化學(xué)反應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)不會(huì)改變氣流，但會(huì)顯著影響街道峽谷中的污染物成分。大多數(shù)車輛排放物是惰性的，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C），而NO可以在幾十秒內(nèi)與O快速反應(yīng)，因此被視為具有化學(xué)反應(yīng)性。O不是由車輛直接排放，而是在陽光照射下，由NO和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物。NO排放以柴油車為主，其主要以NO 的形式存在，通常會(huì)導(dǎo)致路邊的O濃度比周圍環(huán)境低，而NO濃度比周圍高。街道峽谷中的NO-O反應(yīng)會(huì)受到多種因素的影響，包括天氣條件（主要是風(fēng)、溫度和陽光）、交通條件（NO和VOCs 的來源）和峽谷幾何形態(tài)（影響陽光照射和街道氣流的縱橫比）。此外，植被也可以通過在葉片表面沉積PM 排放物和通過葉片氣孔吸收氣體污染物（如O和NO）來減少空氣污染，其凈化能力主要取決于植被種類及環(huán)境條件。

2 控制路邊空氣污染的策略

2.1 交通干預(yù)

2.1.1 新的車輛技術(shù)和法規(guī)

先進(jìn)的車輛技術(shù)（如電動(dòng)汽車和更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)）和嚴(yán)格的排放法規(guī)（如Euro 6 標(biāo)準(zhǔn)）對于緩解與交通有關(guān)的空氣污染問題至關(guān)重要。其中，電動(dòng)汽車通常被認(rèn)為是最有效的解決方案。有研究通過“從油井到車輪”分析法估算了中國電動(dòng)汽車和汽油車的排放量，結(jié)果表明，與汽油車相比，電動(dòng)汽車的VOCs降低了98%，NO降低了34%，但一次PM和SO未發(fā)生顯著變化。據(jù)預(yù)測，到2030年，適度的電動(dòng)汽車普及率（20%的私人乘用車和80%的商用乘用車電動(dòng)化）可使中國長江三角洲的PM平均濃度降低0.4 ～1.1 μg/m。

目前，由于價(jià)格、里程和充電基礎(chǔ)設(shè)施等問題，電動(dòng)汽車僅占全球汽車銷量的一小部分，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車仍在市場中占主導(dǎo)地位。因此，由日益嚴(yán)格的法規(guī)推動(dòng)更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展對于減少與運(yùn)輸相關(guān)的空氣污染同樣重要。與Euro 1 標(biāo)準(zhǔn)相比，Euro 6 標(biāo)準(zhǔn)中柴油乘用車的CO、HC 和NO排放限值至少降低了80%，汽油乘用車至少降低了60%，極大限制了道路車輛的排放量。

2.1.2 在用車輛的排放控制

減少在用車輛排放的方法有很多，如使用天然氣制油（GTL）或加氫處理植物油（HVO）等替代燃料、車改、淘汰舊車、高排放車輛篩選、奇偶車牌駕駛限制和發(fā)動(dòng)機(jī)改造等。此外，還可創(chuàng)建低排放區(qū)（LEZ），限制高排放車輛進(jìn)入指定街道或市中心，目前，全球已建立250 多個(gè)LEZ。為了減少交通擁堵，降低空氣污染，倫敦、斯德哥爾摩和新加坡等城市還實(shí)施了擁堵收費(fèi)計(jì)劃（CCS）。

2.2 城市規(guī)劃

通過城市設(shè)計(jì)改善空氣質(zhì)量的策略可分為兩種，即整體峽谷幾何形態(tài)設(shè)計(jì)和街內(nèi)屏障設(shè)計(jì)。第一種會(huì)影響街道峽谷內(nèi)的整體氣流，而第二種主要影響峽谷內(nèi)低空區(qū)域的氣流。

整體峽谷幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)包括縱橫比、街道/建筑朝向、建筑高度配置和屋頂形狀。這些因素通過影響街道峽谷內(nèi)的風(fēng)致湍流，影響空氣通風(fēng)和污染物去除。一般來說，較低的縱橫比、與盛行風(fēng)向平行的街道以及平行于林蔭大道的較短側(cè)邊的建筑物有利于污染物擴(kuò)散，高度不一致的街道峽谷比高度一致的更有利于擴(kuò)散，上升峽谷（逆風(fēng)建筑低于順風(fēng)建筑）的路邊空氣質(zhì)量優(yōu)于下降峽谷。此外，在污染物去除方面，促進(jìn)對流效應(yīng)的策略（如建筑物分離）比促進(jìn)湍流擴(kuò)散的策略（如建筑后退）更有效。

路內(nèi)屏障大致分為多孔屏障（如樹木和樹籬）和固體屏障（如路邊停放的汽車、隔聲圍欄和高架橋）。路內(nèi)屏障的核心設(shè)計(jì)原則是在對通風(fēng)影響最小的情況下，最大限度地減少從排氣管到路邊呼吸區(qū)的排放物。

3 結(jié)論

路邊空氣質(zhì)量很大程度上取決于交通狀況、氣象條件、街道峽谷特征和路內(nèi)屏障的協(xié)同作用。通過實(shí)施一些潛在的排放控制措施，如設(shè)置樹籬、隔聲屏障和低排放區(qū)等，可以改善路邊空氣質(zhì)量。而峽谷幾何形態(tài)設(shè)計(jì)，如建筑高度、屋頂形狀和街道方向等，也是影響路邊空氣質(zhì)量的重要因素。仔細(xì)評估交通狀況和城市規(guī)劃對排放物擴(kuò)散的影響，根據(jù)實(shí)際情況，制定合適的污染物控制措施和排放法規(guī)，這對于維持可持續(xù)和宜居的城市環(huán)境至關(guān)重要。迄今為止，對改善路邊空氣質(zhì)量的控制措施和城市規(guī)劃還缺乏系統(tǒng)的調(diào)查和通用指南，未來在這方面需要進(jìn)行更全面、深入的研究和實(shí)踐。