基于自然的解决方案：通过优化路边绿化和水体布局，实现热量和污染的协同缓解

城市热污染耦合问题亟待解决，本研究通过CFD模拟揭示广州主干道不同路边景观组合协同调控热与污染的机理。结果表明灌木-树木组合（St）最优，降温3.4°C，PM2.5去除率64%，提出树木紧邻道路、灌木后退布置、水景与树木协同设计策略，为提升城市气候韧性提供量化依据。

　　

常曦|陈仁|史海佳|王俊琦|曹世杰

东南大学建筑学院，中国南京四牌楼2号，210096

摘要

城市热污染耦合问题至关重要，严重威胁着可持续的社会经济和环境发展。道路是城市热污染问题的关键热点，而周围的景观配置在缓解这些双重挑战中起着至关重要的作用。然而，当前关于景观设计的研究在很大程度上忽视了其对热污染耦合的协同效应，主要关注于优化孤立的蓝色或绿色元素。为了解决这一差距，本研究采用了计算流体动力学（CFD）来模拟不同路边景观设计（包括树木、灌木和水体）如何协同调节广州一条主要干道上的热量和污染。通过综合环境指数（CEI）评估，灌木-树木组合（St）表现最佳，使空气温度降低了3.4°C，并实现了64%的PM_2.5去除率。单独的水体显示出有限的调节效果，但与树木结合后，它们提高了协同的热量和污染缓解能力。我们建议将灌木放置在离道路较远的地方，而树木应尽可能靠近道路。这项工作的创新之处在于为设计能够调节热环境和污染环境的城市景观提供了实用且可量化的指导，从而推进了城市气候的韧性和可持续发展。

引言

全球气候系统正在经历前所未有的变化[1]，其主要驱动因素是人类活动导致的温室气体（如二氧化碳和甲烷）的过度排放，这加剧了温室效应[2]。气候变化的一个显著影响是温度的显著上升，这对大气环流在空间和时间上产生了明显的影响[3,4]，从而加剧了热浪、洪水和干旱等极端天气事件的频率[5,6]。研究表明，城市地区占全球温室气体排放量的67-72%[7]，导致城市空气温度显著上升。除了城市过热之外，另一个重要影响是空气污染的加剧[8]。这种现象由多种因素引起。一方面，在气候变化的情况下，城市的能源需求正在增长（例如建筑冷却需求）[9]，而仍然主要依赖化石燃料的能源结构会导致更多污染物的排放[10]。另一方面，高温可能会改变大气的物理化学条件，加速污染物的转化或生成（例如PM_2.5），从而导致其总体浓度增加[11,12]。至关重要的是，持续暴露在高温和高污染水平下会大大增加城市居民患心血管疾病、中暑等的风险[13,14]。因此，在气候变化的背景下，迫切需要解决城市热污染问题[15]。

热源和污染源（如建筑物和交通工具）的密集重叠是城市热污染问题的核心驱动因素[16,17]。道路是这一问题的核心部分[18]。周围的建筑物和铺砌的表面吸收太阳辐射，成为持续的热源[19,20]。行驶中的车辆也会从发动机中释放热量[21]，并在运行过程中排放PM_2.5、NOx和SO₂等污染物[22,23]，形成移动的热源和污染源。此外，周围的建筑物会阻挡气流[24]，使热量和污染物在道路附近积聚。这些因素共同加剧了城市的热量和污染[25]，使道路成为这一耦合问题的关键热点。

基于自然的解决方案，如路边景观，是有效降低高温和空气污染的方法[26,27]。这些解决方案主要涉及蓝色和绿色基础设施。对于降温，植被（树木、灌木等）通过提供遮荫和蒸腾作用来降低热量[9,28]，而水体通过蒸发来冷却空气[29]。对于净化空气，植物通过表面吸附和沉积捕获PM_2.5[30]。水体还有助于降低温度，促使颗粒物沉淀[31]。Lou等人指出，水体附近的凉爽湿润条件有助于颗粒物的沉积，并抑制颗粒物前体的二次形成[32]。鉴于这些好处，特别是结合植物和水体的混合路边景观，正受到关注，以应对城市环境挑战。

以往的研究已经考察了各种蓝色和绿色景观的配置设计。对于绿化配置，Bao等人证明城市路边植物能有效减少空气中的超细颗粒物，起到天然净化器的作用[33]。Gustafsson等人研究了树种和排列模式对气流和污染去除的影响[34]。He等人探讨了树的高度、树干高度和树冠宽度如何影响道路附近的PM_2.5扩散[35]。Wang等人发现，适应当地环境的多层树木布局可以有效减少人行道上的颗粒物浓度[36]。除了污染物的去除，Tan等人还展示了路边植被在城市环境中的降温效果[37]。一些研究提出了路边树木的降温措施[38]，例如增加树木密度和减少草地覆盖[39]。对于水体配置，Shi等人报告说，城市水体在白天可以将街道温度降低1-3°C[40]。Tominaga等人模拟了城市水体的蒸发冷却过程，证明水表面在微观尺度上的最大温度降低约为2°C[29]。Qiao等人指出，改变水体形状可以有效扩大其冷却面积[41]。然而，研究表明，城市水体容易受到细颗粒物和其他污染物的污染[42]。

尽管取得了这些进展和见解，但仍存在重要的研究空白。首先，许多研究只关注单一元素（例如只有树木、灌木或只有水体）或单一目标（仅仅降温或仅仅去除污染）。解决热污染耦合问题需要综合性的解决方案。其次，尽管已经测试了一些组合，但混合蓝色-绿色元素（例如树木与灌木和水体）的协同效应和最佳空间排列仍然没有得到很好的测量或理解。这一点至关重要，因为元素之间的相互作用可能会产生大于它们各自效果的总和的协同效应。第三，目前过度依赖孤立优化，而不是采用系统方法来综合调节热量和污染，限制了整体城市景观设计的实际应用性。因此，本研究利用广州的一条主要道路来探索如何通过协同优化路边蓝色-绿色景观配置来共同减少热量和污染。本文提出了一种基于自然的设计策略，用于综合控制和减少热量和污染。这项工作的动机是对城市热污染环境挑战采取综合方法的需求。它为路边景观设计提供了可操作的指导，并有助于填补关于蓝色-绿色配置在同时减少热量和污染方面的定量知识空白，支持更加具有气候韧性的城市发展。

方法部分

本研究重点优化了广州一条典型干道沿线的路边景观配置。设计了包含树木、灌木和水体的各种蓝色-绿色景观配置方案。使用计算流体动力学（CFD）来模拟这些不同方案中的风速、空气温度和污染物分布（即PM_2.5）。提出的优化景观配置旨在协同缓解热量和污染。

路边景观配置对风速的影响

本节研究了不同路边景观配置对风速的影响。图4显示了在不同场景下，行人高度（Z = 1.5米）处的风速分布，其中来风垂直于道路。在没有景观的场景中，由于建筑物和车辆的影响，道路附近的风速达到了2.0 – 4.0米/秒。道路中心和建筑物之间的风速较高（约4米/秒），而受遮挡的区域风速接近零。

讨论

本研究调查了不同城市路边景观配置（灌木、树木和水体）对风速、空气温度和PM_2.5的综合影响。结果表明，这些配置显著影响了道路和社区区域内的风速、空气温度和PM_2.5浓度的空间分布。St的最佳性能源于不同垂直方向上相互关联的物理过程的协同作用

结论

本研究利用CFD模拟评估了典型城市干道沿线不同路边景观配置的协同热污染缓解效果。直接从我们的定量模拟中得出的关键发现为城市景观设计提供了可操作的见解，如下：

•

灌木-树木组合（St）被确定为同时缓解热量和污染的最佳策略。这种配置实现了最高的

作者贡献声明

常曦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，数据分析，概念化。陈仁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，软件，方法论，数据分析。史海佳：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，调查。王俊琦：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，调查。曹世杰：撰写 – 审稿与编辑，