空气质量与居住形态特征的相关性研究

健康和居住形态的研究可以追溯到19世纪的欧州早期工业化国家。当时的低收入阶层居住环境十分恶劣，空间狭小、阴暗、潮湿，没有阳光和自然通风。恶劣的居住环境被认为是导致社会矛盾和斗争的直接原因。所以，才有了现代建筑史上“要么革命，要么住宅”一说。自英国的“花园城市”运动开展以来，现代主义的居住设计首先从外部空间形态上进行了变革，特别强调阳光、空气和绿地等居住质量构成要素。传统街区式和街巷式的城市形态被遗弃，而大间距、行列式和高层点式住宅在新城建设中被大量运用，甚至被写进建筑法规。人们对这种新的居住形态习以为常，但这并不意味居住形态和健康等复杂问题的消失。正如当下，人们开始关注居住环境里的空气质量问题。

笔者对居住形态和人的健康的研究是从2019年9月开始的，当时还没有爆发新型冠状病毒肺炎。最近，因为病毒的流行和防控，人的免疫力、病毒传染渠道和居住区管理等问题开始引起关注，对住宅区的形态研究也从人文议题、绿建、大数据智能化技术等方面转向了对人的健康的研究。从目前对新型冠状病毒的初步认识来看，空气质量中至少有两个因子和病毒有关：一是空气负氧离子，二是污染细颗粒物（PM2.5）值。前者与提高人的免疫力有关，较强的免疫力可以减少病毒入侵和传播的机会，即使在病毒入侵之后，较强的免疫力也可以让患者特别是轻症患者早日康复。后者直接和病毒的传播有关。目前没有证据认为病毒可以通过空气传播，但通过空气中的附着物传播是可能的。空气颗粒就是附着物之一。

生物医学领域的研究已确认空气负离子的多种益处。同时，改善空气质量的研究也大量探讨了空气负离子对粉尘气溶胶质量和颗粒物吸收的影响。空气离子化所需的能量可来自宇宙射线等自然物质，如水滴的微小剪切、闪电、土壤的放射性成分和紫外线等，也可来自高压放电和热表面等人为活动。负氧离子对环境污染与人体的好处主要表现为净化空气，去除甲醛/VOC等有害气体，除菌、除异味、降低PM2.5值等；同时，还能改善肺功能、心肌功能，促进血液循环和新陈代谢，缓解呼吸道疾病，增强机体抗病能力等。

过往的负离子研究已发现PM2.5、气象因子、城市形态和建筑群空间参数的改变对负离子的运动和浓度会产生影响。在气象因子方面，许多学者研究了负氧离子浓度和不同气候区的气温、相对湿度、风速和辐射之间的相关性。但是，无法达成一个一致的结论。一些研究发现，气温与负氧离子浓度之间存在显著的负相关性，另一些研究则显示出相反的结果。同样的，关于季节和昼夜变化与负氧离子浓度之间的相关性的讨论也出现了类似的争议。由于其不稳定性，自然条件下的负氧离子浓度会随时间和季节出现显著波动。在区域和城市尺度上，人为的城市扩张和土地用地的改变对其分布也有重大影响。

空气质量与人类身体健康紧密相关，空气质量下降会导致心脏病、肺癌、哮喘等心血管疾病和呼吸系统疾病。PM2.5则被公认为是人类健康的重要风险因素。2017年全年中国有962 900例过早死亡与其有关。PM2.5是空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒，包括直径小于0.1 μm的悬浮颗粒。城市地区排放的细颗粒物通常来自于道路交通和工业燃料燃烧等人为活动。高密度城市形态将进一步影响城市冠层污染物扩散行为的物理特性，可能会不利于污染物的扩散而导致空气质量变差。

大量研究从区域或城市的尺度，以及邻里或地方尺度两个主要方面调查了建成环境对空气质量的影响。传统上，大多数研究都集中关注于在更大的区域或整个城市范围的空气污染的估算上，以研究城市土地利用规划和景观格局对空气污染的时空分布的决定性作用。在这些宏观或中尺度研究中，最常用的土地使用规划预测变量是和城市土地使用相关的参数、人口密度建筑密度、道路长度、交通负荷以及景观格局等，以考察它们对污染物排放、扩散和沉积的影响，以及预测城市或区域范围内空气污染物浓度的空间变化。但是，城市形态和建筑群的物理特征已被证明是决定城市内部空气污染物扩散和沉积的重要决定因素。因此，最近越来越多的研究考虑了地方一级空气污染物的排放、扩散和积累情况。他们将城市形态学指标和三维建筑参数（例如建筑面积、街道宽度、纵横比、天空因数和体积密度）合并到较小的缓冲区半径中，结合从较大缓冲区获得的常规土地利用规划变量LUR模型中的半径以提高预测的准确性和功效。从较小的邻里或局部尺度来看，许多研究已应用计算流体动力学（CFD）模拟或风洞实验来确定城市居住形态或街道形态对城市空气质量的影响。例如在理想化的城市模型中研究街道方向、建筑物高度变化率、建筑物布局等城市形态学参数对空气污染物扩散的影响。很少有研究探索局部小尺度下的高分辨率空间形态参数对城市地块或街道峡谷中污染物浓度的影响，并采用现场测量和统计分析的方法解决问题。

空气中负离子的浓度和分布在森林公园与城市绿地中有很多相关研究，但是，影响城市建成地区空气中负离子分布的因素我们却知之甚少。尽管先前的研究从宏观尺度上调查了区域或城市尺度的空气负离子、PM2.5、气象条件和城市形态之间的相关性，但针对邻里范围内的PM2.5和空气负离子的研究很少。因此，笔者旨在局部空间尺度上，研究深圳坪山区居住区形态、建筑分布和气象参数对空气负离子和PM2.5的空间分布的影响，并找出关键的决定因素。这项研究先基于文献综述、计算机建模、形态分析等方法进行分析，将于2020年5—6月对深圳居住环境最好的坪山区中的三个居住社区的空气质量进行实测（图1）。该研究将更好地为城市设计提供指导，可以采用适当的形态特征来改善街道规模的通风和污染物扩散。此外，本研究有助于将控制空气质量的城市设计方法推广到其他高密度城市中。