The effect of street vegetation configuration on the pedestrian-level aerosol mass concentrations in a wide street canyon

Abstract

Ilmansaasteet ovat ihmisten terveyden kannalta maailman vakavin yksittäinen ympäristöongelma. Maailman terveysjärjestö WHO:n arvion mukaan 91 % maailman väestöstä altistuu toistuvasti korkeille ilmansaastepitoisuuksille. Haittavaikutukset ovat erityisen suuria kaupunkialueilla, joissa korkea asukastiheys yhdistyy korkeisiin ilmansaastepitoisuuksiin. Katukuilut ovat erityisen ongelmallisia ilmanlaadun kannalta, sillä liikenteen päästöjen tuulettuminen pois katukuilusta on heikompaa kuin avoimilla alueilla. Tästä johtuen katukuilujen ilmanlaatu pyritään ottamaan usein huomioon jo kaupunkisuunnittelussa.

Leveisiin katukuiluihin istutetaan usein puita esteettisistä syistä, mutta niillä on positiivinen vaikutus myös lämpömukavuuteen. Katupuut vaikuttavat katukuilujen ilmanlaatuun kahdella eri tavalla. Ilmansaasteiden tarttuminen niiden lehtiin, oksiin ja runkoon vähentää niiden pitoisuutta ilmassa, mutta toisaalta puiden tuoma ilmanvastus heikentää ilmansaasteiden tuulettumista pois katukuilusta. Aiemmissa tutkimuksissa tuulettumisen heikkenemisen on havaittu olevan näistä merkittävämpi tekijä. Koska katupuilla on kuitenkin myös positiivisia vaikutuksia kaupunkiympäristöjen viihtyisyyteen, joten niiden jättäminen kokonaan pois on harvoin vaihtoehto.

Helsingin kaupungin vuonna tuoreimman yleiskaavan mukaan nykyiset kaupunkiin johtavat moottoritiet Tuusulanväylä ja Vihdintie muutetaan kaupunkibulevardeiksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mikä viidestä eri kaupunkibulevardeille soveltuvasta katupuuvaihtoehdoista olisi ilmanlaadullisesti paras. Ilmanlaadun mittarina käytettiin aerosolien massapitoisuuksia katutasolla. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin puiden vaikutusta ilman virtausta kuvaaviin tilastollisiin suureisiin ja tutkittiin katutason hiukkaspitoisuuksien riippuvuutta näistä. Tutkimuksessa käytettiin LES-mallia PALM tuottamaan tarkka kuvaus ilman virtauksesta kaupunkibulevardilla ja sen yläpuolella. Eri kokoisten hiukkasten kulkeutumista virtauksen mukana sekä niiden tarttumista kasvillisuuteen ja pinnoille tarkasteltiin aerosolimallilla SALSA. Lisäksi tutkittiin käytetyn LES-malliasetelman soveltuvuutta vastaaviin vertailututkimuksiin.

Tulokset osoittavat että katupuilla on pääsääntöisesti selvä negatiivinen vaikutus (-2 % -- 54 %) katutason ilmanlaatuun. Ne vähentävät merkittävästi tuulen keskinopeutta katukuilussa, jonka havaittiin olevan vahvasti kytköksissä katutason pitoisuuksiin ja tuulettumisen heikkenemiseen etenkin katukuilun suuntaisilla tuulilla. Katupuiden virtaukseen tuottama turbulenssi pystyi kompensoimaan tätä vaikutusta osittain joissain kasvillisuusvaihtoehdoissa. Voimistunut turbulenssi oli havaittavissa aina kattokorkeuden yläpuolelle asti.

Tulosten perusteella vastaavien katukuilujen kasvillisuudessa tulisi suosia vaihtelevakorkuisia katupuulatvustoja yhtenäisten latvustorakenteiden sijaan. Epätasaisen latvuston tuottama turbulenssi kompensoi osaltaan alentuneiden tuulennopeuksien aiheuttamaa heikentynyttä tuulettumista. Puun latvuston kokonaistilavuutta suhteessa katukuilun tilavuuteen tulisi myös tarkkaan harkita, sillä tällä on positiivinen yhteys tuulettumisen heikkenemiseen.

Air pollution is the most severe environmental problem in the world in terms of human health. The World Health Organisation (WHO) estimates that 91% of the world's population is exposed to high air pollutant levels. The risks are particularly high in urban areas, where often high population densities are combined with high air pollutant levels. Urban street canyons are especially prone to high pollutant levels due to the proximity of traffic and reduced exchange of air with the street canyon and air above, referred to as ventilation. As a result, one of the most important topics in city planning is how to avoid designs that impact the air quality negatively.

Street trees are often planted in street canyons for aesthetic purposes while they can also improve thermal comfort. The air quality within street canyons is affected by street trees in two ways. They provide leaf surface for air pollutants to deposit on, thus cleaning the air. On the other hand, they block the airflow within the street canyon, thus decreasing the ventilation of air pollutants. In previous studies the latter effect has generally been found stronger. However, due to the various benefits of street trees, leaving them completely out from street canyon designs is rarely an option.

The City of Helsinki is planning to develop its current inbound motorways into city boulevards which has raised concerns towards the local air quality levels due to high projected traffic rates. The aim of this study was to find which of five street-tree scenarios, realistic for the city boulevards, is the best in terms of air quality. Pedestrian-level aerosol mass concentrations were used as the measure of air quality. Furthermore the impacts of vegetation and dependency of aerosol mass concentrations on various flow statistics were studied in order to explain the differences between the scenarios. Large-eddy simulation (LES) model PALM was utilised to study the flow field above and within a city boulevard and to model the dispersion of traffic-related aerosols. Aerosol particles of different sizes were represented using a sectional aerosol model SALSA. The suitability of the used LES setup for such intercomparison studies was also investigated.

The results showed that the street trees have generally a considerable negative impact (-2% to 54%) on pedestrian-level aerosol mass concentrations. Trees were find to reduce the mean wind speeds within the street canyon, which correlated strongly with the pedestrian-level concentrations. This was particular with a parallel wind direction to the street canyon due to decreased ventilation. Turbulence produced by the street trees was partially able to compensate for the reduced ventilation in some scenarios. The increased turbulence could be observed up to heights exceeding the maximum building height.

Based on the results, it is recommended to prefer variable-height street-tree canopies over uniform ones within street canyons similar to the studied one. Uneven canopy increases turbulence and related pollutant transport which partially compensates decreased ventilation due to decreased wind speeds. It is also recommendable to consider minimising the ratio of the total crown volume to the street canyon volume, as ventilation decreases sharply as the ratio increases.