基于城市尺度的風(fēng)環(huán)境分析和污染情況探究

李明遠(yuǎn),鄒慧芬

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

國外諸多學(xué)者已對(duì)建筑單體及建筑群、街區(qū)的風(fēng)環(huán)境做了大量相關(guān)研究，而在這方面的研究中，我們國家起步較晚，研究進(jìn)展較為緩慢。且國內(nèi)學(xué)者對(duì)于可用于指導(dǎo)新城區(qū)規(guī)劃的城市尺度的通風(fēng)策略研究的內(nèi)容較少，微尺度的模型在大范圍的研究中省去了大范圍區(qū)域環(huán)境的相互作用關(guān)系，對(duì)于城市中會(huì)對(duì)通風(fēng)廊道造成影響的因素考慮的還不夠全面，且缺乏對(duì)構(gòu)建通風(fēng)廊道后需要的對(duì)通風(fēng)效果進(jìn)行定量分析和驗(yàn)證。

1 城市風(fēng)環(huán)境分析方法研究

目前，研究城市風(fēng)環(huán)境的方法主要有三種：實(shí)地測試法、風(fēng)洞試驗(yàn)法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法(應(yīng)用最廣泛的方法)。實(shí)地測試法是風(fēng)環(huán)境研究中最為有效和直接的方法，可以準(zhǔn)確詳細(xì)地測量研究區(qū)域內(nèi)的風(fēng)的速度和方向、環(huán)境溫度以及污染物分布情況，從而可以獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，但是由于實(shí)地測試需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，所以可達(dá)到的研究尺度最小，并且這種方法主要應(yīng)用于已經(jīng)建成的建筑群，無法在建筑物建造前進(jìn)行，從而沒有方法為未來設(shè)計(jì)提供參考。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是目前風(fēng)環(huán)境研究領(lǐng)域中最主要、使用最頻繁的手段。它是通過制作實(shí)際建筑物的縮尺度模型在大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的，通過必要的手段產(chǎn)生類似于實(shí)際建筑周圍的風(fēng)場，然后通過布置在模型表面及其周圍的試驗(yàn)儀器測量風(fēng)速，風(fēng)壓以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)等相關(guān)數(shù)據(jù)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是模型制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)周期比較長，難以同時(shí)研究不同的建筑設(shè)計(jì)方案，而縮尺度模型將會(huì)帶來一系列的物理量的相似問題。且微尺度模型在大范圍的研究中省去了大范圍區(qū)域環(huán)境的相互關(guān)系，會(huì)造成其結(jié)果并不準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法方面，目前對(duì)于較大尺度的CFD風(fēng)環(huán)境模擬來說面臨著幾大核心問題：1如何構(gòu)建精確的模型。2如何將模型與CFD準(zhǔn)確對(duì)接。3如何得到在運(yùn)行計(jì)算時(shí)使用的精確邊界條件數(shù)據(jù)。4是否考慮周邊城市空間對(duì)于研究區(qū)域的影響和范圍。

2 基于GIS城市尺度的通風(fēng)廊道識(shí)別方法

基于衛(wèi)星遙感資料、基礎(chǔ)地理信息、城市規(guī)劃信息、氣象資料，將地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用簡化假設(shè)方法和取數(shù)值近似的方法，提取出城市地表參數(shù)與空間形態(tài)參數(shù)等，提供替代真實(shí)模擬的解決方案。其中城市地表參數(shù)和空間形態(tài)參數(shù)的提取數(shù)據(jù)包括土地的利用類型、建筑的高度和密度、天空開闊度、地表的溫度和粗糙度和城市綠化率等。利用軟件ArcGIS計(jì)算迎風(fēng)面積比，得到最小費(fèi)用路徑。我們已經(jīng)知道水流或者電流在通過一定區(qū)域時(shí)會(huì)選擇區(qū)域內(nèi)總阻力最小的線路通過，其方法是將氣流視作與水流或者電流相同，即氣流也是會(huì)優(yōu)先選擇區(qū)域內(nèi)阻力最小的路線流過。而風(fēng)模擬近地表?xiàng)l件，城市邊界層受城市污染物性質(zhì)及其濃度還有建筑物熱力和動(dòng)力影響，與人類活動(dòng)的聯(lián)系最為密切，其中最明顯的是湍流混合作用，也是受到城市下墊面影響最為明顯的一層大氣。可以從建筑結(jié)構(gòu)簡化成數(shù)學(xué)的粗糙度參數(shù)估計(jì)。

影響城市通風(fēng)的因素主要包括大氣環(huán)流、太陽輻射和城市下墊面。其中大氣環(huán)流和太陽輻射的影響因素規(guī)律比較容易判斷，而下墊面的粗糙度，粗糙度越大通風(fēng)能力越弱，粗糙度越小通風(fēng)效率越高。

3 通風(fēng)廊道與城市污染

城市風(fēng)環(huán)境影響和決定著污染物在大氣中的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，對(duì)于空氣中避免高濃度污染物具有重要的作用。據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)污染源排放污染物速率一定的情況下，影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素是風(fēng)速。其中，TSP(total suspended particulate)，即總懸浮微粒、SO2、NO2 作為衡量空氣污染的重要指標(biāo)，在靜風(fēng)環(huán)境即風(fēng)速≤1m/s 時(shí)，上述三種污染物的平均濃度將會(huì)達(dá)到峰值，并與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)現(xiàn)象，即隨風(fēng)速的增大，污染物的濃度將會(huì)減?。坏?dāng)風(fēng)速達(dá)到 7m/s 左右時(shí)，TSP 濃度不減小反而會(huì)增大，此時(shí)風(fēng)速與 TSP 濃度開始變?yōu)檎嚓P(guān)，即 TSP濃度隨風(fēng)速增大而增大。原因是大風(fēng)導(dǎo)致?lián)P沙，其增加了大氣中顆粒物的含量，并導(dǎo)致 TSP 濃度的增加。此時(shí)城市的風(fēng)環(huán)境是十分不利于人類活動(dòng)，所以在考慮引風(fēng)的同時(shí)也需要考慮氣流速度對(duì)于人類活動(dòng)環(huán)境的影響。

一方面，通過對(duì)城市通風(fēng)廊道的識(shí)別，根據(jù)已知的污染源分布，需要考慮的城市已知的污染源，包括工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染等，對(duì)于城市環(huán)境來說更需要考慮加入主干道汽車廢氣等影響因素，更為準(zhǔn)確的評(píng)估可以對(duì)未來城區(qū)的規(guī)劃進(jìn)行指導(dǎo)。

另一方面，對(duì)城市熱環(huán)境可采用遙感估算的地表熱島強(qiáng)度、熱島比例指數(shù)以及生態(tài)冷源等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，可加入生態(tài)冷源(生態(tài)冷源被定義為能產(chǎn)生新鮮冷空氣的區(qū)域，它不但可以有效減緩城市熱島效應(yīng)，同時(shí)也是冷空氣來源和改善空氣流通與人居環(huán)境的重要場所，是通風(fēng)廊道規(guī)劃的重要前提條件之一)和人為散熱帶來的空氣升溫對(duì)于城市熱環(huán)境的影響。通過對(duì)已有通風(fēng)廊道的分析可加入構(gòu)建多級(jí)通風(fēng)廊道，從而提高城市的通風(fēng)能力，進(jìn)而降低溫度，促進(jìn)污染物的排放。