城市開發(fā)強(qiáng)度對通風(fēng)環(huán)境的影響及風(fēng)道識別——以武漢市為例

尹 杰 詹慶明

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.武漢大學(xué) 城市設(shè)計學(xué)院， 武漢 430072)

城市通風(fēng)廊道是類似通道的通風(fēng)路徑，在城市建成環(huán)境中利用空氣的流動特征，使城市外圍郊區(qū)新鮮潔凈的冷空氣通過通風(fēng)路徑導(dǎo)入城市內(nèi)部，同時城市污染的廢氣隨風(fēng)稀釋排出.對于城市內(nèi)部生態(tài)環(huán)境的循環(huán)有著良好的促進(jìn)作用，尤其在炎熱的夏季，在城市中開辟通風(fēng)廊道，降低空氣溫度.通暢的城市通風(fēng)廊道有利于節(jié)能減排，能使城市居民的生活更舒適，減少城市居民因抵抗城市熱環(huán)境而產(chǎn)生的能耗活動.

城市風(fēng)道研究的趨勢逐步向多源數(shù)據(jù)整合和多參數(shù)量化方向發(fā)展.利用多源數(shù)據(jù)如地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)、遙感影像的反演數(shù)據(jù)、WRF/urban微氣候模擬數(shù)據(jù)、CFD 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及城市地形、用地、道路和建筑數(shù)據(jù)等進(jìn)行模擬、分析和評價，為城市風(fēng)道挖掘提供決策依據(jù).國外學(xué)者主要針對多參數(shù)量化方面展開研究，阿道夫借助GIS 技術(shù)提出了一套被稱為形態(tài)學(xué)的方法，將復(fù)雜的城市建成環(huán)境形態(tài)抽象為形態(tài)指標(biāo)參數(shù)，從而建立城市形態(tài)和風(fēng)熱環(huán)境之間的量化關(guān)系[1-2].希西對城市形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了形態(tài)指標(biāo)的數(shù)量，并進(jìn)行了圖層化，通過疊加分析建立形態(tài)指標(biāo)與風(fēng)壓、風(fēng)速的關(guān)系，并有效提出了城市形態(tài)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化策略[3].

詹慶明以福州市區(qū)為例，建立了遙感反演(RS)、地理信息空間分析技術(shù)(GIS)和氣候?qū)W及生態(tài)學(xué)模型(WRF)綜合應(yīng)用的研究方法，遙感反演可以識別出區(qū)域范圍內(nèi)的風(fēng)道作用空間和補(bǔ)償空間，對風(fēng)道的背景環(huán)境進(jìn)行功能劃區(qū)，GIS的指標(biāo)量化可以挖掘建成環(huán)境的通風(fēng)路徑，并與WRF 氣象模擬分析出的通風(fēng)路徑進(jìn)行擬合，挖掘現(xiàn)有的通風(fēng)廊道[4].城市風(fēng)資源主要包括熱島環(huán)流和盛行風(fēng)向，對不同的風(fēng)源采用不同的挖掘方法，通過計算粗糙度長度和零平面位移高度可以挖掘熱島環(huán)流的通風(fēng)路徑，計算迎風(fēng)面積密度挖掘盛行風(fēng)向的通風(fēng)路徑[5].

1 建成環(huán)境開發(fā)強(qiáng)度對通風(fēng)的影響

城市建成環(huán)境的空間形態(tài)指標(biāo)包括建筑密度、容積率和建筑平均高度，同時也是城市開發(fā)強(qiáng)度規(guī)劃控制的指標(biāo)，對開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)的通風(fēng)效能分析可以更好地被規(guī)劃師和建筑師理解，并應(yīng)用到城市建設(shè)管理中.建筑作為三度空間(長度，寬度和高度)影響著城市的通風(fēng)環(huán)境：建筑密度越大，建筑占地面積越大，空氣流動的空間就越小，風(fēng)速受到阻礙而降低；容積率越高對風(fēng)速的影響有兩種影響，一種是由于占地面積大而導(dǎo)致建筑面積增大，另一種是建筑高度增加而導(dǎo)致建筑面積變大，前者會降低空氣流速，后者在特殊情況下會增加風(fēng)速，因為較高處風(fēng)速較高的氣流會受到建筑阻擋而吹向地面，但同時也會形成一定范圍的風(fēng)影區(qū)；建筑高度較高表現(xiàn)為板式建筑和塔式建筑，前者會形成大范圍的風(fēng)影區(qū)，后者則相反.Kubota通過風(fēng)洞實(shí)驗對多個街區(qū)地塊進(jìn)行了試驗，將建筑模型放置于風(fēng)場中，對不同建筑密度和容積率的建筑地塊的平均風(fēng)速進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)建筑密度是影響地塊通風(fēng)最重要的因素[6].

2 研究方法與思路

通過地理信息系統(tǒng)(GIS)將武漢市城市建筑環(huán)境抽象為二維柵格(柵格規(guī)模為100m×100m)，通過劃分單元格，計算開發(fā)強(qiáng)度的形態(tài)指標(biāo)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對整體建成環(huán)境的通風(fēng)潛力評價，降低了仿真和模擬的成本，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時和全覆蓋的通風(fēng)潛力評估.通過計算流體力學(xué)(CFD)模擬各個通風(fēng)單元的風(fēng)場，并計算風(fēng)速比、最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比評價通風(fēng)單元的通風(fēng)效能.其中，風(fēng)速比為近地層空氣流速與高層氣流流速比，可以揭示空氣經(jīng)過城市時風(fēng)速降低的程度；最高風(fēng)速為通風(fēng)單元內(nèi)1.5m 高度的最高風(fēng)速，氣流與建筑發(fā)生物理作用后，風(fēng)速會增加；平均風(fēng)速為通風(fēng)單元內(nèi)1.5m 高度的平均風(fēng)速，作為通風(fēng)單元的整體通風(fēng)水平；強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比為行人高度較高風(fēng)速的占地面積與單元用地面積的比率.

首先，通風(fēng)環(huán)境邊界條件分析是前期重要的準(zhǔn)備工作，主要是風(fēng)向和風(fēng)速的頻率統(tǒng)計.旨在得到武漢市夏季主導(dǎo)風(fēng)向，以夏季主導(dǎo)風(fēng)向作為風(fēng)道識別和通風(fēng)潛力評價的初始邊界條件.其次，城市形態(tài)的CFD數(shù)值模擬分析是為分析城市開發(fā)強(qiáng)度對通風(fēng)潛力影響的程度.使用Fluent空氣動力學(xué)專業(yè)軟件模擬城市室外風(fēng)環(huán)境，該軟件模擬室外風(fēng)環(huán)境具有較高的準(zhǔn)確性，并將通風(fēng)單元放置于相鄰8個單元的中心.通過平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比和風(fēng)速比等來描述各個范圍內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣，依據(jù)開發(fā)強(qiáng)度與通風(fēng)潛力指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，運(yùn)用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法，計算指標(biāo)對通風(fēng)潛力貢獻(xiàn)程度的權(quán)重.最后，依據(jù)統(tǒng)計分析的權(quán)重，對建筑密度、容積率和平均高度柵格圖層進(jìn)行加權(quán)相加，得到綜合的通風(fēng)潛力評價圖，此圖作為風(fēng)道識別的依據(jù).

3 基于CFD的開發(fā)強(qiáng)度通風(fēng)潛力分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究的數(shù)據(jù)來源主要包括2010年建筑普查數(shù)據(jù)和2009～2010年氣象數(shù)據(jù).采用CFD 數(shù)值模擬分析和GIS 空間分析相結(jié)合的方法對通風(fēng)效能進(jìn)行評價.CFD 數(shù)值模擬軟件包括Phoenics和Fluent軟件，課題選擇Fluent軟件，對案例城市中典型街區(qū)進(jìn)行單元模擬，并通過ArcGIS量化街區(qū)單元的空間形態(tài)指標(biāo).

計算域中柵格數(shù)據(jù)以100m×100m 為單元格，柵格單元的面積規(guī)模為10000m2，在地理信息系統(tǒng)里面進(jìn)行空間分析.柵格單元的容積率是指柵格單元的總建筑面積與柵格單元面積的比值，建筑密度是指柵格單元內(nèi)建筑的占地面積與柵格單元面積的比值，平均建筑高度是指柵格單元內(nèi)建筑高度的平均值，即柵格單元容積率除以建筑密度再乘以3m，從而實(shí)現(xiàn)對評價單位進(jìn)行指標(biāo)的量化分析.

在CFD 數(shù)值模擬中，模擬單元以300m×300m(包括該單元的相鄰單元)，地塊數(shù)據(jù)以100m×100m為單元(300m×300m，取中間100m×100m 為研究對象)進(jìn)行風(fēng)場模擬，采用風(fēng)速比(即柵格單元內(nèi)部1.5m 高度的風(fēng)速與背景風(fēng)速的比值)、平均風(fēng)速(柵格單元內(nèi)部1.5m 高度所有風(fēng)速節(jié)點(diǎn)的平均值)、最高風(fēng)速(柵格單元內(nèi)部1.5m 高度節(jié)點(diǎn)風(fēng)速的最大值)和強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比(柵格單元內(nèi)部1m/s以上風(fēng)速的覆蓋面積與柵格單元面積的比值)，通風(fēng)潛力采用4個指標(biāo)綜合評價，相比單一指標(biāo)能夠更加全面地評估通風(fēng)的效能.

運(yùn)用Matlab進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，通過空間分析、回歸分析和空間關(guān)聯(lián)性分析等分析方法，建立指標(biāo)與通風(fēng)潛力之間的量化關(guān)系.最后，通過GIS的疊加計算技術(shù)，綜合評價城市整體的通風(fēng)潛力.以開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)與通風(fēng)效能的關(guān)聯(lián)程度為依據(jù)，從宏觀對整體城市范圍進(jìn)行量化分級，以此作為風(fēng)道挖掘的依據(jù).

由于武漢市為“多中心組團(tuán)”的空間結(jié)構(gòu)，所以各個組團(tuán)的容積率圍繞核心區(qū)呈現(xiàn)出同心圓模式的空間結(jié)構(gòu).建筑密度分布圖中(如圖1(b)所示)，青山區(qū)東側(cè)建筑密度最高，且明顯高于武漢市主城區(qū)其他片區(qū)，建筑密度最大值超過了80%，其次為漢口的硚口區(qū)、江漢區(qū)、江岸區(qū)的長江沿岸建筑密度也相對較高，洪山區(qū)的東湖周邊開發(fā)程度相對較弱.平均高度分布圖中(如圖1(a)所示)，75m 以上的建筑主要集中在城市中心沿長江一帶，青山區(qū)和洪山區(qū)建筑平均高度較低.在容積率分布圖中(如圖1(c)所示)，漢口城區(qū)的建設(shè)強(qiáng)度要高于武昌和漢陽城區(qū)，青山區(qū)和洪山區(qū)容積率普遍偏低.總體看來，漢口城區(qū)的建筑密集程度要高于武昌和漢陽城區(qū)，因此漢口的通風(fēng)環(huán)境相對較差，應(yīng)是城市通風(fēng)廊道識別的主要區(qū)域.

圖1 武漢市主城區(qū)開發(fā)強(qiáng)度分布及行政區(qū)劃

3.2 通風(fēng)邊界條件分析

統(tǒng)計武漢市氣候數(shù)據(jù)(包括2009年和2010年的武漢市風(fēng)向數(shù)據(jù))，在夏季(6、7、8、9月份)風(fēng)向頻率數(shù)據(jù)和全天風(fēng)向頻率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，夏季武漢市的盛行風(fēng)向為東南風(fēng)、南風(fēng)和西南風(fēng).其中，西南風(fēng)的頻率要高于南風(fēng)和東南風(fēng)，選擇西南風(fēng)作為夏季主導(dǎo)風(fēng)向(如圖2所示)，作為CFD 數(shù)值模擬、GIS通風(fēng)潛力評價與風(fēng)道識別的邊界條件.

圖2 夏季全天風(fēng)向頻率

3.3 通風(fēng)單元的CFD 數(shù)值模擬

篩選武漢市主城區(qū)12個通風(fēng)單元，地塊單元大小為100m×100m，分別按照建筑密度、容積率和平均高度3個開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行篩選，每個指標(biāo)包括4個通風(fēng)單元.其中，建筑密度包括20% ～30%、30%～40%、40%～50%和50%～60%四個分區(qū)；容積率包括0.3～0.8、0.8～1.5、1.5～3.0和3.0～6.0四個分區(qū)；平均高度包括3～18m、18～25m、25～50 m 和高于50m四個分區(qū).建筑密度(Building Density)、容積率(FloorArea Ratio)和平均高度(Building Average Height)三者之間存在著聯(lián)系，當(dāng)容積率一定時，建筑密度越高，平均高度越低；當(dāng)平均高度一定時，建筑密度越高，容積率越高；當(dāng)建筑密度一定時，平均高度越高，容積率越高.通風(fēng)單元風(fēng)速模擬分布圖如圖3所示.

初始風(fēng)向為西南風(fēng)(距離正北225°)，初始風(fēng)速為5m/s.通風(fēng)區(qū)域的規(guī)模為300m×300m(將通風(fēng)單元周邊的柵格一并劃入模擬區(qū)域，其中周邊柵格的建筑布局形式為行列式)，計算域中建筑迎風(fēng)面至邊界的距離為地塊邊長的1.5倍，背風(fēng)面至邊界的距離為邊長的3倍.網(wǎng)格的大小保持在計算域各個坐標(biāo)軸線長度的0.05倍以內(nèi).其中，風(fēng)速計高度為10m，氣象站地形因素參數(shù)為0.14，氣象站邊界層厚度為270m.

圖3 通風(fēng)單元風(fēng)速模擬分布圖

12案例形態(tài)指標(biāo)與通風(fēng)效能見表1.通風(fēng)效能指標(biāo)主要包括風(fēng)速比、平均風(fēng)速、最高風(fēng)速和強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比.風(fēng)速比是選取柵格內(nèi)1.5m 高度5個節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速平均值與背景風(fēng)速的比.平均風(fēng)速和最大風(fēng)速的計算域為柵格內(nèi)1.5m 高度的風(fēng)場.強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比是柵格單元1.5m 高的風(fēng)場中風(fēng)速超過1m/s的覆蓋面積與柵格單元總面積的比.

表1 12案例形態(tài)指標(biāo)與通風(fēng)效能

續(xù)表1 12案例形態(tài)指標(biāo)與通風(fēng)效能

為了比較各個方案的通風(fēng)潛力與開發(fā)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，建筑密度對比采用0.2～0.6的4個區(qū)間方案；建筑高度對比采用3～50m 的4個區(qū)間方案；容積率對比采用0.3～6.0的4個區(qū)間方案.對比的開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)逐漸提高，另外兩個開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)保持一致.建筑密度與通風(fēng)潛力的相關(guān)程度最高，其次為建筑平均高度，容積率相關(guān)程度不明顯.

3.4 基于因子分析的通風(fēng)潛力與開發(fā)強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度

統(tǒng)計分析通風(fēng)潛力與開發(fā)強(qiáng)度相關(guān)性強(qiáng)度(如圖4所示)發(fā)現(xiàn)建筑密度與通風(fēng)潛力總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但是最高風(fēng)速與建筑密度呈現(xiàn)弱正相關(guān)；容積率與通風(fēng)潛力總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；建筑平均高度與通風(fēng)潛力總體呈現(xiàn)正相關(guān)，但是最高風(fēng)速與平均高度呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān).可見，4個通風(fēng)潛力評價指標(biāo)與開發(fā)強(qiáng)度的相關(guān)性不一致，為了克服指標(biāo)數(shù)量過多且指標(biāo)間的相關(guān)性不一致的問題，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，采用因子分析法對4個通風(fēng)潛力評價指標(biāo)進(jìn)行降維，降維后的綜合得分值盡可能地保留了原始數(shù)據(jù)的信息，再利用降維后的綜合得分值與開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而得到開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)對通風(fēng)潛力影響的程度和權(quán)重.

圖4 通風(fēng)潛力與開發(fā)強(qiáng)度相關(guān)程度散點(diǎn)圖

選取公因子的標(biāo)準(zhǔn)是公因子特征值大于1或者公因子方差累積貢獻(xiàn)率大于80%，獲取2個公因子(F1和F2)，且其累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到80.79%，以提取的各因子方差貢獻(xiàn)率占因子方差貢獻(xiàn)率之和的百分比作為權(quán)重，與各公因子得分進(jìn)行加權(quán)求和，結(jié)果即為通風(fēng)潛力綜合得分.得分越高，通風(fēng)潛力越強(qiáng)，得分越低，通風(fēng)潛力相對越弱.

利用SAS軟件得出因子得分系數(shù)矩陣，根據(jù)因子得分系數(shù)wij(見表2)，乘以各個通風(fēng)單元案例的通風(fēng)潛力數(shù)值Xj(見表1，公式1)，計算得到公因子得分F1和F2，以提取的各因子方差貢獻(xiàn)率占因子方差貢獻(xiàn)率之和的百分比作為權(quán)重(εi)，與各公因子得分進(jìn)行加權(quán)求和，結(jié)果即為通風(fēng)潛力綜合得分(見表3，公式2).

表2 公因子得分系數(shù)矩陣

表3 公因子得分及綜合得分

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)方法計算開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)(建筑密度、容積率、平均高度)與通風(fēng)潛力綜合得分的相關(guān)強(qiáng)度，計算結(jié)果(如圖5所示)為：建筑密度與通風(fēng)潛力綜合得分呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.8427，當(dāng)建筑密度低于35%時，通風(fēng)潛力綜合得分為正；容積率與通風(fēng)潛力綜合得分呈弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.1661，當(dāng)容積率超過1.5時，部分案例的通風(fēng)潛力得分值為正；平均高度與通風(fēng)潛力綜合得分呈強(qiáng)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.6806，當(dāng)建筑平均高度超過15m時，大部分案例的通風(fēng)潛力綜合得分為正值.根據(jù)相關(guān)系數(shù)計算各個開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)對通風(fēng)潛力影響的權(quán)重，建筑密度權(quán)重占到50%，容積率和平均高度分別為10%和40%.

圖5 通風(fēng)潛力綜合得分與開發(fā)強(qiáng)度相關(guān)程度散點(diǎn)圖

4 基于GIS的城市風(fēng)道探測與識別

將武漢市主城區(qū)建成環(huán)境抽象為100m×100m的柵格單元，分別計算建筑密度、容積率和建筑平均高度3項指標(biāo)，彌補(bǔ)了單因素評價的不足，實(shí)現(xiàn)對武漢市主城區(qū)的整體開發(fā)強(qiáng)度評價.基于CFD 數(shù)值模擬統(tǒng)計計算風(fēng)速比、平均風(fēng)速、最高風(fēng)速和強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比，通過因子分析和皮爾遜相關(guān)系數(shù)法統(tǒng)計開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)與通風(fēng)潛力變量之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度.在此基礎(chǔ)上，將開發(fā)強(qiáng)度柵格圖層進(jìn)行重分類并賦值，通過GIS柵格計算器，對3 項開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，計算得到通風(fēng)潛力的綜合評價圖.