基于CFD模擬的不同地形格局風(fēng)場(chǎng)規(guī)律及其風(fēng)感規(guī)劃對(duì)策

王 凱,梁 紅,嚴(yán) 巖

1 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院,青島 266109 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

“風(fēng)感”是景感規(guī)劃所關(guān)注的八個(gè)類型的感覺之一。城市風(fēng)感規(guī)劃通過對(duì)城市物理空間的改變來改善城市通風(fēng),提升城市小環(huán)境的氣候品質(zhì),從而優(yōu)化風(fēng)感[1-4]。地形是構(gòu)成城市覆蓋層最基本的地表自然單元,從宏觀上來講,地形的褶皺影響地面紋理和粗糙度,影響近地面層的空氣流通,從而影響區(qū)域的通風(fēng)和風(fēng)速,影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。從中觀和微觀上來講,地形所形成的風(fēng)場(chǎng)不僅影響城市規(guī)劃選址與內(nèi)部空間布局。利用地形的風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)和“風(fēng)感”規(guī)律進(jìn)行選址或營(yíng)造氣候適應(yīng)型空間格局,對(duì)于谷地、盆地和環(huán)山型等山地城市的人居環(huán)境優(yōu)化,解決霧霾頻發(fā)城市的通風(fēng)問題,并提升城市內(nèi)部微空間“風(fēng)感”舒適度具有一定的指導(dǎo)意義[5- 9]。風(fēng)感規(guī)劃對(duì)于城市氣候適應(yīng)性規(guī)劃,改善風(fēng)敏感型城市生態(tài)環(huán)境,并基于風(fēng)感做相應(yīng)的土地利用和規(guī)劃建設(shè)具有較好的指導(dǎo)價(jià)值。風(fēng)感是基于人的物理和心理感知,風(fēng)感的好壞直接反映生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能優(yōu)劣,提升風(fēng)感能夠提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[10- 13]。

目前,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了研究風(fēng)場(chǎng)的主要研究手段,也逐漸被應(yīng)用到的不同地形風(fēng)場(chǎng)模擬中。在進(jìn)行山地建筑設(shè)計(jì)和山地環(huán)境的建筑規(guī)劃時(shí),可以應(yīng)用CFD模擬的方法研究中小尺度的山地地形的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)和布局山地建筑[14- 17]。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高和CFD模擬計(jì)算的日趨成熟,CFD數(shù)值模擬的方法逐漸被應(yīng)用到更大尺度的山地風(fēng)場(chǎng)研究上,并將模擬結(jié)果直接用于分析宏觀尺度生態(tài)環(huán)境和氣候問題[18-20]。通過上述研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同尺度地形格局的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果具有一定的相似性,均反映了地形風(fēng)場(chǎng)的一般規(guī)律。理清這一規(guī)律,有助于指導(dǎo)城市的選址與布局,優(yōu)化人居生態(tài)環(huán)境。但是,目前對(duì)于不同坡向、形態(tài)和空間格局的地形風(fēng)場(chǎng)的一般性規(guī)律所做的研究并不深入,也并未總結(jié)出可供風(fēng)感規(guī)劃直接利用的簡(jiǎn)單、且易于操作的方法。據(jù)此,本文以地形的風(fēng)場(chǎng)作為研究對(duì)象,通過CFD模擬分析,總結(jié)出不同地形風(fēng)場(chǎng)的一般性規(guī)律,并根據(jù)人的主觀感受確定地形的風(fēng)感敏感區(qū),制定城市風(fēng)感規(guī)劃策略。本研究對(duì)于指導(dǎo)新城的選址與布局,優(yōu)化老城內(nèi)部風(fēng)場(chǎng),提升生態(tài)環(huán)境的宜居程度具有一定的指導(dǎo)意義[21-22]。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬作為當(dāng)前研究風(fēng)場(chǎng)的有效手段之一,具有高效、直觀、周期短、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算模型的改進(jìn),其準(zhǔn)確性也越來越高[22-23]。本文運(yùn)用Fluent 14.0來模擬不同地形格局的風(fēng)場(chǎng)特征和影響因素,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)地形模型進(jìn)行CFD模擬計(jì)算。為排除其他地物因素的干擾,設(shè)定的模擬場(chǎng)景為曠野地帶,地面風(fēng)粗糙度指數(shù)為0.16。計(jì)算域以目標(biāo)地形(高度H)為中心,半徑5H范圍內(nèi)為地形計(jì)算域。在來流方向上,地形計(jì)算域前方距離外場(chǎng)計(jì)算邊界要大于2H,后方距離外場(chǎng)邊界要大于6H。模擬工況設(shè)定模型入口10 m高風(fēng)速為10 m/s,并用指數(shù)方程描述氣體入口界面的風(fēng)速變化。通過對(duì)從不同地形坡度、形態(tài)和格局的模擬,能夠分析地形的風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)和影響因素。本文所選用的理想化的模型和模擬條件進(jìn)行模擬,因?yàn)槟Ｐ瓦吔鐥l件比較具體,和實(shí)際情況有一定的差異性,實(shí)際應(yīng)用時(shí)要綜合考慮邊界和其他因素的干擾,不可一概而論[24- 30]。

1.2 不同地形的CFD模擬設(shè)定

1.2.1不同坡度坡地的模型建立和模擬工況設(shè)定

坡度和風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系是研究地形風(fēng)場(chǎng)的基礎(chǔ)。為了分析坡度的影響,選擇帶狀地形進(jìn)行研究[27-28]。本次主要研究坡地的風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)速加速比(坡地上同水平高度風(fēng)速增減量和原始風(fēng)速的比值)特征與坡度的關(guān)系。帶狀地形長(zhǎng)遠(yuǎn)大于寬,當(dāng)風(fēng)向和地形垂直時(shí),影響風(fēng)場(chǎng)的主要因素是地形橫剖面的坡度,所以,可用貝爾模型(Bell shaped)描述的簡(jiǎn)化二維地模型來表達(dá)地形,如圖1所示。6組模型的坡度分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1,設(shè)定坡度為0.7時(shí)地形的高度為200 m,其他的坡度的高度隨著地形坡度變化而變化。

圖1 不同坡度地形的風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)Fig.1 The wind field characteristics of different topographical slopesH：山頂?shù)降孛娴母叨?，L1：山頂?shù)缴狡乱话敫叨忍幍乃骄嚯x，H/L1：高寬比，i：坡度

1.2.2單體山丘地形 3D模型建立和模擬工況設(shè)定

單體山丘基本的形態(tài)有圓形,即“O”形,以及山脊向不同的方向延展而形成的“L”形、 “U” 形、“T” 形和“I”形,這些基本形體能夠概括自然界中大多數(shù)單體山丘?！癘”形地形有些學(xué)者已經(jīng)做了一些論述,“I”形山丘向兩端延展,中部風(fēng)場(chǎng)和帶狀坡地基本相似,本文不再兩種地形進(jìn)行模擬。

山丘地形按照不同的延展方向形成“L”、“U”和“T”形。通過3D軟件建立地形模型,山頂垂直切面坡度設(shè)定為0.5,其中“T”形地形的橫向半坡坡度為0.5。所有地形切面符合貝爾模型(Bell shaped),地形高度均為18 m,地形的長(zhǎng)度和寬度如圖2—4。對(duì)“L”、“U”和“T”形地形的3個(gè)模型按照0°、45°、90°、180°、225°五個(gè)風(fēng)向進(jìn)行模擬,“L”地形增加270°的風(fēng)向模擬。

圖2 “L”形山體1.5 m高風(fēng)場(chǎng)流線圖Fig.2 U-shape terrain′s wind streamlines at the height of 1.5m above the ground

1.2.3組合地形3D模型建立和模擬工況設(shè)定

單個(gè)地形經(jīng)變化組合后形成格局不同的地形地貌。其中最為典型并被歷代城市選址采納的最佳格局是“三面環(huán)山”環(huán)抱式地形格局,如圖5。參考諸多傳統(tǒng)城市所選地形格局的山水關(guān)系描述后,確定地形格局模型并進(jìn)行模擬?！叭姝h(huán)山”地形格局屬于一種典型景觀格局,尺度可大至千米,微至數(shù)十米[31-32]。本次選擇中觀尺度進(jìn)行模擬,地形南北長(zhǎng)為1800 m,東西寬為1350 m。為了便于對(duì)比,陡坡和緩坡模型的平面格局完全相同。陡坡北山A高200 m,南面坡度為0.5,北坡為0.7,且滿足地形北坡急,南坡緩的要求；東山B高129 m,坡度為0.5；西山E高120 m,坡度為0.5；南山高80 m,坡度均為0.6,3D模型如圖6所示。緩坡地形北山A高88 m,南面坡度為0.22,北坡為0.3；東山B高度為52 m,坡度為0.22；西山C高為48 m,坡度為0.22。南山F高32 m,小丘E高16 m,坡度均為0.24,3D模型如圖7所示。

圖5 模擬地形的平面格局示意圖Fig.5 Plane pattern of simulated terrain

圖6 陡坡地形模型Fig.6 Terrain model on steep slope

圖7 緩坡地形模型Fig.7 Terrain model on gentle slope

對(duì)兩組模型的北風(fēng)- 360°、西北風(fēng)- 315°、南風(fēng)- 180°、東南風(fēng)- 135°進(jìn)行4次模擬,導(dǎo)出1.5 m行人高度4種風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)分布圖和流線圖,以及北風(fēng)- 360°和南風(fēng)- 180°的立面風(fēng)場(chǎng)分布圖和流線圖,重疊后繪制出風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 不同坡度坡地的風(fēng)場(chǎng)CFD模擬結(jié)果和風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)

Fluent模擬結(jié)果如圖1,按照迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果,以及背風(fēng)坡有無明顯的回流渦旋,將坡地分為陡坡(H/2L1>0.5)、中坡(H/2L1=0.3—0.5)和緩坡(H/2L1≤0.3) 三類。迎風(fēng)坡分山腳、山腰和山頂3段,背風(fēng)坡分山腰到山腳和山腳順向延伸段2段,根據(jù)模擬結(jié)果繪制示意圖,如圖8和圖9,風(fēng)場(chǎng)規(guī)律如下:

陡坡和中坡的迎風(fēng)坡段近地面風(fēng)速在山腳段減小,加速比為負(fù)數(shù),坡度越大、沿坡地上升風(fēng)速減小越明顯；山腰段風(fēng)速逐漸增加,在進(jìn)入山頂端之前趨于相等,此時(shí)加速比仍為負(fù)數(shù)并減小至零,坡度越大加速比為零的位置越靠近坡頂。到山頂部分后近地面風(fēng)速激增,平均風(fēng)加速比達(dá)到最大值。過山頂后背風(fēng)面有一個(gè)風(fēng)速減小區(qū)域,隨后進(jìn)入回流渦旋區(qū),最后進(jìn)入尾流區(qū)。回流渦旋區(qū)近地面風(fēng)速先增大,到山腳后逐漸減少,至山腳后方尾流區(qū)后逐漸趨于正常。背風(fēng)坡形成了明顯的回流渦旋(又稱轉(zhuǎn)子氣流),回流渦旋的中心大致位于山腳的上方,近地面附近出現(xiàn)了逆向風(fēng),高空為順向風(fēng)。回流渦旋主要受到坡地坡度的影響,同樣的坡度,坡高越高,后方的影響也越大,山腳后方的尾流也更強(qiáng)。回流渦旋后方氣流下潛和地面氣流輻合,最后逐漸趨于正常,如圖8。

圖8 陡坡、中坡風(fēng)廓線示意圖Fig.8 Steep and moderate slopes′ wind profile diagramH:山頂?shù)降孛娴母叨?，L1:山頂?shù)缴狡乱话敫叨忍幍乃骄嚯x，H/L1:高寬比 P：山頂

當(dāng)坡度為0.3—0.5時(shí),背風(fēng)坡的回流渦旋并不明顯,風(fēng)速從山腰到山腳處逐漸變小。當(dāng)坡度大于0.5時(shí),背風(fēng)面才會(huì)有小面積的回流區(qū)出現(xiàn)。通過模擬結(jié)果可知,坡度0.5可以作為回流渦旋是否明顯的分界點(diǎn)。

坡度小于0.3的緩坡,風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)與陡坡和中坡有所不同。迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的風(fēng)速基本沿著山頂呈軸線對(duì)稱分布,迎風(fēng)坡的風(fēng)速增長(zhǎng)規(guī)律與陡坡和中坡相似,但由于山體的遮擋效應(yīng),背風(fēng)坡風(fēng)速略小于同等高度的迎風(fēng)坡。由于坡度較緩,風(fēng)速在迎風(fēng)坡呈遞增趨勢(shì)；背風(fēng)段沒有回流渦旋,到山腳處風(fēng)速減小,并趨于正常風(fēng)速,如圖9。

圖9 緩坡風(fēng)廓線示意圖Fig.9 Gentle slope′ s wind profile diagram

2.2 單體山丘地形風(fēng)場(chǎng)CFD模擬結(jié)果和風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)

根據(jù)模擬結(jié)果輸出“L”、“U”和“T”形山丘地形1.5 m高風(fēng)場(chǎng)流線圖,結(jié)果如圖2—4,其中:

(1) “L”、“U”和“T”形山丘地形從山前滯留區(qū)到山頂再到背風(fēng)坡風(fēng)影區(qū)整個(gè)剖面,風(fēng)速增大的方式和帶狀坡地相似。迎風(fēng)坡風(fēng)速先減小后增加,但風(fēng)速減小或增加比同等高度和坡度的帶狀坡地緩慢。山頂部分風(fēng)速激增,但比帶狀坡地山頂風(fēng)速增加程度小。背風(fēng)坡的風(fēng)速從山頂?shù)缴降撞粩嘞陆?且降速的絕對(duì)值要大于從迎風(fēng)坡從山頂?shù)缴降捉邓俚慕^對(duì)值,即同高度的背風(fēng)坡風(fēng)速要小于迎風(fēng)坡。

(2)“L”、“U”和“T”形山丘地形的山脊部分風(fēng)場(chǎng)和“O”形山丘類似,在山丘兩個(gè)側(cè)翼山脊處,由于山脊的阻滯作用風(fēng)速激增,但山脊位置的平均風(fēng)加速比不及山頂；山脊風(fēng)速從山頂?shù)缴侥_逐漸下降,且下降速度比迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡慢。山脊和風(fēng)向所成夾角越小,則山脊風(fēng)速增加越小。

(3)“L”、“U”、“T”形山丘地形的風(fēng)場(chǎng)和垂直于風(fēng)向的地形截面變化率有關(guān)。迎風(fēng)面垂直風(fēng)向截面變化程度越大,對(duì)氣流阻滯越大；背風(fēng)面截面變化程度越大,風(fēng)速、風(fēng)壓風(fēng)速變化越快,風(fēng)影區(qū)和回流渦旋越大,擋風(fēng)效果也越明顯。如圖2和圖4,當(dāng)風(fēng)向夾角為0°和180°時(shí)“L”和“T”形地形后部的風(fēng)影區(qū)比較明顯。

圖3 “U”形山體1.5 m高度風(fēng)場(chǎng)流線圖Fig.3 L-shape terrain′s wind streamlines at the height of 1.5 m above the ground

圖4 “T”形山體1.5 m高風(fēng)場(chǎng)流線圖Fig.4 T-shape terrain′s wind streamlines at the height of 1.5 m above the ground

(4) 山丘地形風(fēng)場(chǎng)和地形流線形態(tài)以及風(fēng)向夾角有關(guān)。如圖3,當(dāng)風(fēng)向夾角為0°和225°時(shí),氣流順著“凹”地形兩翼向外導(dǎo)風(fēng),則內(nèi)部的風(fēng)影區(qū)較大,很容易形成風(fēng)影區(qū)和回流渦旋,形成相對(duì)靜風(fēng)的環(huán)境；而風(fēng)向夾角為45°和180°時(shí),“凹”形地形向迎風(fēng)面和背風(fēng)面向內(nèi)側(cè)導(dǎo)風(fēng),則迎風(fēng)面形成的滯留區(qū)和背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)均較小。

3 組合地形格局的風(fēng)場(chǎng)CFD模擬結(jié)果和風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)

根據(jù)地形CFD模擬導(dǎo)出的平面和立面風(fēng)場(chǎng)模擬圖10—17可以發(fā)現(xiàn),該地形所形成的風(fēng)場(chǎng)和地形格局有著極其密切的關(guān)系:

(1)不同地形格局能夠改變風(fēng)場(chǎng)的分布。如圖10左圖,地形格局對(duì)北風(fēng)- 360°阻擋效果最為明顯,北風(fēng)越過山頂后,北山A后方兩側(cè)形成很小的平面渦旋；氣流流線向東山C、西山B兩邊偏斜,地形內(nèi)部D處出現(xiàn)了大面積風(fēng)速小于2 m/s的靜微風(fēng)區(qū)域；地形對(duì)西北風(fēng)- 275°也具有一定的擋風(fēng)效果,在地形內(nèi)部D處的風(fēng)速有所減小,在北山A的南山麓也形成明顯的風(fēng)影區(qū)和很小的渦旋,但是風(fēng)力削弱程度和區(qū)域均不如正北風(fēng)。因此可以看出,背風(fēng)面內(nèi)凹,北山高陡,兩翼地形適度延長(zhǎng)的格局有利于形成靜微風(fēng)的小環(huán)境。

(2)不同的風(fēng)向下,相同地形格局的風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)不同。如圖10和圖11,陡坡地形能夠有效的遮擋北向和西北向的寒風(fēng),但對(duì)南風(fēng)- 180°和東南風(fēng)- 135°的氣流阻礙較小,有利于夏季通風(fēng),提高夏季的風(fēng)感舒適度。因此,朝向?qū)︼L(fēng)場(chǎng)影響很大。

圖10 陡坡北風(fēng)、西北風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖Fig.10 Wind field distribution on deep slope (N-360°, NW-315°)

圖11 陡坡南風(fēng)、東南風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖Fig.11 Wind field distribution on deep slope (S-180°, SE-145°)

(3)如圖10、11和14、15對(duì)比可知,風(fēng)場(chǎng)受地形坡度的影響；陡坡地形的擋風(fēng)效果顯然優(yōu)于緩坡地形,緩坡的通風(fēng)效果優(yōu)于陡坡地形。從緩坡模擬的圖14—17來看,同樣的地形格局,坡度低于0.3的緩坡地形基本不具備擋風(fēng)功能。

圖12 陡坡立面風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖(北向-360 °)Fig.12 Vertical wind distribution on deep slope (N-360°)

圖13 陡坡立面風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖(南向-180 °)Fig.13 Vertical wind distribution on deep slope (S-180°)

圖14 緩坡北風(fēng)、西北風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖Fig.14 Wind field distribution on gentle slope (N-360°, NW-315°)

圖15 緩坡南風(fēng)、東南風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖Fig.15 Wind field distribution on gentle slope (S-180°, SE-145°)

(4)不同的地形格局中,各組成部分的地形形態(tài)對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響較大。北山A的北坡急、南坡緩,對(duì)于減小南坡回流漩渦和減低地形內(nèi)部D處風(fēng)速有一定的作用。如圖12,北山A北坡為0.7,陡坡對(duì)北風(fēng)的形成了有效的阻擋,行人高度形成了靜微風(fēng)。而南坡坡度為0.5,平面上形成了小的渦旋,在垂直方向上并未形成回旋氣流。地形南部E、F山為陡坡地形,南風(fēng)和東南風(fēng)時(shí),山后的風(fēng)影區(qū)仍然對(duì)地形內(nèi)部D處產(chǎn)生了一定影響,如圖13；若坡度較緩,地形內(nèi)部D處的風(fēng)速和外來風(fēng)速相近,基本不受影響,如圖17。因此地形南部E、F山圓潤(rùn)、低平的形態(tài)能夠減少對(duì)南風(fēng)和東南風(fēng)的阻擋,有利于氣流導(dǎo)入。

圖16 緩坡立面風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖(北風(fēng)-360 °)Fig.16 Vertical wind distribution on gentle slope (N-360 °)

圖17 緩坡立面風(fēng)場(chǎng)分布及流線圖(南風(fēng)-180 °)Fig.17 Vertical wind distribution on gentle slope (S-180°)

4 基于地形風(fēng)場(chǎng)規(guī)律的風(fēng)感規(guī)劃對(duì)策

4.1 地形的風(fēng)感敏感區(qū)的規(guī)劃對(duì)策

風(fēng)感規(guī)劃首先要識(shí)別風(fēng)感敏感區(qū)。不同的地形所形成風(fēng)速激增區(qū)、回流渦旋區(qū)、無固定風(fēng)向強(qiáng)烈湍流區(qū)、氣流不流通的靜風(fēng)區(qū)或氣流死循環(huán)渦旋區(qū)都是風(fēng)感較差的敏感區(qū)域?？傮w而言,風(fēng)感規(guī)劃應(yīng)該避開風(fēng)感敏感區(qū),或者對(duì)風(fēng)感敏感區(qū)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)改造,以提高風(fēng)感的適應(yīng)性。坡度0.5以上的山頂和山脊處,風(fēng)速增大為同等高度風(fēng)速的2—5倍；坡度大于0.7的地形背風(fēng)坡山腳段形成回流渦旋容易使孤立的樹木或者建筑受氣流剪力而折斷,近地面行人高度處容易產(chǎn)生的回流激風(fēng),舒適度較差；順風(fēng)向山谷、山體鞍部的所形成“狹管效應(yīng)”,風(fēng)速均增大為原來的數(shù)倍,影響風(fēng)感舒適度。在風(fēng)感規(guī)劃中應(yīng)避開風(fēng)速激增區(qū),且在回流渦旋區(qū)避免規(guī)劃細(xì)、高的樹木和構(gòu)筑物。

其次,地形背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)風(fēng)速極小,尤其是垂直于風(fēng)向的山谷帶或者寬高比較小的盆地內(nèi)容易出現(xiàn)氣流不流通的靜風(fēng)區(qū)或者氣流死循環(huán)渦旋區(qū),空氣置換能力差,這些靜風(fēng)區(qū)或者風(fēng)速過低區(qū)域也屬于風(fēng)感敏感區(qū)。在風(fēng)感規(guī)劃時(shí)應(yīng)該保持避免設(shè)置能夠產(chǎn)生過長(zhǎng)風(fēng)影的構(gòu)筑物,降低地面粗糙度。除此之外,因地形復(fù)雜變化而形成的無固定風(fēng)向的湍流也影響風(fēng)感舒適度,選址時(shí)也需要予以排除。

4.2 不同氣候區(qū)的風(fēng)感規(guī)劃對(duì)策

除上述地形的風(fēng)感敏感區(qū)域應(yīng)避開外,大部分地形的風(fēng)速比不大,風(fēng)感敏感程度不高,應(yīng)根據(jù)一定的氣候類型選址或者進(jìn)行地形的營(yíng)造。

南方夏熱冬暖的濕熱地區(qū),提高風(fēng)速能夠改善濕熱環(huán)境。坡度小于0.5,緩和圓潤(rùn)、布局分散且順風(fēng)向呈流線狀的地形能夠減少氣流阻力加強(qiáng)通風(fēng)。北方嚴(yán)寒地區(qū)或寒冷地區(qū),適當(dāng)降低風(fēng)速能夠改善風(fēng)感。地形垂直于風(fēng)向方向延展,并和兩翼地形形成三面圍合的“凹”缺地形,地形內(nèi)部風(fēng)速較低。地形背風(fēng)面垂直風(fēng)向截面變化率越大,風(fēng)影區(qū)越大。迎風(fēng)面應(yīng)急,坡度盡可能大于0.7；背風(fēng)面應(yīng)緩,坡度應(yīng)小于0.5,盡可能緩和,且能夠在背風(fēng)面降低風(fēng)速且減小回流渦旋。同時(shí),為避免強(qiáng)風(fēng),應(yīng)選址在迎風(fēng)坡的山腰以下,尤其是陡坡的風(fēng)速在山腰段略微減??；背風(fēng)坡形成的回流渦旋的空氣置換略少,且風(fēng)速增加不大,容易形成溫暖小環(huán)境。除此之外,垂直風(fēng)向的前后地形的寬高比較小的盆地、山谷或者其他組合地形格局的內(nèi)部能形成較小的風(fēng)速。夏熱冬冷地區(qū),冬季應(yīng)利用地形擋風(fēng),相地選址、地形形態(tài)塑造和地形布局參照北方寒冷地區(qū)；夏季應(yīng)保證通風(fēng),則地形處理應(yīng)參照南方夏季炎熱地區(qū)。

本文僅對(duì)風(fēng)感中的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行詳細(xì)論述,而未對(duì)風(fēng)感中的氣流所攜帶的氣味、顆粒物、濕度和聲源等因素進(jìn)行討論,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮。如現(xiàn)代城市霧霾嚴(yán)重,和古代城市相比制約城市風(fēng)感的主要因素并非風(fēng)速和溫度,而是空氣質(zhì)量。城市若要獲得良好的風(fēng)感,應(yīng)提高整體風(fēng)速以促進(jìn)霧霾擴(kuò)散和稀釋。盆地、谷地或者三面環(huán)山的地形產(chǎn)生的靜微風(fēng)場(chǎng),反而在一定程度上影響了通風(fēng),加劇空氣惡化。

5 結(jié)論

地形的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律和風(fēng)感敏感區(qū)分布特征對(duì)于快速識(shí)別地形風(fēng)場(chǎng),并指導(dǎo)城市生態(tài)規(guī)劃和提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有積極的意義,在無法進(jìn)行計(jì)算機(jī)CFD模擬時(shí),對(duì)風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)判斷和預(yù)估對(duì)于風(fēng)感規(guī)劃來說尤其重要。

在城市規(guī)劃選址和內(nèi)部微地形塑造時(shí),要綜合考慮地形的坡度、形態(tài)和格局的影響,從而優(yōu)化城市風(fēng)場(chǎng)和小氣候。地形坡度是影響通風(fēng)的主要因素之一,與絕對(duì)高度無關(guān),坡度在0.5以下緩坡?lián)躏L(fēng)作用較弱,尤其是坡度在0.3以下對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響較小；當(dāng)坡度大于0.5時(shí),隨坡度增大背風(fēng)坡風(fēng)影區(qū)逐漸增大,擋風(fēng)效果更加明顯；坡度大于0.7時(shí),回流渦旋逐漸變得越來越明顯。不同的山丘地形的風(fēng)場(chǎng),從迎風(fēng)坡到背風(fēng)坡風(fēng)速的變化規(guī)律和坡地基本相同,山頂和山脊都會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速激增區(qū)域,但風(fēng)速加速比不如坡地。山丘地形的風(fēng)場(chǎng)變化與垂直于風(fēng)向的地形截面變化和流線形態(tài)有關(guān)。迎風(fēng)面截面變化率越大,對(duì)氣流阻滯越大；背風(fēng)面截面變化越大,風(fēng)速、風(fēng)壓風(fēng)速變化越快,風(fēng)影區(qū)和回流渦旋越大,擋風(fēng)效果越明顯。地形順風(fēng)向流線越流暢,對(duì)風(fēng)的阻滯越小,反之越大；流線方向?qū)饬鞯膶?dǎo)向也會(huì)影響風(fēng)場(chǎng)變化。地形格局除受到地形和坡度影響外,還受到布局影響,垂直于風(fēng)向的前后地形的寬高比和地形圍合程度是影響地形風(fēng)場(chǎng)的主要因素。前后地形垂直于風(fēng)向的寬高比越小,地形的圍合度越大,地形內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)越穩(wěn)定,受到外部氣流影響越小；反之越大。

為提升城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,優(yōu)化城市風(fēng)感,應(yīng)避開地形中風(fēng)感敏感區(qū),即風(fēng)速激增區(qū)、回流渦旋區(qū)、無固定風(fēng)向的強(qiáng)烈湍流區(qū)、氣流不流通的靜風(fēng)區(qū)和氣流死循環(huán)渦旋區(qū)等風(fēng)感敏感區(qū),并利用植被或者人工構(gòu)筑物來消除敏感區(qū)或削弱這一影響。根據(jù)城市氣候類型選擇或塑造不同的地形格局,通過改善風(fēng)感來適應(yīng)不同的溫、濕度環(huán)境；若要加強(qiáng)通風(fēng)則應(yīng)選擇低坡度、平行風(fēng)向的流線型地形和開放型地形格局,若要減小風(fēng)速,應(yīng)選擇或塑造垂直風(fēng)向的陡坡地形和封閉性的地形格局。