城市熱環(huán)境規(guī)劃調(diào)控研究——以郴州東部新城控規(guī)為例

鄭伯紅，吳敏瓊，戴佩瑜

(中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075)

1 研究背景與方法

隨著世界城市化程度的加劇，城市空間和人口高密度集聚，城市中心熱環(huán)境日益惡化，熱島效應(yīng)顯著。城市熱環(huán)境對(duì)城市建設(shè)、城市規(guī)劃、城市生態(tài)有著密切的影響，尤其對(duì)人居環(huán)境質(zhì)量有重要影響。城市夏季高溫問(wèn)題頻發(fā)，切實(shí)提出改善城市氣候環(huán)境的緩解措施迫在眉睫。當(dāng)前，在氣候適應(yīng)型城市理念的指引下，以規(guī)劃設(shè)計(jì)手段適應(yīng)氣候條件來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與健康宜居已成為新的城市發(fā)展思路。一些學(xué)者建議把應(yīng)對(duì)氣候風(fēng)險(xiǎn)、減緩熱島效應(yīng)與城市規(guī)劃結(jié)合起來(lái)。在城市規(guī)劃體系中引入城市熱環(huán)境的應(yīng)對(duì)策略和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)于未來(lái)城市發(fā)展具有重大意義。針對(duì)城市熱島緩解，全球不同地區(qū)制定了一系列發(fā)展綱要與評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。例如，美國(guó)航空航天局(Nation‐al Aeronautics and Space Administration,NASA)和環(huán)保署(Environmental Protection Agency,EPA)共同發(fā)起了《Urban Heat Island Pilot Project》計(jì)劃，利用地面觀測(cè)和遙感技術(shù)開(kāi)展針對(duì)洛杉磯、芝加哥、舊金山等城市的熱島研究和熱環(huán)境治理工作[1]。加拿大多倫多地區(qū)啟動(dòng)了《Cool?City Strategies》計(jì)劃，作為城市熱環(huán)境和熱島效應(yīng)的長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)策略[2]。德國(guó)斯圖加特為緩解城市熱島效應(yīng)、促進(jìn)空氣流通，制定了氣候圖集和城市發(fā)展手冊(cè)，提出了減少非透水性地面、降低建筑密度、提高綠化率與水面比例等優(yōu)化措施[3?4]。香港為改善都市空間的環(huán)境素質(zhì)、舒緩熱島效應(yīng)，從通風(fēng)廊道、街道與綠化布局、建筑形態(tài)設(shè)計(jì)等方面對(duì)城市熱島緩解給出詳細(xì)指引，提出設(shè)置天臺(tái)綠化、園林遮蔭等具體措施[5]。我國(guó)一些前沿的生態(tài)新城規(guī)劃如《蘇州獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)低碳生態(tài)控制性詳細(xì)規(guī)劃》、《曹妃甸國(guó)際生態(tài)城起步區(qū)規(guī)劃》等還對(duì)遮陽(yáng)覆蓋率、屋頂綠地率、硬質(zhì)地面透水面積比、每100 m2綠地喬木量、水體率、綠化用地本地物種指數(shù)等熱環(huán)境影響指標(biāo)提出相應(yīng)要求。目前有關(guān)熱環(huán)境的研究主要從街區(qū)熱環(huán)境評(píng)價(jià)與優(yōu)化、景觀影響因子對(duì)熱環(huán)境的影響、城市設(shè)計(jì)對(duì)熱環(huán)境的影響等角度開(kāi)展。陸莎基于CTTC模型對(duì)廣州市65個(gè)住區(qū)進(jìn)行了模擬，分析了不同景觀設(shè)計(jì)因子對(duì)住區(qū)全天逐時(shí)熱島強(qiáng)度的影響，歸納了居住區(qū)詳細(xì)規(guī)劃的熱島緩減措施及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[6]。孟慶林等[7]對(duì)廈門(mén)科技創(chuàng)新園夏季室外熱環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)狀評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出遮陽(yáng)效果由樹(shù)冠茂密類喬木遮陽(yáng)、非透明類構(gòu)筑物遮陽(yáng)、樹(shù)冠稀疏類喬木遮陽(yáng)、透明類構(gòu)筑物遮陽(yáng)依次減弱，為綠化、遮陽(yáng)、滲透等技術(shù)手段在城市熱環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提出相應(yīng)建議。鄭穎生等[5]以香港新界大埔墟為例，選取城市更新前后的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、天空視域因子及行人層高度的風(fēng)速3種類型參量進(jìn)行量化比較，驗(yàn)證在高密度建設(shè)的前提下，優(yōu)化城市形態(tài)可改善區(qū)域夏季室外熱環(huán)境。鄔尚霖[8]利用DUTE對(duì)廣州天河體育中心地塊進(jìn)行模擬分析，研究建筑密度、容積率、架空率、下墊面材質(zhì)等因素對(duì)熱島的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高密度緊湊發(fā)展模式下的街區(qū)熱環(huán)境是可接受的。高波等[9]選取某住區(qū)建立理想模型進(jìn)行模擬，利用DUTE分析了建筑室外熱環(huán)境的景觀因素的影響機(jī)制，擬合了熱島強(qiáng)度與綠地率、建筑密度、水泥地面率之間的數(shù)值關(guān)系。一直以來(lái)，大中尺度的城市熱環(huán)境評(píng)價(jià)是城市氣候研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，針對(duì)大尺度新城熱環(huán)境模擬優(yōu)化和規(guī)劃調(diào)控的研究較為缺乏。在以往研究中，景觀及環(huán)境建造因子對(duì)熱環(huán)境的影響機(jī)制多基于實(shí)驗(yàn)提出，且局限在對(duì)熱島強(qiáng)度與綠地率、建筑密度、水泥地面率的數(shù)值研究，缺乏對(duì)熱環(huán)境與城市建造的其他指標(biāo)(如容積率、屋頂綠地率、水體覆蓋率、建筑首層架空率等)的數(shù)值關(guān)系研究。城市控制性詳細(xì)規(guī)劃是城市環(huán)境容量及建筑建造等空間形態(tài)的主要控制方案，而城市的空間形態(tài)在一定程度上決定著城市的物理環(huán)境。因此，本文將對(duì)研究區(qū)域在控規(guī)方案指導(dǎo)下的室外熱環(huán)境進(jìn)行微氣候模擬，選擇8個(gè)涉及環(huán)境容量、建筑建造、景觀設(shè)計(jì)的熱環(huán)境影響因子作為本文的研究指標(biāo)(表1)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析探究其與室外熱環(huán)境之間的耦合關(guān)系，據(jù)此探討新城熱環(huán)境規(guī)劃調(diào)控的可操作手段。

表1 本文研究指標(biāo)及釋義一覽表Table 1 List of research indicators and definitions of this paper

2 研究區(qū)域

本研究以湖南省郴州市東部新城為例。郴州市位于湖南省南部，位于建筑氣候Ⅲ區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。從郴州市2008～2017年的氣象數(shù)據(jù)來(lái)看，夏季溫度達(dá)到35℃及以上的年平均天數(shù)為58 d，且月平均氣溫呈上漲趨勢(shì)。城區(qū)氣溫顯著高于郊區(qū)，熱島效應(yīng)顯著，熱環(huán)境情況嚴(yán)峻。該地區(qū)的城市氣候問(wèn)題與熱環(huán)境的人為調(diào)控密切相關(guān)，城市熱環(huán)境亟待優(yōu)化。

郴州市的城市建設(shè)用地以京港澳高速公路為界，分為東、西2個(gè)城區(qū)?！冻恢菔锌傮w規(guī)劃(2009～2030)》(2018年修改)指出，東部新城將成為未來(lái)郴州市重點(diǎn)發(fā)展的地區(qū)和人口高度集中的生活聚居地，其熱環(huán)境狀況應(yīng)受到充分重視。新城規(guī)劃用地總面積約為34.95 km2，主要包括行政辦公、工業(yè)研發(fā)、居住、公共服務(wù)設(shè)施、市政公用設(shè)施用地和綠化用地。本文按照郴州市土地利用規(guī)劃將東部新城劃分為150個(gè)子區(qū)域進(jìn)行研究(圖1)。根據(jù)研究需求，將150個(gè)子區(qū)域按用地類型進(jìn)一步劃分為4個(gè)類別(表2)。

表2 本研究的用地類型劃分Table 2 Division of land types in this work

圖1 郴州市東部新城土地利用規(guī)劃及研究子區(qū)域劃分圖Fig.1 Land use and districts division in the eastern new town of Chenzhou

通過(guò)對(duì)郴州市東部新城控制性詳細(xì)規(guī)劃方案的解析發(fā)現(xiàn)，新城西部以第Ⅰ和Ⅱ類用地為主，建筑密度較為適中，綠地率較高，綠化覆蓋情況較好，室外可滲透地面面積比例較東部高；新城東部以第Ⅲ類用地為主，配有少量住宅和公共服務(wù)設(shè)施，建筑密度較高，綠地率較西部低；新城中部為整個(gè)東部新城的核心區(qū)域，容積率較高；新城的屋頂綠地的普及程度不高，僅有個(gè)別公共建筑設(shè)置；新城內(nèi)有少量居住建筑和公共建筑設(shè)置底層架空。各子區(qū)域研究指標(biāo)的分布情況如圖2所示。

圖2 郴州市東部新城熱環(huán)境影響因子的分布情況Fig.2 Value of thermal environmental impact factors in each district

3 模擬評(píng)價(jià)

3.1 模擬方法

目前，常用的城市熱環(huán)境評(píng)價(jià)方法為遙感觀測(cè)和數(shù)值模擬。其中，數(shù)值模擬的方法操作便捷、可控性強(qiáng)，不受時(shí)間和空間的限制，是目前城市熱環(huán)境評(píng)價(jià)的主要方法[10?11]。數(shù)值模擬主要采用的模型有兩類：基于集總參數(shù)法的CTTC(Cluster Thermal Time Constant)模型和基于分布參數(shù)法的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型[11?12]。CTTC模型是使用建筑群熱時(shí)間常數(shù)網(wǎng)的方法計(jì)算局部空間環(huán)境的空氣溫度隨外界熱量擾動(dòng)變化的情況[12]，其主要代表軟件是華南理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的建筑群室外熱環(huán)境分析軟件DUTE(Design Urban Ther‐mal Environment)?；贑TTC模型的DUTE軟件基于AutoCAD2006平臺(tái)運(yùn)行，其模型構(gòu)建基本滿足城市設(shè)計(jì)需要，計(jì)算簡(jiǎn)便快速、輸出數(shù)據(jù)精度高，適用于城市大、中尺度范圍的模擬[13]。CFD模型是通過(guò)對(duì)室外環(huán)境的熱傳遞與空氣流動(dòng)的渦合計(jì)算來(lái)評(píng)價(jià)空間的微氣候環(huán)境，其主要代表軟件有ENVI?met，PHOENICS,FLUENT等，軟件輸出數(shù)據(jù)精度高，模型計(jì)算時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且精度要求高，適用于微尺度、小范圍的研究[13?14]?？紤]到本文的研究對(duì)象為新城，研究區(qū)域涵蓋150個(gè)街區(qū)，總面積為34.94 km2，范圍較大，因此，本文將選取適用于大尺度微氣候模擬的DUTE工具對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)。

3.2 評(píng)價(jià)依據(jù)

我國(guó)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JG J286—2013)明確指出，當(dāng)進(jìn)行評(píng)價(jià)型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用逐時(shí)濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)與平均熱島強(qiáng)度作為居住區(qū)熱環(huán)境的設(shè)計(jì)指標(biāo)，居住區(qū)夏季逐時(shí)WBGT不應(yīng)大于33℃，居住區(qū)夏季8:00～18:00間的平均熱島強(qiáng)度不應(yīng)大于1.5℃[4]。本研究將采取以上規(guī)定作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，研究范圍內(nèi)的其他類型用地應(yīng)符合以下規(guī)定：夏季典型氣象日逐時(shí)WBGT不應(yīng)大于33℃，8:00～18:00平均熱島強(qiáng)度不應(yīng)大于2.0℃。

3.3 模型構(gòu)建

依據(jù)郴州市東部新城控制性詳細(xì)規(guī)劃方案，在DUTE軟件中對(duì)150個(gè)研究子區(qū)域進(jìn)行建模(圖3)。模型參數(shù)如下：模擬地點(diǎn)為湖南郴州，模擬時(shí)間為2016年7月21日(該地區(qū)近10年來(lái)氣溫最高的一天)，模擬風(fēng)向?yàn)?57.5°(該地區(qū)夏季盛行風(fēng)向)，地表粗糙系數(shù)為0.22。

3.4 熱環(huán)境評(píng)價(jià)與分析

3.4.1 熱環(huán)境總體評(píng)價(jià)

150個(gè)子區(qū)域中，逐時(shí)WBGT不達(dá)標(biāo)的有10個(gè)地塊，其中7個(gè)為第Ⅲ類用地，3個(gè)為第Ⅱ類用地。150個(gè)子區(qū)域中8:00～18:00平均熱島強(qiáng)度大于2.0的有46個(gè)地塊，其用地性質(zhì)大多為第Ⅱ，第Ⅲ類用地；8:00～18:00平均熱島強(qiáng)度在1.5到2.0之間的有47個(gè)地塊，不達(dá)標(biāo)地塊有14個(gè)。綜上，郴州市東部新城150個(gè)子區(qū)域中室外熱環(huán)境不達(dá)標(biāo)的地塊總數(shù)為60個(gè)，占整個(gè)東部新城研究子區(qū)域的40%，研究區(qū)域內(nèi)東部熱環(huán)境整體較差，西部熱環(huán)境相對(duì)較優(yōu)。熱環(huán)境總體分布情況如圖4所示?？偟膩?lái)說(shuō)，郴州市東部新城在現(xiàn)有控規(guī)指標(biāo)的引導(dǎo)下，熱環(huán)境情況較差，亟待優(yōu)化。

圖4 郴州市東部新城夏季典型氣象日室外熱環(huán)境評(píng)價(jià)Fig.4 Overall evaluation results of outdoor thermal environment of the eastern new town of Chenzhou

3.4.2 熱環(huán)境逐時(shí)評(píng)價(jià)

按照本文劃分的4種用地類型，分類別對(duì)新城室外熱環(huán)境進(jìn)行逐時(shí)評(píng)價(jià)(圖5)。在夏季典型氣象日，4類用地的逐時(shí)熱島強(qiáng)度變化趨勢(shì)都表現(xiàn)為日間弱、夜間強(qiáng)，逐時(shí)WBGT變化趨勢(shì)則相反，表現(xiàn)為日間強(qiáng)、夜間弱。第Ⅳ類用地的逐時(shí)WBGT峰值出現(xiàn)在15:00或16:00時(shí)，其余3種類型用地逐時(shí)WBGT峰值均出現(xiàn)在15:00時(shí)。

圖5 郴州市東部新城各類型地塊夏季典型氣象日逐時(shí)熱環(huán)境變化曲線Fig.5 Hourly evaluation of thermal environment of the eastern new town of Chenzhou

4 數(shù)值模擬

在SPSS軟件中對(duì)研究范圍內(nèi)3類地塊的熱環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。令容積率(x1)、建筑密度(x2)、綠地率(x3)、植物遮陽(yáng)覆蓋率(x4)、室外可滲透地面面積比例(x5)、屋頂綠地率(x6)、建筑首層架空率(x7)、水體覆蓋率(x8)為自變量，分別令Δta和WBGTmax為因變量，進(jìn)行回歸分析，探究熱環(huán)境影響因子與室外熱環(huán)境的耦合關(guān)系。經(jīng)過(guò)數(shù)值擬合得到室外熱環(huán)境的預(yù)測(cè)模型如表3和表4所示，該模型可用于規(guī)劃方案設(shè)計(jì)初期對(duì)街區(qū)熱環(huán)境的預(yù)測(cè)。

表3 3種類型用地夏季典型氣象日WBGTmax預(yù)測(cè)模型Table 3 Prediction models of WBGTmaxfor three land types

表4 3種類型用地夏季典型氣象日Δta預(yù)測(cè)模型Table 4 Prediction models ofΔta for three land types

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本章選取3種類型用地的代表性地塊，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)熱環(huán)境影響因子的調(diào)整來(lái)改變模型的布局及參數(shù)，從而對(duì)地塊的熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，在此過(guò)程中探究不同類型用地?zé)岘h(huán)境改善的具體措施。由對(duì)照實(shí)驗(yàn)得到8個(gè)熱環(huán)境影響因子對(duì)3種類型用地?zé)岘h(huán)境的影響效率和具體優(yōu)化措施如表5所示。實(shí)驗(yàn)表明，調(diào)整熱環(huán)境影響因子的值能有效改善室外熱環(huán)境，對(duì)城市微氣候起到積極的調(diào)控作用。限于篇幅，本章僅列出3個(gè)代表性地塊優(yōu)化前后工況對(duì)比情況(表6)。

表5 熱環(huán)境影響因子對(duì)3種類型用地室外熱環(huán)境的影響效率Table 5 Ranking of the influence efficiency of thermal environmental impact factors on outdoor thermal environment of three types of land

表6 3種用地室外熱環(huán)境優(yōu)化前后對(duì)比Table 6 Comparison of the thermal environment condition before and after optimized design of three land types

通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第Ⅰ類用地中增大建筑密度、植物遮陽(yáng)覆蓋率和綠地率對(duì)熱環(huán)境的改善的效果較好。在該類用地中建筑高度一般大于18 m，建筑密度越大，建筑所能提供的地面陰影越多，從而有助于改善室外熱環(huán)境。增大屋頂綠地面積有助于吸收太陽(yáng)輻射，降低建筑表面溫度。增大建筑首層架空率有助于加速地面通風(fēng)，從而有效降低熱島。第Ⅱ類和第Ⅲ用地中，降低建筑密度、增大植物遮陽(yáng)覆蓋率對(duì)熱環(huán)境的改善的效果較好。在這2種類型用地中建筑高度一般較低，無(wú)法為區(qū)域內(nèi)部提供足夠的陰影及遮陽(yáng)。建筑體量一般較為龐大，導(dǎo)致場(chǎng)地內(nèi)通風(fēng)情況不佳、熱環(huán)境較為糟糕，因此降低建筑密度有助于改善園區(qū)內(nèi)的通風(fēng)情況。設(shè)置綠化遮陽(yáng)和增大綠地率都對(duì)室外熱環(huán)境的改善起著積極的作用，但布置綠地對(duì)于改善室外熱環(huán)境的作用十分有限，在實(shí)際規(guī)劃建設(shè)中需考慮配備一定的遮陽(yáng)設(shè)施。

綜上所述，改變建筑密度和增設(shè)遮陽(yáng)的手段對(duì)建筑室外熱環(huán)境的改善最為明顯。經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，郴州東部新城熱環(huán)境不達(dá)標(biāo)的區(qū)域從60個(gè)降低至了14個(gè)，室外熱環(huán)境達(dá)標(biāo)率從60%提升至了90%(圖6)。

圖6 郴州東部新城優(yōu)化設(shè)計(jì)前后室外熱環(huán)境對(duì)比Fig.6 Comparison of the thermal environment condition before and after optimized design

6 結(jié)論

1)對(duì)郴州東部新城150個(gè)街區(qū)在夏季典型氣象日的室外熱環(huán)境進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際提出了可操作的新城熱環(huán)境規(guī)劃調(diào)控手段，為城市控規(guī)層面的熱環(huán)境調(diào)控和控規(guī)指標(biāo)的調(diào)整提供了理論參考。

2)討論了8個(gè)熱環(huán)境影響因子(容積率、建筑密度、綠地率、綠化遮陽(yáng)覆蓋率、建筑首層架空率、屋頂綠地率、室外可滲透地面面積比例、水體覆蓋率)對(duì)新城室外熱環(huán)境的影響規(guī)律，得到了室外熱環(huán)境的預(yù)測(cè)方程，該方程可應(yīng)用于郴州及湘南地區(qū)新城熱環(huán)境的預(yù)測(cè)。對(duì)于正處于規(guī)劃階段的新城，可以利用熱環(huán)境預(yù)測(cè)模型快速判別控規(guī)方案指標(biāo)設(shè)置的合理性，從而對(duì)新城熱環(huán)境進(jìn)行合理的引導(dǎo)和調(diào)控。

3)通過(guò)優(yōu)化對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改變建筑密度和增大植物遮陽(yáng)覆蓋率的手段對(duì)熱環(huán)境的影響最為明顯。在進(jìn)行熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，單獨(dú)使用一種優(yōu)化手段對(duì)熱環(huán)境的改善作用有限，不足以使室外熱環(huán)境達(dá)標(biāo)，在實(shí)際中需考慮綜合使用多種優(yōu)化手段對(duì)室外熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于有條件改造的街區(qū)，可以優(yōu)先考慮增設(shè)遮陽(yáng)、水體、綠化、減少不透水地面、增設(shè)屋頂綠化的手段對(duì)新城室外熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化和改善。

4)經(jīng)驗(yàn)證，本文討論的8個(gè)熱環(huán)境影響因子對(duì)新城室外熱環(huán)境有一定的影響。中國(guó)現(xiàn)有的控制性詳細(xì)規(guī)劃體系中僅包含容積率、建筑密度、綠地率3項(xiàng)指標(biāo)，建議將建筑首層架空率、綠化遮陽(yáng)覆蓋率、室外可滲透地面面積比例、屋頂綠地率、水體覆蓋率5項(xiàng)指標(biāo)也納入控規(guī)之中，構(gòu)建熱環(huán)境控制指標(biāo)體系，完善在控規(guī)層面對(duì)新城熱環(huán)境的引導(dǎo)和調(diào)控。