數值模擬方法在城鄉規劃中的應用

何瑞珍+張敬東

摘要：隨著城鎮化進度的加快，各地的城鄉規模以前所未有的趨勢向外擴張，出現了更多的城市化問題，諸如城市的熱島效應、城市空氣質量問題、交通問題、水資源問題等。為了解決這些問題，在城鄉規劃實踐中，應引入數值模擬的方式。為了使城鄉規劃成果更加科學、合理，本文分析了這些問題在國內外的數值模擬情況，以期找到好的解決方案。

關鍵詞：數值模擬；城鄉規劃；城市氣候；城市空氣質量；城市水文；城市交通

中圖分類號：G646 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）33-0036-02

城市是一個開放的巨大系統，它包括人口、經濟、交通、公共服務、基礎設施和生態系統等子系統。規劃者應考慮讓所有的子系統和諧、健康地發展，考慮讓所有的人生活和工作得更方便、快樂、有尊嚴；應考慮讓所有的人感受到社會的公平和正義。因此，城市規劃發展到現在，已成為一門和哲學、人口學、經濟學、社會學、地理學、管理學、交通工程、土木工程和環境工程密切聯系的交叉學科。

對于城市這個龐大系統來說，任何一方面的忽視或者不到位將產生嚴重的后果。隨著科技的發展，RS和GIS技術的不斷加入，各種模型不斷更新、快速發展的計算機技術，使得海量數據的處理和模擬成為可能；這些技術都為城鄉規劃更加科學提供了數據和技術支撐。數值模擬方法以短周期、低成本、高質量的方式實現對現實形象生動的展現，做到未雨綢繆，心中有數，從而更好地指導未來的規劃。下面分別討論數值模擬方法在城市氣候、城市交通、城市空氣質量和城市擴展幾個方面的發展趨勢及存在的優勢和局限性。

一、城市氣候

城市化的過程是人們聚集、改變下墊面的過程，從而引起區域氣候的變化。對其研究多從中、小兩種尺度進行。中尺度模式氣候研究多采用數值模擬方式從土地覆被方面進行研究。中尺度模式通常采用分辨率為1km或2km的網格來模擬幾到幾十公里的中尺度范圍。在這個尺度上常用的軟件有MM5、RAMS、ARPS等。其中，比較有代表性的模擬軟件是WRF模型。通過數值模擬，綜合評估城市化過程對局地氣象環境，如城市溫度場、氣流場變化和空氣污染物分布等方面的影響。并將模擬結果及時應用到規劃方案調整和決策中。我國學者使用區域邊界層模式模擬城市的植被覆蓋以及城市建設用地增加對城市區域的氣象環境的重要影響[1]。

在小尺度上，風速的大小與周圍環境密不可分，如建筑的高低、街道的走向、W/H比、天空視場角、綠化的規模和布設等。決定地表溫度的除太陽輻射外，還有地面材料、陰影和周圍圍合程度。由于空氣的流動性，空氣的溫度更多地是受到風速的影響。常用的數值模擬軟件有CFD、ENVI-met等。ENVI-met是由德國的Michael Bruse開發的，特別適合城市小區規模的，三維微氣候模擬軟件，其計算過程包括風流量、熱流量和輻射量等城市冠層大氣過程中所涉及的環境參量交換過程的完整耦合，它以0.5—10m的空間解析度和10s的時間解析度來模擬城市環境中的實體表面—植物—空氣的相互作用，其在城市微氣候環境的整體數值計算上（包括各種微氣候環境參量的整合計算和日循環的非穩態計算）有明顯的優勢。

二、城市空氣質量

由于空氣的流動性，影響空氣質量的因素有多種。張仁健[2]課題組對北京地區PM2.5化學組成及污染源研究的結果表明，土壤塵、燃煤、生物質燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業污染和二次無機氣溶膠是PM2.5的主要來源。針對中科院有關北京霧霾六大貢獻源的結論，環境保護部認為，做霧霾的源解析，需要一年以上時間的監測，獲取大量的監測信息，要做大量的源分析，還要有一定的研究模型。這種情況下，選哪些監測點也非常重要。更多的學者認為，機動車是大城市的主要污染源。劉瀏[3]以79個地級以上城市2008年統計數據為依據，對年日均SO2、NO2、PM10濃度進行了分析，結果表明，目前我國城市工業污染逐步緩解，交通污染日益嚴重。

氣象場對城市空氣質量的影響需在長期觀測氣象因子與空氣質量因子的基礎上，采用一定的統計模型，才能將兩者結合起來。常用的軟件有MM5/WRF、Metphomod、ADMS等，模擬涉及的污染物有SO2、NO2、O3等，模擬所需的數據通常包括地形、污染源類型、天空覆蓋度、溫度、濕度、大氣壓、風速、風向和降雨量等，上述幾個模型側重于污染物在多種氣象條件下的擴散，對街道和場地的描述僅限于幾何形狀，并沒有考慮材料的性質。這對于建設項目環境影響評價、交通道路環境影響評價、區域規劃政策環境影響評價、大氣環境容量計算等項目是足夠的，但還需要細化場地條件，以使模擬結果更加科學。

三、城市水文

城市化改變了城市地坪，破壞了原有的水文過程。硬化地面的增加，攔截了地下水的滲漏，增加了地表的徑流，造成水土流失。常用的軟件有SWMM。SWMM模型包括：氣象數據、水文數據、水力數據和水質數據。用以模擬徑流和融雪過程的氣象數據有溫度、蒸發、風速和融雪以及區域損耗；水文數據除了雨量計和子流域，還包括含水層、融雪、單位流量過程線和對滯留、下滲和蒸發的調控；水力學數據涉及橫斷面、入流和控制器；水質數據涉及污染物、土地利用和污水處理；污染物包括以下污染物名稱、污染物濃度、降水中的污染物濃度、地下水中的污染物濃度、滲透污染物濃度和最初衰減系數；土地利用類型數據包括住宅區、商業區、工業區和未開發區域等，用于計算流域內部污染物的積累和沖刷速率。土地表面屬性包括屋頂、草坪、人行道和未受干擾土壤等。

四、城市交通

城市交通與土地利用的互動作用關系是城市空間發展的基本動力，研究模擬空間活動的位置、土地利用、不動產市場和交通系統的關系，并且從經濟、財政和環境的角度評價交通對不同城市和地區的工程和政策的可能效果，是城鄉規劃設計的重要內容之一。城市交通數值模擬方面比較好的軟件有TRANUS。

王樹盛利用TRANUS軟件平臺結合昆山實際創建了交通與土地利用一體化分析模型[4]，通過對2008年的模型模擬輸出結果與觀測數據的比較對模型的參數進行了校核，驗證了模型的可靠性，并以對軌道交通與城市空間布局的關系的分析為例說明了模型的應用，為昆山城市總體規劃方案的制定和優化提供了定量支撐。

五、結論

城鄉規劃不僅影響土壤的性質，也影響了大氣、水和植物的循環；規劃的結果更對社會、經濟和文化產生深遠的影響。綜合上述研究內容，就城鄉規劃學科涉及的數值模型進行研究的話，在以下幾個方面還需要進一步的加強：

1.多源數據共享與融合。城鄉規劃既關系到個人的利益，也關系到社會各方面的利益，城鄉規劃應融合、集各學科研究所長，為城鄉規劃所用。氣象、環保、國土、交通和水利等部門的基礎數據和研究成果也應及時和城鄉規劃學科共享，轉變成規劃的語言才能更好地指導規劃。

2.各種模型的本地化和驗證。規劃只有貼近實際才能落到實地，各學科由于研究的范圍不同，涉及的尺度也各不相同，城鄉規劃需要將各部門的研究成果在不同的尺度上本地化，同時也應注意結合實地的觀測，驗證各模型的結果，只有符合實際，才能運用以指導規劃的實施。

3.實際教學中的應用。隨著計算機技術、3S技術、大數據處理技術、自動觀測技術和現代教育技術的發展，城鄉規劃學科應拓展視野、集百家所長為自己所用，更全面合理、更科學、更智慧地進行城鄉規劃，才能更好地建立和諧社會，才能有利于社會的可持續發展。

參考文獻：

[1]王詠薇，蔣維楣，郭文利，王曉云.城市布局規模與大氣環境影響的數值研究[J].地球物理學報，2008，51（1）：88-100.

[2]張仁健.http：//www.csp.org.cn/progress/2013/1008_753.html.

[3]劉瀏，我國城市空氣質量與影響因子分析以79個地級以上城市2008年統計數據為依據[J].蘇州科技學院學報（工程技術版）2011，24（1）：10-14.

[4]王樹盛，交通與土地利用一體化分析技術及其應用——以昆山城市總體規劃為例[J].城市規劃，2010，（34）：130-135.

Application of the Method of the Numerical Simulation in the Urban and Rural Planning

HE Rui-zhen1，ZHANG Jing-dong2

（1.Forestry College of Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan 450002，China；

2.Zhengzhou Schooi for Surveying and Mapping，Zhengzhou，Henan 450000，China）

Abstract：With the speeding up of urbanization progress，the magtitude of urban and rural areas expanded outward in an unprecedented trend. The problems of the urbanization appeared more，such as urban heat island effect，the urban air quality worse，traffic jam，water resources shortage and poor water quality，etc. In order to solve these problems，the methods of the numerical simulation should be admitted.In order to make the development of the discipline of urban and rural planning more scientific and reasonable，In order to find a good solution，this paper analyzes the numerical simulation of the situation at home and abroad about these problems.

Key words：numerical simulation；urban and rural planning；urban climate；urban air equality；urban hydrology；urban traffic