基于城市尺度的風環境分析和污染情況探究

李明遠,鄒慧芬

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

國外諸多學者已對建筑單體及建筑群、街區的風環境做了大量相關研究，而在這方面的研究中，我們國家起步較晚，研究進展較為緩慢。且國內學者對于可用于指導新城區規劃的城市尺度的通風策略研究的內容較少，微尺度的模型在大范圍的研究中省去了大范圍區域環境的相互作用關系，對于城市中會對通風廊道造成影響的因素考慮的還不夠全面，且缺乏對構建通風廊道后需要的對通風效果進行定量分析和驗證。

1 城市風環境分析方法研究

目前，研究城市風環境的方法主要有三種：實地測試法、風洞試驗法、計算機數值模擬法(應用最廣泛的方法)。實地測試法是風環境研究中最為有效和直接的方法，可以準確詳細地測量研究區域內的風的速度和方向、環境溫度以及污染物分布情況，從而可以獲得第一手數據資料，但是由于實地測試需要耗費大量的人力、物力和財力，所以可達到的研究尺度最小，并且這種方法主要應用于已經建成的建筑群，無法在建筑物建造前進行，從而沒有方法為未來設計提供參考。風洞實驗是目前風環境研究領域中最主要、使用最頻繁的手段。它是通過制作實際建筑物的縮尺度模型在大氣邊界層風洞中進行的，通過必要的手段產生類似于實際建筑周圍的風場，然后通過布置在模型表面及其周圍的試驗儀器測量風速，風壓以及結構的響應等相關數據。風洞實驗的缺點是模型制作費時費力，試驗周期比較長，難以同時研究不同的建筑設計方案，而縮尺度模型將會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域環境的相互關系，會造成其結果并不準確。計算機數值模擬法方面，目前對于較大尺度的CFD風環境模擬來說面臨著幾大核心問題：1如何構建精確的模型。2如何將模型與CFD準確對接。3如何得到在運行計算時使用的精確邊界條件數據。4是否考慮周邊城市空間對于研究區域的影響和范圍。

2 基于GIS城市尺度的通風廊道識別方法

基于衛星遙感資料、基礎地理信息、城市規劃信息、氣象資料，將地理信息系統(GIS)和遙感技術相結合，運用簡化假設方法和取數值近似的方法，提取出城市地表參數與空間形態參數等，提供替代真實模擬的解決方案。其中城市地表參數和空間形態參數的提取數據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計算迎風面積比，得到最小費用路徑。我們已經知道水流或者電流在通過一定區域時會選擇區域內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，即氣流也是會優先選擇區域內阻力最小的路線流過。而風模擬近地表條件，城市邊界層受城市污染物性質及其濃度還有建筑物熱力和動力影響，與人類活動的聯系最為密切，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。可以從建筑結構簡化成數學的粗糙度參數估計。

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

3 通風廊道與城市污染

城市風環境影響和決定著污染物在大氣中的運動和擴散，對于空氣中避免高濃度污染物具有重要的作用。據相關研究表明，當污染源排放污染物速率一定的情況下，影響空氣質量的關鍵因素是風速。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，在靜風環境即風速≤1m/s 時，上述三種污染物的平均濃度將會達到峰值，并與風速呈負相關現象，即隨風速的增大，污染物的濃度將會減小；但當風速達到 7m/s 左右時，TSP 濃度不減小反而會增大，此時風速與 TSP 濃度開始變為正相關，即 TSP濃度隨風速增大而增大。原因是大風導致揚沙，其增加了大氣中顆粒物的含量，并導致 TSP 濃度的增加。此時城市的風環境是十分不利于人類活動，所以在考慮引風的同時也需要考慮氣流速度對于人類活動環境的影響。

一方面，通過對城市通風廊道的識別，根據已知的污染源分布，需要考慮的城市已知的污染源，包括工業污染、農業污染等，對于城市環境來說更需要考慮加入主干道汽車廢氣等影響因素，更為準確的評估可以對未來城區的規劃進行指導。

另一方面，對城市熱環境可采用遙感估算的地表熱島強度、熱島比例指數以及生態冷源等級進行評估，可加入生態冷源(生態冷源被定義為能產生新鮮冷空氣的區域，它不但可以有效減緩城市熱島效應，同時也是冷空氣來源和改善空氣流通與人居環境的重要場所，是通風廊道規劃的重要前提條件之一)和人為散熱帶來的空氣升溫對于城市熱環境的影響。通過對已有通風廊道的分析可加入構建多級通風廊道，從而提高城市的通風能力，進而降低溫度，促進污染物的排放。