基于多源物理環境數據分析的生態城市設計探索

朱 驍

章 飆

當下中國城市正進入城鎮化快速發展的中后期，人口擴張和高強度開發造成了城市空間形態的劇烈變化，城市快速建設帶來的熱島效應、霧霾、噪聲污染、生態環境破壞等城市物理環境的惡化，直接導致中國城市人居環境品質的降低。近年來，社會輿論廣泛關注的城市熱島高溫預警頻發、城市大氣污染物PM2.5沉積等問題都表明，中國城市物理環境的基礎研究和優化技術遠落后于城市化建設的進程，而缺乏城市空間形態與城市物理環境提升的耦合機理的綜合研究則是造成這些問題的核心原因。隨著“公園城市”等國家相關政策的提出，以人為本和自然共生的理念對城市空間提出了新的要求。

城市物理環境是指城市建設過程中城市空間所產生的熱環境、風環境和聲環境等要素[1]。在城市設計邁向生態化、數字化的時代背景下，綠色建筑、智慧城市、性能預測及計算機優化算法等[2]前沿技術開始與傳統的生態導向城市設計理念相結合，城市物理環境和微氣候等研究方向逐漸成為當下的時代熱潮。國際上對城市物理環境與城市空間關系的耦合研究可以追溯到19世紀初Luke Howard的《倫敦氣候》[3]，通過對倫敦10年(1807—1816年)的氣溫整理，觀測到熱島現象等城市所特有的物理環境問題，從此開始了系統化的城市物理環境研究。回顧城市物理環境的相關研究可以發現，目前對熱、風、聲等單一要素的實測模擬與特征規律研究較多，且比較深入。

圖1 鄭州古滎大運河區位圖

圖2 鄭州古滎大運河實景圖

在熱環境要素的研究中，Hamoodi結合實地測量和遙感數據研究城市環境中各種城市土地利用/土地覆蓋(LULC)表面的熱物理行為關系[4]；José Sobrino比較了Landsat 5衛星上Thematic Mapper(TM)傳感器6頻段提供的熱紅外數據檢索地表溫度(LST)的3種方法[5]；Myint結合不同尺度的不透水和植被分數構建多元回歸模型，以預測美國亞利桑那州整個鳳凰城大都市區的最高氣溫[6]。 在風環境要素研究中，Ramponi使用標準k-?模型優化了室外通風的計算流體動力學(CFD)模擬[7]；Cooney重點研究了風對行人的影響，以及城市幾何結構如何影響建筑物周圍的流場[8]。在聲環境要素研究中，Refat結合開羅市聲環境的聲景偏好進行了問卷調查，通過聲音類別的總體積極rai值顯示了開羅居民對噪聲的敏感度[9]；謝菲爾德的康健則引入聲音要素來完善景觀設計概念，并對聲景觀的概念及其特征進行了歸納，以及分析了植被和交通噪聲參數對城市公園聲環境的影響[10-11]。

近年來，國內開始關注通過物理環境測度來一定程度上優化城市形態，但研究領域主要面對單一的物理環境要素進行分析與優化。張麗英結合人工智能技術通過街景圖像分析對城市物理環境品質進行測度[12]；王晶懋從修復營建城市生物多樣性的角度，提出了基于場地生境營造的城市風景園林小氣候改善途徑[13]；曾忠忠展開了3種空間尺度的城市風環境研究，探索城市風環境與城市形態的關系[14]；楊俊宴則從城市空間形態與城市物理環境的關系及內在機理研究入手，從不同空間層面探索總結了城市規劃與設計中城市熱-風-聲等物理環境要素的數字化分析技術與方法，并以城市中心區這一復雜城市區域為主要研究對象[15-17]。

總結國內外城市物理環境研究可以發現，在世界范圍內城市氣候環境惡化的問題與挑戰廣泛存在的大背景下，中國部分城市存在物理環境惡化明顯且呈逐漸加劇的態勢。目前的相關研究仍存在一些不足之處，城市物理環境實測與模擬研究數量雖多，但質量卻參差不齊。此外實測研究側重于確定城市熱島效應、風環境等物理環境的測度歷史變化和分布規律上，并沒有與城市規劃設計及空間形態發生密切的關系。因此，本文以鄭州市古滎大運河文化區為例，對風環境、熱環境和聲環境等多源物理環境大數據進行綜合分析研判，針對性地提出城市設計引導策略，以期改善與提升運河沿線乃至鄭州市城區整體環境品質，為生態城市設計提供技術方法的參考借鑒。

1 研究區域的基本特征

本文的研究區域位于鄭州市古滎大運河文化區，以江山路為界，分為東、西2個區域。其中江山路以西為滎澤古城，由西四環、北四環、垂柳路和江山路圍合，面積約為1 055hm2；江山路以東為古滎大運河，以大運河通濟渠鄭州段B類建設控制地帶范圍為界，面積約為2 243hm2(圖1)。大運河通濟渠鄭州段是古代汴河的上游河段，是中國古代巧妙利用自然河流和人工引水共同作為運河水源的人類創造性精神的杰作[18]。引黃入汴的“汴口”工程，為解決大運河在北方缺水環境下的水源問題提供了范例。

在氣候條件上，鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，城市的冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明。鄭州市冬季漫長而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多變大風多；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時間短促。因此大運河不同季節的水位變化較為明顯，干涸與積水隨季節交替。運河沿線的城市空間建設不僅與沿河生態系統息息相關，不同季節的生態環境變化也對城市建設提出了要求(圖2)。

研究區域特色的人文景觀環境及較為敏感的生態格局(圖3)，都對片區的城市建設提出了要求。通過對物理環境的綜合分析，對大運河沿線的空間格局和形態進行優化。

2 物理環境優化方法與思路

城市物理環境包括城市風環境、熱環境和聲環境3個方面。風環境對城市污染物的排放有著重要影響；熱環境和聲環境對提高居民舒適度具有重要意義[19]。本文通過對物理環境實測、模擬與優化，得到優化的城市空間形態并進一步引導城市設計。采取模擬與實測相結合的研究方法，集成數字化物理環境分析技術簇群[20-21]，運用遙感影像分析技術、動力流體計算軟件分析技術和SoundPlan等聲環境軟件分析技術對大運河沿線的熱環境、風環境和聲環境進行全域模擬，從而分析濱水區物理環境當前的主要問題，并進一步提出基地物理環境優化的空間引導策略。通過城市設計對城市建成環境進行空間合理優化，從而改善城市環境品質。

圖3 研究范圍及水綠骨架關系圖

2.1 城市熱環境模擬與分析

分析基于LANDSAT系列衛星[22]，以GIS為數據處理平臺，首先獲取了1984、1991、2003和2015年的鄭州市衛星遙感數據。Landsat是由NASA發射的一系列衛星，目前已發射8顆。Landsat系列數據可以通過在美國地質勘探局(United States Geological Survey，USGS)的網站上注冊后免費下載使用。研究采用單窗算法進行了地表溫度反演，對鄭州大運河兩側的城市熱環境進行全域模擬。通過反演溫度結果分析規劃區域的熱島效應，為城市設計提供有力的技術支持。具體包括圖像輻射定標、地表比輻射率計算、黑體輻射亮度與地表溫度計算3個主要計算步驟。

2.2 城市風環境模擬與分析

運用Phoenics流體計算軟件模擬古滎大運河全域的風環境狀況，給出各季節的風速圖，劃分強風、弱風和靜風區，并結合大運河兩岸風貌進行通風廊道的設計。運用CAD三維建模完整模擬大運河兩岸風貌并導入phoenics的FLAIR模塊，建立三維模型。在phoenics中進行前處理設置，并依據真實模型劃分計算網格，跳轉至計算界面，實時監控迭代步數與殘差。計算完成進入后處理界面，調整設置。

2.3 城市聲環境模擬與分析

運用SoundPlan進行城市聲環境模擬分析，城市中聲環境影響最大的是交通噪聲，對城市中噪聲敏感區進行聲學仿真，并提出在城市設計上的減緩優化策略。城市噪聲主要有交通噪聲、工業噪聲、建筑施工噪聲和社會生活噪聲。城市噪聲干擾居民的工作、學習、休息和睡眠，對于吵鬧干擾的容許值要求日間等效聲壓級為40～60分貝，夜間為30～50分貝。

對全城的精細化建模缺乏相關支撐，進行物理環境模擬難度較大。因此本研究采用“城區-分區”的分類物理環境模擬思路。城區層面包括整個研究范圍，空間尺度較大，需要較大幅度簡化作用模型。而分區在總體大尺度模擬的基礎之上，選取局部重點區域，采取精細化建模的方式[23]。

3 物理環境數字化平臺構建

3.1 基地熱環境數字化綜合分析

2008年，惠濟區溫度為26～28℃，鄭州中心城區溫度為28～30℃，熱島強度為2～4℃；1995年，惠濟區溫度為27～30℃，鄭州中心城區溫度為30～35℃，熱島強度為4～8℃；1987年，惠濟區溫度為22～26℃，鄭州中心城區溫度為26～29℃，熱島強度為4～7℃。30年中，隨著郊區逐步被開發，城區與郊區的溫度差逐步減小。

從鄭州市氣候與30年溫度變化趨勢分析，惠濟區應適當開發，緩解冬季寒冷的氣候現狀。同時，該區域應保留部分城市綠地，形成有機的城市風道與城市冷島(圖4)。古滎大運河文化區的規劃范圍以江山路為界，分為東、西2個區域。其中，江山路以西為滎澤古城，由西四環、北四環、垂柳路和江山路圍合，建議在現有基礎上進一步加以保護和建設；江山路以東為古滎大運河，以大運河通濟渠鄭州段B類建設控制地帶范圍為界，該區域建議以惠濟村所在位置為中心進行開發建設。

3.2 基地風環境數字化綜合分析

鄭州市的夏季主導風向為南向，平均風速為2.2m/s。根據風環境模擬結果來看，古滎運河地處惠濟區，周邊地帶有待進一步開發。為了減弱熱島、促進污染物擴散，結合風環境模擬的結果，建議劃分3條通風廊道(圖5)。第一條位于古滎運河上游沿江山路方向，自南向北；第二條位于運河中段風速較大處，從風速云圖中可看出，此處風速約為2.5m/s，在此處規劃通風廊道有助于最大限度地減弱城市熱島并促進污染物擴散；第三條考慮沿古滎運河方向構建通風廊道，有助于冬季污染物的快速擴散。

3.3 基地聲環境數字化綜合分析

鄭州市的主要噪聲源于交通干道及交通樞紐等。通過SoundPlan軟件對古滎大運河內的聲環境進行模擬，生成該范圍內整體的噪聲分布情況。古滎兩岸按照主要橋梁劃分，存在4段噪聲重度污染區、3段噪聲中度污染區和5段寧靜區。遴選出運河兩側的聲景觀類型，具體包括水體聲景觀、動物聲景觀、公園聲景觀、設施聲景觀、農田聲景觀與人文聲景觀六大聲景觀類型(圖6)。通過合理布置聲源與居住區之間的位置，利用天然土坡、人造圍墻和茂密樹林等遮擋噪聲傳播，改善居住區聲環境。

4 基于物理環境優化的濱水區空間形態格局

4.1 生態格局設計：基于物理環境的格局引導

結合物理環境全息地圖(圖7)，打造沿岸四段四灣八脈：北側旅游開發與黃河景區對接，南側開發與主城相聯系，成為打通鄭州黃河的紐帶。規劃文化復合廊道：3條活力線形成片區輸配環，強化運河兩側歷史路徑體驗，文化項目運河兩側集聚。塑造文化活力灣區：依托運河兩岸的戰略點開發，充分挖掘水系灣頭空間特色，打造地區特色文化名片(圖8)。

圖4 基地熱環境數字化綜合分析

圖5 基地風環境數字化綜合分析

圖6 基地聲環境數字化綜合分析

4.2 空間形態優化：城市總體空間的形態建構

在物理環境綜合分析及優化策略引導下，濱水區格局分段如下。通形勝：依托3條風廊與8條徑流打通形勝格局；聯區域：依托3條活力線將片區與鄭州環城活力環相連；合古今：依托文化聚落圈形成兩岸的主題分段，將古今意向合而為一；聚城河：依托20個沿河發展戰略點打造特色灣頭空間。最終形成“四段四灣八脈”的方案總結構，即古城人文段、繁華都市段、創智活力段和農田生態段的特色主題段落，古城脈、望山脈、游園脈和通城脈等特色徑流旱溪，以及人文合灣、都市嵌灣、活力夾灣和生態匯灣的特色灣頭空間。文化復合廊道與文化活力灣區相互交織，在黃河沿岸繪制出一幅磅礴大氣的大遺產人文畫卷(圖9)。

整體濱水區空間格局及營造分銜接、調整和優化3個步驟將物理環境分析結果與生態專項規劃等相銜接，并提出濱水區進一步的空間規劃與設計要求。依據大運河沿線各類相關規劃，銜接規劃中對運河兩岸重要節點的引導要求。具體空間引導措施包括以下內容：銜接相關規劃中對鐵路綠廊的控制，擴大綠化范圍，塑造城市風廊；銜接相關規劃中對汴河遺址的保護，塑造垂河帶型旱地景觀；銜接相關規劃中對古城保護范圍的控制，設計田園景觀；銜接相關規劃中對鐵路綠廊的控制，擴大綠化范圍，塑造城市風廊等。通過與不同類型的空間規劃進行平臺搭建和銜接，將濱水區物理環境的優化策略予以落實深化。

4.3 環境模擬提升：方案規劃后要素引導策略

結合具體地塊劃分，將熱環境、風環境和聲環境的控制要求與空間開發建設條件相耦合，得出地塊層面的物理環境控制策略。通過對城市設計的空間形態及城市景觀環境的設計與控制，將原本硬質化的城市表面賦予其“自然化、人性化”的空間特征，從而提升片區的環境氣候品質，打造宜居街區，實現城市的可持續發展[24](圖10)。

4.3.1 方案規劃后熱環境要素引導策略

方案規劃后，連通濱河綠網體系。濱水區構建橫跨運河的生態綠廊，營造區段熱交換的冷空氣源，為通風廊道提供空間依托；連通運河與開敞空間，形成魚骨狀綠網體系，擴大綠化降溫效應(圖11)。

控制滎陽古城一級熱島控制區，熱島強度控制在3.5℃以下，為熱環境可接受區域。惠濟橋二級熱島控制區，熱島強度控制于2.5℃以下，熱環境相對舒適。花園口三級熱島控制區，熱島強度控制于1.5℃以下，熱環境相對舒適。交匯口冷島控制保護區，冷島區域能夠緩解城市的熱島效應，城市冷島強度控制在-1℃以下，部分冷島區域可以適度開發利用。此外，在城市建設上，建筑布局結合城市風道，在城市風道上設計綠地，可采取屋頂綠化、垂直綠化、下滲地面和地下停車等方式增大街區綠化率。

圖8 濱水區格局分段圖

圖9 濱水區設計方案總體平面

圖10 濱水區設計方案全景鳥瞰圖

圖11 地塊層面-熱環境控制策略落實

4.3.2 方案規劃后風環境要素引導策略

方案規劃后，構建運河通風廊道，梳理一級通風廊道空間，以及“基于切割城市熱場、促進空氣內部流通”的二、三級通風廊道的空間構建(圖12)。在沿岸劃分五大核心控制區，包括通風控制區A，面積80km2，風速控制在1.3～5.0m/s，風舒適性良好；通風控制區B，面積98km2，風速控制在1.0～1.3m/s，較弱風區風舒適性適中，控制著力促進污染物的人工疏散；通風控制區C，面積86km2，風速控制在0.3～1.0m/s，宜作開放低密度建設[25]。

4.3.3 方案規劃后聲環境要素引導策略

方案規劃后，劃分聲環境功能區，包括人文聲景觀片區，強化聲景觀；城市聲景觀片區，設置隔聲小品；農田聲景觀片區，設置聲屏障。按照《聲環境質量標準》(GB 3096—2008)沿大運河劃分聲環境功能區，聲環境功能區類別界定包括：0類康復療養區等特別需要安靜的區域；1類醫療衛生、居民住宅等需要保持安靜的區域；3類以儲物流、工業生產為主，需要防止周圍環境嚴重受工業噪聲影響的區域。并結合歷史文化、綠化慢行空間塑造濱河寧靜區(圖13)。

5 結語

本文以鄭州古滎大運河沿線為例，通過城市物理環境數字化模擬，提出了物理環境數字化平臺構建，實現濱水區物理環境控制體系的空間落實，通過生態城市設計的方法實現城市生態環境的改善，對規劃建設引導具有一定的借鑒意義。由于不同尺度下的城市物理環境模擬條件與需求不同，在熱環境、風環境和聲環境的模擬上采取了應對不同空間尺度的簡化模型處理方式，試圖探尋出一種較為簡潔準確的物理環境模擬方法。同時，對于物理環境模擬后的系列分析結構，通過城市設計與空間形態優化，將物理環境的優化策略基于物理環境的格局展開生態格局總體設計，并進一步完善城市總體空間的形態建構，并通過規劃前后方案的對比，得出環境模擬提升與要素引導策略。最后，本文在物理環境模擬上還缺乏相關技術準確性，需要在日后的研究中優化物理環境模擬的綜合模型，實現更加準確的城市物理環境模擬，從而為生態城市設計和大尺度城市空間形態優化提供參考。

圖12 地塊層面——風環境控制策略落實

圖13 地塊層面——聲環境控制策略落實

注：文中圖片均由作者繪制。