城市通风道规划设计方法研究*——以贵阳市为例

周雪帆 陈 宏 管毓刚 ZHOU Xuefan, CHEN Hong, GUAN Yugang

城市通风道规划设计方法研究*
——以贵阳市为例

周雪帆 陈 宏 管毓刚 ZHOU Xuefan, CHEN Hong, GUAN Yugang

摘 要为了提高环境的舒适性，节约能源资源、减轻环境污染，特别是为了避免城市雾霾天气，贵阳市政府自2013年10月起组织开展了贵阳市通风道专项规划。该规划研究项目，从贵阳市自然环境、气象条件等方面出发，利用中尺度气象模拟模型WRF（Weather & Research Forecasting Model）对贵阳市城区范围内风环境进行模拟，并对贵阳市城市气候现状进行了分析。在此基础上，根据贵阳市原有绿地、水系、路网等自然资源和条件，以“保外围、疏通道、控建设”为原则，在贵阳市全市范围内，规划设计了一级通风道6条、二级通风道16条，以及三级通风道30条，为贵阳市“通风、换气”。模拟结果显示，规划通风道后，贵阳市冬季平均风速提高了近8%，夏季平均风速提高了近6%，贵阳市老城区冬季平均风速提高了近12%，夏季平均风速提高了近9%，此城市通风道规划方案非常有效地改善了贵阳市的城市通风条件。

关键词城市通风道；中尺度气象模拟；城市规划

周雪帆, 陈宏, 管毓刚. 城市通风道规划设计方法研究——以贵阳市为例[J]. 西部人居环境学刊, 2015, 30(06): 13-18.

1 城市通风道相关研究

近年，我国各大、中城市频繁爆发城市高温及空气污染问题，严重影响城市居民的生活、工作、学习环境，降低人体舒适性，甚至直接威胁到居民身体健康。合理建设城市通风廊道可将郊区新鲜凉爽洁净的空气引入城区，使城郊大气得以良性循环运转，能有效缓解城市浊岛效应与空气污染。合理利用城市周边的“冷岛”并规划通风走廊形成城市“穿堂风”，可大大降低城市中心气温，提高城市环境质量，以达到节约能源的目的[1-2]。

截止目前，我国相继已有武汉[3]、香港[4]、长沙[5]、重庆[6]、深圳[7]等城市开展通风道规划。其中，武汉市通过限制特定区域开发强度划定不同等级的城市通风道，建立以路网为骨架的系统性城市通风网络。除了武汉市以外，重庆也利用城市道路在南部新城内规划出三级通风道帮助城市通风。香港利用GIS数据计算出城市内各朝向迎风面积比并据此发现城市潜在通风道，在此基础上规划出相应的城市通风道。然而，我国城市规划界在城市通风道规划研究方面起步较晚[8]。国际上，德国在城市通风道规划研究与实践领域一直处于世界领先水平，早在20世纪80年代左右就有相关研究理论被提出[9]。Kress将城市通风系统划分成作用空间、补偿空间、空气引导通道三个组成部分，并根据作用功能的不同对各组成部分采取不同的规划措施。日本东京市[10]、巴西的圣保罗地区[11]善用其临海的地理位置，垂直于海岸线规划风道，通过引入海风的方式改善城市通风。

在技术的应用上，国外规划师、研究者也处在较为领先的位置。Gal and Unger[11]利用3D建筑物数据库作为数据依据在匈牙利赛格德市内规划出可行性较高的城市通风道。Mfula等[12]通过风洞实验对1:100的街道模型进行风环境模拟，找到需要通风改善的区域建立城市通风道。Ashie等[13]利用CFD技术模拟了东京市内5km见方区域内的流场分布情况，以此确定需要通风改善区域。然而以上各技术手段在城市通风道的研究上都或多或少存在一定的局限性。利用3D建筑物数据库或GIS能有效地帮助找到现状中的潜在通风道，但在对城市未来发展条件下城市通风道的营造及其效果的预测上存在不足。风洞实验能准确地模拟街区风环境，但因其模型的尺度有限且造价过高，导致其在城市尺度风环境模拟上较难以实现。CFD计算机模拟技术改进了前两种技术的不足，但由于其复杂的模拟网格及计算原理，该技术对计算机性能及计算资源的依赖性较大，难以处理城市尺度的模拟。

因此，本研究选用新一代中尺度气象模拟模型WRF-ARW，该模型专为中尺度（1~100km）气象学研究设计，不仅能得到更精确的气象模拟数据，在加入城市冠层模型后，能更贴合城市气象学研究要求，对类似城市通风道这类需要考察城市尺度（50km左右）风环境、热环境的模拟研究具有很强的针对性，是目前最先进的城市模拟模型之一，被广泛应用于气象、气候及城市问题研究[14]。

图1 城市通风道规划设计方法示意图Fig.1 the urban ventilation corridor planning method

2 城市通风道规划设计方法

刘姝宇，沈济黄[8]通过对德国斯图加特市通风道规划案例的研究、分析，曾提出信息采集、气候功能评估、指导方针与规划目标制定、措施概念明晰等规划工作程序及方法。在此基础上，本研究在规划工作的前期及后期加入最先进的分析和模拟技术，得到一套更为完善的城市通风道规划设计方法。该方法包括：一是现状基础信息及规划基础信息采集；二是城市现状风环境模拟及评估；三是城市通风道指导方针与规划目标的明确；四是城市通风道规划方案的提出；五是规划方案的模拟与验证；六是规划方案的调整及落实。城市通风道规划设计方法示意图如图1所示。

在应用了最先进的分析及模拟技术的基础上，本规划设计方法能更有针对性地分析城市现状风环境，找出通风不畅的薄弱区域，有的放矢地提出具体的城市通风道规划方案。除此之外，利用城市尺度模拟技术对规划方案进行模拟，并评估方案的可行性，便于及早地对方案进行调整和改进，这将大大提高城市通风道的通风效果。

图2 贵阳市地形图（a）及风玫瑰图（b）Fig.2 the topographic map (a) and wind rose map (b) of Guiyang

3 贵阳市概况

贵阳市是中国贵州省省会，位于中国西南部，截止2012年末常住人口为445.17万人。贵阳市海拔高度在1100m左右，总地势西南高、东北低，属于以山地、丘陵为主的丘原盆地地区（图2a）。贵阳市属亚热带湿润温和型气候，夏无酷暑，冬无严冬，全年平均气温为15.3℃，全年各月平均气温范围在4.6℃至23.7℃之间。贵阳市年平均相对湿度为77%，年平均降水量为1129.5mm，处于费德尔环流圈，常年受西风带控制，然而贵阳市西南面地势偏高，市内风速偏低，全年平均风速2.49m/s。贵阳市冬季以东风、东北风为主，夏季以南风为主，风玫瑰图如图2b所示。

贵阳市受山地地形影响，近地层粗糙度大，风速随高度在0至200m内每升高100m仅增加0.9（冬季）至1.6m/s, 在200至600m内每升高100m仅增加0.3（冬季）至1.2m/s。近地层风速垂直切变小，导致由动力因素引起的大气湍流运动弱，因此大气污染物在垂直方向的扩散能力较差。

为了能更加清楚地了解贵阳市内各区域风环境现状，首先，笔者对贵阳市风环境进行了初步模拟，通过对贵阳市冬、夏季10m高度处风速结果的分析，找到贵阳市内亟需改善通风的区域。

图3 贵阳市冬季（a）夏季（b）下午3点风速分布情况Fig.3 the distribution of wind speeds at 1500 LST of winter (a) and summer (b)

图4 贵阳市绿化隔离带（a）及水系、公园自然风道（b）Fig.4 the location of urban greenbelt (a) and water system (b) in Guiyang

图3a显示的是冬季下午3点左右贵阳市范围内风速情况。在该时刻，贵阳风速情况不太理想，大部分区域小于2.0m/s。其中龙洞堡、永乐乡、火车北站、长坡岭等区域情况最严重。老城区存在风向辐合，易造成污染物堆积。图3b显示的是夏季下午3点左右贵阳市范围内的风速情况，在该时刻贵阳市以南风及东南风为主，风速较低区域包括龙洞堡西北角、小河、西南商贸城、长坡岭、环保 科技园等。

4 贵阳市通风道规划设计

4.1 城市通风道规划基本思路

影响城市通风的主要要素包括：绿化植被、建筑布局、地形地貌、道路系统等四个方面。成规模的绿地建筑密度低，上空较为开敞，有利于通风，并且可以在城市中形成较为显著的温度差，进而形成区域性的微风和气体环流，加强城市内空气流动性。另外，不同的建筑布局也会形成各异的城市通风环境，因此对城市内建筑物高度、密度、街巷形式等方面进行合理规划控制是城市通风道规划中不可或缺的一部分。每个城市都有其所在区域的地理特征，自然地形、地貌可直接引起地表流场的变化，因此在城市通风不畅的情况下可考虑合理改造地形、地貌，以此有效地优化地表流场。在道路系统的规划上，应使城市路网的方位与城市主导风向一致，并利用路网辅助通风道规划，大大提高城市通风效果。

针对以上列举的城市通风影响因素并结合贵阳市实际情况，笔者总结了以下三点贵阳市通风道规划基本指导方针和规划目标。一是保外围：贵阳市自然资源完善，已有多个环城林带及组团间绿化隔离带（图4a），应充分利用这些天然绿化屏障隔离污染为城市提供新鲜清爽的空气；二是疏通道：结合贵阳市地形地貌，整合贵阳市内河流、水库、湿地公园、山谷等形成连续送风通道，如十里河滩自然风道、南明河自然风道、阿哈水库自然风道、小关湖自然风道等（图4b）。除此之外还需要依托人工建设的铁路、城市主干路等形成人工风道，如二戈寨编组站人工风道、甲秀南路人工风道、川黔铁路人工风道等；三是控建设：为了建设合理的城市通风道，对建筑密度、建筑布局、建筑高度、空地率等各项指标须进行严格控制，并结合城市各类绿地、河湖水系、道路等形成点、线、面相结合的网络空间，以此加强空气微循环。

4.2 贵阳市通风道规划方案

尽管在城市通风道的规划上，贵阳市具有得天独厚的自然环境资源，但仍存在不少需要克服及规整的问题。首先，贵阳市现有绿地及水系系统性不足，布局上的连续性较差，没有形成良好的通道，致使城市总体通风不畅；其次，由于贵阳市的快速发展，导致城市内容积率、密度过大，绿化率偏小，亟需进行合理的规划控制；再者，由于地形、地貌的限制作用，贵阳市老城区、龙洞堡区域、小河区域、长城岭区域等通风不畅，风速较弱。

针对以上三个问题，贵阳市通风道的规划需要做到：一是连通现有天然绿地及水系，形成从点到线、面的城市冷源，为城市提供新鲜清爽的空气；二是规整通风存在明显问题的区域，利用绿地、水系、路网，为这些区域规划对应的通风、换气道；三是对潜在通风道区域进行合理的建设控制，以免建设强度过大阻断城市通风道。依据上述思路和方法，笔者在贵阳市内标记出可作为通风道的绿地、水体以及路网（图5），并在此基础上规划出三级通风道帮助贵阳市通风、换气（图6）。

一级通风廊道贯穿整个中心城区，为保证风流畅通，尽量平行城市主导风，作为城市风道体系的主要组成部分，宽度控制为100~500m，间距约2~4km，根据现状风环境情况，中心城区共布局了6条，金阳、白云区域3条，花溪、老城区2条，龙洞堡、永乐区域1条。由于空气净化是一级廊道的主要功能之一，建议每隔3km设置一个公共绿地，面积不小于1hm2，以乔木为主，且水体面积不小于2000m2。

二级通风廊道辅助一级廊道组织通风，使通风系统构成完善的网络，其主要串联干道、公共绿地、广场和水体等，宽度为50~300m，共布局了16条，金阳、白云区域3条，花溪、老城区九条，龙洞堡、永乐区域4条。

三级通风廊道辅助一、二级廊道，结合中心城区各级城市道路，绿地组织城区空气微循环。布局尽量结合道路、带状绿地、水体，共设30条，宽度在50~100m，金阳、白云区域10条，花溪、老城区八条，乌当区1条，龙洞堡、永乐区域3条。在贵阳市各大片区内选择与主导风向基本一致的道路，及建筑密度较小的区域，作为三级风道网络的主体，以此承接上一级风道的气流，深入城区内部，以达到更好的城市通风效果。

图5 贵阳市绿地（a）及水系(b)、路网（c）潜在通风道Fig.5 potential urban ventilation corridors of green area (a), water system (b), and traffic network in Guiyang

5 贵阳市通风道模拟分析

5.1 模拟边界条件设定

为了比较说明加设通风道前、后，市内风速及气温的变化，本研究采用the Advanced Research Weather Research and Forecasting Numerical Model（WRF）（ARW），version 3.4.1. 基于本研究目的为计算模型配置了两层domain，domain中心点设置在26.6°N，106.7°E，最小网格为500-m精度网格。垂直向设置35层网格，水平向沿东西、南北方向各设置100格网格。模拟计算边界条件为National Centers for Environment Prediction（NCEP）提供的精度为1°的Final Analyses（FNL）data。模型计算总时长78h，冬季案例设置从2011年12月29日2000 LST起至2012年1月2日0200 LST止，夏季案例设置从2012年8月17日2000 LST起至2012年8月21日0200 LST止。

本研究采用了适合城市模拟的物理模型，其中行星边界层湍流动能（PBL_TKE）模型选用的是Mellor-Yamada-Janjic （Eta）方案[15]，以及标准化Noah地表物理模型（the Unified Noah Land Surface Physics Scheme）[16]；微物理模型采用的是Thompson Graupel（2-Moment Scheme in V3.1）方案[17]；长波辐射模型选用的是快速辐射输送方案（the Rapid Radiative Transfer Model）[18]；短波辐射物理模型采用的是Goddard方案[19]。在此基础上，本研究还加入了单层城市冠层模型（the Single-Layer Urban Canopy Model），研究中所使用的街区平均建筑高度、街道宽度数据由贵阳市规划局提供。

5.2 模拟结果分析

为了分析说明贵阳市通风道规划方案的作用与效果，笔者模拟并比较了加设通风道前、后冬季及夏季风速值，并将风速变化分布情况展示于图7和图8中。

冬季凌晨两点加入通风道后，贵阳市新城区西南部及老城区位置（中心区）风速值有明显的改善，最高可达1m/s到1.5m/s左右。在这一时刻东西向通风道作用明显。冬季下午3点加入通风道后，作用最为明显的是贵阳市南面三条南北向的一级通风道，这些通风道的共同作用使得贵阳市内老城区风速提高在1.5m/s以上。加设通风道后，解决了改善前案例中老城区南部成片风速过低的问题，并消除了城市通风死角，缓解了城市内污染物淤积的问题。

图6 贵阳市城市通风道规划图Fig.6 the planning of urban ventilation corridor of Guiyang

引入南北向通风道后，夏季凌晨两点，风速沿贵阳市南面南北向的一级风道方向呈逐渐升高趋势，风速明显增大，说明通风道能很好地将城郊气流引入到城市老城区（中心部）。夏季下午3点左右结果显示，东西、南北向通风道的交错配合作用，使静稳的大气状态被打破，呈现较为紊乱的风速增长趋势，贵阳市老城区中心区域风速值有明显的改善，最高可达1.5m/s左右。

从图9a冬季风速日变化规律图中可以看出，在冬季，城市通风道对于城市风环境的改善作用主要发生在日出前及日落后，而日中时分作用并不明显。因而，在城市居民进行户外活动的主要时间段内不必担心风速过大引起的不舒适问题。在夜晚，风速逐步提高将积累了一天的空气污染物扩散出去，以免由于热岛环流的存在淤积于市内形成恶性循环。

图7 贵阳市加设通风道前后风速变化情况，冬季凌晨2点（a）下午3点（b）Fig.7 distribution of the differences in wind speed at winter 0200 LST (a), winter 1500 LST (b)

图8 贵阳市加设通风道前后风速变化情况，夏季凌晨2点（a）下午3点（b）Fig.8 distribution of the differences in wind speed at summer 0200 LST (a), summer 1500 LST (b)

通过比较可以看出贵阳市城市通风道对于老城区的风环境改善作用比全市大部分区域显著，从表1可以看出，老城区内平均风速的改善比例高达12%，高于全市平均改善比例（8%）。图9b显示的是夏季加设通风道前、后平均风速变化情况，相较于冬季（图9a）有序的风速日变化，夏季情况更加紊乱无章一些。加设通风道对于改善通风的明显作用仅出现在上午10点至下午5点左右，通风道对夏季夜晚风速的增长作用并不如冬季案例那么明显。因此，夏季夜晚城市通风道可能无法充分发挥其城市排浊，清洁空气的作用，然而在白天，由于通风道的作用，风速存在显著的提高，这对于城市降温能起到较为积极的作用。

类似于冬季案例结果，通过比较可以发现，在夏季，贵阳市通风道对于老城区的风环境改善作用较全市大部分区域更为明显，老城区内平均风速的改善比例高达9%，高于全市平均改善比例（6%）。

表1 贵阳市加设通风道前、后风速变化情况一览表Tab.1 the wind speed differences of Guiyang

图9 贵阳市加设通风道前、后冬季（a）夏季（b）平均风速日变化规律图Fig.9 diurnal wind speed regulation at winter (a) and summer (b)

6 结 语

城市通风道具有打破城市热岛环流，提高城市内空气流动性，增加城市绿化率，分割大面积城市空间的作用，对于城市通风、换气、降温、排浊有较为显著的效果。因此，全球许多国家、城市都在积极开展城市通风道专项规划工作。其中，德国是较早开展此领域研究的国家，我国是开展城市最多的国家之一。欧美、日本等较早将卫星遥感技术、风洞实验、计算机模拟技术应用于此领域中。本研究创新性的在城市通风道规划中采用新一代中尺度气象模拟模型WRF-ARW，该模型专为中尺度（1~100km）气象学研究设计，不仅能得到更精确的气象模拟数据，在加入城市冠层模型后，更贴合城市气象学研究要求，对类似城市通风道这类需要考察城市尺度（50km左右）范围风环境、热环境的模拟研究具有很强的针对性，是目前最先进的城市模拟模型之一，被广泛应用于气象、气候及城市问题研究。

本研究利用中尺度气象模拟模型，对贵阳市风环境进行模拟分析，找到城市内通风受阻区域进行重点规划和改造，并结合贵阳市地形、地貌、城市建设现状，制定了“保外围、疏通道、控建设”的贵阳市通风道规划原则，基于贵阳市现有绿地、水系、路网，规划了一级通风道6条、二级通风道16条、三级通风道30条，对贵阳市因山地地形，粗糙度较大带来的城市通风不畅，污染物聚积等问题改善作用显著。通过模拟分析，本通风道规划设计方案对冬季城市平均风速的提高可达8%左右，对冬季老城区平均风速的提高可达12%左右，对夏季城市平均风速的提高可达6%左右，对夏季老城区平均风速的提高可达9%左右。

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图表来源：

图1-9：作者绘制表1：作者绘制

（编辑：苏小亨）

* “十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAJ03B03）；中国博士后科学基金第57批面上资助项目（2015M572144）

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150604

中图分类号TU984.199

文献标识码B

文 章 编 号2095-6304(2015)06-0013-06

收稿日期：2015-11-02

作者简介

周雪帆： 华中科技大学建筑与城市规划学院，讲师，xuefanzhou@hust.edu.cn

陈 宏： 华中科技大学建筑与城市规划学院，教授管毓刚：华中科技大学建筑与城市规划学院，讲师

Study of Urban Ventilation Corridor Planning Method Based on a Case Study of Guiyang, China

Abstract:To improve the urban environment comfort, save energy consumption, and reduce the air pollutant especially the dusts and haze in the air, the city council of Guiyang has organized a special project of urban ventilation corridor planning and design in Guiyang since October, 2013. Based on the environment, natural resources, and weather condition of Guiyang, the Weather & Research Forecasting model of WRF is applied to this project to find out the areas and locations with poor wind environment in Guiyang. According to the principles of urban ventilation corridor planning of Guiyang, which are reserving the green space, dredging the channels, and controlling the development, the planners have designed six first-level corridors, 16 second-level corridors, and 30 third-level corridors basing on the existing green area, water system, and traffic network of Guiyang. The simulation results of WRF illustrate that due to the planning of urban ventilation corridor, the winter average wind speed of Guiyang increases 8%, summer average wind speed of Guiyang increases 6%, winter average wind speed of the central city of Guiyang increases 12%, and summer average wind speed of central city of Guiyang increases 9%.

Keywords:Urban Ventilation Corridor; Mesoscale Meteorology Simulation; Urban Planning