基于城市尺度的风环境分析和污染情况探究

李明远,邹慧芬

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

国外诸多学者已对建筑单体及建筑群、街区的风环境做了大量相关研究，而在这方面的研究中，我们国家起步较晚，研究进展较为缓慢。且国内学者对于可用于指导新城区规划的城市尺度的通风策略研究的内容较少，微尺度的模型在大范围的研究中省去了大范围区域环境的相互作用关系，对于城市中会对通风廊道造成影响的因素考虑的还不够全面，且缺乏对构建通风廊道后需要的对通风效果进行定量分析和验证。

1 城市风环境分析方法研究

目前，研究城市风环境的方法主要有三种：实地测试法、风洞试验法、计算机数值模拟法(应用最广泛的方法)。实地测试法是风环境研究中最为有效和直接的方法，可以准确详细地测量研究区域内的风的速度和方向、环境温度以及污染物分布情况，从而可以获得第一手数据资料，但是由于实地测试需要耗费大量的人力、物力和财力，所以可达到的研究尺度最小，并且这种方法主要应用于已经建成的建筑群，无法在建筑物建造前进行，从而没有方法为未来设计提供参考。风洞实验是目前风环境研究领域中最主要、使用最频繁的手段。它是通过制作实际建筑物的缩尺度模型在大气边界层风洞中进行的，通过必要的手段产生类似于实际建筑周围的风场，然后通过布置在模型表面及其周围的试验仪器测量风速，风压以及结构的响应等相关数据。风洞实验的缺点是模型制作费时费力，试验周期比较长，难以同时研究不同的建筑设计方案，而缩尺度模型将会带来一系列的物理量的相似问题。且微尺度模型在大范围的研究中省去了大范围区域环境的相互关系，会造成其结果并不准确。计算机数值模拟法方面，目前对于较大尺度的CFD风环境模拟来说面临着几大核心问题：1如何构建精确的模型。2如何将模型与CFD准确对接。3如何得到在运行计算时使用的精确边界条件数据。4是否考虑周边城市空间对于研究区域的影响和范围。

2 基于GIS城市尺度的通风廊道识别方法

基于卫星遥感资料、基础地理信息、城市规划信息、气象资料，将地理信息系统(GIS)和遥感技术相结合，运用简化假设方法和取数值近似的方法，提取出城市地表参数与空间形态参数等，提供替代真实模拟的解决方案。其中城市地表参数和空间形态参数的提取数据包括土地的利用类型、建筑的高度和密度、天空开阔度、地表的温度和粗糙度和城市绿化率等。利用软件ArcGIS计算迎风面积比，得到最小费用路径。我们已经知道水流或者电流在通过一定区域时会选择区域内总阻力最小的线路通过，其方法是将气流视作与水流或者电流相同，即气流也是会优先选择区域内阻力最小的路线流过。而风模拟近地表条件，城市边界层受城市污染物性质及其浓度还有建筑物热力和动力影响，与人类活动的联系最为密切，其中最明显的是湍流混合作用，也是受到城市下垫面影响最为明显的一层大气。可以从建筑结构简化成数学的粗糙度参数估计。

影响城市通风的因素主要包括大气环流、太阳辐射和城市下垫面。其中大气环流和太阳辐射的影响因素规律比较容易判断，而下垫面的粗糙度，粗糙度越大通风能力越弱，粗糙度越小通风效率越高。

3 通风廊道与城市污染

城市风环境影响和决定着污染物在大气中的运动和扩散，对于空气中避免高浓度污染物具有重要的作用。据相关研究表明，当污染源排放污染物速率一定的情况下，影响空气质量的关键因素是风速。其中，TSP(total suspended particulate)，即总悬浮微粒、SO2、NO2 作为衡量空气污染的重要指标，在静风环境即风速≤1m/s 时，上述三种污染物的平均浓度将会达到峰值，并与风速呈负相关现象，即随风速的增大，污染物的浓度将会减小；但当风速达到 7m/s 左右时，TSP 浓度不减小反而会增大，此时风速与 TSP 浓度开始变为正相关，即 TSP浓度随风速增大而增大。原因是大风导致扬沙，其增加了大气中颗粒物的含量，并导致 TSP 浓度的增加。此时城市的风环境是十分不利于人类活动，所以在考虑引风的同时也需要考虑气流速度对于人类活动环境的影响。

一方面，通过对城市通风廊道的识别，根据已知的污染源分布，需要考虑的城市已知的污染源，包括工业污染、农业污染等，对于城市环境来说更需要考虑加入主干道汽车废气等影响因素，更为准确的评估可以对未来城区的规划进行指导。

另一方面，对城市热环境可采用遥感估算的地表热岛强度、热岛比例指数以及生态冷源等级进行评估，可加入生态冷源(生态冷源被定义为能产生新鲜冷空气的区域，它不但可以有效减缓城市热岛效应，同时也是冷空气来源和改善空气流通与人居环境的重要场所，是通风廊道规划的重要前提条件之一)和人为散热带来的空气升温对于城市热环境的影响。通过对已有通风廊道的分析可加入构建多级通风廊道，从而提高城市的通风能力，进而降低温度，促进污染物的排放。