基于山地风环境的景观规划设计策略研究

赵 洋 刘加根 肖 伟

(1.北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100085； 2.清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100085)

1 概述

根据资料统计，自然灾害造成损失中风灾最为严重，风灾是发生在人们活动区域的大风，对建筑、建筑构筑物、基础设施与人们生活的影响和破坏。根据我国地形地貌的特点，每年7月～9月登陆台风占全年4/5，一般5月～6月登陆华南沿海，7月扩大到整个沿海地区，9月～10月登陆长江口以南沿海，11月在广东、海南和台湾，12月在广东偶有登陆。除西部边远省区外都受到过台风不同程度的影响[1]。

随着社会城镇化的高速发展，有限的资源与日益增长的实际需求矛盾问题更加突出。相对于城市，山区空气清新，环境优美，选择在山水生态条件好的区域生活和室外活动受到人们追捧，但山体地形复杂，气流经过该地区复杂的地形时流场与平坦地区有明显差异，造成风速与风压分布很不规则，人活动区域的选择会面临更多的技术上的复杂问题，因此怎样合理利用山地土地资源，在不破坏原有生态环境又满足人们生活需求已成为一项艰巨任务。研究山体风场分布特点及变化规律，对合理有效利用山地土地资源有十分重要的指导价值。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本文以某沿海山地地带景观规划设计为研究对象，总用地面积为公顷。通过对1971年—2010年地方气象资料进行统计分析，可得到场地的风玫瑰图，如图1所示。该地区夏季主导风向为SSW，其余季节为NNE。由风玫瑰图可知，该地区年最大风频是NNE(30%)，次大为NE(22%)，SW风和SSW风各占8%；各风向的平均风速NNE最大，为6.0 m/s，其次是NE(5.6 m/s)和SSW(4.5 m/s)，最大风速26 m/s，风向NNE。

2.2 数学模型的选取

本文选取标准k-ε湍流模型求解山体周边的风环境状况，涉及到控制方程，其形式如下：

其中，φ可以为速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。

2.3 几何模型

在本次研究中，计算域尺度为10 km×10 km×0.5 km，计算域为研究对象(如图2所示)的100倍，其中，计算域面积为研究对象的25倍，高度为山体高度的4倍，场地位于计算区域中心。

2.4 边界条件

1)来流边界。来流风受下垫面粗糙程度的影响，地面以上的室外风速为随高度递增的梯度风，不同高度的风速不同，高度与风速变化规律可以用指数方程来描述：

其中，V为距地面Z高度处的风速，m/s；Vg为距地10 m高度处来流风的风速，m/s；Z为距地面高度，m；Zg取10 m。

2)出流边界。在本文流场出口设置为自由流动边界，即认为流动已不受计算域内分析对象的阻碍影响，恢复到正常流动。

3)其他边界。因计算域尺寸远超过研究对象尺寸，研究对象对来流风侧面以及顶部流动无影响，因此侧面与顶部采用对称边界条件；山地和地面采用固定不动的壁面边界条件。

2.5 模拟工况

本报告根据项目所在地区风玫瑰图确定3个模拟工况，各工况的具体风向及风速设置如表1所示。

表1 模拟工况统计表

3 风环境评价标准

人们室外活动受室外风环境影响较大，风速大会带给行人不舒适感，甚至影响到行人正常行走和安全，对于炎热的夏季，风速太小，行人基本上感受不到风，也会感觉到不舒适，并且不利于室外有害气体和污染物的排放和扩散，对此，国内外学者进行了大量的测试、调研和风洞试验，并对其进行总结，详见表2。由此可知室外风速在0.5 m/s与5 m/s之间，室外风环境相对较舒适，相对比较容易被接受；当室外风速超过5 m/s不高于7.3 m/s时，虽不舒适但不影响正常的活动；室外风速高于7.3 m/s时，人会感觉到极不舒适且行动受影响；在15 m/s以上时，人不能忍受；超过20 m/s时，威胁到人身安全，应采取措施降低风速[2-6]。

我国现行标准中对室外风环境提出相应的指标进行评价，如GB 50378绿色建筑评价标准要求：人行高度处(1.5 m高度处)的风速不能低于0.5 m/s也不能高于5 m/s。因此，为了给人们提供舒适的风环境，在方案规划设计阶段，设计工程师们不仅要从美观、实用角度考虑，还应当充分考虑人们实际需求，如日照、风环境等这些因素，减少因考虑不全面而导致项目运行时出现不合理的地方。

表2 风环境评价指标统计表

基于以上的研究分析，本文将以室外风速在0.5 m/s～5 m/s为舒适区间，不超过7.3 m/s为可接受的室外风速为依据，为山体风景规划设计提供设计策略建议。

4 模拟结果分析

4.1 山体近地面风速分布特征

图3为冬季及过渡季风速6.0 m/s的东北偏北风场下，山体近地面风速分布图，图4为夏季风速4.5 m/s的西南偏南风场下，山体近地面风速分布图。由图3与图4可知：1)室外风速随山体高度增加逐渐增大，山底周围风速最低，山峰附近风速最高。山底风速在3.5 m/s以下，适合行人室外活动，山顶部风速冬季达到10 m/s，夏季达到7 m/s，均不利于行人室外活动；2)山谷近地面风速特点：冬季与过渡季山谷近地面风速在1.5 m/s～5.0 m/s之间；夏季山谷近地面风速在1.0 m/s～3.0 m/s之间，山谷轻风，室外风环境较为舒适，比较适合漫步；3)山峰及山脊附近风速特点：冬季与过渡季北侧山峰及山脊近地面风速在8.0 m/s～10.0 m/s之间，南侧山峰及山脊风速略小在5.0 m/s～8.0 m/s；夏季北侧山峰及山脊附近风速在5.0 m/s～7.0 m/s之间，南侧山峰及山脊风速略小在4.0 m/s～7.0 m/s；山峰与山脊风速较大，不利于室外行人行走。

图5为极大风速26.0 m/s的东北偏北风场下，山体近地面风速分布图。由图5可知：1)风速分布特点与工况1与工况2相似：山底近地面风速最低，山峰及山脊附近风速最高；但山底部周围风速仍在13.0 m/s左右，不利于室外行人活动，有一定危险性；2)与其他2个工况不同：由于北侧山峰较高，与N向风呈90°夹角，有一定阻挡作用，山南侧山峰及山脊风速明显低于北侧，但风速也均在26.0 m/s以上，非常不利于室外行人，影响人身安全。

4.2 人行高度处风速分布特征

由图6工况1与工况2人行高度处风速分布云图可知：冬季及过渡季风速6.0 m/s的东北偏北风场下，山体周围人行高度处风速在1.2 m/s～3.0 m/s之间；夏季风速4.5 m/s的西南偏南风场下，山体周围人行高度处风速在1.5 m/s～3.3 m/s之间，均在行人室外行走的舒适范围内。

5 基于风环境的景观设计策略

基于“绿色生态”的理念，尽可能不改变或不破坏山体地貌和现有植被的景观设计策略：1)在山底或山谷选择景区入口和主要室外活动场所。由于本文所涉及案例的山底东侧有现状污水厂，不是公园入口或室外主要活动场所最佳地，根据模拟结果分析，建议其公园入口和主要室外活动场所设置在山底西侧与北侧，山体可适当缓解大风对室外的影响，夏季也无明显涡流，有利于污染物扩散；2)人员憩息场所和人行道路的选择避开山峰和山脊地带：从模拟结果可知，山峰和山脊附近风速较大，不利于室外人员活动，因此建议人员憩息场所和人行道路尽量避开山峰与山脊；3)景区建筑构筑物风力荷载确定：在极大风工况下，山底周围风速在13.0 m/s左右，山峰附近风速也接近来流风速的2倍，非常不利于室外行人，且有一定危险性，建议山底部建筑物及构筑物能抵抗15.0 m/s风速的负载负荷，山峰建筑物及构筑物抵抗来流风速2倍以上的风速的负载负荷。

6 结语

本文研究了山地风环境特征，结合室外风环境舒适性标准，提出山地景观规划设计中的公园入口、室外活动场地、憩息场所和行人道路的设计策略。

山地风环境特征：室外风速随高度增加风速逐渐增大，山底风速最低，在3.5 m/s以下，适合行人室外活动，山峰附近风速最高，冬季高达到10 m/s，夏季达到7 m/s，不利于行人室外活动；山谷附近室外风环境较为舒适，比较适合漫步；山峰与山脊风速较大，不利于室外行人行走。极大风工况下，山底部周围风速仍在13.0 m/s左右，不利于室外行人活动，有一定危险性。

规划设计策略：景区入口和主要室外活动场所尽量选择在山底或山谷背风负压区域；人员憩息场所和人行道路的选择尽量避开山峰和山脊风的正压区域；景区建筑物及建筑构筑物风力荷载负荷应满足一定要求。

本文研究是计算流体力学与景观规划设计相结合的初步尝试，在景观规划设计阶段利用CFD计算流体力学的量化结果指导设计，使得设计方案更加科学化、合理化。