基于RS和ArcGis的乌海风环境影响因素分析*

丁玉贤，孙维娜，王雪

(内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

目前，针对城市现状通风环境差，空气污染严重现象，许多学者对其展开了不同方法、不同方面的研究，如黄文锋[1]等用CFD数值模拟探究建筑群在行列式、错列式及围合式这3种建筑布局下的风环境情况；王薇[2]等运用Phoenics，研究了合肥市混合住区的建筑高度、规划布局、建筑朝向对风环境的影响；TETSU KUBOTA[3]等利用风洞实验，研究了日本22个住宅小区的建筑密度与平均风速比之间的关系；詹庆明[4]等结合遥感(RS)及地理信息技术(GPS)为福州市区提取了潜在的通风廊道；刘滨谊[5]等利用实测加模拟的方法对同济大学某宿舍区风环境进行了绿化布局优化研究；尹杰[6]等基于武汉市主城区的粗糙度、长度和迎风面积密度，对风道进行了划分.

由此可见，城市的产业布局、占地类型及建筑形态都会对通风产生影响，以污染严重的乌海市为例，基于乌海市的高程数据、卫星遥感数据及建筑矢量图，利用ArcGis10.6软件对该城市的占地类型及建成区环境进行分析，并提出优化策略.

1 研究区概况

乌海位于东经106°36′00″～107°46′14″，北纬39°10′00″～39°55′00″，是内蒙古主要工业城市之一，春季风沙天气多，冬季逆温现象也较为平常，通过查阅并统计分析了2015～2019年乌海市气象局地面气象观测站每日观测的风向、风速数据，绘制了乌海市近5 a的风向频率图，如图1所示，就全年而言，主导风不明显，但春季(3～5月)主导风西北风，风向频率接近26%；冬季(12～2月)主导风西北风，风向频率在25%以上；而在夏季(6～8月)，东北风、东南风出现的频率最高，其中东北风风向频率接近25%，东南风风向频率接近30%，风速大小普遍在3.4～5.4 m/s之间.

由乌海市监测站实时发布的关于2015～2019年的空气质量报告，绘制了全年、各个季节的日均空气污染指数(AQI)值及5 a内空气污染天数的变化曲线，如图2所示.就全年而言，空气污染指数及空气污染天数呈下降趋势，空气质量有所改善，但在夏季，空气污染指数呈显著上升趋势，而在春季，虽整体呈下降趋势，但相比其他季节，空气污染指数仍是最高的.其中，2018年的日均AQI值超过了120，在5 a中最高.

图1 2015～2019年乌海市风向频率图

图2 2015～2019年乌海市空气质量变化图

由于乌海市是一座以煤为主的工业城市，地处乌兰布和、库布齐和毛乌素3大沙漠的交汇处，因此，风速过小，不利于空气中的污染物稀释扩散，但过大又会产生沙尘暴，因此，分析和研究乌海市风环境的影响因素是减少空气污染、缓解沙尘暴现象的燃眉之举，这对进一步改善乌海市人居环境及推进城市经济持续发展具有现实意义.

2 数据来源和方法

2.1 数据来源

乌海市2015～2019年的空气污染指数(AQI)值及空气污染天数来源于乌海市监测站实时发布的空气质量报告，气象资料风速、风向来源于乌海市气象局地面气象观测站每日观测的数据.对采集的数据进行日、年、季均值处理，探析全年及各个季节的主导风风向及其污染情况分析.而卫星遥感数据Landsat和Dem高程图来源于地理空间数据云，乌海市建筑轮廓的获取来源于建筑矢量图.

2.2 研究方法

(1)对乌海市2015～2019年近5 a的风速、风向、空气污染指数(AQI)及污染天数进行日、季、年均值处理，并通过统计分析方法了解其近5 a的分布情况及变化趋势.

(2)结合乌海市的高程数据、卫星遥感数据和建筑矢量图，利用ArcGis10.6软件分析占地类型及建成区环境特点，并对此分析对风环境的影响，选取建筑密度、迎风面积密度这2个指标对建筑内部风环境进行定量分析，进而提取出乌海市主要污染区潜在的通风廊道.

3 影响因素分析

3.1 占地类型分析

乌海市在东、南、西方向分别连着鄂尔多斯高原、阿拉善草原、银川平原，北边紧挨着河套沃野，拥有着桌子山、岗德尔山、五虎山构成的“三山两谷”地形格局[7]，图3为乌海市高程图，图4是根据下载的Landsat8.0遥感图，提取波段Band5，Band4，Band3，在ArcGis进行波段合成，形成假彩色图案，随后根据土地利用类型进行影像分类得到影像图如图4.结合图3，4来看，乌海市地势高低明显，东西两边高、中间低.占地类型复杂多变，有水文、草地、丘陵区、耕地、荒漠地等类型，由属性表中各类型的栅格数统计占用面积及百分比，如表1所示.

图3 乌海高程图

表1 占地类型的面积及百分比表

图4 乌海影像图

由表1可知，占地类型最多的是丘陵，面积约为435 km2，占乌海总面积的27.08%；其次是荒漠，面积约296 km2，占地18.43%；建设用地面积约280 km2，占地17.41%；水文用地面积约273 km2，占地16.99%；而耕地、绿地及山体占地面积较少，分别为8.6%、4.96%和4.19%.这与黄园园[8]等利用GIS分析乌海矿区土地退化因素中提到的关于该区土地利用逐渐由草地大面积变为建设用地和荒漠面积的事实一样，植被覆盖少，耕地面积也少，但丘陵、建设用地与未利用的荒漠地区较多.另外，引入植被归一化指数对植被覆盖进行量化分析，其方法是根据波段Band5，Band4，利用ArcGis中的栅格计算器进行计算，见式(1)，对得到的NDVI叠加图进行唯一值赋值(-1，0，1)，发现NDVI的值大多数为0，即植被覆盖很少，基本都是裸土与岩石.

(1)

风是气流水平运动的结果，当气流经过复杂的地形地貌、密集的建筑地区时，近地流动风的风速、风压和湍流结构将会随之改变，如陈平采用数值模拟方法，系统分析了典型地形在平面及空间区域的风流场风速、风压及湍流结构，发现在相同高度的山丘中，坡顶近地风速、涡流强度会随坡度的增大而增大[9]，同时，城市绿地能有效调节城市内部的风环境，在建成区，因温度升降不同产生的林源风，能促进城市内部空气的流通，并在局部区域产生微风，降低夏季的气温，增加城市空气的湿度，但若植被覆盖少，则冷空气源少，人体风环境舒适度较低.

3.2 建成区环境分析

乌海市管辖的市辖区有海勃湾区、乌达区及海南区，它的建筑分布较为分散，主要以乌海的主要功能建筑居住小区及住宿区为研究对象，因为分布相对集中密集，具有城市建筑的代表性.为对建成区环境进行定量定性分析，引入指标建筑密度及主导风下的迎风面积密度.

(1)建筑密度

某单元地块中建筑的占地总面积与单元地块总面积之比为建筑密度，能体现出一定用地范围内的空地率和建筑密集程度.利用ArcGis中，根据乌海市区一级道路网对建筑进行单元划分，单元地块面积由编辑的面要素进行字段几何尺寸计算，而建筑占地面积根据建筑的矢量轮廓几何尺寸计算，对得到的某单元地块的建筑密度以点数据的形式进行显示，如图5.

图5 乌海市建筑密度分布图

由图可知，距离城市市中心越近，建筑密度越大，3个市辖区中，海勃湾区建筑密集程度最明显，其次是海南区，根据曹象明等[10]利用Phoenics软件对西安市曲江新区风环境与建筑密度关联性的研究得知，当建筑密度达到30%以上且有高层建筑分布时，风速将处于1.6 m/s以下，意味着城市自然通风不理想.图中乌海市海勃湾区的市中心，存在明显的建筑密度在30%以上，意味着该区不能有效地进行换气，风环境恶劣.

(2)建筑迎风面积密度

迎风面的投影面积与单元地块面积的比值是迎风面密度建筑，具有群体性与方向性，与自身的形式、朝向、尺度、上风向的建筑及风向相关，能够反映城市形态对于特定方向风的阻碍作用，其值越大，说明该城市区域内在该风向下的通风能力越不好.其公式见式(2)，(3)：

(2)

(3)

式中：λf(Ziθ)为主导风迎风面积密度，A(θ)proj(Δz)为该风向下总的迎风面积，m2；AT为一级道路网划分的单元地块面积，m2；Δz为计算投影面积高度方向的计算范围；θ为计算风向(以统计的全年8个方位风向计算)，Pθ为θ风向的风频率值(取值参照图1).其中，单元地块面积与建筑密度中的计算一样，而迎风面积是指在该单元地块中，所有建筑分别在8个方位风向下的迎风面积之和，最后乘以各风向的频率值进行加权叠加，得到综合迎风面积密度，如图6.

图6 乌海市迎风面积密度分布图

由图6可知，乌海的迎风面积密度普遍在0.25以下，3个区的市中心普遍比周边的高，而分布最明显的还是海勃湾区，根据香港中文大学吴恩融教授团队[11]利用风洞实验模拟，得出的关于风速比与近地面高度层(0～15 m)的迎风面积密度的负相关关系结果，当迎风面积密度大于0.6，风速比值小于0.1，意味着城市的通风效能和人行高度的风渗透性不理想，而图中，市中心的迎风面积密度普遍在0.35～0.7，尤其在海勃湾区最明显，由于市中心区普遍为密集的高层建筑，所以越接近市中心，迎风面积密度越大，通风效果越不好.

4 结论与建议

利用ArcGis10.6软件分析了乌海市的占地类型及建成区环境，并基于分析结果对风环境进行了影响因素分析，结论与建议如下.

4.1 结论

(1)通过乌海市的高程图，了解到乌海市地势高低明显，东西两边高、中间低.再由波段合成的假彩色图案进行影像分类得到的影像图可知，占地类型复杂多变，其中，占地面积最多的类型是丘陵、荒漠及建设用地，这对近地流动风的风速、风压和湍流结构影响显著，如在岩石裸露、坡度较大的地区，风向会改变，山顶风速及涡流强度会增大.

(2)乌海的植被覆盖及耕地面积少，利用ArcGis中的栅格计算器计算植被归一化指数，对植被覆盖进行量化分析，发现NDVI值大多数为0，即植被覆盖很少，基本都是裸土与岩石，与影像图得到的结论一样，即冷空气源少，对城市内部的局地微气候不能有效调节.

(3)结合乌海市建成区环境的建筑密度及迎风面积密度，发现距离城市市中心越近，建筑密度及迎风面积密度就越大，其中，海勃湾区最明显，市中心的建筑密度普遍大于30%，迎风面积密度大于0.35，风速低于1.6 m/s，通风效果不理想，不符合风环境舒适性标准.

4.2 建议

(1)乌海市夏季的主导风为东南风、西南风，而民用建筑的上风向普遍分布着工业建筑，在市中心，建筑密度及建筑楼层普遍高，通风环境不理想，对于以后拟建的建筑，应根据自然地形地貌、地区盛行季风条件、产业功能合理规划布局，对于已建成区，适当调整区域人口密集的地方，如增加绿地布局，构建城市通风廊道等.

图7 乌海市海勃湾区通风廊道规划建议图

(2)保护城市生态空间环境，确保城市风源畅通，对乌海居住用地较为集中的海渤湾区进行通风廊道的构建，其方法就是借助城市的水系、道路通道将潜在的补偿空间(如山体、水体、绿地)产生的冷空气引入到城市中心.由乌海市全年的盛行风向来看，大致走向为南北方向，依据海渤湾区现有的河道、绿地布局及主要街道走向，构建3条南北走向的一级通风廊道，对该区的整体风环境进行调节改善，并在低矮零碎的建筑区引入南北走向1条、东西走向2条的二级通风道，对局地微气候进行调节改善.

(3)加强城市建设开发管控，绿地率不小于30%，建筑密度控制在30%以内，合理规划并控制城市内部高层建筑的布局，保证建筑高度由市中心向外呈现梯度降低，力求高低错落，有利于气流的循环，增强通风潜力，同时，为尽可能多地引入风源，应对建筑形态严格控制，如建筑高度、朝向、布局、宽度等，对于高层建筑，底层可做成裙房状态，而大型板房建筑可留空.