基于ENVI-met的透水路面对微区域气候影响的模拟分析

陈禹衡，冀超宇，黄力瑶，易军艳

(哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

城市热岛效应(Urban Heat Island Effect，UHI)是在城市化发展过程中，由于多种因素(如城区下垫面性质及结构、人类行为)造成的热排放、建筑及道路密集等导致城区温度明显高于郊区，形成类似高温岛屿的现象。随着城市化的不断发展，热岛效应对城市能源消耗、环境质量等方面产生了深远影响。传统沥青混凝土路面在阳光下吸收热量高，同时也释放大量的热量，造成城市热岛效应加剧，道路高温病害严重[1-2]。

为降低城市热岛效应对人类生产、生活产生的不利影响，国内外致力于研究凉爽路面技术[3]，目的是降低路面热辐射的吸收，抑制路面升温，降低建筑能耗，改善城市环境[4]，采用主要的手段包括使用空隙率较大的透水沥青混凝土路面或在沥青混凝土路面面层涂装反射层等[5-6]。目前研究表明，透水路面是有效缓解城市热岛效应的重要手段，其路面内部存在的多孔结构能实现地层与大气互通，使其具有良好的透水排水功能，结合较小的比热容特性使路面具有快速吸热放热功能，从而不断适应外界环境变化，有效降低热岛效应[7]；同时由于路面对太阳辐射的吸收率较高，在长时间持续照射下路表温升较为显著，故可在透水路面涂装降温热反射层提升太阳光反射比例，增加路面反射率，降低路面对于太阳辐射的吸收，从而使路面表层热量减小，热效应得到缓解[8]。

随着“海绵城市”理念的提出，透水路面铺装的应用与推广逐渐成为研究热点，在我国中南部地区已有了实际应用[9]，该技术的推广应用不仅能达到降低路面表层温度的功效，更能实现城市环境生态的改善，减少能源消耗，最大限度地提升经济效益[7]。而针对北方寒冷地区夏季高温、冬季低温的气候条件，透水路面的应用研究还有待完善，探究透水路面铺装对于区域气候的影响效应对于“海绵城市”在北方地区的推广有着重要意义。

在实际应用中[10]，针对透水路面的研究主要集中于观察实测，室外环境的多因素影响使试验结果的复现性与广泛性不足，从而导致不同区域内的参考价值较为局限。虽然透水路面结构对于环境热效应有一定的改善作用，但其具体影响范围和改善效果还不明确，尚未有路面参数及气候因素对降温过程的影响研究评价，缺乏一定的路面降温预估模型，透水路面对特定区域的气候影响作用情况有待进一步研究完善。

城市微气候仿真软件ENVI-met可用来模拟住区室外风环境、城市热岛效应、室内自然通风等，能够实现城市微气候分析及不同环境设计方式比选。目前研究表明[11-13]， ENVI-met能对多项环境条件实现参数化控制，部分学者已进行了不同环境因素(建筑高度与密度、绿化程度、水体与铺装设计等)对于微区域气候(温度、湿度、风向、辐射温度等)影响的研究，其模拟微区域气候方面准确度和灵敏度较高，所表征的模拟结果变化与实际趋势吻合，能很好地反映实际情况，在气候环境模拟方面得到了较为广泛的应用。

ENVI-met软件可通过逐层修改下垫面参数与表面参数模拟透水沥青混凝土路面及路面反射层[10]，从而模拟不同类型路面对于微区域气候的影响。本研究基于ENVI-met模拟微区域气候模型的高精度与高质量，模拟4种路面结构模型在夏季、冬季的微区域气候特征，初步建立评价透水路面缓解微区域热岛效应和极端低温能力的体系，针对本次研究区域给出路面铺装的推荐方案。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域

研究地点位于哈尔滨某高校校园环境，研究区域面积约19 200 m2，由8栋主要建筑物及绿化植被组成，植被类型包括乔木、灌木、地被3类，如图1(a)所示。选择建模范围为120 m×180 m，按照ENVI-met软件模拟要求简化后如图1(b)所示。研究范围内下垫面包括沥青混凝土路面、灰色地砖、植被，其中沥青混凝土路面作为控制变量，其面积约为4 056 m2，占总面积的21.12%。

图1 研究区域卫星云图和模型示意图Fig.1 Satellite nephogram and model schematic diagram in research area

1.2 ENVI-met微气候模型模拟1.2.1 模型量化

采用软件版本为ENVI-met V4，研究核心区域面积近似于长方形。为使模型更接近实际情况，增加模拟运算的准确性，研究区域建模范围为120 m×160 m，设置60×80个网格，分辨率为2 m。

建筑、植被、各类下垫面面积根据卫星云图测量得到，建筑高度根据建筑资料获得，最高建筑高度为21 m。为保证ENVI-met模拟结果有效，上边界大于区域内建筑高度2倍，垂直方向设置30个网格，分辨率为2 m。

1.2.2 参数设置

ENVI-met 软件中需要的主要输入量基于当地实际地理和气候条件，因此对模型主要输入量调整如下：经纬度为126.70°E，45.80°N，时区为东八区(北京时间)，海拔为128 m。初始温度夏季采用2018年7月30日12:00实测数据33.20 ℃，冬季采用2018年12月31日12:00实测数据1.50 ℃。2 m高相对湿度，2 500 m高绝对湿度，风力及方向等数据根据气象站数据获得，具体初始参数汇总见表1。模拟时间均为12 h，输出时间间隔为60 min，其余项目均采用软件默认参数。

表1 初始气象参数

1.2.3 沥青混凝土路面模型

通过前期调查及研究，基于沥青混凝土路面实际应用情况及研究内容，选用4种不同类型路面用于研究，分别为：完全不透水沥青混凝土路面、10%空隙率透水沥青混凝土路面、20%空隙率透水沥青混凝土路面、涂装反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面。基层选用无极结合料稳定类基层，底基层为级配碎石，如图2所示。4种沥青路面影响微区域气候的热物性质体积比热容、热导率、反射率、发射率数据根据已有研究结果及软件默认参数值，如表2所示[14-16]，基层及底基层热物性质采用软件默认参数。

表2 四种沥青路面热物参数

图2 四种类型沥青混凝土路面(单位: mm)Fig.2 Four types of asphalt concrete pavement(unit: mm)

2 结果与分析

2.1 数据筛选及处理

通过ENVI-met软件对4种下垫面条件下的微区域气候进行模拟，得到4种路面在夏季高温和冬季低温情况下12 h的气候模拟数据，共96组数据。为更直观地展示4种沥青混凝土路面对不同季节微区域气候的影响，同时筛选低效数据，以日平均最高温度时间14:00为起点，以4 h为间隔，取14:00，18:00，22:00这3个时间的数据作为分析的基础。在分析数据时，除对比4种下垫面条件下各时段平均温度的变化以外，同时对比各个温度梯度范围内的面积变化，进一步分析不同类型沥青路面对于热岛效应的缓解作用。

图3 不同路面不同季节不同时段平均气温统计Fig.3 Statistics of average temperatures of different pavement types, different seasons and different time periods

2.2 不同沥青路面对微气候影响分析2.2.1 平均空气温度

根据ENVI-met软件模拟结果所得数据，剔除建筑物范围气温后，获得下垫面层范围内平均温度，结果如图3所示，不同时间不同种类沥青混凝土路面的温度变化量如表3所示，每类路面温度变化量均为该类路面温度减去上一类路面温度。其中，A表示完全不透水沥青混凝土路面，B表示10%空隙率透水沥青混凝土路面，C表示20%空隙率透水沥青混凝土路面，D表示涂反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面。

如图3(a)～(c)所示，夏季随着透水路面空隙率的增加，同一时间段的平均空气温度呈现近似线性的下降趋势，在该微区域中，20%空隙率透水沥青混凝土路面平均空气温度在3个时间段比完全不透水沥青混凝土路面平均低0.28 ℃。涂反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面平均空气温度在14:00时下降较明显，较完全不透水沥青混凝土路面低0.49 ℃，但随着太阳辐射减小，其降温效果下降，在22:00时较20%空隙率透水沥青混凝土路面平均空气温度高0.06 ℃。

如图3(d)～(f)所示，冬季随着空隙率的增加，同一时间段的平均空气温度仍呈近似线形的上升趋势，该微区域中，在3个时间段，20%空隙率透水沥青混凝土路面平均空气温度比完全不透水沥青混凝土路面平均高0.12 ℃。而涂反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面平均空气温度比20%空隙率透水沥青混凝土路面下降明显，在14:00下降0.41 ℃，18:00下降0.30 ℃，22:00下降0.27 ℃。

2.2.2 空气温度分布

将所得空气温度数据进行梯度划分，针对不同时间不同起始温度采取不同的起始点及温度梯度，对于不同路面同一时间同一起始温度采用相同的起始点与温度梯度，分析微区域空气温度分布情况。

表3 不同季节不同时段不同路面的温度变化 (单位: ℃)

利用ENVI-met软件所得到的夏季温度分布如图4所示，从图中标记部位能够看出较为明显的温度变化，尤其涂反射层的20%孔隙率透水沥青混凝土路面对于夏季高温情况的改善作用非常明显。为进一步探究路面铺装对于温度分布的影响，以2 ℃为梯度将区域网格按所处温度范围划分，各温度梯度范围内区域面积统计汇总如图5所示，其中，A表示完全不透水沥青混凝土路面，B表示10%空隙率透水沥青混凝土路面，C表示20%空隙率透水沥青混凝土路面，D表示涂反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面。

图4 不同路面不同时段夏季气温分布(单位: ℃)Fig.4 Distribution of summer temperatures on different pavements at different time periods (unit: ℃)

图5 不同路面不同时段夏季各温度梯度范围面积汇总Fig.5 Summary of area of each temperature gradient range on different pavements at different periods in summer

图6 不同路面不同时段冬季气温分布(单位: ℃)Fig.6 Distribution of winter temperatures on different pavements at different time periods (unit: ℃)

根据图5中数据，在14:00时间段，随着空隙率增加，微区域最高温度基本保持不变，但最高温度梯度范围所占面积随空隙率每增加10%平均下降1.1%；最低温度随空隙率增加而下降，空隙率每增加10%温度平均下降0.24 ℃，最低温度梯度范围所占面积平均上升123.4%。涂反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面最高温度较20%空隙率透水沥青混凝土路面上升0.9 ℃，但最高温度梯度范围所占面积下降9.1%；最低温度下降1.0 ℃，最低温度梯度范围所占面积上升510.0%。随时间推移，总体变化趋势不变，但变化幅度降低。

图7 不同路面不同时段冬季各温度梯度范围面积汇总Fig.7 Summary of area of each temperature gradient range on different Pavements at different periods in winter

所得冬季温度分布如图6所示，从图中标记部位能看出较为明显的温度变化，与夏季温度下相比，温度范围变化的幅度明显降低。同样以2 ℃为梯度将区域网格按所处温度范围划分，各温度梯度范围内区域面积汇总如图7所示。根据图7中数据，在22:00时间段，随着空隙率增加，微区域最低温度上升，平均上升0.18 ℃，最低温度梯度范围所占面积平均下降26.4%，最高温度及最高温度梯度范围所占面积变化较小。涂反射层的20%空隙率透水沥青混凝土路面最高温度及最低温度较20%空隙率透水沥青混凝土路面变化不大，但最低温度梯度范围所占面积平均上升75.7%，最高温度梯度范围所占面积变化不大。

2.2.3 微气候变换对环境指标影响分析

夏季空气温度的降低与冬季空气温度的升高，将有效减少夏季制冷及冬季供暖所带来的碳排放及能源消耗。根据已有研究表明[17-18]，夏季气温每降低0.1 ℃，相同室内温度下制冷造成的能源消耗平均降低0.74%。冬季气温每升高0.1 ℃，相同室内温度下供暖带来的能源消耗平均降低0.32%。以本次研究对象为例，采用20%空隙率透水沥青混凝土路面后，夏季能源消耗平均可降低1.9%，冬季能源消耗平均降低0.80%。

北方地区发电及供暖均以燃煤为主，根据《中国建筑能耗报告2018》中的数据显示，黑龙江省最新的电网平均碳排放因子为0.776 9 kgCO2/(kW·h)，最新的采暖碳排放强度为56 kgCO2/m2。通过调查估计，研究对象每年夏季制冷造成的用电量约为每月250 000 kW·h，每月产生碳排放为194.23 t；冬季供暖面积约为23 800 m2，总共供暖5个月，平均每月供暖产生的碳排放为266.56 t。

采用20%空隙率透水沥青混凝土路面后，该地区夏季每月可减少碳排放3.69 t，冬季每月可减少碳排放2.13 t。可明显看出，使用透水沥青混凝土路面能够对能源消耗起到一定控制作用，从而进一步减少碳排放，有利于对环境的保护。

3 结论

以哈尔滨某高校校园环境为研究对象，采用软件模拟的方法，选取哈尔滨地区具有代表性的夏季高温与冬季低温天气。基于软件模拟的高度准确性的前提，对研究区域预设的不同沥青路面铺装方案进行微气候效应模拟分析，得出以下结论：

(1)ENVI-met软件能够通过修改下垫面的热物参数，模拟不同类型沥青路面的热物性质，从而模拟不同类型沥青路面对于微区域气候的影响效应。同时，ENVI-met软件的区域模型可调性较高，最高可覆盖城市中心范围。

(2)通过分析模拟出的微区域气候环境特征，可知透水沥青混凝土路面对于气候环境具有一定的改善作用。在透水沥青混凝土路面改善热岛效应方面，随着空隙率的增加，除降低微区域平均空气温度外，还能起到减少局部高温面积的功能。针对沥青路面有损害作用的低温环境，透水沥青混凝土路面仍然具有一定的改善功能，随着空隙率的增加，平均空气温度上升，低温区域面积减小显著。

(3)通过对微区域气候的改善作用，透水沥青混凝土路面能够起到控制能源消耗的作用，并进一步减少碳排放，对环境保护有着重要意义。

(4)反射层作为损耗较严重的冷路面技术，对热岛效应有着较好的缓解作用，但会加重局部的极端高温。同时，针对哈尔滨一类北方城市，反射层在冬季会进一步加重区域局部低温情况。在应用时，可通过控制反射层涂装时间达到较好的应用效果。