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城市空间格局中通风走廊的设计探究

添加时间:2018/08/13
  摘要:本次研究在充分的气象、污染物等信息采集基础上, 通过GIS评估沈阳市风环境气候特征。重点分析沈阳市大气污染物分布情况、城市下垫面的粗糙度、热岛效应及城市风场等。明确沈阳污染物分布的突出地区, 风的主要来源和主导风向, 以及风在城市内部流通情况, 梳理出沈阳中心城区潜在的通风廊道, 并提出通风廊道系统空间布局的基本构想。
  
  关键词:风环境; 综合评估; 通风廊道; 沈阳;
  
  Study on Planning Strategy of Ventilation Corridor in Shenyang
  
  Abstract:Based on the full collection of meteorology, pollutants and other information, this study assessed the wind environment and climate characteristics of Shenyang City through GIS. The analysis focused on the distribution of atmospheric pollutants in Shenyang, the surface roughness of cities, heat island effects, and urban wind fields. This paper identifies the prominent areas where pollutants are distributed in Shenyang, the main source of wind and the prevailing wind direction, as well as the circulation of wind inside the city, sorts out the potential ventilation corridors in the central city of Shenyang, and proposes the basic concept of the spatial layout of the ventilation corridor system.
  
  Keyword:wind environment; comprehensive assessment; ventilation corridor; Shenyang;
  
  0、引言
  
  随着沈阳城市规模的不断扩大, 城市负荷加重, 城市环境质量随之下降, 城市热岛、雾霾等空气污染问题日渐频繁, 严重影响人居生态环境品质。城市中心区建筑密度提高增加了城市下垫面的粗糙度, 降低了城市街区内部的空气流通效率, 恶化了城市局部地区的通风环境, 增强了城市热岛, 通风廊道虽然对大尺度区域气候环境影响较小, 但对于促进城市空气循环, 降低空气污染, 改善城市尺度的风环境, 特别是舒缓夏季的热岛效应, 减低冬季雾霾发生的频率, 能够起到一定的积极作用。因此, 急需通过沈阳城市风廊道规划研究, 进一步有效缓解城市热岛效应与空气污染, 改善沈阳空气环境质量, 完善城市自然生态网络, 加速形成点、线、面绿化系统与通风走廊结合的城市空间格局, 推进改善和优化城市空间布局形态, 优化城市开敞空间系统。
  
  1、概念界定
  
  1.1 通风廊道的定义
  
  通风廊道即风的通道, 也通常被称为通风道、空气引导通道, 是指空气动力粗糙度较低、气流阻力较小的区域。本研究定义的“城市通风廊道”是指在城市建成区及近郊区环境中, 为城市近郊区新鲜空气进入城市内部提供条件, 利于大气环流, 改善城市气候及空气质量的地区。
  
  1.2 通风廊道组成
  
  德国学者克雷斯将城市通风廊道系统分成作用空间、补偿空间、空气引导通道 (风道) 三个部分。作用空间指需要改善风环境或者降低污染的地区;补偿空间指产生新鲜空气的来源地区;风道指空气由补偿空间引导至作用空间的连接通道。
  
  2、风环境气候功能评估
  
  2.1 城市风环境基础研究
  
  2.1.1 地面风场风向频率
  
  沈阳地区非采暖季主导风向为南、西南, 采暖季主导风向为北、西北风, .从月份看, 2-6月、9月均盛行西南风;8月、10-12月多东北东风;沈阳地区静风频率偏高为14.2%;从季节变化看, 采暖季静风频率最高。
  
  2.1.2 地面风速演变规律
  
  夏季平均风速大于冬季平均风速, 春季最大, 夏季最小。年、季小时平均风速日变化趋势基本相同, 都呈单峰型。全年小时平均风速从早晨6点起随着太阳高度角的增大而逐渐增大, 午后14点平均风速达到最大, 随后小时平均风速逐渐下降, 至凌晨04、05时最小。通过城市风场模拟分析, 冬、夏两季盛行风进入城区后, 由于建筑的阻挡, 风速和风向都发生很大的变化。
  
  2.1.3 城市风源分析
  
  沈阳地区夏季风源主要为渤海海陆风---南风、西南风的影响最大;同时也受到长白山体风的作用, 次主导风向为东风、东北风和东南风。冬季风源主要受蒙古高原干冷的空气源源不断地从北、西北两向侵入沈阳市, 同时受到海洋和长白山地的作用, 北风、东风交替作用。
  
  2.2 热岛效应分析
  
  从00-15年间沈阳建成区热岛分布情况看, 由“总体分散、局部加强”逐渐向“全面恶化、成片增强”转变的趋势。
  
  2.3 空气质量分析
  
  2.3.1 区域大气污染分析
  
  利用Models-3模式系统对辽宁中部地区的大气污染分布进行了数值模拟的结果, 分析大气污染物的时空分布特征。为了解污染物浓度的整个区域分布状况, 分别绘制出了SO2, NO2, PM2.5的浓度分布。辽宁中部地区污染已形成区域连片、交叉影响的态势。
  
  2.3.2 中心城区污染场分析
  
  通过跟踪沈阳一年以来AQI监测数据, 对沈阳市内的污染物浓度分布按春、夏、秋、冬四个季节进行数值模拟。
  
  总体上污染扩散方向受风向的影响, 四个季节的污染扩散都呈南北分布。冬季扩散的范围小, 春季、秋季扩散的范围大。对比季平均风向、风速和污染物浓度的季平均分布, 污染物扩散的方向、范围和平均风向、风速保持着一致。这说明平均风向和风速直接决定着污染物扩散的方向和范围。
  
  2.4 风流通潜力评价
  
  2.4.1 地表粗糙度
  
  地表粗糙度是反映地表起伏变化的指标, 鉴香港经验, 选取粗糙度 (即描述城市地面层对风的摩擦阻碍作用的程度) 作为评价指标, 将建筑布局、建筑高度、建筑迎风面宽度等要素纳入迎风面积密度公式计算, 完成城市通风效能评价。将全市粗糙度分为四级, 一级为通风良好地区, 二级为通风较好地区, 三级为通风一般地区, 四级为自然通风环境较差地区。通过分析可以得出:城市通风条件由外向内逐渐恶化;三环外地区由于建筑量较小, 总体来看相对较好;三环内老城区相对较差, 尤其是二环内的金廊沿线、长白、小浑南、铁西老城区、太原街及方城周边地区。
  
  2.4.2 城市道路通风性能评价
  
  考虑城市道路是风道系统的重要构成要素, 为此根据城市道路走向与冬、夏两季主导风向的夹角大小开展城市道路通风性能评价。主要分为很一致 (0~15°) 、较为一致 (15~30°) 、基本一致 (30~45°) 、不一致 (45~90°) 四种。冬、夏两季道路中风流通的顺畅性较差, 在二环内均出现转折截断、不连续的现象, 通风效率不高。夏季, 东西走向的路网与主导风向较一致。与浑河平行道路与主导风向较一致;冬季, 北部与哈大客专走向一致的道路开口方向应该重点加强控制, 以保证冬季北部主导风的进入。
  
  2.4.3 开敞空间
  
  中心城区为“东部青山半入城”的大生态格局, 现状开敞空间主要为浑河、蒲河等生态廊道以及三环防护绿带、环城水系等环状绿带及铁路沿线。大型公园绿地多分布在河流水系周边。西南、西北楔状绿地位于城市盛行风向和频率较高的风向上, 成为城市新鲜空气的主要源头, 从而初步得到城郊边缘地带楔状绿地---西南、西北楔状绿地通风系统, 将鲜风生成区的新鲜空气通过河道、林带、道路引入主城区。城市内部大型绿化广场、公园、水面也是城市内部良好的新鲜空气生成空间。浑河、蒲河、沈抚灌渠、卫工明渠、东部环城水系与城市的主导风向一致, 可构成风道的主要开敞空间。
  
  3、风环境气候综合评价---潜在通风廊道
  
  根据以上风场分析、热环境分析、污染物空间分布及风流通潜力分析, 对影响城市风环境气候的各种要素赋以权重并进行GIS叠加, 得到沈阳市风环境气候综合分析图。共划定出5个类区。进一步可提出通风廊道的潜在区域。
  
  Ⅰ类区 (三环外) :沈阳西北楔、西南楔、南及背北生态区域等较为适合做为廊道的生态补偿区;
  
  Ⅰ类区 (三环内) :较为适合风道的首选地区, 也可做为城市内部的生态补偿区。
  
  Ⅱ、Ⅲ类区:在进行空间整理的基础上, 可做为潜在风道区域。
  
  Ⅳ、Ⅴ类区:污染及热岛现象严重, 是整个通风廊道系统的作用地区。
  
  图1 沈阳市风环境气候综合分析图
  
  4、通风系统空间布局构想
  
  4.1 区域通风系统总体空间布局
  
  4.1.1 宜采用东西方向带状组团式城市形态
  
  沈阳未来的城市拓展形态宜采用东西方向为主、南北收缩控制的带状组团式结构, 这种结构更有利于城市风场的畅通性, 做到冬季有效疏解城区内部污染、夏季引绿入城。
  
  4.1.2 传统产业空间宜向西带状发展
  
  作为城市污染指数最高的冬季, 主导风向下, 城市西部受污染扩散及影响较小, 本研究认为西部地区相对而言更适于布置传统工业。沈北、浑南地区不得布置易产生污染的产业用地。沈抚连接带位于城市东部 (东北部、东南部生态敏感区之间, ) 大气环流规律复杂, 上空大气已具有形成连片的区域污染带的趋势, 适于发展生态友好型产业。
  
  4.1.3 区域范围内应重点控制西南、西北、北部及南部生态空间
  
  图2 区域通风系统框架图
  
  4.2 城市通风系统总体空间布局
  
  4.2.1 通风系统空间结构布局
  
  基于沈阳风环境气候功能评价, 结合《沈阳市绿地系统规划》、《沈阳市结构性绿地控制规划》、《沈阳市生态保护红线》等分别划定沈阳市通风廊道系统的补偿地区、作用地区、风道地区。在中心城区形成“6大通风廊道 (主要) 、4大补偿区、3大作用区”的通风系统框架。
  
  4.2.2 补偿地区布局规划
  
  补偿地区按照改善气候环境质量效应分为两级:
  
  (1) 一级补偿地区布局。
  
  一级补偿地区内的风阻降低, 如大部分地区为自然植被所覆盖, 或面积较大、周边地势开阔的水体等。一级补偿地区属于生态效应明显且风流通道潜力良好的区域, 具有重要的气候价值, 其气候环境应尽可能予以保存。规划共形成四大“一级补偿区”, 即:西北楔补偿区、西南楔补偿区、北部补偿区、南部补偿区。四大“一级补偿区”呈楔形, 也是沈阳的主要风口, 为城市内部和外部通风廊道的建立奠定了基础。
  
  (2) 二级补偿地区布局。
  
  二级补偿地区为调节局部区域空气质量平衡的区域, 即主城内部规模达到10公顷以上的绿地, 主要以均匀分布在作用区之间的水体、绿地等对周边热岛强度、污染物浓度具有缓解作用的地区, 包括环城水系、北陵公园、中山公园、森林公园等。
  
  4.2.3 作用地区布局规划
  
  (1) 集中商业区:主要集中分布在二环内太原街地区、中街-小东路地区、金廊两侧地区等中心区, 均已形成集中连片的商业区, 二、三环之间围绕居住用地零散分布配套的商业服务设施用地。
  
  (2) 高密度居住区:主要集中分布在三环内以及浑南新区、沈北新区等外围新城地区。
  
  (3) 工业区:主要集中分布在三环外的铁西新城、沈北新区的虎石台及辉山经济开发区, 三环内主要集中于大东汽车产业新城及浑南主城范围内。
  
  4.2.4 通风廊道规划布局
  
  结合沈阳市风向风频, 依托生态绿地、河流、铁路、道路等预留足够的绿化开敞空间, 构建“西一、北二、南三”6条城市主要通风廊道。是全市通风廊道网络的核心, 是形成风环境的重要廊道, 呈现分散状态;主要走向为西南向、西北向、北向及南向。
  
  图3 中心城区6条通风廊道布局图
  
  5、结论
  
  本次提出了沈阳市通风廊道研究思路及方法。从构建理论及典型案例分析入手, 开展风环境气候功能评估, 结合模拟城市主导风向, 进行风环境气候综合评价, 并进一步选取潜在通风廊道, 最后提出通风廊道系统初步构建空间布局。
  
  由于数据的局限性, 对于分析结论有待校验;通风廊道的筛选与构建下一步应该通过计算机进行全市范围的模拟演算;各个廊道的控制引导要求需在模型校验的基础下, 进一步精细化引导;深化研究城市内部二级通风廊道及社区级通风廊道空间布局。
  
  参考文献
  
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  [2]李锟, 余庄。基于气候调节的城市通风廊道探析[J].自然资源学报, 2006:06.  
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  [4]刘姝宇, 沈济黄。基于局地环流的城市通风廊道规划方法--以斯图加特市为例[J].浙江大学学报 (工程版) , 2010:10.