城市主城区立体模型的构建与风环境模拟以广州

合理的城市通风廊道规划有助于缓解城市热岛效应及雾霾天气等环境问题。不同空间尺度风道的辨识与城市不同级别立体模型的概括密切相关[1-3]。因而,探讨在城市立体模型概括构建的基础上,基于计算流体力学软件(CFD)模拟中性流条件下的风环境,并辨识不同空间尺度风道,将有助于丰富风道规划的方法与理论。

在风道的辨识研究中,主要有 GIS+RS、迎风面密度(λf)与动力粗糙度(z0),以及CFD和中尺度气象模式(MM5)等多种方法,最近也出现了最小成本路径(LCP)法[4-5]。通过土地利用、建筑、地形以及遥感影像等多种数据叠加,运用风洞试验和数值模拟等多种研究方法,由相互验证来辨识风道,已成为目前研究的主流[6-11]。Ng[12]在确定香港风道时,分析了不同高度的λf,利用MM5进行风环境模拟,选取小区域在CFD平台下进行建筑物拆建前后风场的对比分析。香港风道规划所采用的技术路线深刻地影响了后来武汉、重庆、深圳和福州等城市的风道规划。2012年武汉市用100 m格网计算λf,将武汉市风道分为宏观、中观和微观3个等级,并确定了重要风道口的数量及位置[13]。此外,配合雷达对城市风属性的监测,也成为风道规划中新的支撑手段[14]。Su[7]全面评价了风道在中国城市的应用,总结了城市风道辨识、评价和规划的技术路线。上述方法共同的特点是基于格网内z0或λf来确定风道。

同z0相比,由于λf指标相对统一,目前应用更加广泛。尽管如此,两个指标也有同样的不足。在确定风道时,格网尺度在100—200 m之间,是否存在最合适的风道格网尺度？两个指标计算时,一般采用建筑的相对高度,而对于地形复杂的城市,显然适用性差。考虑到建筑物之间得相互遮挡,计算时要选择相对独立的风场系统。而高大建筑物产生的回流与扰流往往会影响其他格网。受宏观地形的影响,城市内各格网的实际风向并不完全同盛行风一致,有些甚至会出现同盛行风相反的情况。最后,基于格网所确定的风道,要落实于规划实际并具有可操作性,从分辨率的角度,还有一定的距离。

因此,有必要寻找一种新的风道辨识的方法,使其具有具体的风道属性,并能进行风况的模拟验证,以指导风道的规划与应用。城市风道辨识与城市立体形态的概括密切相关。城市尺度立体形态建模城市研究的基础,也是城市尺度的风道模拟辨识与验证的重要途径。城市单体建筑物高度的概括目前还没有像地形那样相对统一成熟的方法。加上计算机性能的限制,城市尺度三维模型的表达概括及其模拟应用较少[15-20]。

围绕城市尺度风道研究的目标,为了突出主要矛盾,也没有必要考虑所有尺度的风道。风道有尺度等级,城市立体形态的概括也有尺度。城市尺度的立体形态对应城市尺度的风道,两者具有密切地联系。因此,如何将城市立体形态的概括构建与城市尺度风道的辨识有机地结合起来是目前城市通风廊道的研究中亟须解决的关键问题之一。

综上所述,以特大型城市广州为例,本文将城市立体形态的概括构建与风道的辨识有机地结合起来,以工作站作为平台,探索面向CFD构建城市尺度的立体模型的方法。在此基础上,模拟中性流条件下的风场,辨识不同空间尺度的风道,为城市规划以及城市宜居环境的优化提供科学依据。

1 数据来源与研究区概况

广州主城区单点建筑物高度与面属性数据源于对2015年地形图的矢量化与解译。根据谷歌影像上建筑物的阴影高度,将新增建筑物数据更新至2017年。研究区的数字高程模型(DEM)为5 m的等高距。基于ArcGIS平台,对上述多源数据进行配准校正,并解译相应时期的遥感影像统一建库。

本文所划定的广州市主城区是以珠江新城为中心半径约为12 km的范围,包括了整个海珠区、天河区以及白云区的大部分。主城区建筑用地密度高、车流量大、建筑高度高。外围区域建筑密度和高度低,水域、绿地和丘陵面积大,包括了北部的白云山、龙洞、火炉山等丘地,南部的珠江前后航道、海珠湿地、万亩果园等。建模范围南北22 km,东西21 km,面积约462 km2,包括了中部城市建筑密集区、北部白云山低丘以及平坦的东南部湿地三大地理单元,所建模型能反映城市建筑密集区与周边地形间风场的相互作用(图1、图2)。

图1 以40 m间距合并的立体模型的平面单元Fig.1 A plane element of a three-dimensional model merged at a distance of 40m

图2 建筑和地形综合的城市模型Fig.2 Urban model integrated with architecture and terrain

2 城市尺度立体模型的概括与构建

本文以40 m建筑间距作为风道宽度低限、用容积高度对建筑高度赋值和垂向拔高为建模特色,简化概括构建城市尺度的立体模型。

文章来源：《广州化工》 网址: http://www.gzhgzz.cn/qikandaodu/2021/0613/1551.html