城市主城区立体模型的构建与风环境模拟以广州(4)

尽管所建模型能很好地辨识出不同的风道,但不同风道由于空间尺度、走向、高度以及在主城区所处的位置不同,所发挥的功能及其对城市的通风作用仍需要进一步研究。

4.3 背风区影响明显

无论是弱风还是强风,白云山、珠江新城等巨大的地形或建筑单元形成的背风区条带在3个高度面上表现明显,反映了城市尺度宏观地形对风场的影响,以及地形与建筑物之间的相互作用。东南风向下近地面10 m高度风速拼接云图,白云山西侧形成西南东北走向,约10×3 km的背风条带,在25 m高度表现得较为明显,表现了300 m高度的白云山在东南与西北风风向下对主城区的影响。正是由于东南风时白云山背风区的影响,总体上使得东南风下白云山西侧风环境弱于西北风。相反,西北风下,紧邻白云山东南的主城区建筑密集区就处于风影之中。同样,作为整个城市屋脊的珠江新城(94—205 m)背风区,也随着风向发生变化,影响来流下方的风环境。东南风下,背风区影响越秀区域,西北风下风影处在珠江上空。类似地,面积小、高度中等的地形或建筑单元也可形成面积较小的背风区。在50 m高度,北部白云山丘陵形成的背风低速条带与高速通风廊道均与来流平行绵延数公里,交错平行分布,形成了城市尺度风场空间格局的显著特点(图4)。

4.4 主城区风速周边与内部差异大

在迎风区或者背风区的气流恢复区是整个城市通风环境最好的地区,弱风条件下外围在0.5 m/s以上,盛行风下外围在5 m/s以上。相反城市内部,除了面积较大的白云山南侧的公园绿地以及与盛行风走向平行的珠江段,其他区域与风道风速均低于来流。该特点在3个高度面上均有体现。核心区珠江新城为城市屋脊;老城区及其珠江新城周边,高度次之;边缘区的白云山西侧、海珠湿地及其周边,建筑密度小,高度低。因此,城市高度与密度由中心向四周递减的特征,造成了主城区内外的风速差异(图3、图4)。

4.5 风道风速强烈依赖风道走向

为进一步量化风道走向与风速两者之间的关系,选取近地面10 m高度69条具有代表意义的城市通风廊道,通过ArcGIS平台识别走向与主导风向的夹角。在风道中线上,除首尾两个采样点外,每隔500 m取一个采样点。风道长度小于500 m的首尾两端和中点选取3个采样点,取采样点的平均风速作为该条风道的风速。结果表明,西北风和北风风向下风道风速与走向呈三次函数递减,拟合优度R2为0.512。风道走向同风向一致时,发挥的通风效果最好,夹角在30°以上,通风效果明显减弱并保持相对稳定(图5)。上述发现与前人研究一致[41-42]。而东南风R2只有0.144,原因有待深入研究。

图5 风道走向与风速间的关系Fig.5 Relationship between wind channel direction and wind speed

5 结论与讨论

(1)以40 m建筑间距、容积高度和垂向拔高为建模特色概括构建城市模型。模拟结果很好地呈现了城市尺度宏观地形和建筑单元相互间的作用特征,反映了城市尺度模型构建与模拟的优势。通过城市三维建模、网格划分、参数设置,所探索的基于工作站面向CFD进行城市尺度中性流条件下风道辨识与风环境模拟的技术路线,将有助于丰富风道规划的方法与理论。

(2)可以辨识出不同平面形态、不同风速等级以及不同高度面的风道。除了以地面作为高度面的风道外,还存在以9 m(三层)到25 m(七层)楼顶面作为高度面的风道。50 m高度由白云山丘陵形成的风道明显。白云山、珠江新城等地形或建筑单元形成高地,无论是弱风还是盛行风,在不同高度上形成了明显的背风区条带,影响下游的风环境。北部丘陵形成的背风低速带与通风走廊高速带与盛行风平行长达数公里,交错平行分布,成为城市尺度风场空间格局的显著特点。在不同高度上,广州市风速由周边向中心降低。

(3)西北风和北风风向下风道风速与走向呈三次函数递减,拟合优度R2为0.512,这对于城市风道规划,具有重要的参考价值。

在弱风条件下,在近地面10 m高度整个广州市主建成区的风速基本在0.8 m/s以下,风道风速基本低于0.35 m/s,且风道之间差异小。这对于全年基本处于弱风或静风状态的广州市,城市风环境具有极大的生态风险。风道规划中,风道多高度面的存在、风速由边缘向中心递减,以及白云山与建筑单元所形成的背风区的特点必须是风道规划中需要考虑的问题。

本文的技术路线,受制于目前计算机硬件水平,对白云山的地形采用了四级台阶的简化,没有精确的反映坡面立体形态,未来研究中可以更加精细地构建城市立体形态,以提高模拟精度。

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