曹利娟，楊英寶，張寧寧，柳小濤

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

綠地對居住區(qū)熱環(huán)境的改善效果研究

曹利娟1，楊英寶1，張寧寧1，柳小濤1

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

以城市居住區(qū)為研究對象，運(yùn)用微氣候模型ENVI—met的流體模擬手段分析綠地對居住區(qū)熱環(huán)境的改善效果，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。在驗證模擬結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，設(shè)計幾種改善方案進(jìn)行模擬對比。結(jié)果表明，改變綠化類型、增加綠化面積和屋頂綠化，對居住區(qū)熱環(huán)境具有不同的改善效果。

居住區(qū)熱環(huán)境；綠地；模擬；ENVI-met

大規(guī)模的生產(chǎn)改造引發(fā)的城市污染、熱島等環(huán)境問題，給城市居民的生活質(zhì)量和身體健康帶來嚴(yán)重威脅。其中，城市熱島不僅會增加城市能源消耗，還會導(dǎo)致地球海平面上升，對城市居民的生活產(chǎn)生諸多不利影響[1]。有數(shù)據(jù)表明，夏季城市溫度每升高1 ℃，降溫能耗就要增加2%～4%[2]。

綠地是改善城市熱環(huán)境的主要手段之一[3-5]。袁偉紅等研究表明，綠化覆蓋率高于47．5%時，能保證城市具有最佳的熱島效應(yīng)值[6]。高峻等指出，綠化覆蓋率低于40%時，綠地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間布局對周圍環(huán)境溫度的影響尤為重要[7]。劉艷紅等對城市中5類常見的綠地空間格局進(jìn)行模擬，得出楔狀格局具有較好的熱環(huán)境效應(yīng)，而環(huán)狀格局最弱[8]。就不同綠化類型，陳宏等認(rèn)為建筑外壁綠化對于降低建筑物外壁表面溫度、室外空氣溫度以及平均輻射溫度有著積極的影響[9]。Pompeii II就綠色屋頂對整個城市熱環(huán)境的影響進(jìn)行了研究，得出綠色屋頂可以使室內(nèi)外溫度分別降低1．77 ℃和0．24 ℃[10]。關(guān)于城市綠地的研究很多，但關(guān)于綠地對居住區(qū)熱環(huán)境影響的研究卻比較少。

本文以城市居住區(qū)為研究對象，結(jié)合LiDAR數(shù)據(jù)和CFD模擬手段，就綠化面積、類型和屋頂綠化進(jìn)行方案設(shè)計和模擬，揭示居住區(qū)不同綠地因子對小區(qū)熱環(huán)境的影響方式、強(qiáng)度與空間差異，實(shí)驗結(jié)果將對居住區(qū)規(guī)劃起到指導(dǎo)作用。

1 研究方法

本文采用基于計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）原理設(shè)計的ENVI-met軟件進(jìn)行綠地對城市居住區(qū)溫度影響的研究。本文的研究思路如下：①從LiDAR數(shù)據(jù)中獲取居住區(qū)建筑物的高度，這是在微氣候軟件ENVI-met建立三維物理模型時重要的輸入?yún)?shù)；以高分辨率航空影像作為底圖，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，導(dǎo)入到微氣候軟件ENVI-met中建立真實(shí)的居住區(qū)三維模型。②利用實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，并對輸入?yún)?shù)進(jìn)行調(diào)整，找出適合該研究區(qū)的參數(shù)條件，驗證模型模擬精度。

在小區(qū)一定綠化面積的基礎(chǔ)上，從綠化面積、類型、和屋頂綠化等方面設(shè)計不同的模擬方案，分析綠地面積、類型和屋頂綠化對熱環(huán)境的定量影響，探討最適合該居住區(qū)的改善方式。技術(shù)路線如圖1。

圖1 本文技術(shù)路線

1.1 研究區(qū)概況

丹佛小鎮(zhèn)位于南京江寧開發(fā)區(qū)，坐落于金智路東側(cè)，總建筑面積12．8 hm2，占地面積8 hm2，由10多棟小高層組成。該住宅區(qū)樓房是典型的中高層建筑，內(nèi)部建筑多為住房，其中有一個幼兒園、一個菜市場；研究區(qū)南部為高層住宅，東部為密集的低層住區(qū)。研究區(qū)綠化多以低矮的草坪為主，灌木很少，高大植株也比較少。研究區(qū)的東南角空地為裸露地表，沒有水體景觀。研究區(qū)LiDAR圖與三維模型圖如圖2。

圖2 研究區(qū)域

1.2 模型校正

為了對微氣候模型ENVI-met進(jìn)行可靠性驗證，必須結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。本次觀測時間為2013-06-12 10：00～2013-06-13 12：00，每隔1 h讀取一次數(shù)據(jù)，觀測項目包括1．5 m高度的大氣溫度、相對濕度，2 m高度的風(fēng)速。以10：00的觀測數(shù)據(jù)及收集的氣象數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)，對區(qū)域進(jìn)行微氣候模擬，并且按照實(shí)際觀測點(diǎn)的分布，在模型中所對應(yīng)的位置設(shè)置監(jiān)視器，記錄該點(diǎn)不同高度在時間維度上的模擬數(shù)據(jù)。在區(qū)域設(shè)置7個實(shí)際觀測點(diǎn)，涵蓋建筑物外圍、道路、2棟建筑物之間、空曠地區(qū)、草地等有代表性的地點(diǎn)。

1.2.1 參數(shù)設(shè)計

由于軟件中原始參數(shù)默認(rèn)值并不適合本研究區(qū)域，要結(jié)合實(shí)際情況對參數(shù)作一些修正，如表1。

表1 模型的默認(rèn)參數(shù)值與修正參數(shù)值

1.2.2 修正后模型模擬結(jié)果與實(shí)測分析

利用校正后的輸入?yún)?shù)對研究區(qū)進(jìn)行模擬，7個監(jiān)測點(diǎn)在13日12時的實(shí)測溫度與模擬溫度對比如圖3。

從圖3得出，對軟件默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行修正之后，運(yùn)用ENVI-met軟件進(jìn)行模擬的結(jié)果與實(shí)測值平均溫差0．447 K，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．952。由于其他氣象因素的影響，使監(jiān)測點(diǎn)的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有一些小的差距。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測溫度與模擬溫度對比

1.3 方案設(shè)計和模擬

在小區(qū)一定綠化面積的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計3種模擬方案：①在已有的一定綠化面積的基礎(chǔ)上，用落葉樹、灌木和草地代替綠化現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，對比分析相同面積的不同綠化類型對小區(qū)熱環(huán)境的定量影響。②在綠化現(xiàn)狀周圍增加一定面積的不同綠化類型，對比分析增加相同面積的不同綠化類型對小區(qū)熱環(huán)境的定量影響。③分別用草地和灌木對小區(qū)的樓房進(jìn)行100%屋頂綠化，分析屋頂綠化對小區(qū)熱環(huán)境的影響，具體方案如表2。

2 實(shí)驗結(jié)果和分析

2.1 不同方案模擬結(jié)果

運(yùn)用校正后的模型對表2各方案進(jìn)行26 h的模擬，模擬時間從2013-06-12 10：00～2013-06-12 12：00，分析對比7個監(jiān)測點(diǎn)在12時的空氣溫度分布。

圖4 不同方案溫度模擬對比圖

從圖4可以看出，用落葉樹代替綠化現(xiàn)狀和在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上增加10%的樹木溫度改善效果較明顯，用灌木代替綠化現(xiàn)狀和增加10%的灌木這2種方案的改善效果次之，而用草地代替綠化現(xiàn)狀、增加10%草地和進(jìn)行100%屋頂綠化對于溫度的改善幾乎沒有影響。不同綠化方案對環(huán)境改善的定量效果如表3。

表2 方案設(shè)計

表3 不同綠化方案對熱環(huán)境的定量改善效果

增加綠地面積、改變綠化類型、進(jìn)行屋頂綠化等對小區(qū)的熱環(huán)境都有改善作用，但它們有著量的區(qū)別。綠化現(xiàn)狀大都是草地，所以在草坪周圍增加10%的草地對于小區(qū)的溫度幾乎沒有影響。增加同等面積的樹木，小區(qū)溫度平均降低了0．85 K，其中3號監(jiān)測點(diǎn)的平均溫度降低了1．3 K。而增加10%的灌木時，改善效果只有0．24 K，不及樹木明顯，說明在原有綠化基礎(chǔ)上增加與現(xiàn)狀不同的綠化類型，即混合綠化類型可以有效改善小區(qū)熱環(huán)境。樹木由于加快了高空中的氣體流動，且在地表形成較多的陰影區(qū)，使得改善效果比低矮的灌木更明顯。分別用草地和灌木對小區(qū)所有樓房進(jìn)行100%屋頂綠化實(shí)驗，模擬得出屋頂綠化對于溫度的改變僅有0．06 K和0．12 K，但小區(qū)的風(fēng)速卻增大了，1．5 m高處的風(fēng)速分別增加了0．07 m/s和0．12 m/s，預(yù)計屋頂綠化對于室內(nèi)溫度的影響較明顯。

2.2 模型校正的重要性

ENVI-met軟件運(yùn)行中所運(yùn)用的很多參數(shù)都是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件設(shè)置而成，要想將其用于南京市的研究，必須針對研究區(qū)域建立合適的參數(shù)。采用控制變量的方法，逐一改變參數(shù)并加以實(shí)驗，找出靈敏度高、適合研究區(qū)的參數(shù)。從圖2可以看出，用初始參數(shù)進(jìn)行模擬時，模擬溫度比實(shí)際溫度高，且無相關(guān)性，而用已校正模型計算的溫度與實(shí)際溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，且誤差僅有0．4 K左右，可以很好地滿足實(shí)驗要求。

2.3 周圍環(huán)境對方案降溫效果的影響

監(jiān)測點(diǎn)處的熱環(huán)境是相鄰建筑、景觀和復(fù)雜下墊面相互作用的結(jié)果。在研究區(qū)域的不同位置分別選取涵蓋建筑物外圍、道路、兩棟建筑物之間、空曠地區(qū)、草地等有代表性的地點(diǎn)設(shè)置7個監(jiān)測點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗分析可得，同等設(shè)計方案下，7個監(jiān)測點(diǎn)的降溫效果不同，風(fēng)速改變量也有明顯區(qū)別。對于1號監(jiān)測點(diǎn)，由于處于3棟建筑物的封閉區(qū)，通風(fēng)效果不好，所以各方案的實(shí)施對此處的影響并不是很明顯；而3、4號監(jiān)測點(diǎn)由于處于廣闊區(qū)域，無障礙物遮擋，各種方案的實(shí)施對2點(diǎn)處的風(fēng)速和溫度影響都比較明顯，靈敏度比較高。

3 結(jié) 語

相對于綠地面積的影響，綠地類型對居住區(qū)的影響更大。相同面積的灌木和落葉樹，較草地而言可使空氣溫度降低0．54 K和0．71 K左右；而屋頂綠化對于研究區(qū)這樣中高層小區(qū)的室外溫度改善并不適用，無顯著效果。實(shí)驗結(jié)果也說明，在城市居住區(qū)進(jìn)行綠地規(guī)劃的過程中，要盡量避免使用單一的草地進(jìn)行綠化，

應(yīng)該和其他類型如灌木和成熟落葉樹一起配置，使相同面積下綠地對城市熱環(huán)境的改善效果更明顯。

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P237.9

：B

：1672-4623（2016）02-0015-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.005

曹利娟，碩士，主要從事遙感圖像處理及城市熱環(huán)境形成機(jī)制、動態(tài)模擬研究。

2015-01-13。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41271538）。