， ，

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；3.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

0 引言

自2001年以來，霧霾問題逐漸成為嚴(yán)重困擾我國局部地區(qū)人們正常工作和生活的因素之一[1]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究表明，我國嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象在空間上呈現(xiàn)出東多西少的分布，主要的高值區(qū)集中在長江中下游、華北和華南這3 個(gè)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，其中京津冀地區(qū)為中國霧霾最嚴(yán)重的地區(qū)[2-3]。并且，我國霧霾現(xiàn)象還隨季節(jié)變化，其中冬季為霧霾最嚴(yán)重的時(shí)段，春秋季次之，夏季最少[4]。2016年入冬以來，河北多地空氣質(zhì)量“爆表”，石家莊市PM2.5指數(shù)超1 000。霧霾不僅對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害，還會(huì)對(duì)工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)、交通運(yùn)輸業(yè)等造成巨大的損失。為了治理霧霾，人們提出了許多措施，如企業(yè)排污治理、關(guān)閉某些重型污染企業(yè)、交通限行、建筑施工停止等等。其中有人建議控制城市樓房高度、規(guī)劃城市風(fēng)道，通過改善城市的通風(fēng)，來減小城市的霧霾。無論是針對(duì)舊城的改造，還是針對(duì)新城區(qū)的規(guī)劃，城市風(fēng)道的投入都十分巨大，而城市風(fēng)道的改善對(duì)城市通風(fēng)效果具體如何，目前尚缺乏定量的研究。本文利用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中關(guān)于風(fēng)速沿高度的分布規(guī)律，分析了城市建筑和城市風(fēng)道對(duì)風(fēng)速的影響。

1 城市風(fēng)道的概念

“城市風(fēng)道”也叫做“空氣引導(dǎo)通道”，是指空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度較低、氣流阻力較小的區(qū)域，在城市中，具有順應(yīng)城市主導(dǎo)風(fēng)向、下墊面粗糙度較低、綠化條件好等特點(diǎn)的空間都可以作為城市風(fēng)道的組成部分[5-6]，如水系、綠化帶、道路等。

在20世紀(jì)80年代德國卡塞爾大學(xué)Katzchner教授開始了“理想城市氣候”計(jì)劃研究，并且提出了在新區(qū)規(guī)劃中建立風(fēng)環(huán)境及風(fēng)流通系統(tǒng)的概念[7]。日本從20世紀(jì)80年代開始關(guān)注風(fēng)環(huán)境，并在2007年完成了“風(fēng)之道”研究報(bào)告[8]，詳細(xì)介紹了城市風(fēng)道。我國在城市風(fēng)道方面的研究始于20世紀(jì)80年代末，任超等[9]針對(duì)城市風(fēng)道在城市規(guī)劃中的應(yīng)用展開了詳細(xì)地討論，總結(jié)了城市風(fēng)環(huán)境評(píng)估與城市風(fēng)道設(shè)計(jì)策略，并就我國城市氣候規(guī)劃應(yīng)用現(xiàn)狀提出建議；李軍等[10]通過分析霧霾及其形成原因，認(rèn)為城市風(fēng)道是改善城市大氣環(huán)境低碳、生態(tài)、有效的手段，并基于此提出了相應(yīng)的城市風(fēng)道建設(shè)控制設(shè)計(jì)指引。除了理論研究以外，一些城市進(jìn)行城市風(fēng)道規(guī)劃建設(shè)的提議也見諸報(bào)道，例如2013年杭州市規(guī)劃、環(huán)保等部門研究，希望建一個(gè)“城市風(fēng)道”，通過城市風(fēng)道，把郊外的風(fēng)引入主城區(qū)，把空氣中的霧霾吹走；南京2014年年初通過了《南京大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，在江南和江北各規(guī)劃了3條通風(fēng)走廊，并計(jì)劃2015年年底劃定城市通風(fēng)廊道[11]。

除去作為城市風(fēng)道的河道和綠化帶本身的降溫的功能、以及由于風(fēng)道和周邊具有溫度差形成的空氣微循環(huán)之外，城市風(fēng)道對(duì)城市通風(fēng)的作用是假定在城外郊區(qū)有風(fēng)的情況下，城市風(fēng)道能減弱對(duì)風(fēng)的阻礙作用，使得空氣能夠吹進(jìn)或者貫穿城市，從而驅(qū)散城市空氣中的污染物，達(dá)到凈化空氣的目的。為了研究城市風(fēng)道的真實(shí)效果，需要明確兩個(gè)方面的內(nèi)容，其一是城市建筑能在多大程度上阻礙空氣的流通，或者說降低從市外吹來空氣流動(dòng)速度的程度；其二是城市風(fēng)道上風(fēng)速比非風(fēng)道上風(fēng)速的提高比例。城市風(fēng)道相當(dāng)于為城市開辟出一條“窄峽谷”，在風(fēng)道入口附近存在“峽谷效應(yīng)”，風(fēng)速急劇增大，但隨著城市風(fēng)道深度的增加，地面及兩側(cè)建筑群的摩擦效應(yīng)的影響越發(fā)突出，使得在風(fēng)道延伸至一定距離后，風(fēng)速基本上不再變化，“峽谷效應(yīng)”近似消失。因此針對(duì)第一個(gè)問題，利用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中關(guān)于地表粗糙度和風(fēng)速的規(guī)定，對(duì)城市風(fēng)道對(duì)城市通風(fēng)的影響進(jìn)行分析和探討。

2 風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律及規(guī)范規(guī)定

在大氣邊界層中，風(fēng)速隨地面高度增加而增大。當(dāng)氣壓場隨高度不變時(shí)，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度，通常認(rèn)為在離地面高度為300～550 m時(shí)，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，即達(dá)到了“梯度風(fēng)速”，該高度稱之為梯度風(fēng)高度HG[12]。從工程應(yīng)用的角度，風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律采用統(tǒng)一的風(fēng)速剖面，以開闊平坦地面上10 m高度處的風(fēng)速為基準(zhǔn)，梯度風(fēng)高度內(nèi)任意高度風(fēng)速與同高度的關(guān)系式如下

(1)

式中，v10為開闊平坦地面上10 m高度處的風(fēng)速；vz為高度z處的風(fēng)速；α為粗糙度指數(shù)。

建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定地表粗糙度分類和粗糙度指數(shù)如表1所示。

表1 地表粗糙度的分類

確定實(shí)際某區(qū)域的地貌類別時(shí)，可以通過實(shí)測(cè)數(shù)值，或者通過如下原則確定：以擬建房屋為中心、2 km為半徑的迎風(fēng)半圓影響范圍內(nèi)建筑物平均高度h來劃分地面粗糙度類別，當(dāng)h≥18 m，為D類；9 m≤h<18 m，為C類；h<9 m，為B類；海面、海島、海岸及沙漠地區(qū)為A類。影響范圍內(nèi)建筑物不同高度的面域確定原則：每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當(dāng)不同高度的面域相交時(shí)，交疊部分的高度取大者；平均高度取各面域面積的權(quán)數(shù)計(jì)算。

我國大部分地區(qū)出現(xiàn)的嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象都是中等尺度以上的天氣現(xiàn)象，但由于計(jì)算條件的限制，本文僅以某大城市中高樓相對(duì)密集的某小區(qū)為例進(jìn)行地面粗糙度類別的計(jì)算和劃分，選擇小區(qū)內(nèi)四邊街道環(huán)繞的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，其三維地圖如圖1所示。該研究區(qū)域有多層住宅8棟(圖右上)，30層住宅3棟(圖左上)，25層和30層連體住宅2棟(圖左下)，25層住宅5棟(圖下中3棟和左上2棟)，14層公寓1棟(圖右下)，供熱廠房2棟和多層的幼兒園、賓館各1棟。根據(jù)規(guī)范中的方法算得用于地面粗糙度劃分的建筑平均高度為10.5 m，屬于C類地貌，但是由于其平均高度較小，接近B類地貌的上限。

圖1 某小區(qū)三維地圖

3 不同地貌類別上風(fēng)速沿高度的分布

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)式(2)～式(5)，計(jì)算同樣高度處C類地貌同B類地貌上的風(fēng)速相對(duì)差別，和D類地貌同B類地貌上的風(fēng)速差別，見表2所示。

表2 C、D兩類地貌與B類地貌的相對(duì)風(fēng)速差

值得說明的是，規(guī)范中規(guī)定C類地貌和D類地貌剖面起始高度(C類15 m，D類30 m)以下的風(fēng)速均等于剖面起始高度處的風(fēng)速[13]，這里為了簡便說明問題，統(tǒng)一按照公式(1)計(jì)算，并未考慮剖面起始高度的影響。

4 建筑高度和城市風(fēng)道作用的探討

通過前面的分析可知，百米高度左右的住宅和多層住宅混合的區(qū)域，可以認(rèn)為是C類地貌(建筑平均高度接近B類地貌的上限)。即使是大城市，屬于D類地貌的區(qū)域也相對(duì)較少，因此這里僅討論B類地貌(城市外開闊平坦的田野鄉(xiāng)村和房屋稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn))和C類地貌之間的差別。

由表2可知，B類地貌和C類地貌之間風(fēng)速的差別隨高度的增加而減小。分別考察10 m、100 m、300 m處的風(fēng)速可知，將一座原本屬于C類地面粗糙度的城市的樓房全部搬除，變?yōu)樘镆班l(xiāng)村或者房屋稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(B類地貌)，上述3個(gè)高度處的風(fēng)速僅僅分別增大26.2%、13.3%、6.4%，可見局部改變樓房高度，對(duì)整體通風(fēng)效果的改善是十分有限的。

上述計(jì)算是根據(jù)規(guī)范，針對(duì)某個(gè)區(qū)域的整體平均風(fēng)速進(jìn)行的，在不改變?cè)搮^(qū)域地面粗糙度的情況下，局部樓房的改變(如開辟出城市風(fēng)道)，無法改變?cè)搮^(qū)域整體的風(fēng)速。

如果城市風(fēng)道在改善城市的空氣質(zhì)量方面能起有效作用，需要如下幾個(gè)前提：

(1)城市外有風(fēng)。對(duì)于華北地區(qū)若干次嚴(yán)重霧霾事件，整個(gè)區(qū)域都處于無風(fēng)狀態(tài)的情況，城市風(fēng)道不會(huì)有任何效果。

(2)如果城外的風(fēng)速足夠小，吹到城市里，在沒有城市風(fēng)道時(shí)，受到建筑的阻擋，風(fēng)速降低到低于驅(qū)動(dòng)污染空氣的風(fēng)速閥值，無法吹走污染空氣，而這時(shí)城市風(fēng)道將建筑的阻擋作用在一定程度上減弱(如表2所示)，來風(fēng)正好能吹走污染空氣，城市風(fēng)道起作用；如果城外的風(fēng)速足夠大，即使受到建筑物的阻擋依然能吹走污染空氣時(shí)(如冷空氣南下之時(shí))，城市風(fēng)道的作用也可忽略。

(3)污染源或者污染的空氣僅在城市里，城市外的空氣質(zhì)量是好的。如果污染源處于風(fēng)的上游，有風(fēng)時(shí)反而會(huì)將污染物吹進(jìn)城市。

通過上述分析可知：無論是降低城市建筑物的高度，還是開辟城市風(fēng)道，對(duì)于提高城市整體通風(fēng)的效果都是十分有限的?？紤]到無論是對(duì)于既有城市的改造，還是新建城市的規(guī)劃，涉及拆遷和大量占地的城市風(fēng)道，其代價(jià)將十分巨大，在這種情況下，進(jìn)行城市風(fēng)道規(guī)劃和建設(shè)之前應(yīng)全面科學(xué)論證其效果。

5 結(jié)論

利用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，分析了不同粗糙度類別下不同高度處的風(fēng)速分布，以田野鄉(xiāng)村(B類地貌)和城市(C類地貌)為例，分析了城市建筑對(duì)風(fēng)速的影響，并探討了城市風(fēng)道的作用，發(fā)現(xiàn)無論是降低城市建筑的高度，還是開辟城市風(fēng)道，對(duì)地表附近風(fēng)速的增大效果都十分有限；如果考慮霧霾天大區(qū)域內(nèi)沒有風(fēng)，以及污染源同城市的相對(duì)位置等具體問題，城市風(fēng)道的作用將更加有限。無論是對(duì)于既有城市的改造，還是新建城市的規(guī)劃，涉及拆遷和大量占地的城市風(fēng)道，其代價(jià)將十分巨大，在其通風(fēng)效果不明確的情況下，進(jìn)行城市風(fēng)道規(guī)劃和建設(shè)之前，建議全面并科學(xué)合理論證其作用和效果。

此外，本文是根據(jù)規(guī)范內(nèi)平均風(fēng)速剖面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，針對(duì)某個(gè)區(qū)域的整體平均風(fēng)速進(jìn)行分析的。但對(duì)于城市而言，與人類活動(dòng)緊密相關(guān)的城市冠層以內(nèi)的風(fēng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是紊亂復(fù)雜的，一般并不符合指數(shù)或?qū)?shù)規(guī)律，因此，城市冠層內(nèi)的紊流風(fēng)場運(yùn)動(dòng)特性對(duì)于城市風(fēng)道的研究十分有必要，將是今后研究的主要方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]穆泉，張世秋. 中國2001—2013年P(guān)M2.5重污染的歷史變化與健康影響的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)，2015, 51(4)：694-704.

[2]高歌. 1961—2005 年中國霾日氣候特征及其變化分析[J]. 地理學(xué)報(bào)，2008, 63 (7): 761-768.

[3]孫彧，馬振峰，牛濤，等. 最近40 年中國霧日數(shù)和霾日數(shù)的氣候變化特征[J]. 氣候與環(huán)境研究，2013, 18 (3): 397-406.

[4]吳兌，吳曉京，李菲，等. 1951—2005 年中國大陸霾的時(shí)空變化[J]. 氣象學(xué)報(bào)，2010, 68 (5): 680-688.

[5]李軍，榮穎. 城市風(fēng)道及其建設(shè)控制設(shè)計(jì)指引[J]. 城市問題，2014，16(9)：42-47.

[6]席宏正, 焦勝, 魯利宇. 夏熱冬冷地區(qū)城市自然通風(fēng)廊道營造模式研究[J].城鄉(xiāng)規(guī)劃，2010，10(2)：106-107.

[7]Kress R. Regionale air exchange processes and their importance for the R·Umliche planning[M]. Dortmund: Institute of Environmental Protection of the University of Dortmund, 1979.

[8]八都縣市首腦會(huì)議環(huán)境問題對(duì)策委員會(huì)干事會(huì). “風(fēng)之道”調(diào)查研究—調(diào)查報(bào)告書[R]. 日本：八都縣市首腦會(huì)議環(huán)境問題對(duì)策委員會(huì)干事會(huì)，2007.

[9]任超，袁超，何正軍，等. 城市通風(fēng)廊道研究及其規(guī)劃應(yīng)用[J]. 城市規(guī)劃學(xué)刊，2014，10(3)：52-60.

[10]李軍，榮穎. 城市風(fēng)道及其建設(shè)控制設(shè)計(jì)指引[J]. 城市問題，2014，16(9)：42-47.

[11]段昊書，李競. “城市風(fēng)道”可引風(fēng)驅(qū)霾[N]. 中國氣象報(bào)，2014-07-04.

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[13]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ/T 338—2014 建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.