張 偉，陳存友，胡希軍，王凱麗，趙 荻

(中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，湖南 長沙 410004)

近年來，隨著全球城市化進(jìn)程的加快，城市人口不斷聚集，城市房地產(chǎn)行業(yè)快速發(fā)展[1-3]。城市湖泊由于其具有獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢、適宜的氣候和良好的生態(tài)效益等特征，深受廣大開發(fā)商的青睞，導(dǎo)致城市湖區(qū)開發(fā)規(guī)劃“失控”現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重[4-5]。湖泊周圍被高大密集的建筑包圍，空間受到嚴(yán)重?cái)D壓，形成了獨(dú)特的“湖泊盆地”特征[6-7]?！昂懎h(huán)流”機(jī)制被阻斷，使得湖泊在改善周圍小氣候方面的功能和效用大大降低[8-9]。如何利用現(xiàn)有資源緩解城市熱環(huán)境、改善城市小氣候和營造舒適的人居環(huán)境成為城市開發(fā)建設(shè)的重中之重[10-12]。

城市湖泊作為城市濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)條件，具有明顯的小氣候效應(yīng)。目前關(guān)于城市水體小氣候效應(yīng)的研究主要集中在以下2個(gè)方面：(1)基于定點(diǎn)實(shí)測[13]、氣象觀測站點(diǎn)[14]和遙感地溫反演等[15]研究方法探索城市湖泊溫濕度效應(yīng)的空間特征及變化規(guī)律。朱春陽[16]采用定點(diǎn)實(shí)測方法針對湖泊水體的深度、湖泊面積和湖泊形狀指數(shù)等因子對湖泊溫濕度效應(yīng)進(jìn)行研究；DU等[17]通過對比分析湖泊與河流的冷島效應(yīng)強(qiáng)度，探究湖泊冷島效應(yīng)與河流冷島效應(yīng)的關(guān)系；部分學(xué)者采用監(jiān)測或者遙感衛(wèi)星方法研究湖泊溫濕度效應(yīng)的成因以及湖區(qū)周圍熱環(huán)境的影響機(jī)制[18-19]。(2)基于計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)、ENVI-met等數(shù)值模擬軟件探索城市湖泊小氣候效應(yīng)的主導(dǎo)因子：張磊等[20]運(yùn)用CFD模擬分析了水面植物的遮陽作用、水深和水體尺寸等對水面溫度的影響；宋丹然[21]運(yùn)用微氣候模擬軟件ENVI-met分析河流寬度、河岸綠地開敞空間、河岸植被結(jié)構(gòu)和住區(qū)空間形態(tài)4個(gè)因子對河流微氣候效應(yīng)的影響。周浩超[22]采用CFD 數(shù)值模擬軟件模擬分析廣州居住小區(qū)有無水體、水體占有率、水體的調(diào)節(jié)時(shí)間對微氣候效應(yīng)的影響。THEEUWES等[23]運(yùn)用WRF模擬軟件分析河流降溫效應(yīng)與河流面積、不同風(fēng)向等之間的關(guān)系。

基于國內(nèi)外大多數(shù)研究以水體自身為主，針對大、中尺度的城市建成區(qū)，側(cè)重對水體自身傳熱機(jī)制以及作用機(jī)理進(jìn)行研究。筆者采用小尺度定點(diǎn)實(shí)測[24](小尺度觀測方法更有利于分析多樣性與動態(tài)性方面的數(shù)據(jù)，以清晰地反映各時(shí)間段各個(gè)測點(diǎn)的相對指標(biāo)變化)與CFD 數(shù)值模擬(CFD軟件對小氣候中流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、模擬和分析，具有數(shù)據(jù)的連續(xù)性、全面性及物理模型的可調(diào)性等顯著優(yōu)點(diǎn))相結(jié)合的方法研究湖泊面積和湖泊形狀指數(shù)對湖泊周圍環(huán)境濕度效應(yīng)的影響，2種方法交互驗(yàn)證，從而更準(zhǔn)確地揭示城市湖泊濕度效應(yīng)的空間特征和變化規(guī)律，通過量化分析可為城市湖泊周邊環(huán)境評價(jià)以及湖區(qū)規(guī)劃提供理論依據(jù)[25-27]。

1 研究區(qū)域概況

湖南省長沙市(北緯27°51′～28°41′，東經(jīng)111°53′～114°15′)烈士公園位于長沙市區(qū)東部偏北，是長沙市內(nèi)面積最大的綜合性公園。該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱，雨水充足，夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)。公園總用地面積為146.35 hm2，其中，陸地面積為77.93 hm2，水域面積為68.42 hm2。公園內(nèi)主要湖泊有年嘉湖和躍進(jìn)湖，其中，年嘉湖面積為47.85 hm2，躍進(jìn)湖面積為16.18 hm2，其余景觀小水體若干，集中分布在年嘉湖西側(cè)、紀(jì)念塔軸線東側(cè)區(qū)域內(nèi)，面積總計(jì)4.39 hm2。

2 研究方法

2.1 實(shí)測法

2.1.1樣點(diǎn)與樣線設(shè)計(jì)

根據(jù)湖泊周邊的環(huán)境及樣本區(qū)域的布局選擇4條樣線，分別位于年嘉湖北側(cè)、西側(cè)、西南側(cè)及躍進(jìn)湖東側(cè)(圖1)。各樣線以距離湖泊0、200和400 m處布置樣點(diǎn)，共12個(gè)樣點(diǎn)，在每個(gè)樣點(diǎn)處向外延伸20 m范圍內(nèi)，劃定面積為400 m2的樣方區(qū)域?？瞻讓φ战M選擇在距烈士公園湖泊2 000 m的芙蓉廣場附近，可在最大限度上忽略湖泊增濕作用的影響。通過對研究區(qū)域15個(gè)樣方中的建筑數(shù)量、建筑布局方式、綠地率、綠地組成方式和硬質(zhì)鋪裝比率等環(huán)境因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對其進(jìn)行打分評價(jià)(表1)，為分析樣點(diǎn)周圍環(huán)境差異性提供依據(jù)。

2.1.2實(shí)測研究條件與方法

(1)監(jiān)測時(shí)間。在晴朗無風(fēng)或者微風(fēng)(風(fēng)速小于3 m·s-1)的天氣情況下選取2015年7月14、16和18日，在8:00—18:00每個(gè)整點(diǎn)時(shí)分別對12個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行同步測量記錄。

(2)監(jiān)測內(nèi)容。保證每個(gè)樣點(diǎn)下墊面條件一致，避免儀器受到陽光長時(shí)間的直射，均選擇樹蔭下較為開闊的場地，測量距離地面1.5 m處相對濕度值(%RH)和風(fēng)向風(fēng)速(m·s-1)，每次測定時(shí)讀數(shù)3次取平均值，以減小儀器誤差，保證數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性。

(3)監(jiān)測儀器。濕度測量儀器選擇德國TESTO 08H1溫濕度計(jì)，濕度測定范圍為0～100%RH，分辨率為0.1%RH；GM890 數(shù)字風(fēng)速儀，測量范圍為0～45 m·s-1，分辨率為0.1 m·s-1。

2.2 數(shù)值模擬法

2.2.1模型的建立

基于CFD技術(shù)對研究區(qū)域的樣本模型進(jìn)行仿真模擬，考慮湖泊周圍環(huán)境(包括地形、地質(zhì)、土壤、水體、建筑用地、林地等)的錯(cuò)綜復(fù)雜，筆者研究集中于湖泊面積和湖泊形狀指數(shù)(LSI，Il,s)對城市湖泊增濕效應(yīng)的影響。Il,s計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，L為湖泊周長，m；x為不規(guī)則形狀系數(shù)；A為湖泊面積，m2。首先利用AutoCAD 2010繪制底圖，建立整體模型時(shí)進(jìn)行適當(dāng)合理化，除建筑和水體外均采用統(tǒng)一下墊面，為排除綠地等其他因子對湖泊濕度效應(yīng)的影響，對植被情況作忽略處理。建立研究區(qū)域三維模型，輸出結(jié)果為可導(dǎo)入CFD的ASCII文件格式。

表1 樣點(diǎn)區(qū)域周圍環(huán)境概況

2.2.2模型的計(jì)算

利用AutoCAD 2018軟件建立三維模型并導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Design Modeler進(jìn)行處理，得到流體計(jì)算域，并命名不同邊界面。

2.2.3計(jì)算條件的設(shè)立

(1)網(wǎng)格劃分。采用ANSYS Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，針對研究區(qū)域場地大小，計(jì)算區(qū)域選擇3 350 m×3 400 m×400 m(X軸，3 350 m；Y軸，3 400 m；Z軸，400 m)，網(wǎng)格總數(shù)量為739萬，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上，可以充分滿足湖泊濕度效應(yīng)的模擬需求。

(2)計(jì)算設(shè)置。以研究區(qū)域流場特點(diǎn)為依據(jù)，采用ANSYS Fluent 17.0作為計(jì)算平臺，選擇壓力基求解器，計(jì)算方程選用RNGk-ε模型，模擬采用速度入口、壓力出口邊界條件。夏季氣象數(shù)據(jù)設(shè)置：主要風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，入口來流速度為1.5 m·s-1，氣壓為101 325 Pa。

(3)速度邊界條件。入口邊界條件設(shè)為速度入口，高度為x的某點(diǎn)風(fēng)速u(x)的經(jīng)典計(jì)算公式為

(2)

式(2)中，x為高度，m；u(x10)為已知高度情況下的風(fēng)速，通常取氣象高度為1.5 m處的風(fēng)速，m·s-1；α為地面粗糙度指數(shù)，根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)建筑高度和建筑密集程度可得到不同的計(jì)算值，市區(qū)、近郊、綠化區(qū)和稠密的低層住宅區(qū)α取值0.25。為保證模擬結(jié)果的可靠性，對3 d的14:00實(shí)測風(fēng)速取平均值v=1.5 m·s-1，選擇夏季主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)，將其作為邊界條件輸入。

來流入口湍動能(k)和湍動耗散率(ε)計(jì)算公式為

(3)

(4)

式(3)～(4)中，x為高度，m；Cμ為常數(shù)，取值0.084 5；κ為卡門常數(shù)，取值0.4。選取7月16日14:00夏季空氣溫度、相對濕度和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為模擬參數(shù)(表2)。

表2 模擬參數(shù)的設(shè)定

由平行定點(diǎn)實(shí)測結(jié)果可知，夏季7月湖泊對周邊環(huán)境的增濕效應(yīng)最強(qiáng)，8:00—18:00時(shí)間段內(nèi)，12:00前后地表溫度達(dá)到峰值，考慮到太陽輻射有短波和長波之分，導(dǎo)致空氣中溫度在14:00前后達(dá)到峰值。

3 實(shí)測與模擬結(jié)果分析

3.1 實(shí)測結(jié)果分析

3.1.17月湖泊增濕效應(yīng)日變化規(guī)律分析

將研究區(qū)域與對照場地監(jiān)測所得的3 d數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理(圖2)，對比分析可知研究區(qū)域與對照場地相對濕度日變化規(guī)律相似，相對濕度由8:00開始逐漸降低，15:00—16:00達(dá)到最低值，隨后呈現(xiàn)小幅上升趨勢。研究區(qū)域相對濕度變化范圍為45.80%～61.63%，平均相對濕度為51.39%，對照場地相對濕度變化范圍為43.89%～59.36%，平均相對濕度為49.38%。整體而言，研究區(qū)域與對照場地對比呈增濕效應(yīng)，且在12:00—15:00增濕效應(yīng)較明顯，平均差值達(dá)2%。

3.1.27月湖泊增濕效應(yīng)影響范圍分析

將各測點(diǎn)3 d內(nèi)同一時(shí)段測得的相對濕度加以平均，計(jì)算得到每條樣線上0 m樣點(diǎn)分別與200、400 m樣點(diǎn)各時(shí)段的差值(圖3)。

0 m樣點(diǎn)與200 m樣點(diǎn)各時(shí)段相對濕度差值的平均值為0.29%，0 m樣點(diǎn)與400 m樣點(diǎn)各時(shí)段相對濕度差值的平均值為1.65%，表明湖泊增濕效應(yīng)與距湖泊距離呈負(fù)相關(guān)，距離越近，相對濕度就越大；對照場地平均相對濕度為49.38%，各樣線上的3個(gè)樣點(diǎn)平均相對濕度分別為52.03%、51.74%和50.38%?？梢?，7月湖泊對距湖岸0 m處增濕效應(yīng)最強(qiáng)，平均相對濕度差為2.65%；對周邊200 m處增濕效應(yīng)稍弱，平均相對濕度差為2.36%；對周邊400 m處增濕效應(yīng)最差，平均相對濕度差為1%。

3.1.37月湖泊各樣線實(shí)測結(jié)果分析

將4條樣線7月3 d同一時(shí)刻距湖岸不同距離的實(shí)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行求平均值處理(圖4)，分析可得：(1)整體上相對濕度呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，受夏季主導(dǎo)風(fēng)向以及樣線周邊環(huán)境的影響，不同區(qū)域湖泊增濕效應(yīng)強(qiáng)度由大到小依次為下風(fēng)向區(qū)域、垂直風(fēng)向區(qū)域和上風(fēng)向區(qū)域。(2)樣線4(主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向)與樣線3(主導(dǎo)風(fēng)垂直方向)所處風(fēng)向位置不同，但周圍環(huán)境(建筑密集，通風(fēng)較差)相似。樣線4相對濕度變化范圍為46.59%～65.25%，樣線3相對濕度變化范圍為37.22%～60.59%，下風(fēng)向區(qū)域增濕效應(yīng)高于垂直方向區(qū)域。整體變化規(guī)律一致，樣線3周圍建筑較多，人流量大，受建筑輻射、人為熱影響，導(dǎo)致相對濕度波動較大，整體相對濕度較低。(3)樣線1(主導(dǎo)風(fēng)垂直方向)和樣線2(主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向)周圍環(huán)境相似(建筑較少，人流量小)，所處位置風(fēng)向不同，樣線1相對濕度變化范圍為44.02%～62.37%，樣線2相對濕度變化范圍為44.65%～63.88%，表明下風(fēng)向區(qū)域增濕效應(yīng)高于垂直風(fēng)向區(qū)域。

3.2 CFD模擬分析

3.2.1CFD模擬結(jié)果相關(guān)性驗(yàn)證

通過CFD模擬得到的模擬實(shí)際算例結(jié)果與定點(diǎn)實(shí)測(各測點(diǎn)3 d的平均相對濕度)同時(shí)刻(以夏季7月14:00為例)相對濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，通過散點(diǎn)圖驗(yàn)證可得R2=0.859 8，表明CFD模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在強(qiáng)相關(guān)性(圖5)，其中，樣點(diǎn)5、10模擬結(jié)果分別與其實(shí)測結(jié)果相差較大，這是由于地面輻射量(下墊面為硬質(zhì)鋪裝)和人群活動量較大，導(dǎo)致相對濕度較低，而CFD模擬中忽略了下墊面及人為熱的影響?？傮w而言，CFD模擬結(jié)果已經(jīng)達(dá)到該研究預(yù)期要求，與定點(diǎn)實(shí)測結(jié)果較吻合，具有科學(xué)性和合理性。

3.2.2CFD模擬分析

由7月實(shí)際算例中1.5 m高處相對濕度(表3)和模擬云圖(圖6)分析可得：

(1)研究區(qū)整體相對濕度變化范圍為47.7%～68.3%，相對濕度變化幅度為20.6%，風(fēng)速變化范圍為0.3～1.8 m·s-1，相對濕度分布情況呈現(xiàn)明顯分區(qū)(表3)，湖泊水體上方>西北部建筑區(qū)域(下風(fēng)向)>西南部建筑區(qū)域(垂直風(fēng)向)>東北部建筑區(qū)域(垂直風(fēng)向)>東南部建筑區(qū)域(上風(fēng)向)，下風(fēng)向區(qū)域增濕幅度明顯高于上風(fēng)向區(qū)域。

(2) 中心湖泊區(qū)域：湖泊水體區(qū)域空曠平展，湖泊上方區(qū)域空氣環(huán)流形成靜風(fēng)區(qū)，中心水體區(qū)域相對濕度較高，水體邊緣區(qū)域較低，變化范圍為64.6%～65.9%，受東南部建筑的阻礙作用，風(fēng)速變化范圍為0.1～0.3 m·s-1。

(3)湖泊東南部區(qū)域(上風(fēng)向)：區(qū)域內(nèi)高層建筑較密集，沿主導(dǎo)風(fēng)向布局較多，分布較雜亂，人流量較大，減緩了風(fēng)的流動，主導(dǎo)風(fēng)的作用力方向與水氣擴(kuò)散方向相反，風(fēng)力成為阻礙力，過多的建筑導(dǎo)致太陽輻射較強(qiáng)，相對濕度變化范圍為48.2%～48.9%，湖泊增濕效應(yīng)較弱。風(fēng)速變化范圍為1.3～1.5 m·s-1，水氣擴(kuò)散范圍可達(dá)400～600 m。湖泊西北部區(qū)域(下風(fēng)向)：由于主導(dǎo)風(fēng)的作用力方向與水氣擴(kuò)散方向一致，風(fēng)力形成助推力，風(fēng)力雖受到東南部建筑的阻礙作用，下風(fēng)向區(qū)域內(nèi)建筑多呈行列式布局，分布較整齊，一定程度上改善了風(fēng)環(huán)境，整體相對濕度較高，變化范圍為56.6%～57.8%，湖泊增濕效應(yīng)明顯?？拷w的建筑群迎風(fēng)面風(fēng)速略高，變化范圍為1.0～1.3 m·s-1，遠(yuǎn)離水體的建筑群內(nèi)部風(fēng)速較低，變化范圍為0.4～0.7 m·s-1，水氣擴(kuò)散范圍可達(dá)1 200 m。

(4)湖泊東北部區(qū)域(垂直風(fēng)向)和湖泊西南部區(qū)域(垂直風(fēng)向)：區(qū)域內(nèi)建筑較少，多呈點(diǎn)狀分布，湖泊增濕效應(yīng)一般，相對濕度變化范圍為50.1%～52.6%，風(fēng)速變化范圍為0.3～1.2 m·s-1，風(fēng)力受到部分建筑的阻礙，擴(kuò)散范圍介于500～800 m之間。

3.2.3控制單因子變化CFD模擬結(jié)果與分析

3.2.3.1湖泊面積縮小1/2時(shí)的模擬分析

在原有模型的基礎(chǔ)上，不改變湖泊的水面形狀，但將其面積縮小1/2。研究區(qū)域濕度、風(fēng)速分布見圖7，相對濕度見表3。分析可得：

(1)中心湖泊區(qū)域：湖泊面積縮小1/2，湖泊增濕效應(yīng)的分布規(guī)律與基礎(chǔ)算例基本一致，整體相對濕度呈現(xiàn)下降趨勢，部分湖泊水體變?yōu)槿斯は聣|面，水體分布情況發(fā)生變化。湖泊周圍部分區(qū)域相對濕度由實(shí)際算例62.6%～63.9%下降為54.3%～54.8%，下降范圍為8.3～9.1百分點(diǎn)，主導(dǎo)風(fēng)受到水體擴(kuò)散力的阻礙變小，風(fēng)速相比基礎(chǔ)算例增加0.3～1.0 m·s-1，效果較明顯。這表明湖泊水體面積減小，湖泊增濕效應(yīng)減弱，風(fēng)速在一定程度上得到加強(qiáng)。

(2)主導(dǎo)風(fēng)上風(fēng)向區(qū)域：湖泊面積減小，水氣向周圍的擴(kuò)張力減小，水體距離建筑的距離變大，使得區(qū)域相對濕度略有下降，變化范圍為48.0%～48.4%，相比基礎(chǔ)算例降低0.2～0.5百分點(diǎn)，風(fēng)速變化不明顯，水氣擴(kuò)散范圍約為350～500 m。

(3)主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向區(qū)域：與基礎(chǔ)算例相比，該區(qū)域相對濕度平均值為54.3%～54.8%，下降2.3～3.0百分點(diǎn)，風(fēng)速變化范圍為0.6～1.1 m·s-1，增大較明顯。受到主導(dǎo)風(fēng)向與水體分布2個(gè)方面的影響，增濕效應(yīng)大小呈現(xiàn)較明顯分區(qū)，西北部部分水體區(qū)域變?yōu)槿斯は聣|面，導(dǎo)致建筑內(nèi)部相對濕度較低，約為47.4%～50.8%，水氣擴(kuò)散范圍為900～1 100 m。

(4)主導(dǎo)風(fēng)垂直方向區(qū)域：湖泊水體距離建筑的距離變大，整體相對濕度略有減小，變化范圍為48.6%～50.0%，局部區(qū)域風(fēng)速增加0.2～0.6 m·s-1，水氣擴(kuò)散范圍相對減小，約為450～650 m。

表3 湖泊面積減小1/2和為0時(shí)相對濕度

3.2.3.2湖泊面積縮小為0時(shí)的模擬分析

在原有模型的基礎(chǔ)上，不考慮湖泊的影響，將所有水體區(qū)域設(shè)置為人工下墊面，模擬湖泊被人工不透水下墊面取代(湖泊被填埋)，研究區(qū)域濕度和風(fēng)速分布見圖8，相對濕度見表3。分析可得：

(1)中心湖泊區(qū)域：湖泊面積為0，相當(dāng)于去掉整個(gè)散濕源，區(qū)域相對濕度大幅降低，區(qū)域最高值從68.3%下降至51.6%，整體相對濕度在47.0%～51.6%范圍內(nèi)，湖泊水體上方相對濕度相比基礎(chǔ)算例下降15.1～15.5百分點(diǎn)。主導(dǎo)風(fēng)減弱了對水面上水蒸氣的輸送，使得空氣質(zhì)量降低，整體風(fēng)速增大0.15～0.4 m·s-1。研究區(qū)域未出現(xiàn)明顯分區(qū)，表明湖泊水體具有顯著的增濕效應(yīng)。

(2)主導(dǎo)風(fēng)上風(fēng)向區(qū)域：該區(qū)域相對濕度總體變化不大，分布也較均勻，部分建筑內(nèi)部濕氣聚集，形成一定的高濕區(qū)，相對濕度變化范圍為47.9%～48.5%，風(fēng)速較實(shí)際算例增加0.15～0.3 m·s-1，缺乏水體擴(kuò)張力，水氣擴(kuò)散范圍減小450～600 m。

(3)主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向區(qū)域：湖泊面積為0對該區(qū)域影響較大，缺乏散濕源，整體區(qū)域相對濕度平均值為49.2%～49.6%，下降7.4～8.2百分點(diǎn)，增濕效應(yīng)在很大程度上受到削弱，少數(shù)建筑內(nèi)部形成積濕，相對濕度稍高，水氣擴(kuò)散范圍減小100～250 m，表明湖泊水體對周圍環(huán)境存在顯著的調(diào)節(jié)作用。

(4)主導(dǎo)風(fēng)垂直方向區(qū)域：該區(qū)域相對濕度變化不大，范圍為48.2%～49.4%，相比基礎(chǔ)算例下降1.9～3.2百分點(diǎn)，風(fēng)速均勻增加0.12～0.3 m·s-1。

3.2.3.3湖泊形狀指數(shù)增大1.5和2倍時(shí)的模擬分析

保持湖泊面積不變，將湖泊形狀指數(shù)增大為1.5和2倍，研究區(qū)域相對濕度及風(fēng)速分布見圖9～10，相對濕度見表4。分析可得：

表4 湖泊形狀指數(shù)增大為1.5和2倍時(shí)相對濕度

(1)中心湖泊區(qū)域：湖泊形狀指數(shù)的改變導(dǎo)致湖岸線變得蜿蜒曲折，水體上方高濕區(qū)呈離散型分布，整體相對濕度變化不明顯，部分區(qū)域風(fēng)速增加0.3～0.8 m·s-1。湖泊形狀指數(shù)增大為1.5倍時(shí)，相對濕度變化范圍為62.6%～63.5%，相比基礎(chǔ)算例下降2.0～2.4百分點(diǎn)，風(fēng)速變化范圍為0.3～0.5 m·s-1；湖泊形狀指數(shù)增大為2倍時(shí)，相對濕度范圍為63.9%～64.2%，相比基礎(chǔ)算例下降0.7～1.7百分點(diǎn)，風(fēng)速變化范圍為0.4～0.6 m·s-1。湖岸線的曲折導(dǎo)致原本的綠地形狀發(fā)生變化，湖泊中心下墊面發(fā)生改變，某些較粗部分變細(xì)(較粗部分較實(shí)際算例增濕，較細(xì)部分較實(shí)際算例降濕)，可見湖泊形狀指數(shù)對湖泊水體分布狀況以及湖泊局部環(huán)境有一定影響。

(2)主導(dǎo)風(fēng)上風(fēng)向區(qū)域：湖泊形狀指數(shù)增大使得部分水體距離建筑的距離變小，靠近水體的建筑面濕度較高，部分建筑內(nèi)部形成積濕效應(yīng)。湖泊形狀指數(shù)增大為1.5倍時(shí)，相對濕度變化范圍為49.2%～49.6%，風(fēng)速變化范圍為0.25～0.6 m·s-1；湖泊形狀指數(shù)增大為2倍時(shí)，相對濕度變化范圍為49.3%～50.0%，風(fēng)速變化范圍為0.3～0.7 m·s-1。水氣擴(kuò)散范圍較基礎(chǔ)算例增大200～450 m。

(3)主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向區(qū)域：湖泊形狀指數(shù)增大為1.5倍時(shí)，相對濕度變化范圍為56.0%～56.5%，湖泊形狀指數(shù)增大為2倍時(shí)，相對濕度變化范圍為54.9%～55.6%。受主導(dǎo)風(fēng)向和湖泊形狀指數(shù)變化以及建筑物阻擋作用的影響，導(dǎo)致水氣在擴(kuò)散時(shí)呈帶狀分布，擴(kuò)散范圍變化較小。

(4)主導(dǎo)風(fēng)垂直方向區(qū)域：該區(qū)域相對濕度總體變化較小，未呈現(xiàn)明顯分區(qū)現(xiàn)象，風(fēng)速變化微小。湖泊形狀指數(shù)增大為1.5倍時(shí)，東北部區(qū)域相對濕度變化范圍為49.7%～50.5%，西南部區(qū)域相對濕度變化范圍為51.2%～51.8%；湖泊形狀指數(shù)增大為2倍時(shí)，東北部區(qū)域相對濕度變化范圍為49.8%～50.4%，西南部區(qū)域相對濕度變化范圍為51.4%～52.3%。湖泊形狀指數(shù)的改變導(dǎo)致部分建筑距水較近，建筑周圍相對濕度增大，可達(dá)58.6%～59.2%。擴(kuò)散范圍較基礎(chǔ)算例增大300～500 m。

4 結(jié)論

通過實(shí)地測量和模擬分析交互驗(yàn)證的方法，較全面地探析了湖泊面積和湖泊形狀指數(shù)對城市湖泊增濕效應(yīng)的影響，綜合相關(guān)模擬結(jié)果及上述分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：(1)城市湖泊增濕效應(yīng)與距湖泊距離呈負(fù)相關(guān)，受夏季主導(dǎo)風(fēng)向影響，不同區(qū)域湖泊增濕效應(yīng)由大到小依次為下風(fēng)向區(qū)域、垂直風(fēng)向區(qū)域和上風(fēng)向區(qū)域。(2)湖泊面積是引起夏季湖泊增濕效應(yīng)的主要因素，減小湖泊面積相當(dāng)于縮減整個(gè)散濕源面積，水氣向周圍環(huán)境的擴(kuò)散量減少，水體增濕效應(yīng)明顯減弱，對下風(fēng)向區(qū)域的影響程度高于上風(fēng)向區(qū)域，少量建筑群內(nèi)部形成靜風(fēng)區(qū)，空氣流通不暢，質(zhì)量較大的濕空氣堆積在建筑物下方表面，空氣相對濕度較高。減小湖泊面積使得水體上方區(qū)域空氣流通順暢，風(fēng)速相對增大。(3)湖泊形狀指數(shù)對湖泊增濕效應(yīng)的影響有限，在湖泊面積不變的前提下，增大湖泊形狀指數(shù)，水體的整體性發(fā)生改變，水氣向周圍的擴(kuò)散范圍增大(上風(fēng)向區(qū)域、垂直向區(qū)域)，湖泊整體增濕效應(yīng)變化較小，局部區(qū)域會出現(xiàn)相對濕度較高的現(xiàn)象，整體風(fēng)速相對增加，對周圍局部環(huán)境具有一定改善作用。

定點(diǎn)實(shí)測與CFD 模擬分析結(jié)果表明采用CFD技術(shù)研究中、小尺度下城市湖泊水體小氣候是可行的。但在研究過程中，仍然存在著一些問題需要在今后的深入研究中得到進(jìn)一步完善：(1)在選取樣本區(qū)域方面，僅選擇了湖南烈士公園單一湖泊作為研究對象，缺乏對照的樣本區(qū)域，在今后調(diào)研中需要增加樣本湖泊，從而得出更科學(xué)、準(zhǔn)確的規(guī)律。(2)由于計(jì)算能力有限且該研究區(qū)域建筑及周邊環(huán)境復(fù)雜，在CFD 模擬中對計(jì)算模型進(jìn)行了大幅簡化，將模擬條件設(shè)置為陰天，簡化了太陽輻射條件的設(shè)置，在下墊面設(shè)置中，統(tǒng)一設(shè)置為地面，忽略了綠地及道路的影響。在以后的城市湖泊研究中，應(yīng)盡可能完善相關(guān)參數(shù)，使得CFD 模擬逐漸由理想模型走向現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使得模擬結(jié)果更加符合實(shí)際。(3)在探索主導(dǎo)因子對城市湖泊增濕的影響時(shí)只選取湖泊面積和湖泊形狀指數(shù)對周圍環(huán)境的影響，以后需對周圍的建筑因子(建筑高度、建筑后退距離和建筑布局)以及植被因子進(jìn)行綜合分析，為今后的城市湖區(qū)規(guī)劃以及更佳人居環(huán)境的創(chuàng)建提供科學(xué)依據(jù)。