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1、武汉城市宜居环境优化和建立节约型城市研究 华中科技大学建筑与城市规划学院余庄李保峰 研究课题目录 第一部分武汉市宜居与气候基本条件分析 一武汉市宜居基本地理条件分析 二 研究的边界条件 三 武汉周边主要湿地对武汉城区的影响 第二部分城市气候改善与宜居环境优化专题研究 一“热岛效应”的研究； 二武汉城市通风道的研究； 三，武汉市城市居住区布局的研究： 第一部分武汉市宣居与气候基本条件分析 一、武汉市宜居基本地理条件分析 地理条件是影响气候的重要因素之一，现用遥感图对武汉周边地势进行简单分析。 下圄为武汉周边地势图，图中可以看出，武汉市的南部、西部、东北部都有较高的山脉，相对 于武汉市的大通风口(
2、 主要是夏季的海洋季风) 为西南方向和东南方向。对于冬季来说，武汉市北 面，没有阻挡寒冷西北风的地形屏障，西北风可以长长驱直入，这也是形成武汉市夏热冬冷气候的 原因之一。这也与稍后进行的武汉气象条件的分析一致。 武汉周边山势形成盆地状，大武汉地区周边地理状况，水体极为丰富是最大特点。与别的城市相比 宜居地理条件的分析，与上海，广卅| ，南京，杭州和与中部城市郑州，长沙的比较充分说明，武汉 市的宣居条件还是具有一定的优势。有别的城市所不具备的改善宜居环境的优势。 二研究的边界条件 武汉市地处北亚热带季风区，属亚热带湿润季风气候。雨量充沛、热量丰富、夏热冬冷、四季 分明。夏季最长为1 3 5 天，
3、冬季次之为1 1 0 天，春秋季各为6 0 天。年均气温1 7 7 ，1 月最低，月 平均气温3 O ，7 月晟高，月均达2 8 8 “ C 。年月气温平均值差达2 5 8 “ C ，大于同纬度的杭州、成 都等地，显示出武汉气候的大陆性。武汉市市区盛夏闷热，白天气温常在3 7 。C 左右，夜间也常保持 在3 0 。C 左右，极端最大气温为4 1 3 ，素有“火炉”之称。武汉市风向明显地随季节变化而变化， 冬季以北风和东北，偏北风为主，夏季多东南风。年平均风速为2 7 米秒，最大风速1 0 0 米秒( 北 风) ，静风频率为1 0 。 2 研究的边界条件分析 采用武汉市典型气象年的数据； 我们在
4、软件中将所有资料输入，并形成风玫瑰； 湖与江的设置 蒸发量的设置 3 主导风向分析 3 1 风的温度、风速设置 在这次研究中，风在各种条件下设置了不同的值。夏季白天( 取正午1 2 ：0 0 ) 的风的温度为 3 2 4 C ，风速为1 5 k m h 。夜间( 取夜晚2 ：0 0 ) 的风的温度为3 0 度，风速为5 k m h 。冬季的风的温度 为0 度，风速为1 5 k m h 。 1 2 7 3 2 应用前述软件及数据资科可以得出下列各主要风向的发生概率。 东南西南 东北 南风东风 全天 2 2 2 3 71 8 2 9 76 9 中午1 2 点 3 0 51 3 9 2 5 31 4
5、 22 2 晚上2 点 2 3 3 1 4 72 4 67 4 6 2 东南西北 东北北风东风 全天 1 5 21 4 93 4 9 87 1 中午1 2 点 1 3 2 1 3 22 11 3 3 7 7 晚上2 点 1 6 11 8 53 0 8 1 0 68 6 4 潮与江的设置 4 1 温度设置 湖水的温度设置：夏季湖水温度设为2 6 度，冬季为5 度。 江水的温度设置：夏天为1 7 度，冬季为9 度。 4 2 蒸发量设置 在采用蒸发面为环形的蒸发皿( 0 3 m 2 ) 时，夏季蒸发量为3 5 2 3 m m 。冬季蒸发量为8 1 2 m m 。 4 3 蒸发量设置的方法 蒸发基的计
6、算包括水砸蒸发、土壤蒸发、植物散发以及流域总蒸发量的计算，涉及面比较宽， 方法亦多种多样。器测法是直接运用陆地蒸发器、蒸发池及水面漂浮蒸发器，测定水面蒸发量的方 法。方法简便实用，历史悠久。各地实测资料也较充足，但由于蒸发器的水热条件和天然水面不同， 所以测出的蒸发量需要通过折算，才能转化为天然水面蒸发量。其折算关系为： E = 巾E 式中，E 为水面实际蒸发量；E 为蒸发器测定值；巾为折算系数。 5 数字模型基础城区的分级设置 城区的分级数据表 等缓建筑童度容积率人口毛密度绿化程度 一缓l 假以下0 5 以下2 以下很好 二缀1 0 一2 0 0 。5 一l 。0 2 0 0 - - 4 0
7、 0好 三级 2 0 _ 一3 0 1 o _ 一1 54 0 0 一6 0 0 般 四缀3 伪卜础1 5 _ 2 O6 一8 0 0 较差 五级4 溉以上2 0 以上8 0 0 以上差 等级具体说明 在区域等级划分中，根据不同区域的实际情况，综合考虑建筑密度、容积率、人口毛密度、 1 2 8 绿化程度等因素的基础上，取各参数在本地块上的平均值。 以接受太阳辐射的程度、风的影响为标准。若绿化程度高，如高等学校用地，尽管人口密度 大，但可调整为一级。绿化程度还包括无覆盖、非裸露土地，如菜地等的概念( 航拍相片可 以观察) ； 一等级区域为建筑密度小，容积率低，人口毛密度小。其中包括大面积的非建筑
8、用地( 如绿 地、耕地、园地、林地等) ； 二等级区域为建筑密度较大，容积率较高，人口毛密度较高，其中有相当面积的非建筑用地 ( 如绿地、园地、株地等) ； 三等级区域为建筑密度相对较大，容积率相对较高，人口毛密度相对较高，有一定面积的非 建筑用地( 如绿地、园地等) ； 、 四等级和五等级区域为建筑密度大，容积率高，人I Z l 毛密度高的区域，其中有少量非建筑用 地( 一般城市绿地为主，根据其级别的升高而相对减少) ： 6 计算流体力学( c F D 髓融在城市攫划中的应用研究 从理论上讲，C F D 方法适用于任何传热和流体问题。但在实际中，仍存在许多限制其中计 算机的运算能力、流场在自
9、然条件下的性质以及复杂的受居住者影响的边界条件如何确定是 最难以解决的几个问题。 通风和渗透的驱动力具有很强的随机特性，确定计算的边界条件和选用适当的湍流模型十分 困难。受这些限制，目前c F D 技术仅能应用于分析稳态的的通风问题。 在城市规划中的具体应用，符合以上的约束条件。在本次研究中，我们采取了以下的研究方 法。 7 c F D 数字模型的建立 在以上分区的基础上，转换成c F D 中数字模型，对模型中每个地块赋予不同的属性，其中包 括： 决定地块是空心还是实心以及地块高度( 根据建筑密度) ； 决定地块材料，可以根据不同的等级地块选择不同的材料，如水泥，砖等： 根据不同的材料决定不同
10、反射率，对太阳和热量的反射率： 决定材料不同的初始温度。 等等 8 研究方法概述 以上述的数字模型形成一个封闭空间，在空闻的周围，设置进风口和出风口，边界条件作为 进风口和出风口的参数。 由气象条件形成进风口和出风口的边界条件，如风的大小、温度、方向等。 水面作为一种风源，由水的蒸腾速度决定其大小、湿度、速度、温度等。 研究在气象条件的作用下，城市数字模型在受到风的作用下，其最后的稳态状况的分析。 二武汉周边主要湿地对武汉城区的影响 1 武汉湿地介绍 2 湿地影响的基础分析 2 1 夏季白天环境评价 ( 2 ) 大尺度市域温度圈 夏季白天西南风 ( 4 ) 比较与分析 从上商的图可以看出，夏季
11、武汉市主城区气候炎热，中心城区平均温度保持在3 5 。C 以上，汉口 人口密集区平均温度甚至高达3 7 。C 。即使在非城市中心，平均温度也在3 3 。C 上下。 武汉周边的湿地在各种风向的影响下对武汉市主城区环境质量的改变影响比较小。因为湖上吹 来的冷风在很大程度上被城市热岛效应消解掉了( 主要原因见热岛效应分析) 。主城区外围的湿地对 市郊空气温度调节能够有一定范围的影响，但是始终无法进入市域内部。城区内部的水体对其周边 的城区有一定的调节作用，但范围有限。长江和汉水温度较低( 1 7 ) ，所以对其周边环境的改善作 用较大。 另外，可以看到，在各个风向上，风在吹过城市后风速开始线形的降低
12、，而且在城市内部，空 气流通缓慢。可见城市中的建筑较大阻碍了空气的流通。但是从图上看，湿地对宅气速度的影响较 小。 2 2 夏季夜间环境评价 比较与分析 从图E 看，夏季夜晚的风速比较低。无法解决城市夜间降温的问题。湖泊的影响也不明显。 与白天相比，城市中心仍然燥热，环境质量差。比如中心城区温度较白天只降低两度。而一 般城区温度几乎没有变化。当然，在两江周边的区域，受益于江水较低温度，沿江区域比较 1 3 0 舒适。 同样。在各个风向上，风在吹过城市后风速开始呈线性的降低。城市建筑对风的阻挠作用依 旧明显。 2 3 冬天环境评价 比较与分析 从图上看，在冬季整体气温很低。城市热岛效应一定程度上
13、使主城区受益，温度要高2 到3 。长江及汉水流域水温为9 ，使周边情况良好，比较温暖。但是外围城区情况不理想， 气候严寒、温度较低。各大湖泊的温度稍高，但是对城市几乎无任何影响。 与前面结论相同，即使在冬季，城市内部受建筑阻碍，风速亦很小，不能带动空气调节。使 悬浮污染物无法及时疏散。所以，冬季大气环境质量依然不理想。 3 湖泊型湿地的影响分析 前面已经部分谈到了湖泊对城市的影响，但是这些分析建立在既成情况的基础上，只能进行定 性分析，无法进行定量分析和比较分析。也就是说，无法确定湖泊对城市的影响究竟有多大。鉴于 此，以下假设出一些非真实情况，用于对比体现湖泊湿地的影响。 ( 1 ) 通过去掉
14、湖泊，并对比原图，对比分析湖泊对武汉市大气环境质量的影响。 ( 2 ) 考虑湖泊在极端状况下，城市气候环境将受到多大影响。同时考虑联湖的情况下，能多大程 度的改善城市环。 3 2 去掉湖泊的对比分析 从图可以证明，市郊湖泊型湿地对城市的空气质量改善影响不大，而可以改善城市周边的舒适 度。在我们假设去掉湖泊之后，城市市郊区域的环境迅速恶化，气温至少上升3 到4 “ C 。市区内 部分地区将上升l 到2 。可见湖泊对城市空气环境质量及城市的可持续发展至关重要需要严 加保护。 3 3 联湖，扩展湿地效应 ( 1 ) 联湖的优点 静止的湖水水温随周边环境变化而变化，流动的水温度比较低。因此，应尽量让武
15、汉市内、 外的湖泊连接起来，形成流水和大面积的湿地。更大范围的改善城市气候条件。 一旦湖水流动起来或是形成湿地，水温会相对较低，水温会有一定的降低。这在各种风向 的影响下会在一定程度上改善周边城区的环境状况。 ( 2 ) 模拟分析圈 湖泊温度为2 3 时的情况 ( 3 ) 情况分析 从图上可以看出，3 06 C 的情况下城区环境没有较大变化，但是对湖泊周边地区来说，气温升 高，环境更加恶劣。湖泊温度3 7 。C 情况下情况更加糟糕。不仅湖泊周边大面积温度升高，城 区也受到一定影响。原因有二：一是城区内部的湖泊温度升高，带动周边地区温度进一步升 高；二是外围湖泊拉高周边环境气温，对城市散热产生顶
16、托作用，城市热岛产生热量无法及 时排出。 我们可以看到此时长江、汉水流域温度较低，状况良好，还有湖温为2 3 。C 时城市郊区温度较 低，带动城市周边温度降低，有利于城市散热。所以尽量将湖泊与江水、湖泊与湖泊连接起 来可以提高湿地对高温的抵御能力，有利于城市整体散热，最终改善武汉市的环境质量。 ( 2 ) 西南风下的涮温点分布 从测温点的分析。l 二可以看出，在湖水温度为2 3 “ C 、2 6 。C 、3 0 。C 的情况下，外围湖泊对城市内 部的影响变化较小，但是3 7 的情况下，测温点一般都有温度提升，尤其是靠近城市周边的 地方。这在一定程度上佐证了上述结论。 另外，东南风对湖泊温度变化的敏感度大于西南风，这是因为东南风情况下湖泊相对于城市 处于上风向上 13 2 第二部分城市气候改善与宜居环境优化
