基于多源物理环境数据分析的生态城市设计探索

朱 骁

章 飙

当下中国城市正进入城镇化快速发展的中后期，人口扩张和高强度开发造成了城市空间形态的剧烈变化，城市快速建设带来的热岛效应、雾霾、噪声污染、生态环境破坏等城市物理环境的恶化，直接导致中国城市人居环境品质的降低。近年来，社会舆论广泛关注的城市热岛高温预警频发、城市大气污染物PM2.5沉积等问题都表明，中国城市物理环境的基础研究和优化技术远落后于城市化建设的进程，而缺乏城市空间形态与城市物理环境提升的耦合机理的综合研究则是造成这些问题的核心原因。随着“公园城市”等国家相关政策的提出，以人为本和自然共生的理念对城市空间提出了新的要求。

城市物理环境是指城市建设过程中城市空间所产生的热环境、风环境和声环境等要素[1]。在城市设计迈向生态化、数字化的时代背景下，绿色建筑、智慧城市、性能预测及计算机优化算法等[2]前沿技术开始与传统的生态导向城市设计理念相结合，城市物理环境和微气候等研究方向逐渐成为当下的时代热潮。国际上对城市物理环境与城市空间关系的耦合研究可以追溯到19世纪初Luke Howard的《伦敦气候》[3]，通过对伦敦10年(1807—1816年)的气温整理，观测到热岛现象等城市所特有的物理环境问题，从此开始了系统化的城市物理环境研究。回顾城市物理环境的相关研究可以发现，目前对热、风、声等单一要素的实测模拟与特征规律研究较多，且比较深入。

图1 郑州古荥大运河区位图

图2 郑州古荥大运河实景图

在热环境要素的研究中，Hamoodi结合实地测量和遥感数据研究城市环境中各种城市土地利用/土地覆盖(LULC)表面的热物理行为关系[4]；José Sobrino比较了Landsat 5卫星上Thematic Mapper(TM)传感器6频段提供的热红外数据检索地表温度(LST)的3种方法[5]；Myint结合不同尺度的不透水和植被分数构建多元回归模型，以预测美国亚利桑那州整个凤凰城大都市区的最高气温[6]。 在风环境要素研究中，Ramponi使用标准k-ɛ模型优化了室外通风的计算流体动力学(CFD)模拟[7]；Cooney重点研究了风对行人的影响，以及城市几何结构如何影响建筑物周围的流场[8]。在声环境要素研究中，Refat结合开罗市声环境的声景偏好进行了问卷调查，通过声音类别的总体积极rai值显示了开罗居民对噪声的敏感度[9]；谢菲尔德的康健则引入声音要素来完善景观设计概念，并对声景观的概念及其特征进行了归纳，以及分析了植被和交通噪声参数对城市公园声环境的影响[10-11]。

近年来，国内开始关注通过物理环境测度来一定程度上优化城市形态，但研究领域主要面对单一的物理环境要素进行分析与优化。张丽英结合人工智能技术通过街景图像分析对城市物理环境品质进行测度[12]；王晶懋从修复营建城市生物多样性的角度，提出了基于场地生境营造的城市风景园林小气候改善途径[13]；曾忠忠展开了3种空间尺度的城市风环境研究，探索城市风环境与城市形态的关系[14]；杨俊宴则从城市空间形态与城市物理环境的关系及内在机理研究入手，从不同空间层面探索总结了城市规划与设计中城市热-风-声等物理环境要素的数字化分析技术与方法，并以城市中心区这一复杂城市区域为主要研究对象[15-17]。

总结国内外城市物理环境研究可以发现，在世界范围内城市气候环境恶化的问题与挑战广泛存在的大背景下，中国部分城市存在物理环境恶化明显且呈逐渐加剧的态势。目前的相关研究仍存在一些不足之处，城市物理环境实测与模拟研究数量虽多，但质量却参差不齐。此外实测研究侧重于确定城市热岛效应、风环境等物理环境的测度历史变化和分布规律上，并没有与城市规划设计及空间形态发生密切的关系。因此，本文以郑州市古荥大运河文化区为例，对风环境、热环境和声环境等多源物理环境大数据进行综合分析研判，针对性地提出城市设计引导策略，以期改善与提升运河沿线乃至郑州市城区整体环境品质，为生态城市设计提供技术方法的参考借鉴。

1 研究区域的基本特征

本文的研究区域位于郑州市古荥大运河文化区，以江山路为界，分为东、西2个区域。其中江山路以西为荥泽古城，由西四环、北四环、垂柳路和江山路围合，面积约为1 055hm2；江山路以东为古荥大运河，以大运河通济渠郑州段B类建设控制地带范围为界，面积约为2 243hm2(图1)。大运河通济渠郑州段是古代汴河的上游河段，是中国古代巧妙利用自然河流和人工引水共同作为运河水源的人类创造性精神的杰作[18]。引黄入汴的“汴口”工程，为解决大运河在北方缺水环境下的水源问题提供了范例。

在气候条件上，郑州市属北温带大陆性季风气候，城市的冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明。郑州市冬季漫长而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多变大风多；夏季比较炎热，降水高度集中；秋季气候凉爽，时间短促。因此大运河不同季节的水位变化较为明显，干涸与积水随季节交替。运河沿线的城市空间建设不仅与沿河生态系统息息相关，不同季节的生态环境变化也对城市建设提出了要求(图2)。

研究区域特色的人文景观环境及较为敏感的生态格局(图3)，都对片区的城市建设提出了要求。通过对物理环境的综合分析，对大运河沿线的空间格局和形态进行优化。

2 物理环境优化方法与思路

城市物理环境包括城市风环境、热环境和声环境3个方面。风环境对城市污染物的排放有着重要影响；热环境和声环境对提高居民舒适度具有重要意义[19]。本文通过对物理环境实测、模拟与优化，得到优化的城市空间形态并进一步引导城市设计。采取模拟与实测相结合的研究方法，集成数字化物理环境分析技术簇群[20-21]，运用遥感影像分析技术、动力流体计算软件分析技术和SoundPlan等声环境软件分析技术对大运河沿线的热环境、风环境和声环境进行全域模拟，从而分析滨水区物理环境当前的主要问题，并进一步提出基地物理环境优化的空间引导策略。通过城市设计对城市建成环境进行空间合理优化，从而改善城市环境品质。

图3 研究范围及水绿骨架关系图

2.1 城市热环境模拟与分析

分析基于LANDSAT系列卫星[22]，以GIS为数据处理平台，首先获取了1984、1991、2003和2015年的郑州市卫星遥感数据。Landsat是由NASA发射的一系列卫星，目前已发射8颗。Landsat系列数据可以通过在美国地质勘探局(United States Geological Survey，USGS)的网站上注册后免费下载使用。研究采用单窗算法进行了地表温度反演，对郑州大运河两侧的城市热环境进行全域模拟。通过反演温度结果分析规划区域的热岛效应，为城市设计提供有力的技术支持。具体包括图像辐射定标、地表比辐射率计算、黑体辐射亮度与地表温度计算3个主要计算步骤。

2.2 城市风环境模拟与分析

运用Phoenics流体计算软件模拟古荥大运河全域的风环境状况，给出各季节的风速图，划分强风、弱风和静风区，并结合大运河两岸风貌进行通风廊道的设计。运用CAD三维建模完整模拟大运河两岸风貌并导入phoenics的FLAIR模块，建立三维模型。在phoenics中进行前处理设置，并依据真实模型划分计算网格，跳转至计算界面，实时监控迭代步数与残差。计算完成进入后处理界面，调整设置。

2.3 城市声环境模拟与分析

运用SoundPlan进行城市声环境模拟分析，城市中声环境影响最大的是交通噪声，对城市中噪声敏感区进行声学仿真，并提出在城市设计上的减缓优化策略。城市噪声主要有交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声。城市噪声干扰居民的工作、学习、休息和睡眠，对于吵闹干扰的容许值要求日间等效声压级为40～60分贝，夜间为30～50分贝。

对全城的精细化建模缺乏相关支撑，进行物理环境模拟难度较大。因此本研究采用“城区-分区”的分类物理环境模拟思路。城区层面包括整个研究范围，空间尺度较大，需要较大幅度简化作用模型。而分区在总体大尺度模拟的基础之上，选取局部重点区域，采取精细化建模的方式[23]。

3 物理环境数字化平台构建

3.1 基地热环境数字化综合分析

2008年，惠济区温度为26～28℃，郑州中心城区温度为28～30℃，热岛强度为2～4℃；1995年，惠济区温度为27～30℃，郑州中心城区温度为30～35℃，热岛强度为4～8℃；1987年，惠济区温度为22～26℃，郑州中心城区温度为26～29℃，热岛强度为4～7℃。30年中，随着郊区逐步被开发，城区与郊区的温度差逐步减小。

从郑州市气候与30年温度变化趋势分析，惠济区应适当开发，缓解冬季寒冷的气候现状。同时，该区域应保留部分城市绿地，形成有机的城市风道与城市冷岛(图4)。古荥大运河文化区的规划范围以江山路为界，分为东、西2个区域。其中，江山路以西为荥泽古城，由西四环、北四环、垂柳路和江山路围合，建议在现有基础上进一步加以保护和建设；江山路以东为古荥大运河，以大运河通济渠郑州段B类建设控制地带范围为界，该区域建议以惠济村所在位置为中心进行开发建设。

3.2 基地风环境数字化综合分析

郑州市的夏季主导风向为南向，平均风速为2.2m/s。根据风环境模拟结果来看，古荥运河地处惠济区，周边地带有待进一步开发。为了减弱热岛、促进污染物扩散，结合风环境模拟的结果，建议划分3条通风廊道(图5)。第一条位于古荥运河上游沿江山路方向，自南向北；第二条位于运河中段风速较大处，从风速云图中可看出，此处风速约为2.5m/s，在此处规划通风廊道有助于最大限度地减弱城市热岛并促进污染物扩散；第三条考虑沿古荥运河方向构建通风廊道，有助于冬季污染物的快速扩散。

3.3 基地声环境数字化综合分析

郑州市的主要噪声源于交通干道及交通枢纽等。通过SoundPlan软件对古荥大运河内的声环境进行模拟，生成该范围内整体的噪声分布情况。古荥两岸按照主要桥梁划分，存在4段噪声重度污染区、3段噪声中度污染区和5段宁静区。遴选出运河两侧的声景观类型，具体包括水体声景观、动物声景观、公园声景观、设施声景观、农田声景观与人文声景观六大声景观类型(图6)。通过合理布置声源与居住区之间的位置，利用天然土坡、人造围墙和茂密树林等遮挡噪声传播，改善居住区声环境。

4 基于物理环境优化的滨水区空间形态格局

4.1 生态格局设计：基于物理环境的格局引导

结合物理环境全息地图(图7)，打造沿岸四段四湾八脉：北侧旅游开发与黄河景区对接，南侧开发与主城相联系，成为打通郑州黄河的纽带。规划文化复合廊道：3条活力线形成片区输配环，强化运河两侧历史路径体验，文化项目运河两侧集聚。塑造文化活力湾区：依托运河两岸的战略点开发，充分挖掘水系湾头空间特色，打造地区特色文化名片(图8)。

图4 基地热环境数字化综合分析

图5 基地风环境数字化综合分析

图6 基地声环境数字化综合分析

4.2 空间形态优化：城市总体空间的形态建构

在物理环境综合分析及优化策略引导下，滨水区格局分段如下。通形胜：依托3条风廊与8条径流打通形胜格局；联区域：依托3条活力线将片区与郑州环城活力环相连；合古今：依托文化聚落圈形成两岸的主题分段，将古今意向合而为一；聚城河：依托20个沿河发展战略点打造特色湾头空间。最终形成“四段四湾八脉”的方案总结构，即古城人文段、繁华都市段、创智活力段和农田生态段的特色主题段落，古城脉、望山脉、游园脉和通城脉等特色径流旱溪，以及人文合湾、都市嵌湾、活力夹湾和生态汇湾的特色湾头空间。文化复合廊道与文化活力湾区相互交织，在黄河沿岸绘制出一幅磅礴大气的大遗产人文画卷(图9)。

整体滨水区空间格局及营造分衔接、调整和优化3个步骤将物理环境分析结果与生态专项规划等相衔接，并提出滨水区进一步的空间规划与设计要求。依据大运河沿线各类相关规划，衔接规划中对运河两岸重要节点的引导要求。具体空间引导措施包括以下内容：衔接相关规划中对铁路绿廊的控制，扩大绿化范围，塑造城市风廊；衔接相关规划中对汴河遗址的保护，塑造垂河带型旱地景观；衔接相关规划中对古城保护范围的控制，设计田园景观；衔接相关规划中对铁路绿廊的控制，扩大绿化范围，塑造城市风廊等。通过与不同类型的空间规划进行平台搭建和衔接，将滨水区物理环境的优化策略予以落实深化。

4.3 环境模拟提升：方案规划后要素引导策略

结合具体地块划分，将热环境、风环境和声环境的控制要求与空间开发建设条件相耦合，得出地块层面的物理环境控制策略。通过对城市设计的空间形态及城市景观环境的设计与控制，将原本硬质化的城市表面赋予其“自然化、人性化”的空间特征，从而提升片区的环境气候品质，打造宜居街区，实现城市的可持续发展[24](图10)。

4.3.1 方案规划后热环境要素引导策略

方案规划后，连通滨河绿网体系。滨水区构建横跨运河的生态绿廊，营造区段热交换的冷空气源，为通风廊道提供空间依托；连通运河与开敞空间，形成鱼骨状绿网体系，扩大绿化降温效应(图11)。

控制荥阳古城一级热岛控制区，热岛强度控制在3.5℃以下，为热环境可接受区域。惠济桥二级热岛控制区，热岛强度控制于2.5℃以下，热环境相对舒适。花园口三级热岛控制区，热岛强度控制于1.5℃以下，热环境相对舒适。交汇口冷岛控制保护区，冷岛区域能够缓解城市的热岛效应，城市冷岛强度控制在-1℃以下，部分冷岛区域可以适度开发利用。此外，在城市建设上，建筑布局结合城市风道，在城市风道上设计绿地，可采取屋顶绿化、垂直绿化、下渗地面和地下停车等方式增大街区绿化率。

图8 滨水区格局分段图

图9 滨水区设计方案总体平面

图10 滨水区设计方案全景鸟瞰图

图11 地块层面-热环境控制策略落实

4.3.2 方案规划后风环境要素引导策略

方案规划后，构建运河通风廊道，梳理一级通风廊道空间，以及“基于切割城市热场、促进空气内部流通”的二、三级通风廊道的空间构建(图12)。在沿岸划分五大核心控制区，包括通风控制区A，面积80km2，风速控制在1.3～5.0m/s，风舒适性良好；通风控制区B，面积98km2，风速控制在1.0～1.3m/s，较弱风区风舒适性适中，控制着力促进污染物的人工疏散；通风控制区C，面积86km2，风速控制在0.3～1.0m/s，宜作开放低密度建设[25]。

4.3.3 方案规划后声环境要素引导策略

方案规划后，划分声环境功能区，包括人文声景观片区，强化声景观；城市声景观片区，设置隔声小品；农田声景观片区，设置声屏障。按照《声环境质量标准》(GB 3096—2008)沿大运河划分声环境功能区，声环境功能区类别界定包括：0类康复疗养区等特别需要安静的区域；1类医疗卫生、居民住宅等需要保持安静的区域；3类以储物流、工业生产为主，需要防止周围环境严重受工业噪声影响的区域。并结合历史文化、绿化慢行空间塑造滨河宁静区(图13)。

5 结语

本文以郑州古荥大运河沿线为例，通过城市物理环境数字化模拟，提出了物理环境数字化平台构建，实现滨水区物理环境控制体系的空间落实，通过生态城市设计的方法实现城市生态环境的改善，对规划建设引导具有一定的借鉴意义。由于不同尺度下的城市物理环境模拟条件与需求不同，在热环境、风环境和声环境的模拟上采取了应对不同空间尺度的简化模型处理方式，试图探寻出一种较为简洁准确的物理环境模拟方法。同时，对于物理环境模拟后的系列分析结构，通过城市设计与空间形态优化，将物理环境的优化策略基于物理环境的格局展开生态格局总体设计，并进一步完善城市总体空间的形态建构，并通过规划前后方案的对比，得出环境模拟提升与要素引导策略。最后，本文在物理环境模拟上还缺乏相关技术准确性，需要在日后的研究中优化物理环境模拟的综合模型，实现更加准确的城市物理环境模拟，从而为生态城市设计和大尺度城市空间形态优化提供参考。

图12 地块层面——风环境控制策略落实

图13 地块层面——声环境控制策略落实

注：文中图片均由作者绘制。