绿地空间分布格局对城市热环境影响的数值模拟分析——以太原市为例

刘艳红,郭晋平 (山西农业大学林学院,山西 太谷 030801)

绿地空间分布格局对城市热环境影响的数值模拟分析
——以太原市为例

刘艳红,郭晋平*(山西农业大学林学院,山西 太谷 030801)

为探寻绿地分布格局对城市热环境的影响程度及方式,结合遥感技术,运用CFD数值模拟方法,对城市中五类常见的绿地布局形式的温度场和速度场进行数值模拟.结果表明:将CFD技术引入城市热环境研究,利用遥感技术对其进行参数修正,这一思路是可行的;根据典型绿地分布格局的热环境模拟分析,楔状格局具有较好的热环境效应,即该格局在城市中的降温效果最为明显;放射状和条带状的次之;点状格局对周边环境的降温效果相对较弱,但其速度场内局部漩涡最为明显,在小范围内的降温效果是比较明显的,可以作为改善局部小气候的手段;环状格局降温效果最弱.

绿地分布格局；城市热环境；CFD数值模拟；遥感技术

20世纪以来,城市化进程中密集的人类活动对城市景观格局的改造已经导致了诸多生态环境问题,其中城市热环境问题尤为突出[1-3],城市绿地在改善城市热环境问题的过程中起到非常重要的作用,然而城市中用地紧张的现状不能满足单一的绿地面积扩增,因此在有限地增加绿地面积的同时,合理优化城市绿地景观格局,提高绿地系统的生态效应就成了改善城市热环境问题的重要思路[4-6].

为了在最大限度上发挥城市绿地对热环境的改善缓解作用,本研究借助计算流体动力学(CFD)的数值模拟方法,以山西省太原市为研究对象,对几类常见的绿地布局形式在改善热环境中的作用进行了模拟分析,旨在探寻城市绿地空间分布格局对热环境的影响程度及影响方式,以寻求提高城市绿地生态效应的有效途径,为日后的绿地建设提供一些借鉴.

使用 CFD模拟评价城市热环境已较为普遍

[7-8],但以往的城市热环境模拟大多是对某一典型区域进行数字建模,并模拟出该区域的温度、湿度、风速等参数,并与实测数据比较,用以定量描述热环境的特征以及预测其发展态势

[9-10].本文在传统的框架中引入植物模型,进而建立典型绿地分布格局的数学模型,并利用遥感技术的相关参量和结果对CFD模型的参数设置进行修正,以进一步提高模拟结果的准确性.

1 模型建立与参数选择及修正

计算流体动力学(CFD)技术,就是应用各种数学方法,进行数值实验、计算机模拟和分析研究.在城市热环境的研究中,运用 CFD技术对一定空间中的气流组织进行模拟,通过建立数学物理模型,根据提供的合理边界条件和参数,可以对区域空气流动形成的温度场、速度场进行仿真模拟,直观显示其设计结果,并根据设计结果对其可行性和合理性进行分析研究,不断优化设计方案.但是,CFD技术在城市尺度的研究上也存在着参数不好设置、验证较为困难等问题.本研究利用遥感技术的相关参量和结果对CFD模型的参数设置进行修正.

大气在自然界中的流动大多是紊流,紊流脉动动能由切应力产生的紊流脉动动能和树冠尾流紊流特性的能量两部分组成.在三维绝热平均动量方程和质量守恒方程的基础上,可以用以下控制方程描述:

(1)连续方程

(2)动量方程

(3)能量方程

(4) 湍流输运方程

式中: ρ为流体的密度;t为时间; υ→是速度矢量; p为流体微元体上的压力; τxx、τxy和τxz等是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量; Fx、Fy和Fz是微元体上的体积力; cp为比热容; T为温度;k为流体的传热系数;ST为黏性耗散项;φ′为通用变量;Г为广义扩散系数; S为广义源项.

控制方程采用三维雷诺时均N-S方程,选用RNG k-ε湍流模型组成的封闭方程组.近壁处理采用固壁无滑移假设[11],并应用标准壁面函数处理.模型常数为:k=0.039,ε=0.19,Cμ=0.0845,C1= 1.42,C2=1.68.

1.1 CFD植物数学模型的建立

植物冠层对流场的影响在于减小风速,增大湍流效果.自然界的植物是多种多样的,为了计算简单,必须对其进行简化:把植物当成多孔介质处理,将树冠部分考虑为一体,即将树枝近似为树叶;将树干近似为密度非常稀疏的树冠.不同形状的树冠形状对流场的影响也有所不同,李亮等[12]针对风洞试验,对树冠模型做了逐步简化,认为采用长方体模型通过进行适当的参数调整,就能够得到比较准确的模拟结果,而且具有建模简便、计算快捷、收敛性好等优点.因此,本研究植物就采用长方体模型,将乔木描述为:树干高3m、直径为0.3m的圆柱体,树冠高4m、长宽各3m的长方体;灌木描述为高1m,长2m,宽1m的长方体;草本地被的高度近似为0.

1.2 参数选择与修正

建立起数学模型以后,需要设置相应的参数才可以进行计算.传统的CFD模型参数设置是大多以实测数据和已收集到的基础资料为依据,虽然大致可以反映模拟区域的实际情况,但是不准确,尤其是在城市大尺度的研究中,人工实测数据的同步性和空间代表性较差,为模型参数的合理设置增加了诸多的困难.因此,结合遥感技术对在CFD模拟的参数设置的各个环节进行修改和调节是非常必要的.

为了设置合理的参数,得到较为准确的模拟结果,根据2008年9月16日的TM遥感影像(分辨率 30m),选择一典型绿地,建立其植物的数学模型,并以包含其绿地空间的长方体区域作为计算域,在建模完成后,对其进行网格划分,进而针对绿地及地面等仿真对象设置其边界条件;将计算结果与遥感影像中提取到的相应点的地表温度相比较,并根据差异进行参数的修正,直到两者有较好的吻合.

地表辐射温度反演采用遥感图像处理软件ERDAS IMAGING8.7进行数据的预处理,在此基础上利用其空间建模工具建立地表温度反演模型,进而得到地表温度.其辐射温度反演函数为:1260.56/LOG{1+[60.776/(0.1238+0.00563156 ×$n1_6)]}-273(因为式中的结果温度是开氏温度,在辐射温度模型中减去273生成摄氏温度).

对建模后的包含绿地空间的长方体计算域采用GAMBIT软件进行有限元网格划分,由于绿地植物类型不同,且其形状较复杂,为使计算网格更好地描述模型的结构特征,采用对复杂边界适应性强的混合网格.同时,对植物表面进行网格细化.划分的网格总数为 89万,所有网格扭曲率都小于0.92.

流体运动的控制方程选用三维雷诺时均N-S方程,内部流场模拟采用分离隐式求解器,选取RNG k-ε湍流模型,模型系数采用默认值.差分格式中,压力项采用标准格式,动量方程、湍动能与耗散率输运方程的离散均采用二阶迎风差分格式,压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法.求解过程中各松弛因子为:压力项 0.3,速度项 0.7,湍动能项0.039,湍流耗散项0.19.

在计算范围入口,其边界条件设定为速度入口(velocity inlet),以该区域夏季季风风向东南风、风速5m/s进行设定,而下游出口部设定为压力出口(pressure outlet),地面的边界条件设定为墙面(wall=0.0001),其余部分的边界条件则采以对称(symmetry)设定.将计算结果与遥感影像上提取的地表辐射温度相比较(图 1),可以看出CFD模拟值与实测值具有一定的偏差,两者的吻合性较差,需进一步对模拟的参数值进行修正.

图1 传统设置下的CFD模拟温度与地表实际温度对比Fig.1 The chart of actual surface temperature and CFD simulation temperature based on traditional settings

1.2.1 进口风速的修正 风在大气边界层中情况较为复杂,按照高度的变化,会有逐渐变化的趋势,形成具有一定规律的风轮廓线.因此在垂直方向上保持风速不变不大合理,需要随着高度升高设置不同风速值[13].在 CFD 模拟设置中,在进风口取多个点的(X,Y,Z)三维坐标,并按照不同高度的风速变化情况设置这些点的风速值,计算机将按照所提取点的风速值和位置插值计算其他点位的风速值,因此预先设置的点对越多越好.

1.2.2 地表反射率的修正 这个参数在遥感灰度图中经过大量的选点研究,可知建筑的比辐射率一般在 0.975左右;其次需要设置地表粗糙度长度,地表粗糙度长度表征下垫面粗糙状况的一个特征长度,体现各种下垫面对地表附近的风环境运动起到干扰的范围,从求取的灰度图上进行大量的选点分析得出的平均值,可以提取出不同区域的对应地表粗糙度长度值.

1.2.3 绿地热辐射的修正 按照原有的设置方法,绿地作为城市体块,与建筑体块相比,仅是具有较低的温度,并不能很好地反映蒸腾作用对热环境的改善作用,也不能很好的显示绿地对周边风环境的影响.因此CFD模拟的深化设置中需要近似模拟这种下垫面较低的温度和所引起的较弱的空气运动.由于CFD软件中还没有提供针对植被的参数设置,采用CFD模型中的openning数字体块作为代表植被的媒介,将城市中较大面积的绿地专门进行设置.引入遥感参数,首先从地表温度图上获得所模拟植被的地表温度状况,作为openning的表面温度设置,然后从地表蒸散图中抽取相应的绿地蒸腾量对表示绿地的 openning进行设置并近似模拟微弱的空气运动以体现这些下垫面在空气流动中的作用.本研究重点探讨的是绿地的布局形式对其热环境的影响,对于绿地自身的蒸腾作用,在文中设定为理想状态即各种格局蒸腾作用完全相同.

图 2为模型中所取样点经参数修正后的CFD模拟温度与地表实际温度对比曲线.引用公式(5),计算各个样点经参数修正后的 CFD模拟与实测温度的相对误差值.通过计算得出10个不同样点的平均相对误差为3.6%,模拟结果的可信程度较高.

图2 修正后的CFD模拟温度与地表实际温度对比Fig.2 The chart of actual surface temperature and CFD simulation temperature based on changing parameters

利用遥感热环境分析的一些思想和结论修改部分CFD设置,使其更符合热环境的结构和运行状态,经过选点对比研究(图 2),并进行各取样点的相对误差计算,其值均小于 6%,可以看出两者的热场结构、热环境关系具有一致性.由于地表温度图的遥感求取方法精度较高,可以认为此时 CFD 模拟结果较为合理,由此可以该状态下的参数设置进行城市绿地的热环境模拟分析.

2 绿地分布格局的热环境效应模拟分析

在城市绿地中,常见的布局格式有以下几种:点状结构;带状结构:包括如条带状、环状、放射状等;楔状结构:楔状结构是指绿地分布由郊区伸入到市中心,呈现出从宽到窄的绿带.这种结构多为利用河流、起伏的地形、放射干道等并结合市郊农田、防护林而形成的;混合式结构:由前三种结构综合而成,可以做到城市绿地点、线、面结合,形成较完整的体系(图3).

图3 城市绿地布局的基本形式Fig.3 The basic forms of distribution of urban green space

根据绿地分布格局,结合前文中的植物模型,运用AutoCAD软件选择在500×1000m的区域内,建立以上 5种常见的绿地分布典型格局的数学模型.为了对不同分布格局的降温效应做比较,建模时把绿地面积定义为实际计算面积的 50%,以此作为控制指标.模型建立后,采用 Gambit软件对模型进行网格划分,为下一步 CFD计算做准备.CFD计算所进行的参数选择,通过参数修正的方法逐一设置.经过迭代计算,输出距地面为2m高度水平面上的温度场及风速场.

利用CFD进行城市热环境分析,主要利用风环境作为城市热环境变化的主要流通手段.而且城市的热岛效应也是依靠通风状况来进行缓解.因此城市热环境的分布格局与城市风环境息息相关.本文重点分析几类典型绿地分布格局的内部温度场(即绿地内部的自身热量交流)和风速场(即绿地与外部环境的热量交换)两方面的问题.

2.1 温度场分析

在设定边界温度相等的情况下,经过内部的热量交换后,温度较低并趋于平均的区域,说明其内部热交换充分,绿地格局自身的通透性较好,反之亦然;而温差较大的区域,则反映出区域内热交换弱,绿地对其周边环境的影响力较弱.

从各类绿地分布格局的温度场模拟图(图4)可以看出:点状格局只有在植被分布密集的区域即植被覆盖率较高的情况下,内部热交换频繁,温度较低;“点”与“点”之间也有一定的热量交换,温度介于绿地内外之间,并且呈现出相邻两“点”面积越大,对“点”之间区域的温度影响越明显;而在总体点状绿地外围,温度较进口平均温度高,离进口较远的区域,高温现象尤为明显.条带状分布格局中总体温度较低,在两条绿带所形成的廊道里低温效应尤为明显,这也与景观生态学中的廊道效应理论相吻合.在环状分布格局中,模拟区域的总体温度偏高,低温区域主要集中在环形绿地带之间及其下风方向,这与环形绿带形状相对闭合,较难形成相互间的热交换有关.放射状分布格局和楔状格局的温度场分布有一定的相似之处,模拟区域内总体温度较低,可以成为缓解城市热环境的“冷源”,而且在绿地的下风方向形成较大面积的“极低温”冷源区,在楔状格局中这种现象更为突出.

图4 温度场模拟Fig.4 Simulation diagram of temperature field

将各类分布格局的温度模拟图,按照温度等级分为高温区、较高温区、中温区(等于设置的进口温度)、较低温区、低温区,统计其所占面积百分比并计算整个模拟区域的均温,可以发现:低温区、较低温区面积所占比例有如下规律,楔状格局＞放射状格局＞条带状格局＞点状格局＞环状格局,而高温区和较高温区则反映为,点状格局＞环状格局＞放射状格局＞楔状格局＞条带状格局.这说明:条带状格局内部热交换频繁,使之内部温度趋于较低但比较均匀的状态,而楔状格局次之,也是一种理想的布局形式,点状格局模拟区域内温差较明显,植被覆盖集中的区域温度明显较低,而其他区域则要高于平均温,环状格局则处于整个区域均温最高的位置,该布局形式通透性不好,内部的热交换较缓.

2.2 速度场分析

在设定的进口(右侧)风速相等的情况下,下风出口方向风速越大,绿地与外界的热交换越强,如果其内部均温较低,则对周边环境的降温效果越明显;速度漩涡越明显,则反映出相应区域的风速较大,局部热交换强烈,一般情况下,速度其对应的是模拟区域内的低温区.

图5 速度场模拟Fig.5 Simulation chart of velocity field

从各类绿地分布格局的速度场模拟图(图5)可以看出,出口风速有以下的规律:楔状格局＞放射状格局＞条带状格局＞点状格局＞环状格局,结合图4可以认为:楔状格局对周围热环境有着较好缓解作用,其自身内部热交换充分,总体温度较低,出口方向风速较大,与外界可以形成很好地交流;放射状和条带状次之,当然条带状格局要发挥较好的热环境效应,必须是绿带排列方向与盛行风向平行;点状格局对周边环境的降温效果要弱些,但其速度场内局部漩涡最为明显,这说明点状格局中的各“绿点”(即组成该格局的各块绿地)在小范围内的降温效果还是比较明显的,可以作为改善局部小气候的手段;环状格局降温效果最弱,内部均温较高,出口风速较小,与外界的热交换既不充分也不能带来明显的降温效果,但如果防风林等防护类绿地用此类分布格局,则能减少绿地内外的能量交换,起到较好的作用.

3 建议

在城市绿地建设中,在条件允许的情况下,楔形绿地可以作为城市绿地建设的首选形式,以实现城市绿地良好的生态效应;而点状格局形式自由灵活,可以作为改善局部小气候的手段;环状格局则是防风林等防护类绿地用的理想布局形式.

本文只对 5种典型的常见绿地分布格局做了模拟分析,当然,在实际的绿地规划建设中,受现实因素所限,绿地布局形式是多种多样的,这就需要规划时结合现状条件,灵活布置.总的来说,选用模拟的绿地空间分布格局类型中速度漩涡明显,自身均温较低的与出口风速较大,能促使绿地内外热量迅速交换的格局相结合,一定能达到较为理想的降温效果.

4 结论

4.1 运用CFD模拟方法,结合遥感技术,来探讨城市绿地分布格局对其热环境的影响,这一思路是可行的.

4.2 在常见的城市绿地布局形式中,降温效应由强到弱依次为:楔状、放射状和条带状、点状、环状.由此说明,在楔状格局有良好的联通性,能够较强地实现景观生态中的“廊道效应”,而放射状和条带状(绿带排列方向与盛行风向平行时)也有类似的特征;点状格局由于其面积较小,难以在大尺度上对热环境有明显的影响,但在小范围内还是有一定的降温效果;环状格局的联通性最弱,能量交换不频繁,对周围热环境的影响不明显.

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Numerical simulation for the influence of green space patterns on urban thermal environment: Taking Taiyuan City as an example.

LIU Yan-hong, GUO Jin-ping*(The Forestry College, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China). China Environmental Science, 2011,31(8)：1403～1408

The temperature and velocity fields of five common forms for urban green space pattern were simulated by CFD and remote sensing technology, in order to find the influence extent and the influence way of green space pattern on urban thermal environment. The result shows that it is feasible that CFD numerical simulation technology can be introduced to the study of urban thermal environment, with remote sensing technology to modify the parameters of the CFD model. From the simulation analysis of urban thermal environment based on the typical green space patterns, the following results can be got: Wedge-shaped pattern has the best thermal environment effect, in other words, the cooling effect of wedge-shaped pattern is the strongest for urban; the cooling effect of radial and banded pattern follows after wedge-shaped pattern; the cooling effect of point pattern is relatively weak; and the cooling effect of ring pattern is the weakest. Although the cooling effect of point pattern is relatively weak, the local vortex of velocity fields is the most obvious, so it can be used a means to improve the local micro-climate. Base on the study results, some corresponding proposals for urban green space planning and constructing are posed.

green space pattern；urban thermal environment；CFD numerical simulation；remote sensing technology

X144

A

1000-6923(2011)08-1403-06

2011-02-10

山西农业大学科技创新基金资助项目(2008010)

* 责任作者, 教授, jinpguo@sohu.com

刘艳红(1978-),女,山西岚县人,讲师,硕士,主要从事城市景观生态及园林规划设计研究.发表论文10余篇.