梁 勝,陳存友,胡希軍,張 偉,劉路云

1 中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院,長沙 410004 2 湖南省自然保護(hù)地風(fēng)景資源大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心,長沙 410004 3 中南林業(yè)科技大學(xué)城鄉(xiāng)景觀生態(tài)研究所，長沙 410004 4 佛山建投置地有限公司，佛山 528000

城市湖泊作為城市生態(tài)空間重要的組成部分由于具有較大的熱容量和蒸發(fā)能力,熱緩釋效應(yīng)明顯,能顯著改善湖濱區(qū)域熱環(huán)境[1—2]。城市化進(jìn)程的加快使得自然地表熱力性質(zhì)不斷發(fā)送改變,加上人口的不斷聚集以及人為熱的大量產(chǎn)生,城市熱島效應(yīng)逐漸加劇[3—4]。由于城市湖濱區(qū)域坐擁較好的區(qū)位優(yōu)勢,目前臨湖空間開發(fā)逐漸失控,城市“湖泊盆地”空間特征明顯[5]。這不但影響著城市水域景觀的美感度,還進(jìn)一步導(dǎo)致“湖陸氣流”交換不暢,削弱了湖泊水體改善城市小氣候的作用。如何在城市有限的湖泊資源下使得其生態(tài)效益最大化,成為了眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[6—8]。

目前大多學(xué)者研究城市水體冷島效應(yīng)所采用的方法主要為：(1)實(shí)地測量研究,通過對水體周邊熱環(huán)境進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測[9],采用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析水體周邊溫度的時空變化規(guī)律以及影響因素[10—11];(2)遙感地溫反演研究,通過遙感技術(shù)反演水體周邊地表溫度或大氣溫度數(shù)據(jù)[12],借助GIS操作平臺分析城市水體的降溫強(qiáng)度與其周邊環(huán)境特征之間的定量關(guān)系[13];(3)數(shù)值仿真模擬研究,借助計算機(jī)流體動力學(xué)模型CFD或三維微氣候模型ENVI-met等,對多情景下的水體降溫應(yīng)進(jìn)行模擬比較,分析不同影響因素的作用機(jī)制[14—15]。當(dāng)前研究以遙感技術(shù)居多,隨著計算機(jī)計算能力的增強(qiáng)以及仿真模擬能力的提升,數(shù)值模擬與實(shí)測交互驗(yàn)證研究已逐漸成為城市水體冷島研究的主要技術(shù)手段之一[16—17]。

水體的降溫機(jī)制研究及其影響因素研究已成為研究城市水體冷島效應(yīng)的兩大主體內(nèi)容[18—20],水體通過促進(jìn)與周邊環(huán)境的對流換熱帶來降溫效應(yīng),其影響因素研究也得到進(jìn)一步擴(kuò)展[21—22]。研究表明湖泊熱緩釋效應(yīng)受到湖泊自身景觀特征以及周邊景觀配置的影響[23—25],但目前涉及建筑因素的研究探討中大多分析建設(shè)用地面積指標(biāo)與湖泊水體降溫的相關(guān)性,缺乏對建筑三維形態(tài)空間的進(jìn)一步研究。而已有研究發(fā)現(xiàn)城市建筑的三維形態(tài)由于影響城市能量收支平衡和空氣流動[26—27],對于城市熱環(huán)境有較大的影響[28]。湖濱不同的建筑布局等會形成不同的風(fēng)影區(qū)分布(風(fēng)影區(qū)湍流情況復(fù)雜,風(fēng)向不穩(wěn)定,不利于建筑周邊的空氣流通)[29],這很大程度上會限制城市水體的氣候調(diào)節(jié)能力。目前城市建筑空間形態(tài)與城市水體熱行為間的相互影響研究較為缺乏,大多數(shù)研究僅基于實(shí)測數(shù)據(jù)與周邊建筑環(huán)境進(jìn)行定性分析,缺少相應(yīng)的定量研究。由于有關(guān)熱力耦合模型計算的復(fù)雜性,同類型仿真模擬研究中缺少對輻射模型、水分蒸發(fā)模型做出詳細(xì)設(shè)定,導(dǎo)致模擬結(jié)果的適用性需要進(jìn)一步論證。為此本文基于平行定點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù),以長沙市梅溪湖為例,采用流體模型與熱力耦合的方法,通過CFD情景模擬的方式探究高密度建成區(qū)湖濱建筑空間形態(tài)對城市湖泊熱緩釋效應(yīng)的影響,目的在于探索：(1)高密度建成區(qū)城市內(nèi)湖水體熱緩釋效應(yīng)特征(緩釋幅度和緩釋范圍);(2)高密度建成區(qū)湖濱建筑形態(tài)對湖泊水體熱緩釋的影響機(jī)制。以期為深入了解高密度建成區(qū)城市湖泊熱緩釋效應(yīng)的影響因素提供理論基礎(chǔ),指導(dǎo)城市湖濱規(guī)劃建設(shè)、優(yōu)化城市湖泊生態(tài)效益。

1 研究區(qū)概況

長沙梅溪湖位于湖南省長沙市湘江新區(qū)梅溪湖路,整個水域呈“小提琴”形狀,是一個集防洪調(diào)蓄、生態(tài)旅游為一體的綜合性湖泊。長沙市屬亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季以東南風(fēng)為主,冬季以西北風(fēng)為主。梅溪湖水域面積約為1.75 km2,岸線長度為9 km。梅溪湖水域位于長沙主城區(qū)內(nèi)且周邊建筑密度較大,臨湖建筑界面以高密度住區(qū)為主,具有高密度建成區(qū)型城市內(nèi)湖的典型性,建筑因素層面對于水體生態(tài)的效益正常發(fā)揮干擾性大。根據(jù)實(shí)地勘察并結(jié)合《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50352—2019)中建筑分類對樣本湖泊周邊建筑進(jìn)行了劃分統(tǒng)計(圖1),研究區(qū)域中共有建筑935棟,其中低層建筑91棟,多層建筑469棟,高層建筑295棟,超高層建筑80棟。

2 研究方法

2.1 平行定點(diǎn)實(shí)測

2.1.1樣線測點(diǎn)設(shè)置

以長沙梅溪湖及距湖750 m范圍內(nèi)周邊區(qū)域作為研究樣本,面積約8.95 km2。根據(jù)梅溪湖周邊建筑交通及植被綠化等情況分別在梅溪湖相對城市主導(dǎo)風(fēng)的上風(fēng)向、下風(fēng)向及垂直向區(qū)域篩選出三條樣線(圖2),分別位于近湖路(樣線1)、麓云路(樣線2)、近湖八路(樣線3)。研究表明100—150 m范圍內(nèi)小氣候的尺度效應(yīng)明顯[30],故各樣線按臨湖0 m、150 m、300 m、450 m、600 m布置5個測點(diǎn)(共計15個測點(diǎn)),該距離范圍內(nèi)可以有效反映各測點(diǎn)周邊的熱環(huán)境特征[31]。

2.1.2測量儀器與方法

平行定點(diǎn)實(shí)測采用的儀器(圖3)有：德國TESTO08H1溫濕度計(分辨率:0.11 ℃,0.1% RH),用于平行定點(diǎn)實(shí)測湖泊周邊環(huán)境的溫濕度;GM890數(shù)字風(fēng)速儀(測量范圍：0—45 m/s),用于評估實(shí)測時測點(diǎn)周邊風(fēng)環(huán)境,以保證實(shí)測數(shù)據(jù)的科學(xué)有效性。為了避免測量條件的一致性,所有儀器使用均在遮陽條件下進(jìn)行,在測量過程中避免長時間的裸露暴曬,每次測量數(shù)據(jù)讀取三次。

圖3 實(shí)地測量圖Fig.3 Field measurement pictures

2.1.3測量時間與內(nèi)容

為準(zhǔn)確獲取梅溪湖周邊熱環(huán)境狀況,研究小組于2019年6月至8月選取天氣狀況良好(晴朗少云、微風(fēng))的9 d時間(6月20日、6月25日、6月26日、7月1日、7月2日、7月3日、8月23日、8月24日、8月31日)對研究區(qū)域樣線上15個測點(diǎn)進(jìn)行全天候小氣候跟蹤測量(測量時間為早上8:00至晚上19:00),主要測量內(nèi)容為距離地面1.5 m高度處的大氣溫度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向,測點(diǎn)數(shù)據(jù)每隔1 h采集一次。

2.2 CFD情景模擬

計算機(jī)流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的基本思想是用一系列有限的離散點(diǎn)上的值的集合來代替原來空間和時間坐標(biāo)中連續(xù)的物理場(如溫度場、濕度場、速度場等),通過對模擬對象建立起的物理湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算,得出模擬對象周邊區(qū)域的氣流分布情況,從而為城市熱環(huán)境的研究提供精準(zhǔn)的可視化數(shù)據(jù)[32]。本研究CFD模擬研究主要通過圖形設(shè)計輔助工具AUTO CAD2015、ANSYS 2020R2計算平臺以及惠普Z840臺式工作站完成。

2.2.1模擬計算過程

2.5.4 精密度試驗(yàn) 取“2.2.3”項下供試品溶液（編號：G-5）適量，按“2.1”項下色譜條件連續(xù)進(jìn)樣測定6次，記錄峰面積。結(jié)果，淫羊藿屬苷A、朝藿定A1、朝藿定A、朝藿定B、朝藿定C、淫羊藿苷、鼠李糖基淫羊藿次苷Ⅱ、寶藿苷Ⅰ峰面積的RSD分別為1.15%、1.15%、0.15%、0.13%、0.08%、0.10%、0.33%、1.46%（n＝6），表明本方法精密度良好。

(1)創(chuàng)建幾何模型。在AUTO CAD2015軟件中建立起研究區(qū)域的三維實(shí)體模型,然后再導(dǎo)入Fluent軟件中的Design Modeler中進(jìn)行簡化清理,以保證模擬軟件的順利運(yùn)行。

(2)確定計算域。參考Franke等[33]的模擬計算原則,在幾何物理模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到模擬計算域：長(東西方向)×寬(南北方向)×高(設(shè)地面高度為0)=3880 m×5280 m×260 m,這樣可以保證模型來流均勻、去流與研究對象作用完全。

(3)劃分計算網(wǎng)格。在ANSYS MESHING中采用非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行劃分(圖4),有利于提升局部區(qū)域的計算精度[34],同時對建筑底部、湖泊水體邊緣網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,最終所劃分網(wǎng)格的體積均為正值,網(wǎng)格數(shù)量約為1827萬,節(jié)點(diǎn)數(shù)量約為347萬,其中約90%網(wǎng)格的偏移度小于0.5,網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖4 計算網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation for study area

(4)選取計算模型。在遵循三大控制方程的基礎(chǔ)上(動量方程、能量方程、連續(xù)性方程)對湍流模型、熱輻射方程、組分運(yùn)輸模型進(jìn)行控制設(shè)定。湍流模型主要采用RNG k-ε二方程模型,該模型在濱水環(huán)境的模擬預(yù)測中具有較好的適應(yīng)性[35]。在輻射模型中主要對于建筑表皮及硬質(zhì)地面的輻射給予一定的控制方程,采用Fluent中自帶的太陽加載模型[36]。對于湖泊蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣(H2O)以及空氣當(dāng)中主要的組成成分氮?dú)?N2)、氧氣(O2)的擴(kuò)散輸運(yùn)采用組分運(yùn)輸模型進(jìn)行模擬。

(5)設(shè)置邊界條件。參考《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中長沙夏季典型氣象日氣象數(shù)據(jù)并且結(jié)合平行定點(diǎn)實(shí)測值的氣候條件作為原始算例的初始條件,設(shè)定長沙市夏季典型風(fēng)向夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E,夏日室外平均風(fēng)速取1.8 m/s,溫度為35.47 ℃,其他模擬參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置Table 1 CFD simulation parameter settings

2.2.2模擬方法驗(yàn)證

通過在CFD-Post里面建立高1.5 m(z=1.5 m)的截面生成研究區(qū)域溫度云圖,選點(diǎn)讀取測點(diǎn)模擬結(jié)果,各測點(diǎn)14:00時實(shí)測平均溫度與模擬溫度對比見圖5。7月份各測點(diǎn)實(shí)測平均溫度為35.47 ℃,模擬平均溫度為36.25 ℃,兩者溫差為0.77 ℃,由于計算機(jī)的計算承載能力有限,對研究場地物理模型構(gòu)建時進(jìn)行了簡化處理(未考慮植物模型),使得模擬溫度略高于實(shí)測溫度。通過實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果的擬合曲線圖(圖6)可知,R2為0.7182,CFD模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合程度較高,可見CFD能夠很好的再現(xiàn)高密度建成區(qū)湖泊水域周邊整體熱環(huán)境,模擬結(jié)果已具備科學(xué)研究的合理性,可以有效的開展后續(xù)的模擬研究。

圖5 實(shí)測溫度與模擬溫度對比圖Fig.5 Temperature diagram of each measuring point and simulated

圖6 實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of measured data and simulated dataCFD:計算機(jī)流體動力學(xué)Computational fluid dynamics

2.2.3情景模擬設(shè)置

臨湖建筑的高度聚集使得湖濱區(qū)域“湖泊盆地”空間特征明顯,湖岸周邊建設(shè)圍合程度增加阻礙湖泊與周邊環(huán)境的氣流交換,且由于高層建筑對于來流的風(fēng)擋作用比較明顯,對于湖泊上方水汽的流動干擾較大,阻隔了湖泊水氣的水陸交換過程,影響湖泊的熱緩釋效能,研究采用減法原則通過改變建筑后退湖岸距離(去掉臨湖100 m、200 m內(nèi)建筑)(圖7)、改變環(huán)湖建筑圍合程度(去掉每相鄰1個、2個建筑)(圖8)、降低臨湖建筑高度(臨湖建筑高度降低10 m、20 m)(圖9)模擬分析研究區(qū)域溫度場特征,其他參數(shù)設(shè)置與實(shí)際算例保持一致。

圖7 改變建筑后退湖岸距離Fig.7 Change the distance between the building and the lake shore

圖8 改變環(huán)湖建筑圍合程度Fig.8 Change the distance between the building and the lake shore

圖9 降低臨湖建筑高度Fig.9 Change the distance between the building and the lake shore

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 實(shí)際算例

圖10為實(shí)際算例溫度云圖、風(fēng)場云圖,表2、表3為實(shí)際算例溫度場、風(fēng)場讀取結(jié)果,整個區(qū)域溫度值分布在29.78—39.36 ℃間,風(fēng)速值分布在0.06—3.59 m/s間。通過對實(shí)際算例梅溪湖水體周邊夏季14:00時1.5 m處風(fēng)熱環(huán)境的模擬表明：

表2 實(shí)際算例風(fēng)場分布一覽表/(m/s)Table 2 List of the wind field distribution in actual calculation example

表3 實(shí)際算例溫度場分布一覽表/℃Table 3 List of the temperature field distribution in actual calculation example

圖10 實(shí)際算例風(fēng)場、溫度場模擬結(jié)果Fig.10 Actual simulation results of wind field and temperature field

(1)梅溪湖周邊風(fēng)場復(fù)雜多樣,受周邊建筑影響較大。由于建筑高度不一,對氣流的擾動性較大,氣流湍動性增強(qiáng),上下風(fēng)向風(fēng)速值差異明顯,下風(fēng)向區(qū)域速度高于上風(fēng)向區(qū)域,差值可達(dá)0.03—1.73 m/s。上風(fēng)向由于存在大量的聯(lián)排建筑群,通風(fēng)間距有限,風(fēng)阻作用明顯,易形成大面積的靜風(fēng)區(qū),速度為0.23—0.27 m/s。下方向建筑多為行列式布局,“狹管效應(yīng)”明顯,易出現(xiàn)較大值風(fēng)速區(qū),最高值可達(dá)3.09—3.13 m/s。(2)湖泊上下風(fēng)向區(qū)域溫度差明顯,與風(fēng)場關(guān)系密切。下風(fēng)向區(qū)域的熱緩釋強(qiáng)度明顯強(qiáng)于其他明顯區(qū)域,整體差異可達(dá)0.82—2.76 ℃,這進(jìn)一步說明了湖泊熱緩釋效應(yīng)空間規(guī)律明顯。由于梅溪湖上風(fēng)向高密度的高層建筑組團(tuán)造成通風(fēng)不暢,使得上風(fēng)向帶來的熱空氣在建筑底部堆積,造成局部熱量的不斷積累,形成低速高溫區(qū),而在下風(fēng)向區(qū)域由于湖泊上方水汽擴(kuò)散受平流作用形成低溫高速區(qū)。(3)湖泊水體通過將冷空氣擴(kuò)散到附近周邊區(qū)域來產(chǎn)生一定范圍的熱緩釋作用距離,由于主導(dǎo)風(fēng)的加速助推作用促進(jìn)湖泊水體對流換熱作用,湖泊在下風(fēng)向的最遠(yuǎn)熱緩釋距離可達(dá)550 m。

3.2 改變建筑后退距離

由于湖泊熱緩釋效應(yīng)在上風(fēng)向、垂直向并不明顯,為使得數(shù)據(jù)差異性分析更為明顯,在情景模擬對比分析時實(shí)際算例下方向溫度選用最高值,上風(fēng)向、垂直向選用最低值。增大臨湖建筑后退距離的模擬結(jié)果(圖11、表4)表明：

表4 改變建筑后退距離情景模擬下溫度場分布一覽表/℃Table 4 Temperature field distribution under scenario simulation of changing the building retreat distance

圖11 改變建筑后退距離研究區(qū)域溫度場模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of temperature field with changing the building retreat distance

(1)整體上,增大臨湖建筑后退距離使得臨湖范圍內(nèi)大量高層建筑消失,有效地擴(kuò)展了水氣的傳輸途徑,改善了湖濱風(fēng)環(huán)境,強(qiáng)化了湖泊的緩釋效應(yīng),且對下方向的緩釋效應(yīng)最為明顯,最大降溫幅度分別為0.50 ℃、1.36 ℃,對上風(fēng)向的最大降溫幅度分別為0.23 ℃、0.59 ℃,對垂直向的最大降溫幅度分別為0.33 ℃、0.37 ℃。(2)在影響差異方面,建筑后退200 m(共清退140棟建筑)可以很大程度上強(qiáng)化湖泊熱緩釋效果,相比建筑后退100 m(共清退建筑52棟),建筑后退200 m的對下風(fēng)向的最大降溫幅度增加0.82 ℃,對上風(fēng)向的最大降溫幅度增加0.36 ℃。但在垂直向由于建筑后退200 m使得原有建筑下墊面均被設(shè)為硬質(zhì)鋪面,受地面輻射熱增強(qiáng)以及缺少建筑遮陰作用等因素影響,降溫幅度明顯小于建筑后退100 m。(3)在緩釋距離方面,增大建筑后退距離使得緩釋距離不斷向下風(fēng)向擴(kuò)展,建筑后退100 m最遠(yuǎn)緩釋距離為552 m,由于建筑后退200 m后使得下風(fēng)向區(qū)域的超高層以及高層建筑被清除,高層建筑風(fēng)擋作用減弱,濕冷氣流向建筑內(nèi)部滲透形成多處臨湖低溫區(qū),下風(fēng)向臨湖區(qū)域的低溫區(qū)不斷外擴(kuò),湖泊對下方向區(qū)域的熱緩釋范圍達(dá)到602 m范圍內(nèi),緩釋距離向外擴(kuò)展了50 m。

3.3 改變環(huán)湖建筑圍合程度

由于湖泊周邊建筑排布并不均一,建筑形式復(fù)雜多樣,準(zhǔn)確控制改變環(huán)湖建筑圍合程度難度較大,研究通過去掉每相鄰建筑數(shù)量對改變環(huán)湖建筑圍合程度進(jìn)行表征。改變環(huán)湖建筑圍合程度模擬結(jié)果(圖12、表5)表明：

表5 改變環(huán)湖建筑圍合程度情景模擬下溫度場分布一覽表/℃Table 5 Temperature field distribution under scenario simulation of changing lake bank enclosure degree

圖12 改變環(huán)湖建筑圍合程度研究區(qū)域溫度場模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of temperature field with changing lake bank enclosure degree

(1)整體上,去掉相鄰建筑數(shù)量由于可以一定程度優(yōu)化建筑群內(nèi)部風(fēng)環(huán)境,提高臨湖空間界面的引風(fēng)屬性,對于提高湖泊的緩釋效能具有積極作用。去掉每相鄰1個建筑和去掉每相鄰2個建筑最大降溫幅度分別為1.18 ℃、1.73 ℃,對于上風(fēng)向的最大降溫幅度分別為0.35 ℃、0.46 ℃,上下風(fēng)向的緩釋程度存在很大差異,達(dá)0.83—1.27 ℃。(2)在影響差異方面,去掉每相鄰2個建筑和掉每相鄰1個建筑帶來的緩釋效能差異不明顯,兩者對下風(fēng)向的降溫幅度溫度差為0.55 ℃,對上風(fēng)向的降溫幅度溫度差僅為0.11 ℃。(3)在緩釋范圍方面,改變環(huán)湖建筑圍合程度使得研究區(qū)域形成暢通的通風(fēng)廊道,湖泊對下方向區(qū)域的最遠(yuǎn)熱緩釋作用范圍擴(kuò)大到582 m范圍,去掉每相鄰2個建筑間距后,濕冷來流不斷向西南向滲透,臨湖低溫區(qū)向西南向偏移,緩釋效應(yīng)顯著。

3.4 改變臨湖建筑高度

降低臨湖建筑高度模擬結(jié)果(圖13、表6)表明：

表6 改變臨湖建筑高度情景模擬下溫度場分布一覽表/℃Table 6 Temperature field distribution under scenario simulation of changing building height near the lake

圖13 改變臨湖建筑高度研究區(qū)域溫度場模擬結(jié)果Fig.13 Simulation results of temperature field with changing building height near the lake

(1)整體上,降低臨湖建筑一定程度上減小了來自高層建筑的風(fēng)擋作用,臨湖建筑高度降低10 m、20 m能使得梅溪湖周邊低層建筑或高層建筑消失,建筑的阻隔風(fēng)擋作用被減弱,對下方向的最大降溫幅度分別為0.80 ℃、1.86 ℃,對于上風(fēng)向的最大降溫幅度分別為0.51 ℃、0.66 ℃。(2)在影響差異方面,臨湖建筑高度的不斷降低對于下方向的溫度影響較為明顯,臨湖建筑降低10 m時對下風(fēng)向的降溫幅度為0.78—0.80 ℃,臨湖建筑降低20 m時對下風(fēng)向的降溫幅度為1.86 ℃,臨湖建筑的進(jìn)一步降低使得下風(fēng)向區(qū)域降溫幅度提高1.06—1.08 ℃,而降低建筑使得垂直向大量建筑被清退,硬質(zhì)鋪面的增加使得垂直向增溫明顯,垂直向受湖泊熱緩釋作用有限。(3)在緩釋范圍方面,臨湖建筑高度降低10 m對下方向區(qū)域的最遠(yuǎn)熱緩釋作用范圍與實(shí)際算例差異不大,最遠(yuǎn)熱緩釋距離為559 m。臨湖建筑高度降低20 m對下方向區(qū)域的最遠(yuǎn)熱緩釋距離575 m,并逐漸擴(kuò)展到垂直向區(qū)域,溫度達(dá)35.49—35.60 ℃。

4 結(jié)論與展望

4.1 研究結(jié)論

本文聚焦于高密度建成區(qū)湖泊水體,試圖將城市湖泊水體熱緩釋影響機(jī)制的基礎(chǔ)性研究逐步擴(kuò)展至湖濱區(qū)域的應(yīng)用研究中,通過CFD情景模擬方式重點(diǎn)探討了高密度建成區(qū)3組湖濱建筑空間形態(tài)對湖泊熱緩釋效應(yīng)的影響。主要結(jié)論如下：

(1)由于梅溪湖周邊受到高強(qiáng)度建設(shè)區(qū)的“圍堵”,水體與周邊區(qū)域的空氣流通受阻,水體在夏季的緩釋效能未能充分體現(xiàn)。本文所用計算模型能夠很好的表征出高密度建成區(qū)湖湖濱風(fēng)熱環(huán)境特征,可以有效地作為城市環(huán)境中湖泊水體熱緩釋效能評價工具。

(2)高密度建成區(qū)建筑空間形態(tài)在一定程度上對湖泊的熱緩釋效能產(chǎn)生了消極影響,增大建筑后退距離、降低臨湖建筑高度、縮小環(huán)湖建筑圍合程度均能夠強(qiáng)化湖泊的熱緩釋作用,其中增大建筑后退距離的強(qiáng)化作用最弱。

(3)受城市主導(dǎo)風(fēng)影響,無論改變哪種空間形態(tài),湖泊水體對下風(fēng)向的熱緩釋強(qiáng)度始終強(qiáng)于垂直向和上風(fēng)向區(qū)域,湖區(qū)規(guī)劃建設(shè)需充分考慮城市通風(fēng)廊道建設(shè)與水體生態(tài)效益間的相互影響關(guān)系。

(4)擴(kuò)大建筑后退湖岸距離使得來自高層建筑消極的阻隔作用減小,有利于濕冷空氣流通,建筑后退100 m和建筑后退200 m分別能使梅溪湖周邊溫度下降0.50 ℃、1.36 ℃,建筑后退200 m后湖泊水體的熱緩釋強(qiáng)度得到顯著提升。

(5)增強(qiáng)臨湖空間界面的多孔性及引風(fēng)屬性有利于湖泊建筑內(nèi)部的散熱及水氣交換,去掉每相鄰1個建筑和去掉每相鄰2個建筑有效擴(kuò)展了水氣的傳送途徑,梅溪湖的緩釋溫度分別可達(dá)1.18 ℃、1.73 ℃。

(6)增大濱水界面的梯度性以及加強(qiáng)湖泊與建筑的互動性可使得湖泊的熱緩釋效能得到進(jìn)一步優(yōu)化,建筑高度降低10 m和建筑高度降低20 m分別能使溫度下降0.78 ℃、1.86 ℃,梅溪湖的最遠(yuǎn)熱緩釋距離達(dá)575 m,并逐漸擴(kuò)展到垂直向區(qū)域。

4.2 研究展望

目前,在湖濱空間風(fēng)熱環(huán)境的研究中仍存在很大程度的模擬不確定性。由于考慮到計算機(jī)的計算承載能力,為了便于網(wǎng)格劃分,大部分同類型研究均對實(shí)際場地物理模型進(jìn)行了優(yōu)化處理,缺少對場地植物進(jìn)行建模模擬等使得城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同冷卻作用[37]并未在仿真模擬中得到很好的體現(xiàn)。同時,由于計算機(jī)硬件條件的限制以及模擬場地較大,本文在計算模型處理上較前人的研究雖有一定優(yōu)化但仍存在局限和不足,如未考慮到人為熱、土壤傳熱以及植被的蒸騰作用等,這在一定程度上會影響模擬結(jié)果的精度,需要在今后的研究中對計算模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化以及對CFD模擬進(jìn)行全局的不確定性量化分析。

在將來的湖濱規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)更為重視城市湖泊水域這類生態(tài)冷源對城市熱環(huán)境的緩釋調(diào)節(jié)能力以及城市空間形態(tài)對湖泊熱緩釋效應(yīng)的影響,不斷開展多軟件交互驗(yàn)證、多時段并行監(jiān)測、多空間尺度比對的綜合研究,不斷完善計算模型,充分論證城市空間形態(tài)指標(biāo)與湖泊小氣候的關(guān)聯(lián)性,協(xié)同考慮城市藍(lán)綠空間的降溫潛力,以至于能充分利用自然力(湖泊等水體資源)。同時,不斷完善建設(shè)以風(fēng)熱環(huán)境適宜度為優(yōu)化目標(biāo)的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用平臺,構(gòu)建湖濱小氣候要素評價體系,兼顧城市發(fā)展與城市熱量的收支平衡,營造出宜人的湖濱小氣候條件,并在城市規(guī)劃設(shè)計階段進(jìn)行校驗(yàn)評估,逐步運(yùn)用于政府管理部門決策過程中,不斷突出城市藍(lán)色空間的多元服務(wù)供給功能。