通风潜力量化分析：城市风道模拟规划设计

1.研究方法及技术路线

城市空气引导通道主要是将补偿空间的新鲜空气引入城市作用空间，此通道往往指空气流动阻力较小的区域，即使在静风的状态下也不会阻碍城郊的补偿气团流向城区高温的作用空间。从前文可知，城市空气引导通道包括冷空气引导通道、通风廊道以及新鲜空气通道三类，而城市规划应该保护和发展的是冷空气引导通道。根据Kress的研究，影响冷空气引导通道的气候调节功效的主要因素包括地表粗糙度、边缘状态、通道长度、通道宽度以及阻碍物等。

如何在城市尺度上相对合理、科学地识别出空气引导通道是值得探讨的问题。在对城市建设环境充分认识的基础上，选取主要的影响因素，按照其对空间尺度上风流通潜力的影响程度进行评估和分析，并构建出评价模型，力求找出最佳的空气引导通道。而这个城市空间尺度的风流通潜力评估的实现需借助ArcGIS平台、叠加分析法、定性分析与定量分析等软件和方法。

（1）GIS空间叠加分析法

地理信息系统（GIS）是加拿大学者于20世纪60年代提出的关于空间数据处理的技术系统，具有数据采集和编辑、数据存储和管理、制图、空间查询和分析以及二次开发和编辑的功能。其中GIS空间分析功能主要包括拓扑空间查询、空间叠加分析、缓冲区分析、空间集合分析、路径分析、空间插值以及地学分析等^[8]。本书城市空间上的风流通潜力评估主要利用其中的空间叠加分析法。基于GIS的空间叠加分析法能迅速地处理与空间分布有关的数据，能有效结合空间数据与属性数据，可直接操作数据且分析结果具有直观化、可视化等特点，通常用于土地生态适宜性评价。本书创造性地将其借用到城市空间尺度的风流通潜力评估研究中。

空间叠加分析法是在统一的空间参照系统下，将不同的影响因子图层通过加权综合、布尔运算等方式进行叠加分析，最终形成综合评价图。其基本步骤为：

1）明确研究目标并选定影响因子（选定城市空气引导通道的影响因子）。

2）收集资料并分析每个影响因子的空间分布状况，再根据其对研究目标的潜力影响程度进行分级并给出相应的分值，利用GIS处理形成单因素影响图。

3）通过量化分值的相加求和获取综合评价值，以分值的大小表示具备潜力的大小，技术上是利用GIS的叠加分析功能将两张或两张以上的单因素影响图叠加形成综合影响图（见图2-4）。

图2-4　GIS空间叠加示意

4）分析综合影响图并由此划定城市空气引导通道。

但以上的叠加分析法实质上是各个影响因子的等权相加，默认各个因子对城市空间尺度的风流通潜力影响程度是一致的。而实际上各个影响因子的作用程度是不相同的。当影响程度相差明显时，就不适宜采用因子等权求和法，应考虑引入因子加权评分法，即根据单个因子的影响程度相对应地赋予权值，影响程度深的因子赋予较大的权值，影响程度浅的则赋予较小的权值，然后在各个单因子分级评分的基础上，对各个单因子的评分结果进行加权求和以获取综合评价分值。通常分值越高，适宜性越好。加权求和的计算公式如下^[9]：

式中：i表示评价单元编号；j表示城市空气引导通道的影响因子编号；Vi表示第i个单元的空气引导通道综合评价值；Bij表示第i个单元的第j个影响因子的单因子评价值；ωj表示第j个影响因子对空气引导通道的权值。

（2）定性分析与定量分析相结合

定性分析是对研究对象的内在本质、区别于其他事物的“质”的分析，是一种基于研究者的感官认知、经验阅历等主观意识的判断方法。定量分析则是利用数据、资料、模型等手段对研究对象进行数量特征、数量关系以及数量变化的分析。一般来说，定量分析更为严谨和科学，但如果完全忽视定性分析容易造成目标缺失、方向偏歪的后果。定性分析是定量分析的基础，而定量分析是定性分析的深化。因此，本书对于城市空气引导通道潜力评估的分析采用定性与定量相结合的研究方法，对相关影响因子的选取、分级评价等研究采用定性方式，对评价模型、权重系数以及空间叠加分析等研究采用定量方式。

（3）风流通潜力评估技术路线

城市空间尺度的风流通潜力评估主要包括以下几个步骤：资料收集和实地调查、影响因子筛选、分级量化指标体系的确定、评价模型的建立、GIS空间叠加分析以及形成城市空间尺度的风流通潜力综合评价图，详见图2-5。

图2-5　风流通潜力评估技术路线

2.影响因子的选取与分析

城市空间尺度风流通潜力的影响因素很多，如果全部考虑，则城市尺度的资料难以收集全面，且部分影响因子并没有直接影响，对综合评价的结果没有意义。因此，应在有关专家的指导下选取对风流通潜力影响大且稳定性较强的主导影响因素。城市空间风流通潜力的大小在很大程度上取决于城市地表粗糙度。城市地表粗糙度是反映城市形态对风流通影响的重要参数，一般地表粗糙度越大，风就越难穿越和流通，而地表粗糙度常与建筑密度、建筑高度、城市绿地系统、城市水体、城市路网等因素有关。

（1）影响因子一：建筑密度

建筑密度又称建筑物覆盖率，是指在一定用地范围内所有建筑物的基底总面积与总用地面积的比值，常常用来反映城市或者街区范围内的建筑密集程度。城区范围内高密度建筑会增加地表粗糙度，削减空气可流动的空间，进而影响空气流通的速度，降低风流通的潜力。日本学者Yoshie及其团队于2008年通过风洞实验研究了城市通风与建筑密度的关系。实验表明，建筑密度越高，则近地面的平均城市通风能力越差（见图2-6）^[10]。

图2-6　建筑通透度对比

此外，建筑密度还会影响城市的通透度。高密度的建筑物会阻碍空气的流动，而建筑之间留有一定的空隙则可以促进空气流动。如在图2-7中，右侧的建筑密度比左侧的更有利于空气流通。因此，建筑密度是反映风流通潜力的重要指标。

图2-7　城市通风与建筑密度的关系^[11]

（2）影响因子二：建筑高度

建筑高度是影响城市地表粗糙度的另一主要因素。解以扬^[12]等人以天津气象塔周边的建筑群为例研究了建筑群的平均高度与地表粗糙度的关系，得出统计方程：

Z0=0.063566+0.093813H

式中：Z0表示地表粗糙度；H表示建筑群平均高度。

上式表明，地表粗糙度与建筑高度存在良好的线性关系，建筑物越高，地表粗糙度也越大，风流通的能力也就越差。而且，随着建筑高度的增加，建筑的迎风面积也会随之显著增加，阻碍自然风向城市内部的渗透。

建筑高度还与建筑物体积相关。随着楼层的增高建筑物体积也增加，过高的建筑高度和过大的建筑体积不仅会阻碍城市空气的流通，还会增加城市的热负荷。一方面，体积庞大的建筑物相互连在一起犹如城墙，容易引起“屏风效应”（见图2-8），阻碍空气的自由流动；另一方面，大体积的建筑物相互遮挡，会降低天空的遮蔽率（见图2-9），限制了长波辐射的逃逸，影响城市散热，加剧城市热岛效应。因此，建筑高度也是评估风流通潜力的主要指标之一，建筑越高，其体积越大，城市通风能力越差。

图2-8　高楼形成屏风效应

图2-9　高楼降低天空的遮蔽率

（3）影响因子三：城市绿地系统

城市绿地系统指的是城市建成区范围内各种类型绿地构成的系统，主要包括公园绿地、防护绿地、生产绿地以及风景林地等。城市绿地区域与高楼大厦、密集建筑区相比，更有利于风的流动，是城市风道的重要组成部分。苗世光等利用多尺度数值模型模拟了不同绿地面积下城市的气象环境情况。实验表明，随着城市绿地面积的增加，城区的平均风速也随之增大^[13]。当绿地面积占比由8%增至60%时，绿地分散布局模式的平均风速增加36%，而集中布局模式的平均风速增加26%。与此同时，城市绿地面积的增加还能减少城市静风区和小风区（平均风速小于1m/s）面积，在绿地分散布置的模式下，城市绿地面积每增加一倍，城市静风区或小风区减少30%。此外，当城市绿地面积增至一定面积，绿地的降温效应使得本身的温度比周边城区低，产生温度差，形成由低温吹向高温的冷空气。因此，城市绿地系统对城市空间尺度风流通潜力具有正面影响。

（4）影响因子四：城市水体

城市水体既包括自然水系也涵盖人工水体，大到江河湖泊，小到坑塘沟渠皆包含在内。城市水体既能降温增湿、缓解城市热岛效应，还能促进城市空气流动。水体的表面比绿化植被、房屋建筑、铺装道路都要光滑，下垫面的粗糙度小，可促进风速的增加。轩春怡等通过具体的数值模拟表明城市的水体布局对大气流动具有促进作用，随着城市水体面积占比的增加，城市平均风速随之增加，而静风区和小风区（平均风速小于1m/s）的面积比例则随之减少（见表2-1）。当水体占有率从4%增至16%时，水体分散布局模式下的城市平均风速增加0.16m/s，集中布局模式下平均风速增大0.1m/s，城市静风区或小风区占城市总区域的百分比也从73.72%降至29%^[14]。因此，无论是分散布局模式还是集中布局模式的城市水体都有利于城市空气流动，是风流通潜力的重要评估指标。

表2-1　夏季城市水体占有率与日平均风速、静风区或者小风区的关系

（5）影响因子五：城市路网

路网作为城市主要的骨架和通道系统，串接城市的各个街区，能将自然风输送至城市街区的每幢建筑，是城市空气引导通道的重要组成部分。在遍布整个城市的路网结构中，道路对通风作用的影响程度可按道路等级划分。城市快速路和城市主干路主要连接城市的各个片区，以速度较快的车行道为主，道路红线宽度比较大，通风的截面面积大，通风潜力较大；而城市次干路和支路主要衔接片区内部的各个街区，人车混行，车速缓慢，道路红线的宽度比较窄，气体流动所受的阻力比较大，通风潜力较小。但是，无论是通风潜力较大的快速路、主干路，还是通风潜力较小的次干路、支路，都比满是建筑的城市街区的空气流动阻力要小，是城市风流动的主要通道。李鹍等利用流体力学模型CFD模拟了长1.8km、宽80m的街道的通风效果。结果显示，街道的通风效果良好，街道中心的风速比周边地区高，且随着距离的增大衰减得慢（见图2-10）^[15]。此外，城市路网作为城市中的线性空间，能有效衔接城市中的公园、广场、绿地等有利于空气流动的开敞空间并形成完整的通风网络。

图2-10　风速随距离的衰减

3.影响因子的获取和分级赋值

基于对影响城市空气流通的各类因子的分析和研究，最终筛选出建筑密度、建筑高度、城市绿地系统、城市水体以及城市路网五个影响因子，其中建筑密度和建筑高度是减少空气流动的主要负面因素，而城市绿地系统、城市水体以及城市路网是促进城市空气流通的主要正面因素。影响因子选定之后，由于各影响因子没有统一量纲，不具有可比性，难以进行评价，故需将各个影响因子进行标准化处理。处理方法通常有模糊数学分析法和分级赋值法。本书采取的是分级赋值法，即以影响因子的实际值为基础，依照分级评价标准进行赋值，当影响因子符合不同的评价标准时便赋予不同的分值。

考虑到五个影响因子本身的特性和分析的精确性，结合上述对影响因子的分析，建议将评价等级按照对城市风流通潜力的影响程度分为好、较好、中等、较差和差五个等级，并进行分级赋值，越有利于风的流通分值越高，越不利于风的流通分值越低（好：5分；较好：4分；中等：3分；较差：2分；差：1分）。根据五个影响因子的资料收集方式、影响方式以及分级标准的不同，将其分成三类进行具体说明。

（1）建筑密度和建筑高度

建筑密度概念是针对一定用地范围的，数据的获取必定建立在用地单元划分的基础上。而作为城市大尺度的研究，如果用地单元划分过小则需要处理的数据量过大，若是单元划分过大又会影响分析的精度。因此，研究主张结合城市规划管理分区，以2～3条主干路为界封闭成为一个单元。同理，测量每幢建筑的高度也是缺乏可操作性的，借鉴建筑密度的操作模式，以单元为界求取平均建筑高度。通过现场采取样本取平均值的方式，结合文献查阅及网上的楼盘信息估算获取每个单元的平均建筑密度和平均建筑高度。最后，将获取的平均建筑密度和平均建筑高度数据按照对风流通的影响分为五个等级进行打分，建筑密度和建筑高度的值越大，越不利于风的流通，赋予的分值也就越低（见表2-2）。

表2-2　以杭州为例的平均建筑密度和平均建筑高度的分级赋值

（2）城市绿地系统和城市水体(www.xing528.com)

城市中的绿地和水系通常以两种形式存在：一种是面状，形状多为不规则，面积相对较大，如城市中央公园、湖泊、湿地、山体等（见图2-11）；另一种是带状，呈现一定宽度的线状，如城市水系、道路防护绿带、滨水绿带等（见图2-12）。

图2-11　面状绿地示意

图2-12　带状绿地示意（波士顿公园绿道）

此二者主要通过布局模式、面积大小以及红线宽度等指标影响城市风的流通。一般，面状形式的绿地或水系面积越大越利于风的流通，带状形式的绿地或水系宽度越大越利于风的流通，且分散布局模式比集中布局模式更有利。基于以上要素的考虑，需获取城市绿地系统和城市水体的空间分布情况，并研究区域内主要山体、公园、湿地、街头绿地、湖泊、河流、水塘等绿地和水系的具体面积和红线宽度。绿地或水系的风流通影响主要通过面积和红线宽度两个因子来反映，需分别针对单个因子赋值打分，绿地或水系面积越大赋值越大，红线宽度越大分值越高（见表2-3）。

表2-3　以杭州为例的城市绿地和城市水体的分级赋值

续表

（3）城市路网

从城市尺度出发，城市道路与风向的方位关系、道路红线宽度以及路网形式等都会影响冷空气的流通。就道路与风向的方位关系而言，道路布局应顺应夏季主导风方向，并与冬季主导风方向成较大角度。研究表明，当主要道路布局与夏季主导风方向呈20°～30°夹角时，街道对空气流通的促进作用达到最大化^[16]。就路网形式而言，在方格网式、环形放射式、自由式以及混合式四种经典路网形式中，方格网式有两个相互交织的明确走向，便于组织风的流通，整体通风效率高。就道路红线宽度而言，风的流通效率与道路红线的宽度成正比。空气引导通道在任何情况下宽度至少要达到30m，最好达到50m^[17]。若是从郊区引导冷空气至城市核心区，则通道的宽度至少要150m。

就某一个城市研究而言，路网形式是确定的，则主要需收集路网的空间分布情况、道路的红线宽度以及路网与城市主导风向的关系，并按照红线宽度和方向关系两个指标进行分级打分，顺应夏季主导风向的道路分数高，红线宽度越大的分数越高。本书的实例探索是以杭州为例的，杭州夏季主导风向为西南风，冬季主导风向为西北风，而城市路网是正南北的方格网结构，东西方向的路网与南北方向的路网对风的引导作用无明显差别，故不考虑方向关系，只考虑路网红线宽度，即路幅宽度（见表2-4）。

表2-4　以杭州为例的城市路幅宽度分级赋值

4.影响因子权重系数的确定

在城市空间风流通潜力的评价中，各项影响因子的影响程度各不相同，需赋予各个指标不同的权重系数。权重系数的确定受决策者、决策方式、决策问题等的影响，通常有层次分析法、德尔菲法、序关系分析法等。本研究采用通俗易懂且可操纵性强的序关系分析法。

（1）序关系分析法

序关系分析法的权重获取步骤如下：

1）确定序关系

将评价因子集{x1，x2，x3，…，xm}按照相对于评价标准的重要性程度进行排序，如果评价因子x1，x2，x3，…，xm相对于评价标准具有＞＞＞…＞的关系，则确定x1＞x2＞x3＞…＞xm的序关系。其中xi*表示{xi}按关系“＞”确定排序后的第i个评价指标（i=1，2，…，m）。

2）判断xk-1和xk之间的重要性程度

设专家（决策者）关于评价指标xk-1和xk的重要性程度之比rk为

式中：ωk为评价指标xk的重要性程度；rk的赋值可参考表2-5。同时rk和rk-1之间须满足如下关系式：

表2-5　赋值参考表^[18]

3）确定权重系数

如果专家（决策者）给出的重要性程度比rk满足式（2-7）的关系，则ωm的值为

而

ωk-1=rkωk(k=m，m-1，…，3，2)　(2-9)

（2）权重系数的确定

选取五个风流通潜力的影响因子，分别为x1城市水体、x2城市绿地系统、x3城市路网、x4建筑高度、x5建筑密度。其中，x1、x2和x3对风的流通有促进作用，而x4、x5则起阻碍作用。基于对五个影响因子相对于风流通的促进或阻碍作用程度的分析，确定的序关系，咨询相关专家并给出：

则

r2r3r4r5=1.728；r3r4r5=1.44；r4r5=1.44；r5=1.2

r2r3r4r5+r3r4r5+r4r5+r5=5.808

所以

因此，{x1，x2，x3，x4，x5}评价因子的权重系数为

其中，城市水体x1和城市绿地x2又各有两个影响因子，分别为水体面积ω11、水体宽度ω12，绿地面积ω21、水体宽度ω22。按照水体或绿地宽度和水体或绿地面积的权重为0.6和0.4计算，有

ω11=0.4ω1=0.4×0.2538=0.1015

ω12=0.6ω1=0.6×0.2538=0.1523

ω21=0.4ω2=0.4×0.2115=0.0846

ω22=0.6ω2=0.6×0.2115=0.1269

综上，城市水体、城市绿地、城市路网、建筑密度以及建筑高度的权重系数如表2-6所示。

表2-6　各影响因子权重系数

5.综合评价模型及GIS叠加分析

基于前文影响因子的选定，按照对城市空气引导潜力的影响程度逐个给影响因子分级赋值，并形成单因子影响图。对于各单因子的综合影响性，则采用综合模型进行评价，即

式中：j表示城市空气引导通道的影响因子编号；n表示城市空气引导通道的影响因子总数；V表示空气引导通道综合评价值；Bj表示第j个影响因子的单因子评价值；ωj表示第j个影响因子对空气引导通道的权重值（ω1+ω2+ω3+…+ωn=1）。

通过分析和研究各影响因子对空气引导通道作用的影响程度，寻找有利于空气流通的通道，并以此为依据指导城市尺度风道的划定。

在收集各影响因子数据资料的基础上，以ArcGIS为平台建立基础数据库，进行单因子评价，形成单因子影响图；然后结合综合评价模型进行GIS图层叠加，生成综合影响图。GIS图层叠加是将各个数据层叠置产生新的数据层，新的数据层综合了所有原数据层的空间属性和特征值。叠加分析不仅生成新的空间关系，还将原本数据层的属性关系联系起来产生新的属性关系。

综合影响图不仅能直观表现出各个栅格数据属性的综合分布情况，还能通过色彩的深浅表达出通风潜力的大小，颜色越深就表示分值越高，通风能力越强，形成空气引导通道的潜力也就越大。