基于微观环境特征的绿地布局优化外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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摘要：根据影响地表粗糙度、数字地形和气候数据的因素，确定通风路径，并制定相应的促进风循环的指导方针。同时，利用GIS-CFD数值模拟方法，模拟绿地布局的气候环境，首先对比分析了有无绿地布局的热环境的差异，进一步提出了基于城市通风路径和城市绿地通风走廊的热环境优化方案，通过CFD反馈验证，发现城市热环境继续改善。从城市规模和区域CFD模型出发，提出一种实用可行的绿地优化方案，改善城市热环境，为城市绿地规划和可持续发展提供新的思路。

关键词：计算，流体力学，绿地规划，小气候环境，通风路径。

1 导言

随着城市化进程的加快，许多城市受到雾霾的困扰，通风廊道在改善小气候环境方面发挥着重要作用[1]。城市空间是城市生态系统的重要组成部分，具有降温、增湿、改善生态环境的作用。城市通风廊道应尽可能多地配置城市绿地系统，以主导风作为城市通风口，创造或保留较大的绿地空间，城市绿地系统与风的耦合效应能有效地改善城市微气候环境。目前，许多学者已经开始从不同的角度对城市绿地的小气候和环境效应进行研究[3-6]。

这些研究主要分为三类：基于遥感技术的城市环境改善研究、植被指数与城市小气候环境的关系研究、基于通风廊道的城市绿地热环境效应研究。考虑到现有的研究成果，主要有三个方面的不足：一是缺乏适当的技术工具来提供一种简单、准确的方法，深化对景观结构与功能关系的研究；二是城市气候与景观生态学原理的综合运用，建立和优化有效的绿地网络规划，模拟规划方案；三是很少考虑极端情况，深入研究。

本文研究的气候环境主要集中在风环境和温度场两个方面。我们的研究首先根据地形、建筑密度和建筑高度确定城市通风路径；模拟了有无绿地空间布局的热环境，分析了气候环境与绿地布局之间的关系，进一步建立了气候环境与绿地布局之间的相互关系。根据城市热环境通风的潜在模式和城市绿地布局，建立了基于通风路径的通风廊道系统。在此基础上，通过反馈设计了几种方案。采用FLUENT仿真进行验证，提出了有利于城市热环境优化的总体规划设计方法，总结了改善城市最大热环境的措施。

2数据和方法

2.1研究领域

衡阳县位于湖南省中南部，被选为本研究的调查区域。衡阳属亚热带季风气候。据市气象台统计：2010-2014年，1月份平均气温4.6℃，7月份平均气温29.3℃，城市年平均气温18.5~20.2℃，年平均日照系数1484.7~1723.1小时。今年最高气温是七月。冬季以北风为主，夏季以南风为主，全年平均风速为2m/s，最大风速为18.7m/s。绿地面积579.97 h㎡，人均公园面积8.34㎡。

2.2数据收集

2015年的Quickbird图像和衡阳县总体规划(2006-2020年)(2013年修订)被用于绘制从衡阳农村绿地系统(2014年修订)收集的城市土地利用绿地地图，并通过基于GIS和地面真相方法的人工解释建立密度。2015年的地形图(1：1000)被用来校正图像。收集了2010年至2015年横阳气象站的气象资料。本试验主要是在试验区内进行观测、定序，每小时记录空气温度、湿度、全球温度。该仪器由流线型温湿度仪、JTR系列手持式测温仪(全球测温仪和湿式测温仪)和QDF-6型热球式电能表组成。5月26日，2016进行了温度和风速的现场测量，共30个测点。测量点1-10在住宅区，11-20点在绿地上，20-30点在城市道路上。

2.3通风路径

通风通道是一个低空气动力学、低粗糙度、低气流阻力的区域.风管的形成取决于地面粗糙度、建筑高度和建筑密度。本研究以衡阳县1：1000地形图为基础，利用ArcGIS对坡向和高程进行了分析，经主地貌单元识别和绝对值分离后，峰几乎都是通风区，横阳县地形北部高，南部低，当风向频繁，沿元江流域低洼地区的导风路径时，这些地区容易成为良好的空气通道。

建筑高度和建筑密度数据主要是基于卫星图像和实际调查。建筑密度被分为四大类(Huang，H.et al.[7]，[8])(1)非常高的密度，其中建筑物约占总面积的46%；(2)高密度，建筑占总面积的30%至45%；(3)中等密度，在建筑物占总面积的10%到30%；(4)低密度区，主要是绿地(图1)。

图一：建筑密度图

2.4 CFD模拟

2.4.1城市几何数字化

在本研究中，首先简化了中心城市层面的行为模型。在假设气流的总方向不受影响，以主路和次路为边界，忽视了城中的一些支路。考虑建筑高度和建筑物等因素密度，一些地块被合并成一个整体。中心城区的模型是完整的(图2)。在区域范围内，研究结果表明：建筑要素、道路廊道和绿色开放空间在城市气候环境中起着重要作用，因此本研究确定的主要城市要素包括绿地、建筑、道路和防渗面。

图2：衡阳县简化地形图

2.4.2湍流模型

一般认为非定常连续方程和Navier-Stokes方程适用于湍流的瞬时运动。这里,考虑不可压缩流动，使用笛卡尔坐标系。非压缩、非等温流场的基本控制方程如下：

  1. 连续性方程：

div=0 (1)

  1. 动量方程：

(2)

(3)

(4)

  1. 能量方程：

(5)

其中：是流体的密度t是时间；是速度矢量；p是流体微元的压力；，，是由于分子粘附而产生的粘性应力t的组分；是比热容；，,是微量元素上的体积力；T是温度；k是流体的传热系数；是粘锡耗散项。

2.4.3确定城市边界和初始条件

为进行CFD模型模拟，建立了一个4920*2467*400 的大型城市三维几何室。CFD模型的初始设置条件包括风速、风向和温度等，在空间响应位置设置入口和出口，附加相关参数(密度、比热、导热系数)和湍流模型。根据衡阳气象站的资料，城市平均风速为2.0m/s，气温为295 K。考虑到衡阳县的气候和环境特点，即春秋短，夏冬长，夏季盛行南风，规划方案中增加了南方模拟。

2.4.4业务流程

主要采用湍流模型和能量守恒模型。模拟温度场采用简单的半隐式方法(压力耦合方程)。压力松弛系数为0.3，最小松弛系数为0.7.在运行过程中，需要对参数进行调整，以促进模型的收敛。城市绿地格局，经过36小时的多次参数调整和仿真，迭代步骤达到2254步，达到了预期的仿真结果。

3结果和分析

3.1通风路径划定

通过衡阳县地形的海拔、坡度、坡向和模式分析，在城市空间、山地环境、建筑、水、街道方向(大致沿南向东)、植被覆盖度高、绿色开放空间和元江为城市通风提供最佳路径的基础上，对通风路径进行了分割(图3)。

图三：城市通风路径

3.2基于绿地布局的城市气候环境模拟

如图4.在全球变暖背景下，夏季典型的城市气候为高温，热岛效应严重。同时，本文仅从计算机的容量和文章的篇幅出发，对衡阳市典型气候条件下的气候条件进行了研究。为进一步研究夏季盛行风(南风)的模式效应机理，对夏季盛行风(南风)进行了数值模拟。

图4：风速、地表温度扩散模拟的平面分析受东北风影响下的城市绿地格局。

3.2.1城市气候环境的东北风模拟

在地面1.5米的高度处，风和温度水平弥散。结果表明，主要城区和周边地区风速均较快。低风速范围较小。西部老城区气温达到2m/s，青水龙公园、米子公园、船山公园形成了城市的主要通风走廊，主干道符合城市的主导风向，并与绿色开放空间相结合。它在改善城市风环境方面发挥着重要作用，成为城市通风的最佳区域，但在建筑物的背风侧，出现了漩涡，出现了许多低风区。大型绿地对城市环境的影响程度与距离有关，绿地对周边地区具有明显的降温作用。风与绿地的结合可以带走大部分热量，缓解城市热岛，改善城市环境和空气质量。

3.2.2城市气候环境的南风模拟

图5显示空气逐渐流出到郊区，反映了风环境的持续辐射特征。川山广场中州公园没有明显的涡流。城市绿地本身可以作为城市的通风走廊，加强空气交换。绿地、道路与主导风向的关系非常重要。衡阳县较集中的建筑中有一个低风区。由于建筑物的庞大，没有相应的风向，但米子公园的风速有了很大幅度的提高，体现了绿色开放空间城市环境的积极作用。

3.2.3验证

为了定量评价CFD模拟软件的可靠性和适用性，对实测点的模拟值和实测值进行了比较。为了评价数值模拟的精度，采用均方根误差和一致性指标对数值模拟的绝对误差和相对误差进行了定量评价。

RMSE和D值的计算方法如下：

(6)

图5：速度和温度扩散模拟的平面分析南风对城市绿地格局的影响。

, 0le;dle;1 (7)

其中：是模拟值和是测量值。

通过RMSE计算，和的误差分别为0.93 ℃，并且d是0.92。因此，和之间的耦合关系很好。

3.3没有绿地布局的城市气候环境模拟

本部分研究的目的是建立情景模拟，考虑到快速城市化进程中城市绿地将消失，并从另一个角度比较城市气候环境对绿地布局的影响。该部分使用的网格文件是规划绿地布局模型。绿地参数不设置，绿地被视为混凝土的下表面，其他参数与规划布局模式保持不变。

通过模拟研究(图6)，发现在该布局模式下，城市的风环境发生了很大的变化，由于外层空间的下垫面对地面不透水，在主导孪晶的东北风作用下，风的摩擦系数相对较小，而且绿地作为开放空间存在，对风的主导趋势没有很大的影响。但通过风速剖面的等值线，风速在绿色布局模式下变化较快，气流形成的折射变化主要是由于绿垫表面的粗糙度，因此气流更加活跃。

城市绿地已经变成了一个不受地面影响的城市。由于其较高的热辐射效应，对城市产生了暖化效应。由于绿化降温效果不佳，总体气温面积普遍增大，全市温度分布相对均匀，最高气温出现在主导风方向。这座城市的东部正在升温，最明显的原因是由于绿色和风之间缺乏耦合。

总之，衡阳县的绿地在城市绿地建设中占有非常重要的地位。调整城市空气环境改善城市气候适应能力强，但需要风将其良好的生态要素输送到建成区.在目前的环境下，城市风管系统受到城市热岛效应和城市密集结构的限制，运行条件较差。因此，这片绿色的土地对衡阳气候的调节作用，但其潜力还远未充分发挥。具体而言，一些不合理的规划布局严重阻碍了城市中心部分地区的空气流通。因此，优化城市空间格局是改善城市风环境的必要措施。

图6：风速、地表温度扩散模拟的平面分析没有绿地布局模式。

3.4基于城市绿地布局优化的通风走廊设计

以衡阳县规划绿地系统和无绿地布局两种模型为基础，对绿地布局的热环境效应进行了仿真研究。

通过对规划方案的模拟分析，发现通风廊道不太明显，道路两侧的热环境没有明显改善，甚至没有形成连体廊道系统，周围城市热环境分布不均匀。中部地区城市热环境严重。

在此基础上，本文希望建立城市通风潜力格局与城市绿地布局的互动关系，以绿地布局为蓝图，在研究城市通风路径的基础上，构建一条贯穿城市建成区内部的大型绿色通风廊道，并直接与郊区通信：方案1:“环绿系统”和方案2:“环 带”（包含一个环绿通道 六个带绿通道）（图7）。在城市通风理论的支持下，利用CFD软件进行模拟和反馈，为城市规划的科学指导和绿地热环境效应的论证提供了有益的途径。

图7：城市绿地通风走廊图

从方案

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