城市河流對城市熱氣候影響的研究進展

劉 京,朱岳梅,郭 亮,高 軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,黑龍江哈爾濱 150090;3.同濟大學暖通空調及燃氣研究所,上海 200092)

城市熱氣候特指由于城市特殊的下墊面構成和排熱特點形成的城市大氣溫度時空變化。近年來我國部分城市,特別是南方地區(qū)和北方大城市氣溫逐年升高。從1999年至今,高于35oC的高溫日數,特別是高于38℃的強高溫日數逐漸增多[1]。高溫酷暑除了直接影響人體熱舒適性,造成工作效率和生產效率下降,嚴重時引發(fā)中暑、腸胃疾病、高血壓和冠心病等疾病外[2],還會導致人工排熱量的大幅度增加,造成能源短缺和環(huán)境惡化。研究表明,由于城市熱島效應,大城市的年空調冷負荷將增加22%[3]。由此可見,深入研究城市熱氣候對提高人們的生活質量和維持城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

城市河流是指流經城區(qū)的河流或河段,也包括一些雖屬人工開挖但經過多年演化已具有自然河流特點的運河、渠系。作為城市水資源最重要的組成部分[4],與一般河流相比,城市河流與人類活動的相互作用更加密切。城市河流作為地表水的主要存在方式之一,除了其特有的人文景觀內涵外,主要具有城市用水、交通運輸、水產養(yǎng)殖、城市防洪排澇等經濟功能以及凈化環(huán)境、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等生態(tài)環(huán)境功能。城市河流是城市形成和發(fā)展中最關鍵的資源載體[5]。

作為生態(tài)環(huán)境功能的重要部分,城市河流在解決城市熱氣候方面具有極大的優(yōu)越性:①水體自身的熱容量是土壤或混凝土的2～3倍,蓄熱能力強;②水體可通過透射作用吸收太陽輻射熱量,同時表面蒸發(fā)還可吸收大量汽化潛熱(約2 500 kJ/kg);③河流一般具有較大的徑流量,與小型的人工湖或水體景觀相比,還可以通過流體流動來傳輸熱量,自身溫度容易保持在較低的水平;④河流表面平展,有利于“風道”的形成等。例如韓國首爾市清溪川改造工程,將封蓋河流表面的水泥板拆除,重新實現(xiàn)河流和大氣之間的熱濕交換,在使河流的生態(tài)功能得到恢復的同時,也改善了周邊的熱氣候。改造后的夏季平均溫度下降0.4℃,平均風速提高0.2 m/s[6]。需要指出的是,由于我國一直以來過多地強調城市河流的經濟功能,將河道人為硬化和渠化,大量采用混凝土或磚石材料加固岸堤和防洪墻將河道和灘地分開,阻隔了河流和城市內部的水蒸氣及熱量交換;同時,在城市建設中,迫于人口壓力及經濟發(fā)展需要,不得不擠占河道以獲取更多的土地(如上海市近20年的河道面積就減少了25%[7]),使城市水面被人為侵占或縮窄。由于兩側布置擁擠的建筑群,使城市河流的熱氣候調節(jié)功能弱化甚至衰退。

1 水面-大氣熱與水分收支關系

研究河流對周圍氣候的影響,首先必須理解水面-大氣之間的熱與水分收支關系。根據大量的實測數據,假定:在上游沒有大型水力發(fā)電設施的情況下,在一定時間、一定流程范圍內河流流量不變,水溫不隨時間變化[8],則水面-大氣的熱收支可表示為

式中:Rnet為水面處凈輻射量;SR↓和SR↑分別為透過大氣到達水面和從水面反射到大氣的短波輻射量;LR↓和LR↑分別為從大氣向下和從水面向上的長波輻射量;H和lE分別為水面和大氣之間的顯熱和潛熱通量,其中l(wèi)為水的蒸發(fā)潛熱散熱量,l=25×106J/kg,E為水面蒸發(fā)量,kg/(m2·s);G為水面和水體內部的傳熱通量;Ri和Ro分別為流入和流出水體帶入和排走的熱量。上述物理量(除l和E)單位均為W/m2。

SR↓和LR↓可以利用太陽輻射儀直接測量,而SR↑和LR↑可分別采用式(2)、式(3)計算:

式中:α為水面反射率,α為太陽光線入射角的函數(當入射角較小時α約為0.06～0.08,當入射角較大時α可近似取值0.15),另外,實際的河流水面波動也會對 α取值有一定的影響;ε為水面長波放射率,一般為 0.96;σ為Stefan-Boltzman常數,σ=5.67×10-8;Ts為水表面絕對溫度,K。

水面和大氣之間的顯熱通量和水面蒸發(fā)量是影響周圍區(qū)域熱氣候的最重要因素。其中,水面蒸發(fā)的水分不僅增加了大氣濕度,蒸發(fā)時發(fā)生的汽化潛熱還可吸收水體熱量,維持水面低溫。常用的測量顯熱和潛熱通量以及蒸發(fā)量的方法包括渦旋相關法、梯度法、熱平衡法和bulk傳輸法等。

a.渦旋相關法。該方法是氣象學用于測量和計算地表湍流通量的重要方法之一,屬于直接測量方法。其原理為:如不計平流、輻射的因素,只考慮平面熱通量垂直變化,且忽略溫度變化時的浮力作用以及分子擴散系數隨溫度的變化特性,并考慮到分子擴散作用在湍流中影響很小,可得

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;cp為比熱容,J/(kg·℃);θ′為溫度脈動值 ,℃;q′為含濕量脈動值,kg/kg(干空氣);w′為垂直風速脈動值,m/s;〈*〉表示時間平均。

b.梯度法?；诖髿馔膭雍蛿U散K理論,E可通過測量水面附近兩點處的風速、含濕量并利用風速對數法整理可得

式中:κ為Karman常數,一般取0.4;Kw,Km分別為水蒸氣和動量湍動擴散系數;q1和q2分別為距水面高度為z1和z2處的含濕量,kg/kg(干空氣);u1和u2分別為距水面高度為z1和z2處的風速,m/s。

由于水面顯熱和潛熱通量都可以看作是大氣湍動現(xiàn)象的作用效果,故顯熱通量可利用 Bowen比計算:

式中:β為Bowen比,反映了顯熱通量和潛熱通量之間的關系;γ為系數,一般可取0.61;T1和T2分別為距水面高度為z1和z2處的絕對溫度,K;e1和e2分別為距水面高度為z1和z2處的水蒸氣分壓強,Pa,由當地含濕量和溫度決定。

c.bulk傳輸法。通過測量水面和水面上方某一高度處的氣溫、風速和水蒸氣含量來計算H和E:

式中:u為某一觀測高度處的風速,m/s;T為某一觀測高度處的溫度,℃;q為某一觀測高度處的含濕量,kg/kg(干空氣);qs為對應于水面溫度的飽和含濕量,kg/kg(干空氣);CH和CE分別為顯熱和蒸發(fā)量的bulk輸送系數,總結大量的實測數據,一般可按式(10)取值[9]:

式中:u10為觀測高度為10m處的風速。當為其他觀測高度時,需結合當地風速分布進行修正。另外,CH還與自由水面面積及大氣穩(wěn)定度有關。當自由水面面積較大時,上游較為干燥的來流空氣在通過水面時會被逐步加濕,這樣單位面積平均水分傳輸通量就會下降;當大氣不穩(wěn)定時,水面附近熱水分交換加劇,CH和CE值也需要修正[10]。需要指出的是,式(8)和式(9)還有其他不同的表現(xiàn)形式[11],但基本思路都屬于bulk傳輸法。

從目前的應用情況看,渦旋相關法和梯度法對試驗器材以及試驗地點的要求較高(如需要超聲波風速儀等相對靈敏的儀器,試驗地點盡量水平開敞等),bulk傳輸法是具有代表性的實測方法,但CH和CE根據實測條件的不同有多種不同的取值,直接關系到通量實測值的大小,尚有待于進一步的研究[12]。

2 城市河流對城市熱氣候的影響研究

近年來國內外關于城市河流資源的開發(fā)利用與保護的研究很多,主要集中在河流自身的環(huán)境改善、生態(tài)修復、洪水治理以及景觀建設等方面,而對如何改善城市熱氣候的研究較少。實際上,城市河流對城市熱氣候的影響與河道水體面積、水深、徑流量、河道兩側岸堤形式、周邊建筑密度和布局、城市大氣本身的特征等因素強相關,是非常復雜的。迄今為止,相關研究根據研究手段可分為實測研究、模型試驗研究和數值模擬研究3種。

2.1 實測研究

所謂實測研究,即選擇城市河流水體表面或外圍有代表性的測點,直接測量風速、溫度、濕度等大氣參數值,從而分析出河流對城市熱氣候的影響。從研究內容看又可細分為以下3部分:

a.城市河流-大氣熱與水分收支特性。這部分屬于相對基礎性研究,國內外均已有很多研究成果,一些綜述文章對此進行了專門的討論[13-14]。必須指出的是,這方面的絕大多數研究的目的并不是針對河流對大氣的影響,恰恰相反,大氣因素往往只作為邊界條件,用以研究河流區(qū)域內水溫變化對水中生物、植被、農作物、污染擴散等的影響。因此河流表面發(fā)生的熱與水分傳遞對大氣的影響并沒有得到充分的體現(xiàn)。成田健一等[15]利用閃爍儀測量光在大氣中傳輸時受湍動影響發(fā)生的強度波動來換算出河流表面的感熱通量。研究發(fā)現(xiàn)由于水體自身的蓄熱能力強,河流表面的熱收支特點與其他下墊面(如綠地等)的熱收支特點有很大區(qū)別。這種方法最大的問題是在水蒸氣含量較大的情況下測量會出現(xiàn)很大誤差[16],毫無疑問,這會對實測精度產生不利影響。

b.城市河流的熱氣候影響。這方面的研究一般采用定點觀測的方法,即在河流內部或周邊區(qū)域選定合適的測點,并固定實測儀器進行測量。如楊凱等[17]對上海地區(qū)包括河流在內的水體周邊溫度、濕度進行了定點觀測,初步驗證了河流對熱氣候的冷卻效果,但缺乏深入的機理分析;日本的相關研究多一些,如武若等[18]利用探空氣球觀測了城市河道上空的溫度、濕度垂直分布,進而得到:當風呈正交方向通過河流進入周圍街區(qū)時,其冷卻效果所達距離為150m左右;深川健太等[19]利用長期多點觀測數據對包括自由水面在內的城市下墊面對應的風速和溫度、濕度進行分析,發(fā)現(xiàn)在氣溫較高的春夏季,河面作為白天城市冷源的重要性。另外,近年來出現(xiàn)了采用汽車進行移動測量的方法,即利用車載測試工具沿事先設計的路線布置大量測點,進行沿程大氣參數測試,然后利用該路線上同時進行的定點測量結果進行時間校正。只需配備適量的交通工具,利用較少的測量器材就可以較完整地反映出特定時間段內各物理量的空間分布關系。相關研究包括村川三郎等[20]利用該方法研究了夏季某典型日不同寬度的河道內部及周邊區(qū)域在不同時刻的溫度分布特征;橋本剛等[21]利用該方法實測分析了海風沿運河深入城市內部的過程,發(fā)現(xiàn)夏季涼爽的海風可沿運河深入到城市內部8～10km。利用該方法既可以在預定的地點停車進行定點測量,也可以在勻速行駛過程中直接測量。

c.城市河流附近人體熱舒適性。城市河流由于其空間開放性和特有的景觀特點使人產生心理上的愉悅,從人體熱平衡方程(式(11))可以看出,由于河流對城市氣候的調節(jié)作用,會間接影響到人體的熱舒適感。

式中:M為人體代謝率;W為人體對外做功量;C為人體與大氣之間的顯熱交換通量;R為人體與大氣之間的輻射交換通量;Eva為人體與大氣的潛熱交換通量(呼吸、汗液蒸發(fā)等);S為人體蓄熱率。各變量單位均為W/m2。

到目前為止,國內外有關人體室外舒適性的研究工作開展得較少,用于討論城市河流對人體熱舒適性影響的就更少。木內豪等[22]利用腦電波和心電圖測試人體在河流附近的生理反應。該研究需要較專業(yè)的儀器設備和操作技能。另外,很多常用的熱舒適性指標如PMV等只針對溫度、濕度大體處于穩(wěn)態(tài)的人工室內環(huán)境,對于時間上非穩(wěn)態(tài)特征明顯、空間上太陽輻射等影響作用強烈的室外環(huán)境并不適用。神田學等[23]利用人體熱平衡方程提出一個“假想熱負荷”的熱舒適性指標用以評價河流對人體舒適性的影響。結果發(fā)現(xiàn)在河流周邊區(qū)域,由客觀的大氣參數計算得到的熱舒適性指標值與人體的熱感覺值相差很大。近年來以人體生理反應模型為基礎,通過分析人體自身蓄熱以及與周圍空氣間的傳熱過程導出的SET*指標[24]逐漸得到關注,被認為是進行室外動態(tài)熱舒適性評價的有效指標[25]。

2.2 模型試驗研究

所謂模型試驗研究,是將實際的城市河流及周邊區(qū)域按特定比例縮小為模型,將模型設置在風洞或室外進行測量研究。山本誠司等[26]、成田健一[27]利用風洞試驗重點討論了城市河流兩岸岸堤、周圍建筑物的密度和布局等情況下河流熱氣候微冷卻效果。研究得出當岸堤高度達到周圍建筑物平均高度的1/3以上時,河流表面的冷空氣就將被遮擋而無法充分進入周圍街區(qū)?？偟目磥砝媚Ｐ驮囼炦M行相關研究較少,主要原因在于模型試驗中很難將河流表面溫度和散濕量與實際情況對應;另外,如何使試驗滿足相似準則也非常困難。實際上,上述試驗都回避了水面的熱擴散,而只討論濕氣傳輸,這必然造成與實際情況的偏差。

2.3 數值模擬研究

所謂數值模擬研究,是指在一些基本假定的基礎上對城市河流和周邊城市的大氣空間建立數學物理模型,通過計算求解獲得河流對熱氣候影響的相關信息。張洪濤等[28]利用中尺度三維準靜力模型對長江三峽庫區(qū)建成前后的溫度、濕度場進行了對比研究;顏金鳳等[29]、黃榮輝等[30]利用數學模型討論了湖泊以及三峽某河段內河面對大氣的顯熱和潛熱輸送。這些研究主要針對較大尺度的靜止水體,與城市河流的情況不盡相同。近年來出現(xiàn)利用計算流體力學(CFD)技術研究河流問題的趨勢。這些研究主要討論包括河流在內的具有自由水面的流體自身流動問題[31]或水質問題[32],很少涉及河流與熱氣候的關系。由于河流可看作是邊界條件復雜的具有自由水面的三維流動,與其他流體現(xiàn)象相比有其獨特之處,Ma等[33]、Rüther等[34]分別討論了在進行CFD模擬時遇到的自由水面與空氣側的邊界設定問題以及任意彎曲邊界形狀問題。

3 結 語

由于城市和河流自身的復雜性、跨學科性以及技術手段的局限性,到目前為止研究成果不多,且缺乏系統(tǒng)的整理和歸納。城市規(guī)劃專業(yè)已經意識到城市河流可能對熱氣候產生積極作用,但由于沒有定量的理論分析基礎,在具體規(guī)劃實施中無法充分體現(xiàn)其價值[35-36],而水力學、河流動力學專業(yè)主要關心河流自身流動機理。從研究內容上看,現(xiàn)場實測結果最具可信性,國外開展的研究較多,但需要指出的是這些現(xiàn)場實測均是在特定的地理條件下進行的,以這方面工作開展較好的日本為例,其河流一般水面狹窄且流速湍急,如文獻[14]中提到的日本一級河流其水面寬度把兩側的階地算上也只有200m左右,岸堤和周圍建筑分布情況也與中國有很大區(qū)別,這使得其結論的普適性受到限制。模型試驗的優(yōu)點是可以隨意改變河流流動、周邊環(huán)境布局,以及溫度、風速、風向等外部條件,便于進行感度測試分析,但由于實際情況與模型之間相差很大,無因次相似準則很難成立;另外,在風洞中進行的模型試驗,由于室外湍動狀態(tài)下的風速風向與風洞中固定的風速風向有本質區(qū)別,模型試驗結果能否準確反映實際情況尚存疑問。隨著計算機功能的日益強大,數值模擬正有望成為該方向研究的重要手段。但現(xiàn)有研究大多利用的中尺度氣象模式由于空間精度的限制,無法對城市河流及其流域范圍內的建筑或街道周圍的空氣流動和能量交換問題進行細節(jié)性研究。

到目前為止我國關于水體氣候效應的研究很少,其中又以中尺度的大型水庫或湖泊研究為主。近年來城市河道的建設力度越來越大,已從單純的水利治水擴展到景觀綠化、防污治污的綜合治理。但由于長期以來對城市河流開發(fā)利用理念上的偏差以及我國城市化進程的相對滯后,使河流對城市熱氣候影響的研究基本停留在定性分析階段,還沒有系統(tǒng)深入地開展這方面的研究工作。通過水利、規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境等多學科的交叉,加大力度研究城市河流對城市熱氣候的影響,對于更好地發(fā)揮我國城市河流的生態(tài)功能潛力、合理開發(fā)利用城市河流資源、維持城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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