建筑因子對城市湖泊溫度效應(yīng)的模擬研究
——以湖南烈士公園湖泊為例

戴 茜，陳存友，胡希軍，胡穎炫

中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004

近年來，城市房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，“江景房”、“湖景房”更是大受追捧，導(dǎo)致湖區(qū)規(guī)劃逐漸趨于失控狀態(tài)。湖泊四周被高大建筑群體所包圍，空間擠壓嚴(yán)重，形成了獨特的“湖泊盆地”空間特征（陳存友等，2014），這不僅擠壓了湖區(qū)的視覺空間，破壞了城市的水域景觀，還削弱了“湖陸環(huán)流”作用的路徑、范圍和強(qiáng)度（Samuelsson et al.，2001；金虹等，2016），阻斷了湖泊與周邊陸域的氣流交換，降低了湖泊在改善城市小氣候方面的作用和效能（Sun et al.，2012；Kong et al.，2014；宋曉程等，2011）。因此，如何充分利用城市現(xiàn)有的氣候條件和自然資源，建立人與自然的和諧共存機(jī)制，形成良好的人地關(guān)系，成為當(dāng)前城市亟待解決的問題。

城市湖泊水體具有明顯的小氣候效應(yīng)，目前對城市湖泊溫度效應(yīng)的影響機(jī)制研究主要集中在以下兩個方面，（1）湖泊自身特征方面，采用定點定量測量方式，對湖泊水體的空間布局、深度以及不同面積湖泊濕地對溫度、相對濕度值變化的影響進(jìn)行了研究（朱春陽，2015；Wu et al.，2014），還有一些學(xué)者對湖區(qū)的溫度日較差、湖泊對感熱通量的輸送效應(yīng)等進(jìn)行了探索（Laird et al.，2009；Adrian et al.，2009）。（2）湖泊溫度效應(yīng)影響因子方面，一些學(xué)者應(yīng)用CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬技術(shù)分析了水面植物的遮陽作用、水深、水體尺寸等對水體溫度的影響（張磊等，2007；莊智等，2014；王敏等，2017），探究不同類型的城市水體溫度變化（楊凱等，2004；魏梓興，2004；Hathway et al.，2012）；還有一些學(xué)者從市域?qū)用驷槍ㄖ蜃樱ㄈ缃ㄖ芏?、布局）對湖泊溫度效?yīng)的影響進(jìn)行了探討（蘇俊如等，2018；錢杰，2014；張棋斐等，2018）。然而，目前建筑因子對湖泊溫度效應(yīng)的大多數(shù)研究是基于城市大、中尺度層次（如城市中心城區(qū)、高密度建成區(qū)），缺乏基于中小尺度層次建筑對湖泊溫度效應(yīng)的詳細(xì)變化規(guī)律研究。因此，本研究試圖通過 CFD模擬對樣本湖泊及周邊環(huán)境的溫度場進(jìn)行計算分析，并通過改變湖泊周邊建筑相關(guān)因子，分析其對城市湖泊及周邊區(qū)域溫度的影響機(jī)制，剖析建筑因子對城市湖泊及周邊區(qū)域的影響機(jī)制，對于規(guī)范湖區(qū)開發(fā)建設(shè)，發(fā)揮湖泊溫度效應(yīng)的改善作用具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

湖南烈士公園位于湖南省長沙市，是目前市內(nèi)面積最大的綜合性公園。夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)?？傆玫孛娣e 141.35 hm2，其中水體在整體空間布局上通過大堤將其一分為二，西南部較大水域為年嘉湖（47.85 hm2），東北部較小水域為躍進(jìn)湖（16.18 hm2）（廖建華等，2013）。以年嘉湖、躍進(jìn)湖及其周邊400 m范圍用地作為樣本研究區(qū)域，區(qū)域面積總計331.49 hm2，其中水體面積 72.1 hm2。根據(jù)實地研究考察并結(jié)合《住宅設(shè)計規(guī)范》及《民用建筑設(shè)計通則》（1－3層為低層住宅，4－6層為多層住宅，7－9層為中高層住宅，9層以上為高層住宅，總高度超過24 m的公共建筑和綜合建筑統(tǒng)稱為高層建筑）得出樣本區(qū)域內(nèi)建筑總量達(dá) 470余棟，含低層建筑有128棟，中高層建筑有281棟，高層建筑有61棟（如圖1）。

2 研究方法

2.1 樣點與樣線設(shè)計

根據(jù)樣本區(qū)域的布局及通達(dá)性原則，在樣本湖泊周邊選擇了4條樣線，其中年嘉湖北側(cè)、西側(cè)、西南側(cè)各1條，躍進(jìn)湖東側(cè)1條。各樣線均呈直線，分別于距離湖泊0、200、400 m處布置樣點，共12個樣點（如圖1）；在每個樣點中心往外延伸20 m范圍，劃定面積為400 m2的樣方區(qū)域。對照場地在距離烈士公園湖泊2000 m處的芙蓉廣場周邊，受湖泊溫度效應(yīng)的影響可以忽略不計（張偉等，2015）。除測量條件一致外，各樣點周邊環(huán)境均存在差異性，這是研究湖泊周邊建筑因子與湖泊溫度效應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)。通過對研究區(qū)域 15個樣方中的建筑密度、建筑布局方式、綠地率、綠地組成方式等環(huán)境因素進(jìn)行統(tǒng)計，并對其進(jìn)行打分（如表1），為樣點差異性分析提供依據(jù)，以探索建筑因子對湖泊溫度效應(yīng)影響的規(guī)律性研究。

圖1 研究區(qū)域及對照區(qū)域Fig.1 Study area and control area

2.2 測定條件及方法

分別于2017年7月14日、16日和18日（晴朗微風(fēng)或無風(fēng)）的8:00－16：00，在各樣點選擇樹蔭下空間較為開闊的場地（避免儀器長時間受陽光直射）開展研究，各樣點在整點時同步進(jìn)行測量。溫度測量儀器選用德國TESTO 08H1溫濕度計，風(fēng)速測量儀器選用 GM890數(shù)字風(fēng)速儀，測量儀器均在距地面1.5 m處進(jìn)行連續(xù)觀測，整點讀取數(shù)據(jù)時儀器顯示的數(shù)據(jù)浮動不能太大（上下浮動0.1 ℃，記錄穩(wěn)定風(fēng)速），同步記錄溫度值及風(fēng)速值，并記錄實時風(fēng)向（風(fēng)速盡量低于2 m·s-1時，避免風(fēng)速過大對溫度產(chǎn)生太多影響）。

表1 樣點區(qū)域周邊環(huán)境概況Table1 Sample area surrounding environmental general situation

2.3 CFD研究方法

2.3.1 模型建立

本研究主要采用 CFD技術(shù)對所建立的樣本模型進(jìn)行計算機(jī)模擬仿真。研究區(qū)域內(nèi)城市湖泊周邊環(huán)境是一個復(fù)雜的綜合體，包括建筑用地、林地、水體等不同下墊面，由于本研究 CFD模擬對環(huán)境因子的研究只集中在建筑因子方面，同時考慮計算機(jī)和軟件的限制，因此在建模時對模型進(jìn)行了合理簡化，如忽略建筑細(xì)節(jié)的凹凸處，將其形狀簡化為規(guī)則的立方體，下墊面除建筑、水體外均統(tǒng)一采用硬質(zhì)地面。

2.3.2 模型運算

在 AUTO CAD 2018中建立三維模型并導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH中的DESIGN MODELER中進(jìn)行處理，得到流體計算域，并命名不同邊界面。針對研究區(qū)域場地大小，計算區(qū)域選擇 3350 m×3400 m×400 m，充分滿足了研究區(qū)域湖泊溫度效應(yīng)模擬的需求。采用ANSYS MESHING進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量為739萬，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上，可以充分滿足湖泊溫度效應(yīng)的模擬需求。

2.3.3 計算設(shè)置

建立數(shù)字模型后，針對樣本湖泊及周邊環(huán)境的實際情況，對研究對象設(shè)定合理的假設(shè)：研究區(qū)域的氣流為不可壓縮氣流；研究區(qū)域的流場為穩(wěn)態(tài)流場；流體為牛頓流體且具有勃性、湍流和非等溫的特點。針對研究區(qū)域的流場特點，以ANSYS Fluent 17.0為計算平臺，選擇壓力基求解器，計算方程選用RNG k-ε模型。速度和連續(xù)性計算精度為10-3，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度及湍流參數(shù)的計算精度均為10-6。地面和建筑物的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.5 W·m-2，采用Simple算法進(jìn)行求解。根據(jù)當(dāng)?shù)叵募練庀髤?shù)可知，夏季主導(dǎo)風(fēng)向為SE。本研究模擬邊界條件包括速度入口、壓力出口，其中入口速度采用指數(shù)分布模型，速度隨高度變化的關(guān)系如下：

式中，u(x)為基準(zhǔn)高度x1處（取氣象高度1.5 m）處的風(fēng)速；α為依賴于地面粗糙度和大氣穩(wěn)定度的參數(shù)，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)建筑高度和建筑密度，本文取為0.25。

來流入口湍動能k和湍動耗散率ε分別采用如下關(guān)系式求得：

式中，x為高度；Cμ為常數(shù)，取值為0.0845；k為卡門常數(shù)，取值為0.4，其余參數(shù)含義同式（1）。夏季空氣溫度、水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、相對濕度等在各位置的具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 模擬參數(shù)設(shè)置表Table2 Setting table of analog parameter

3 實測結(jié)果分析

3.1 夏季7月份溫度日變化規(guī)律分析

將研究區(qū)域與對照區(qū)域監(jiān)測所得的3 d數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值處理（如圖2），通過對比分析可知，研究區(qū)域與對照場地溫度日變化規(guī)律相似，溫度均由8:00開始逐漸升高，并在14:00－15:00達(dá)到最高溫，隨后溫度逐漸下降。研究區(qū)域的溫度變化幅度為31.67－36.14 ℃，平均溫度為34.75 ℃，對照區(qū)域溫度變化幅度為 32.87－38.82 ℃，平均溫度36.70 ℃，整體而言研究區(qū)域與對照區(qū)域?qū)Ρ瘸式禍貭顟B(tài)。兩個區(qū)域在12:00－15:00降溫效應(yīng)較為明顯，其中在14:00兩者差值達(dá)到最大值（2.73 ℃）。由此可知，湖泊對周邊大氣有降溫作用。

圖2 7月湖泊降溫效應(yīng)日變化規(guī)律圖Fig.2 Daily variation chart of lake cooling effect in July

3.2 夏季7月份湖泊降溫效應(yīng)影響范圍分析

在定點實測中，在4條測量樣線上分別按距湖岸0、200、400 m設(shè)置3個樣點，以反映湖泊溫度效應(yīng)的影響范圍趨勢，明確湖泊溫度效應(yīng)的強(qiáng)弱與距湖岸距離相關(guān)。已知對照場地平均溫度為36.7 ℃，各樣線上的 3個樣點的平均溫度分別為34.46 ℃、34.66 ℃、35.14 ℃，通過作差可知（如圖3），7月份湖泊對距湖岸0 m處降溫效應(yīng)最強(qiáng)，平均溫差為2.24 ℃；對周邊200 m處的降溫作用稍弱，溫差降低2.04 ℃；對周邊400 m處降溫效應(yīng)最差，溫度降低1.56 ℃。

圖3 7月湖泊降溫效應(yīng)與距離的關(guān)系圖Fig.3 Chart of the relationship between lake cooling effect and distance in July

圖4 實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)散點圖Fig.4 Scatter chart of measured data and simulated data

4 CFD 模擬結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果驗證與分析

通過 CFD得到的模擬實際算例與定點實測同時刻（以夏季7月14∶00為例）溫度進(jìn)行對比，驗證CFD模擬結(jié)果與實測結(jié)果的一致性，結(jié)果如圖4所示，通過散點圖驗證可得R2為0.580，計算得到均方誤差根為0.876 ℃，其中誤差較大的樣點5與樣點10（如圖5）結(jié)果相差較大，這是因為這兩點下墊面為硬質(zhì)鋪裝，熱容量小，同時活動人群較多，產(chǎn)生了人為熱，而 CFD模擬中忽略了下墊面及人為熱的影響，導(dǎo)致實測溫度偏高?？傮w而言，CFD模擬結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了本文預(yù)期的要求，與定點實測結(jié)果較為吻合，具備合理性和科學(xué)性，可以展開湖泊溫度效應(yīng)的模擬分析。

圖5 CFD模擬與實測溫度對比圖Fig.5 Comparison chart of CFD simulation and measured temperature

圖6 實際算例中1.5 m高度處溫度云圖Fig.6 Temperature cloud at a height of 1.5 m in a practical example

表3 實際算例時溫度云圖讀數(shù)表Table3 Reading table of temperature cloud in actual examples

通過CFD對實際算例進(jìn)行模擬得到1.5 m高度處溫度云圖（圖6），結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)溫度幅度為30.6－36.8 ℃，且溫度分布呈現(xiàn)明顯的分區(qū)，靠近湖泊且位于下風(fēng)向的區(qū)域溫度明顯低于上風(fēng)向區(qū)域（如表3），湖泊對周邊區(qū)域呈現(xiàn)降溫效應(yīng)，具體建筑因子影響分析如下。

建筑后退湖岸距離：湖泊對周邊區(qū)域產(chǎn)生的降溫效應(yīng)需通過距離傳遞，而研究區(qū)域內(nèi)建筑群體量較大，對風(fēng)傳遞冷空氣形成了阻礙。在距離湖岸50 m范圍內(nèi)，多為點群式分布的低層建筑，但仍會阻礙湖泊周邊的水氣輸送，進(jìn)而影響湖泊對周邊的降溫效應(yīng)。在研究區(qū)域南側(cè)及東南側(cè)100 m內(nèi)，建筑緊密排列，對湖泊水氣輸送起到了阻礙作用，而西側(cè)300 m范圍內(nèi)則幾乎無建筑，溫度明顯低于其他離湖岸較近的建筑區(qū)域。

建筑高度：研究區(qū)域內(nèi)以中層及中高層建筑為主（如圖1），高層建筑主要分布在東側(cè)及西南側(cè)，低層建筑主要分布在湖泊周邊區(qū)域。來流方向受建筑群的阻擋，建筑越高，受阻擋越嚴(yán)重，上風(fēng)向建筑物周圍風(fēng)速較低，積溫效應(yīng)加強(qiáng)。當(dāng)來流向下風(fēng)向流動時，南側(cè)的中層及中高層建筑群由于夏季建筑底層及地面溫度較高，氣流受熱浮力作用向上流動并在后續(xù)來流的推動作用下不斷將下層空氣卷入上空形成渦流，因此在建筑群周邊的空曠地上空氣流湍動性較強(qiáng)，導(dǎo)致局部氣溫升高?？傮w而言，高層建筑對湖泊降溫效應(yīng)的消極作用最大，中層及中高層建筑次之，低層建筑最小。

建筑布局：研究區(qū)域內(nèi)建筑布局多樣，下風(fēng)向區(qū)域一部分建筑與湖岸垂直成行列式布局的建筑組團(tuán)（如圖7a）形成街道效應(yīng)，有效改善了周邊風(fēng)環(huán)境，溫度在 32.1－34 ℃，為下風(fēng)向區(qū)域的低溫區(qū)，由此可知行列式布局的建筑組團(tuán)增強(qiáng)了湖泊對周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)，是湖泊周邊區(qū)域建筑群較為理想的布局方式；一部分沿湖岸呈周邊式布局的建筑組團(tuán)（如圖7b）阻斷了風(fēng)對湖泊上方冷空氣的輸送，使得冷空氣堆積在建筑附近，周邊溫度會得到短暫降低，但降溫作用很快被下墊面反射的太陽輻射和周邊區(qū)域的積溫所抵消，溫度普遍在 34.1－35.8 ℃之間；還有一些布局雜亂無章、間距過小的點群式建筑組團(tuán)（如圖7c）對湖泊降溫效應(yīng)的消極作用較大，是下風(fēng)向所有建筑組團(tuán)中的高溫區(qū)，溫度普遍在35.1－36.1 ℃，這是由于散亂無序的建筑分布導(dǎo)致建筑組團(tuán)內(nèi)風(fēng)環(huán)境惡劣，不僅減弱了風(fēng)帶來的湖泊上方的冷空氣的輸送，而且自身建筑群受太陽輻射影響產(chǎn)生的熱量也不能得到及時疏散，故整體熱環(huán)境惡劣。

4.2 建筑后退距離對湖泊溫度效應(yīng)模擬分析

建筑物后退湖岸的距離對湖泊溫度效應(yīng)的發(fā)揮存在影響，距湖岸距離近的建筑群會阻斷湖陸之間的水氣輸送，減弱湖泊對周邊環(huán)境的作用強(qiáng)度，從而減小湖泊對這一方向的作用范圍。針對建筑后退50 m、100 m的情況分別進(jìn)行進(jìn)一步模擬分析，其他參數(shù)的設(shè)置均與實際算例中保持一致，探究建筑后退距離對湖泊降溫效應(yīng)的影響。

4.2.1 建筑后退湖岸50 m時的模擬分析

在研究區(qū)域現(xiàn)實物理模型基礎(chǔ)上，去除了距湖岸周邊50 m范圍內(nèi)的37棟建筑，其中研究區(qū)域東側(cè)減少8棟、北側(cè)減少2棟、南側(cè)減少13棟、西北及西北側(cè)減少 14棟，被去除的建筑以黃色標(biāo)注（如圖8）。

圖7 湖泊周邊3種不同的建筑布局方式Fig.7 Three different architectural layouts around the lake

圖8 建筑后退湖岸距離平面圖Fig.8 Flat map of building receding lake shore distance

圖9 建筑后退50 m時1.5 m高度處溫度云圖Fig.9 Temperature cloud map at a height of 1.5 m when the building recedes 50 m

表4 建筑后退湖岸50 m時溫度云圖讀數(shù)表Table4 Reading table of the temperature cloud map when the building recedes 50 m on the lakeshore

區(qū)域內(nèi)溫度幅度為 30.8－36.9 ℃（如圖 9），溫度幅度與實測溫度相比有所下降，區(qū)域內(nèi)平均溫度下降0.67 ℃。與實際算例進(jìn)行對比（如表4）分析，結(jié)果表明，上風(fēng)向區(qū)域在去除50 m范圍內(nèi)建筑后，該區(qū)域內(nèi)溫度下降明顯，特別是低溫區(qū)下降了1 ℃，400 m處的測點溫度下降了1.2 ℃。由此可知，當(dāng)上風(fēng)向區(qū)域建筑布局過于緊密時，僅小幅度改變臨湖一側(cè)建筑后退距離，即可增強(qiáng)湖泊對上風(fēng)向區(qū)的降溫效應(yīng)，同時還增大了降溫效應(yīng)的水平影響范圍。下風(fēng)向距離湖泊50 m區(qū)域內(nèi)建筑呈點狀分布，雖然區(qū)域下降溫度幅度較小但對于整體區(qū)域溫度依然有所變化。湖泊周邊50 m范圍內(nèi)主要為點狀分布的低層公共服務(wù)建筑，這些建筑去除后，建筑周邊積溫效應(yīng)減弱，年嘉湖與躍進(jìn)湖中間的帶狀綠地溫度明顯下降，同時由于水體對高溫空氣的緩解作用僅僅停留在水體上方，水體的比熱容大于陸地，升溫較慢，因此水體上方溫度明顯低于周邊區(qū)域。

4.2.2 建筑后退湖岸100 m時的模擬分析

實測研究表明，夏季湖泊對周邊200 m范圍內(nèi)的溫度效應(yīng)較強(qiáng)，考慮到現(xiàn)實中湖區(qū)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)因素影響，在研究區(qū)域現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上，去除了距湖岸周邊100 m范圍內(nèi)的85棟建筑，其中研究區(qū)域東側(cè)減少40棟，北側(cè)減少2棟，南側(cè)減少23棟，西側(cè)及西北側(cè)減少20棟（如圖8黃色及紅色建筑）。

圖10 建筑后退100 m時1.5 m高度處溫度云圖Fig.10 Temperature cloud map at a height of 1.5 m when the building recedes 100 m

圖11 建筑高度為原來的1/2的三維模型圖Fig.11 3D model map with half building height

圖12 建筑高度變?yōu)樵瓉?/2時1.5 m高度處溫度云圖Fig.12 Temperature cloud map at a height of 1.5 m with half building height

表5 建筑后退100 m時溫度云圖讀數(shù)表Table 5 Reading table of the temperature cloud map when the building recedes 100 m on the lakeshore

圖10所示為建筑后退100 m時1.5 m高度處溫度云圖，去除距湖岸100 m范圍內(nèi)所有建筑后，溫度幅度為30.7－37.1 ℃，與實際算例相比，整體變化幅度較小，但局部溫度因建筑布局的改變發(fā)生了變化（如表5）。其中，上風(fēng)向區(qū)域由于東側(cè)區(qū)域臨湖一側(cè)去除了 40棟建筑，使得許多閉合的建筑群被打開，建筑群對來流的阻礙作用減弱，湖泊周邊區(qū)域變得空曠，溫度較實際算例明顯下降，且通過樣線3上的3個測點可知，距離湖泊越近，降溫效應(yīng)越強(qiáng)。下風(fēng)向區(qū)域由于其建筑去除數(shù)量較后退50 m時更多，且區(qū)域內(nèi)建筑布局形式多樣，錯落排布，區(qū)域內(nèi)建筑布局發(fā)生了改變，風(fēng)速得到提升，來流帶來的灼熱空氣在建筑間空曠地帶穿過直達(dá)湖泊上方，在被下風(fēng)向迎風(fēng)面的建筑阻礙后，來流向建筑底部流動，使得溫度更高的熱空氣在此積聚，部分灼熱空氣與湖泊所帶來的降溫相抵消，溫度略有上升，故其下風(fēng)向高溫區(qū)比實際算例的溫度略高。湖泊水體上方及周邊區(qū)域臨湖一側(cè)零星低層建筑被移除，使得上風(fēng)向區(qū)域許多建筑群的圍合布局被打破，但湖泊對周邊的降溫效應(yīng)較強(qiáng)，未被來流帶來的灼熱空氣完全抵消，湖泊區(qū)域溫度下降。

4.3 建筑高度對湖泊溫度效應(yīng)模擬分析

建筑對來流具有阻礙作用可能造成區(qū)域溫度變化，針對建筑高度變?yōu)樵瓉淼?/2、2倍時的情況進(jìn)行模擬分析，其他參數(shù)設(shè)置與實際算例中保持一致，探究建筑高度對湖泊溫度效應(yīng)的影響機(jī)制。

4.3.1 建筑高度為原來的1/2時的模擬分析

在現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上，將所有建筑高度降低為原來的 1/2，模擬研究建筑高度和湖泊溫度效應(yīng)的關(guān)系，降高后的三維模型如圖 11所示。在研究區(qū)域建筑整體高度降低為原來的1/2后，溫度幅度為30.3－36.7 ℃（如圖12），與實際算例相比，整體溫度有所下降。降低建筑高度，湖泊降溫效應(yīng)顯著（表6）。其中，上風(fēng)向區(qū)域與實際算例相比，高溫區(qū)、低溫區(qū)以及湖泊周邊區(qū)域溫度都明顯下降，這是因為降低了上風(fēng)向區(qū)域的建筑高度后，建筑群對來流的阻擋作用減弱。下風(fēng)向區(qū)域降溫效應(yīng)同樣顯著，這是由于北側(cè)本身以低層建筑為主，在其基礎(chǔ)上再降低其高度，建筑的增溫效應(yīng)得到進(jìn)一步削弱，故湖泊的降溫效應(yīng)得到進(jìn)一步加強(qiáng)。較實際算例相比，湖泊區(qū)域高溫區(qū)下降約0.7 ℃，低溫區(qū)下降了0.2 ℃。

表6 建筑高度變?yōu)樵瓉淼?/2時溫度云圖讀數(shù)表Table6 Reading table of the temperature cloud map with half building height

表7 建筑高度變?yōu)樵瓉?倍時溫度云圖讀數(shù)表Table7 Reading table of the temperature cloud map with double building height

4.3.2 建筑高度為原來的2倍時的模擬分析

在現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上，將所有建筑高度增加1倍，模擬研究建筑高度和湖泊溫度效應(yīng)的關(guān)系，增高后的三維模型如圖 13所示。在研究區(qū)域建筑整體高度增加 1倍后，研究區(qū)域內(nèi)的溫度幅度為30.8－37.4 ℃（如圖 14），與實際算例相比，湖泊水體上方及岸邊溫度變化較小，但上風(fēng)向區(qū)域和下風(fēng)向區(qū)域溫度變化特別明顯（如表7）。其中，與實際算例相比，上風(fēng)向區(qū)域高溫區(qū)上升了0.8 ℃，低溫區(qū)上升了1.2 ℃，說明當(dāng)增大了上風(fēng)向區(qū)域的建筑高度后，建筑群對來流的阻擋作用整體加強(qiáng)，使得建筑周邊積溫現(xiàn)象更加嚴(yán)重，對周邊熱環(huán)境的消極作用影響更大。下風(fēng)向區(qū)域湖泊增溫更為明顯，這是由于上風(fēng)向建筑群對來流的阻礙作用增強(qiáng)，使得進(jìn)入下風(fēng)向建筑群的風(fēng)速明顯衰減，同時北側(cè)臨湖的低層建筑占據(jù)了湖岸一半長度，增高1倍后使得湖泊對北側(cè)的降溫效應(yīng)減弱程度更大。與實際算例相比，湖泊水體上方及周邊區(qū)域溫度略微上升，湖泊水體上方整塊均勻分布的溫度布局被打破為兩大分區(qū)，臨近建筑的一側(cè)湖泊上方溫度明顯增高，說明臨湖的建筑高度對湖泊溫度效應(yīng)的影響非常明顯，由此可知湖泊降溫范圍和幅度與臨湖建筑高度呈負(fù)相關(guān)。

圖13 建筑高度為原來的2倍的三維模型圖Fig.13 3D model map with double building height

圖14 建筑高度變?yōu)樵瓉?倍時1.5 m高度處溫度云圖Fig.14 Temperature cloud map at a height of 1.5 m with double building height

4.4 建筑布局與建筑間距對湖泊溫度效應(yīng)模擬分析

由定點實測及對實際算例的 CFD模擬可知，建筑群的布局對湖泊溫度效應(yīng)的影響很大，其中行列式布局優(yōu)于周邊式，最次為較為雜亂的點狀式布局。根據(jù)研究紅線內(nèi)區(qū)域大小，在現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上，在盡可能不減少建筑數(shù)量的同時，加大各建筑之間的間距（將建筑間距設(shè)置為原來的2倍），加大間距后的三維模型如圖15所示。

將研究區(qū)域內(nèi)建筑間距擴(kuò)大2倍后，整體溫度幅度為31.2－36.9 ℃（如圖16），與實際算例相比，整體溫度幅度有所提升，這是因為建筑間距的增大使得建筑影響的范圍擴(kuò)大，許多受湖泊降溫效應(yīng)影響、溫度相對較低的空曠地帶被建筑所影響，導(dǎo)致部分區(qū)域溫度有所上升。具體表現(xiàn)為，上風(fēng)向區(qū)域建筑數(shù)量最多，與實際算例相比溫度整體變化較小，其中上風(fēng)向水體周邊區(qū)域溫度下降0.6 ℃，這是由于上風(fēng)向區(qū)域建筑間距增大，風(fēng)環(huán)境得到改善。下風(fēng)向區(qū)域建筑密度較上風(fēng)向區(qū)域小，但在增大了建筑間距后受建筑負(fù)面影響區(qū)域增多，導(dǎo)致區(qū)域溫度有所上升，而由于間距增大后空氣的流動性增強(qiáng)，區(qū)域高溫區(qū)較實際算例有所下降。湖泊區(qū)域則由于建筑間距的增大，使得建筑離湖岸的距離變小，湖泊東側(cè)受上風(fēng)向建筑的影響增大，使得高溫區(qū)上升了1.4 ℃（如表8），而湖泊水體上方的低溫區(qū)下降了0.8 ℃，帶狀區(qū)域的建筑原本是低層單棟建筑，因此改變建筑間距，對其影響較小。由此可知，在不減少湖泊周邊區(qū)域的建筑數(shù)量，不控制建筑高度的前提下，單一地增大建筑群中建筑之間的間距，雖然會增大建筑群對周邊區(qū)域的輻射影響范圍，使得建筑群對來流的阻礙作用相對增強(qiáng)，原空曠區(qū)域的溫度也會受建筑的顯著影響而升溫，高溫區(qū)域面積相應(yīng)增加，但由于增大間距能增強(qiáng)空氣流動性，風(fēng)環(huán)境得到有效改善，湖泊對離岸距離較小的區(qū)域的降溫效應(yīng)依然存在。

圖15 建筑間距為原來2倍的平面圖及三維模型圖Fig.15 Plan and 3D model map with double the original building spacing

表8 建筑間距變?yōu)樵瓉?倍時溫度云圖讀數(shù)表Table8 Reading table of the temperature cloud map with double building spacing

5 結(jié)論

采用實地測量和模擬分析交互驗證的方法，較為全面地探析了建筑因子對城市湖泊降溫效應(yīng)的影響，綜合相關(guān)的模擬結(jié)果及分析，得出如下結(jié)論：（1）湖泊周邊建筑是影響夏季湖泊降溫效應(yīng)的因素之一，且主要呈消極作用，是由于建筑會降低來流風(fēng)速，且建筑表面對太陽輻射的吸收和反射較強(qiáng)，會抵消湖泊溫度效應(yīng)帶來的降溫作用；（2）在不改變建筑密度、建筑布局的前提下，僅小幅度改變建筑后退距離，去除距離湖岸近的建筑或建筑群，雖不能增大湖泊降溫效應(yīng)的影響范圍，但在湖泊周邊近距離范圍內(nèi)仍存在降溫效應(yīng)；（3）夏季湖泊溫度效應(yīng)的影響范圍與作用強(qiáng)度與周邊環(huán)境建筑的高度有明顯的關(guān)系，湖泊周邊建筑高度的增加（尤其是距離湖泊距離小的建筑），不僅會提高建筑周邊的溫度，也會提高湖泊上方的溫度，進(jìn)而影響湖泊的降溫效應(yīng)；（4）建筑間距的增大，會導(dǎo)致受建筑影響的高溫區(qū)面積增大，說明改變建筑間距的同時，也需減少建筑數(shù)量才能對湖泊溫度效應(yīng)產(chǎn)生良性作用。

6 存在的問題與展望

本研究通過定點實測與 CFD模擬分析相結(jié)合的方法研究了建筑因子對城市湖泊溫度效應(yīng)的變化規(guī)律，通過改變建筑后退湖岸距離、建筑高度以及建筑布局探討了各因子對湖泊溫度效應(yīng)的影響。研究表明應(yīng)用 CFD技術(shù)研究中尺度下的城市湖泊水體小氣候是可行的。在研究過程中，仍然存在著許多能力范圍外的問題，需在今后的深入研究中進(jìn)一步完善，如（1）本研究在定點實測過程中僅選取了湖南烈士公園湖泊區(qū)域一個樣本區(qū)域，缺乏多個樣本區(qū)域的對照，在今后研究中需展開多樣本湖泊研究，得到更可靠的普適性規(guī)律。（2）由于計算能力有限且本研究區(qū)域建筑及周邊環(huán)境復(fù)雜，在CFD模擬中對計算模型進(jìn)行了大幅簡化，將模擬條件設(shè)置為陰天，簡化了太陽輻射條件的設(shè)置；在下墊面設(shè)置中，統(tǒng)一設(shè)置為地面，忽略了綠地及道路的影響。在以后的城市湖泊研究中，應(yīng)盡可能地完善相關(guān)參數(shù)，使得CFD模擬逐漸由理想模型走向現(xiàn)實環(huán)境，使模擬結(jié)果更加符合實際，為城市湖區(qū)規(guī)劃提供更加準(zhǔn)確的參考。