基于RS和ArcGis的烏海風(fēng)環(huán)境影響因素分析*

丁玉賢，孫維娜，王雪

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

目前，針對城市現(xiàn)狀通風(fēng)環(huán)境差，空氣污染嚴(yán)重現(xiàn)象，許多學(xué)者對其展開了不同方法、不同方面的研究，如黃文鋒[1]等用CFD數(shù)值模擬探究建筑群在行列式、錯(cuò)列式及圍合式這3種建筑布局下的風(fēng)環(huán)境情況；王薇[2]等運(yùn)用Phoenics，研究了合肥市混合住區(qū)的建筑高度、規(guī)劃布局、建筑朝向?qū)︼L(fēng)環(huán)境的影響；TETSU KUBOTA[3]等利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了日本22個(gè)住宅小區(qū)的建筑密度與平均風(fēng)速比之間的關(guān)系；詹慶明[4]等結(jié)合遙感(RS)及地理信息技術(shù)(GPS)為福州市區(qū)提取了潛在的通風(fēng)廊道；劉濱誼[5]等利用實(shí)測加模擬的方法對同濟(jì)大學(xué)某宿舍區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了綠化布局優(yōu)化研究；尹杰[6]等基于武漢市主城區(qū)的粗糙度、長度和迎風(fēng)面積密度，對風(fēng)道進(jìn)行了劃分.

由此可見，城市的產(chǎn)業(yè)布局、占地類型及建筑形態(tài)都會(huì)對通風(fēng)產(chǎn)生影響，以污染嚴(yán)重的烏海市為例，基于烏海市的高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及建筑矢量圖，利用ArcGis10.6軟件對該城市的占地類型及建成區(qū)環(huán)境進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化策略.

1 研究區(qū)概況

烏海位于東經(jīng)106°36′00″～107°46′14″，北緯39°10′00″～39°55′00″，是內(nèi)蒙古主要工業(yè)城市之一，春季風(fēng)沙天氣多，冬季逆溫現(xiàn)象也較為平常，通過查閱并統(tǒng)計(jì)分析了2015～2019年烏海市氣象局地面氣象觀測站每日觀測的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制了烏海市近5 a的風(fēng)向頻率圖，如圖1所示，就全年而言，主導(dǎo)風(fēng)不明顯，但春季(3～5月)主導(dǎo)風(fēng)西北風(fēng)，風(fēng)向頻率接近26%；冬季(12～2月)主導(dǎo)風(fēng)西北風(fēng)，風(fēng)向頻率在25%以上；而在夏季(6～8月)，東北風(fēng)、東南風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高，其中東北風(fēng)風(fēng)向頻率接近25%，東南風(fēng)風(fēng)向頻率接近30%，風(fēng)速大小普遍在3.4～5.4 m/s之間.

由烏海市監(jiān)測站實(shí)時(shí)發(fā)布的關(guān)于2015～2019年的空氣質(zhì)量報(bào)告，繪制了全年、各個(gè)季節(jié)的日均空氣污染指數(shù)(AQI)值及5 a內(nèi)空氣污染天數(shù)的變化曲線，如圖2所示.就全年而言，空氣污染指數(shù)及空氣污染天數(shù)呈下降趨勢，空氣質(zhì)量有所改善，但在夏季，空氣污染指數(shù)呈顯著上升趨勢，而在春季，雖整體呈下降趨勢，但相比其他季節(jié)，空氣污染指數(shù)仍是最高的.其中，2018年的日均AQI值超過了120，在5 a中最高.

圖1 2015～2019年烏海市風(fēng)向頻率圖

圖2 2015～2019年烏海市空氣質(zhì)量變化圖

由于烏海市是一座以煤為主的工業(yè)城市，地處烏蘭布和、庫布齊和毛烏素3大沙漠的交匯處，因此，風(fēng)速過小，不利于空氣中的污染物稀釋擴(kuò)散，但過大又會(huì)產(chǎn)生沙塵暴，因此，分析和研究烏海市風(fēng)環(huán)境的影響因素是減少空氣污染、緩解沙塵暴現(xiàn)象的燃眉之舉，這對進(jìn)一步改善烏海市人居環(huán)境及推進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義.

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

烏海市2015～2019年的空氣污染指數(shù)(AQI)值及空氣污染天數(shù)來源于烏海市監(jiān)測站實(shí)時(shí)發(fā)布的空氣質(zhì)量報(bào)告，氣象資料風(fēng)速、風(fēng)向來源于烏海市氣象局地面氣象觀測站每日觀測的數(shù)據(jù).對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行日、年、季均值處理，探析全年及各個(gè)季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向及其污染情況分析.而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Landsat和Dem高程圖來源于地理空間數(shù)據(jù)云，烏海市建筑輪廓的獲取來源于建筑矢量圖.

2.2 研究方法

(1)對烏海市2015～2019年近5 a的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣污染指數(shù)(AQI)及污染天數(shù)進(jìn)行日、季、年均值處理，并通過統(tǒng)計(jì)分析方法了解其近5 a的分布情況及變化趨勢.

(2)結(jié)合烏海市的高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和建筑矢量圖，利用ArcGis10.6軟件分析占地類型及建成區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，并對此分析對風(fēng)環(huán)境的影響，選取建筑密度、迎風(fēng)面積密度這2個(gè)指標(biāo)對建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境進(jìn)行定量分析，進(jìn)而提取出烏海市主要污染區(qū)潛在的通風(fēng)廊道.

3 影響因素分析

3.1 占地類型分析

烏海市在東、南、西方向分別連著鄂爾多斯高原、阿拉善草原、銀川平原，北邊緊挨著河套沃野，擁有著桌子山、崗德爾山、五虎山構(gòu)成的“三山兩谷”地形格局[7]，圖3為烏海市高程圖，圖4是根據(jù)下載的Landsat8.0遙感圖，提取波段Band5，Band4，Band3，在ArcGis進(jìn)行波段合成，形成假彩色圖案，隨后根據(jù)土地利用類型進(jìn)行影像分類得到影像圖如圖4.結(jié)合圖3，4來看，烏海市地勢高低明顯，東西兩邊高、中間低.占地類型復(fù)雜多變，有水文、草地、丘陵區(qū)、耕地、荒漠地等類型，由屬性表中各類型的柵格數(shù)統(tǒng)計(jì)占用面積及百分比，如表1所示.

圖3 烏海高程圖

表1 占地類型的面積及百分比表

圖4 烏海影像圖

由表1可知，占地類型最多的是丘陵，面積約為435 km2，占烏?？偯娣e的27.08%；其次是荒漠，面積約296 km2，占地18.43%；建設(shè)用地面積約280 km2，占地17.41%；水文用地面積約273 km2，占地16.99%；而耕地、綠地及山體占地面積較少，分別為8.6%、4.96%和4.19%.這與黃園園[8]等利用GIS分析烏海礦區(qū)土地退化因素中提到的關(guān)于該區(qū)土地利用逐漸由草地大面積變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和荒漠面積的事實(shí)一樣，植被覆蓋少，耕地面積也少，但丘陵、建設(shè)用地與未利用的荒漠地區(qū)較多.另外，引入植被歸一化指數(shù)對植被覆蓋進(jìn)行量化分析，其方法是根據(jù)波段Band5，Band4，利用ArcGis中的柵格計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，見式(1)，對得到的NDVI疊加圖進(jìn)行唯一值賦值(-1，0，1)，發(fā)現(xiàn)NDVI的值大多數(shù)為0，即植被覆蓋很少，基本都是裸土與巖石.

(1)

風(fēng)是氣流水平運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，當(dāng)氣流經(jīng)過復(fù)雜的地形地貌、密集的建筑地區(qū)時(shí)，近地流動(dòng)風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)壓和湍流結(jié)構(gòu)將會(huì)隨之改變，如陳平采用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)分析了典型地形在平面及空間區(qū)域的風(fēng)流場風(fēng)速、風(fēng)壓及湍流結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在相同高度的山丘中，坡頂近地風(fēng)速、渦流強(qiáng)度會(huì)隨坡度的增大而增大[9]，同時(shí)，城市綠地能有效調(diào)節(jié)城市內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境，在建成區(qū)，因溫度升降不同產(chǎn)生的林源風(fēng)，能促進(jìn)城市內(nèi)部空氣的流通，并在局部區(qū)域產(chǎn)生微風(fēng)，降低夏季的氣溫，增加城市空氣的濕度，但若植被覆蓋少，則冷空氣源少，人體風(fēng)環(huán)境舒適度較低.

3.2 建成區(qū)環(huán)境分析

烏海市管轄的市轄區(qū)有海勃灣區(qū)、烏達(dá)區(qū)及海南區(qū)，它的建筑分布較為分散，主要以烏海的主要功能建筑居住小區(qū)及住宿區(qū)為研究對象，因?yàn)榉植枷鄬忻芗?，具有城市建筑的代表?為對建成區(qū)環(huán)境進(jìn)行定量定性分析，引入指標(biāo)建筑密度及主導(dǎo)風(fēng)下的迎風(fēng)面積密度.

(1)建筑密度

某單元地塊中建筑的占地總面積與單元地塊總面積之比為建筑密度，能體現(xiàn)出一定用地范圍內(nèi)的空地率和建筑密集程度.利用ArcGis中，根據(jù)烏海市區(qū)一級道路網(wǎng)對建筑進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑瑔卧貕K面積由編輯的面要素進(jìn)行字段幾何尺寸計(jì)算，而建筑占地面積根據(jù)建筑的矢量輪廓幾何尺寸計(jì)算，對得到的某單元地塊的建筑密度以點(diǎn)數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行顯示，如圖5.

圖5 烏海市建筑密度分布圖

由圖可知，距離城市市中心越近，建筑密度越大，3個(gè)市轄區(qū)中，海勃灣區(qū)建筑密集程度最明顯，其次是海南區(qū)，根據(jù)曹象明等[10]利用Phoenics軟件對西安市曲江新區(qū)風(fēng)環(huán)境與建筑密度關(guān)聯(lián)性的研究得知，當(dāng)建筑密度達(dá)到30%以上且有高層建筑分布時(shí)，風(fēng)速將處于1.6 m/s以下，意味著城市自然通風(fēng)不理想.圖中烏海市海勃灣區(qū)的市中心，存在明顯的建筑密度在30%以上，意味著該區(qū)不能有效地進(jìn)行換氣，風(fēng)環(huán)境惡劣.

(2)建筑迎風(fēng)面積密度

迎風(fēng)面的投影面積與單元地塊面積的比值是迎風(fēng)面密度建筑，具有群體性與方向性，與自身的形式、朝向、尺度、上風(fēng)向的建筑及風(fēng)向相關(guān)，能夠反映城市形態(tài)對于特定方向風(fēng)的阻礙作用，其值越大，說明該城市區(qū)域內(nèi)在該風(fēng)向下的通風(fēng)能力越不好.其公式見式(2)，(3)：

(2)

(3)

式中：λf(Ziθ)為主導(dǎo)風(fēng)迎風(fēng)面積密度，A(θ)proj(Δz)為該風(fēng)向下總的迎風(fēng)面積，m2；AT為一級道路網(wǎng)劃分的單元地塊面積，m2；Δz為計(jì)算投影面積高度方向的計(jì)算范圍；θ為計(jì)算風(fēng)向(以統(tǒng)計(jì)的全年8個(gè)方位風(fēng)向計(jì)算)，Pθ為θ風(fēng)向的風(fēng)頻率值(取值參照圖1).其中，單元地塊面積與建筑密度中的計(jì)算一樣，而迎風(fēng)面積是指在該單元地塊中，所有建筑分別在8個(gè)方位風(fēng)向下的迎風(fēng)面積之和，最后乘以各風(fēng)向的頻率值進(jìn)行加權(quán)疊加，得到綜合迎風(fēng)面積密度，如圖6.

圖6 烏海市迎風(fēng)面積密度分布圖

由圖6可知，烏海的迎風(fēng)面積密度普遍在0.25以下，3個(gè)區(qū)的市中心普遍比周邊的高，而分布最明顯的還是海勃灣區(qū)，根據(jù)香港中文大學(xué)吳恩融教授團(tuán)隊(duì)[11]利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M，得出的關(guān)于風(fēng)速比與近地面高度層(0～15 m)的迎風(fēng)面積密度的負(fù)相關(guān)關(guān)系結(jié)果，當(dāng)迎風(fēng)面積密度大于0.6，風(fēng)速比值小于0.1，意味著城市的通風(fēng)效能和人行高度的風(fēng)滲透性不理想，而圖中，市中心的迎風(fēng)面積密度普遍在0.35～0.7，尤其在海勃灣區(qū)最明顯，由于市中心區(qū)普遍為密集的高層建筑，所以越接近市中心，迎風(fēng)面積密度越大，通風(fēng)效果越不好.

4 結(jié)論與建議

利用ArcGis10.6軟件分析了烏海市的占地類型及建成區(qū)環(huán)境，并基于分析結(jié)果對風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了影響因素分析，結(jié)論與建議如下.

4.1 結(jié)論

(1)通過烏海市的高程圖，了解到烏海市地勢高低明顯，東西兩邊高、中間低.再由波段合成的假彩色圖案進(jìn)行影像分類得到的影像圖可知，占地類型復(fù)雜多變，其中，占地面積最多的類型是丘陵、荒漠及建設(shè)用地，這對近地流動(dòng)風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)壓和湍流結(jié)構(gòu)影響顯著，如在巖石裸露、坡度較大的地區(qū)，風(fēng)向會(huì)改變，山頂風(fēng)速及渦流強(qiáng)度會(huì)增大.

(2)烏海的植被覆蓋及耕地面積少，利用ArcGis中的柵格計(jì)算器計(jì)算植被歸一化指數(shù)，對植被覆蓋進(jìn)行量化分析，發(fā)現(xiàn)NDVI值大多數(shù)為0，即植被覆蓋很少，基本都是裸土與巖石，與影像圖得到的結(jié)論一樣，即冷空氣源少，對城市內(nèi)部的局地微氣候不能有效調(diào)節(jié).

(3)結(jié)合烏海市建成區(qū)環(huán)境的建筑密度及迎風(fēng)面積密度，發(fā)現(xiàn)距離城市市中心越近，建筑密度及迎風(fēng)面積密度就越大，其中，海勃灣區(qū)最明顯，市中心的建筑密度普遍大于30%，迎風(fēng)面積密度大于0.35，風(fēng)速低于1.6 m/s，通風(fēng)效果不理想，不符合風(fēng)環(huán)境舒適性標(biāo)準(zhǔn).

4.2 建議

(1)烏海市夏季的主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)、西南風(fēng)，而民用建筑的上風(fēng)向普遍分布著工業(yè)建筑，在市中心，建筑密度及建筑樓層普遍高，通風(fēng)環(huán)境不理想，對于以后擬建的建筑，應(yīng)根據(jù)自然地形地貌、地區(qū)盛行季風(fēng)條件、產(chǎn)業(yè)功能合理規(guī)劃布局，對于已建成區(qū)，適當(dāng)調(diào)整區(qū)域人口密集的地方，如增加綠地布局，構(gòu)建城市通風(fēng)廊道等.

圖7 烏海市海勃灣區(qū)通風(fēng)廊道規(guī)劃建議圖

(2)保護(hù)城市生態(tài)空間環(huán)境，確保城市風(fēng)源暢通，對烏海居住用地較為集中的海渤灣區(qū)進(jìn)行通風(fēng)廊道的構(gòu)建，其方法就是借助城市的水系、道路通道將潛在的補(bǔ)償空間(如山體、水體、綠地)產(chǎn)生的冷空氣引入到城市中心.由烏海市全年的盛行風(fēng)向來看，大致走向?yàn)槟媳狈较颍罁?jù)海渤灣區(qū)現(xiàn)有的河道、綠地布局及主要街道走向，構(gòu)建3條南北走向的一級通風(fēng)廊道，對該區(qū)的整體風(fēng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)改善，并在低矮零碎的建筑區(qū)引入南北走向1條、東西走向2條的二級通風(fēng)道，對局地微氣候進(jìn)行調(diào)節(jié)改善.

(3)加強(qiáng)城市建設(shè)開發(fā)管控，綠地率不小于30%，建筑密度控制在30%以內(nèi)，合理規(guī)劃并控制城市內(nèi)部高層建筑的布局，保證建筑高度由市中心向外呈現(xiàn)梯度降低，力求高低錯(cuò)落，有利于氣流的循環(huán)，增強(qiáng)通風(fēng)潛力，同時(shí)，為盡可能多地引入風(fēng)源，應(yīng)對建筑形態(tài)嚴(yán)格控制，如建筑高度、朝向、布局、寬度等，對于高層建筑，底層可做成裙房狀態(tài)，而大型板房建筑可留空.