基于計(jì)算機(jī)流體力學(xué)的城市近郊湖泊“濕島效應(yīng)”情景模擬研究： 以長沙市同升湖為例

張 偉，陳存友，胡希軍，梁 勝 ，王凱麗，杜心宇，劉路云

〔1.中南林業(yè)科技大學(xué) a.風(fēng)景園林學(xué)院；b.湖南省自然保護(hù)地風(fēng)景資源大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心；c.城鄉(xiāng)景觀生態(tài)研究所，湖南 長沙 410004；2.五礦礦業(yè)(安徽)開發(fā)有限公司，安徽 合肥 230000〕

城市濕地系統(tǒng)是城市中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，城市湖泊作為城市濕地資源的組成部分，其良好的生態(tài)效益(防洪排水[1]、降低噪音[2]、減輕空氣污染[3]、提高空氣負(fù)氧離子濃度[4]等)和自身特性(巨大熱容量、蒸發(fā)量)使得城市湖泊對湖區(qū)周圍環(huán)境小氣候具有極大的改善作用(冷島效應(yīng)[5]、濕島效應(yīng)[6]、風(fēng)島效應(yīng)[7])，能夠有效地緩解局域熱效應(yīng)[8]。因此，研究城市近郊湖泊“濕島效應(yīng)”對于充分利用自然資源、改善湖濱熱環(huán)境和提高湖區(qū)生態(tài)適宜性以達(dá)到湖泊生態(tài)效益最大化具有重要意義[9-10]。

從研究方法的角度出發(fā)，目前，關(guān)于城市濕地溫濕度效應(yīng)的研究集中在2個(gè)方面。一是觀測法，通過實(shí)地觀測、氣象站資料數(shù)據(jù)以及遙感觀測探究湖泊小氣候的日變化規(guī)律、月變化規(guī)律以及空間分異特征等。研究發(fā)現(xiàn)，濕地具有顯著的小氣候特征，整體氣溫表現(xiàn)為較其他地區(qū)偏低，越靠近地面，“冷濕島效應(yīng)”越強(qiáng)[11]。濕地周圍的氣溫與距湖岸距離呈正相關(guān)關(guān)系，相對濕度與距湖岸距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，不同季節(jié)日間氣溫峰值存在差異性[12]。春季降溫幅度超過夏季，降溫幅度與河岸上的城市形態(tài)相關(guān)[13]。“冷島效應(yīng)”的季節(jié)特征表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季，夜間冷島強(qiáng)度高于白天[14]。隨著城市開發(fā)強(qiáng)度的增加，湖泊水域面積不斷減小[15]。二是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對研究區(qū)域熱環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，能夠有效克服傳統(tǒng)觀測法對于人力、時(shí)間等條件的限制。研究發(fā)現(xiàn)形狀復(fù)雜的水體具有更強(qiáng)的“冷島效應(yīng)”[16]，水體的降溫作用強(qiáng)于綠地，對商業(yè)用地的降溫幅度可達(dá)1.19 ℃[17]。湖泊面積減小，對主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向區(qū)域的影響高于上風(fēng)向和垂直向區(qū)域[18]。

綜上，大多數(shù)研究選擇城市湖泊作為研究對象，從不同角度肯定了湖泊水體小氣候效應(yīng)[19]，而以中小型城市近郊湖泊作為研究主體，結(jié)合實(shí)測和模擬兩種方法對湖泊“濕島效應(yīng)”進(jìn)行的研究較少。近年來，長沙城市化發(fā)展迅速，生態(tài)空間不斷遭受蠶食與侵占，湘江沿岸、梅溪湖、觀音巖水庫等濕地周圍被大量房地產(chǎn)項(xiàng)目占據(jù)[20]。該研究聚焦于長沙市近郊區(qū)的同升湖，通過平行定點(diǎn)實(shí)測結(jié)合計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)情景模擬交互驗(yàn)證的方法，將城市近郊湖泊“濕島效應(yīng)”的變化規(guī)律探究應(yīng)用到城市郊區(qū)湖區(qū)開發(fā)建設(shè)的實(shí)踐中，旨在為城市湖區(qū)環(huán)境改善、生態(tài)質(zhì)量提高、區(qū)域熱環(huán)境改善提供有力的理論支撐。

1 研究區(qū)域概況

同升湖位于長沙市雨花區(qū)中部偏南(北緯27°51′～28°41′、東經(jīng)111°53′～114°15′)、距離建成區(qū)9.5 km的城市近郊。將同升湖以及北面和南面兩個(gè)水庫及周邊600 m范圍用地作為研究區(qū)域(圖1)，占地總面積為101.5萬m2，其中，水體面積為34.54萬m2。通過實(shí)地調(diào)研并結(jié)合衛(wèi)星圖統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)共有建筑740棟(圖2)，目前，湖區(qū)周圍處于開發(fā)建設(shè)中，研究建筑因子對湖泊“濕島效應(yīng)”的影響具有重要意義。

圖1 研究區(qū)域和對照區(qū)域樣線及樣點(diǎn)布置

2 研究方法

2.1 平行定點(diǎn)實(shí)測法

2.1.1樣點(diǎn)與樣線設(shè)計(jì)

根據(jù)夏季實(shí)測風(fēng)向(偏南風(fēng))和長沙市夏季歷史主導(dǎo)風(fēng)向(東南風(fēng))在湖泊周邊設(shè)置3條樣線。樣線設(shè)置盡量保持由湖岸向周圍呈直線分布，分別在每條樣線上等距離劃分0、150、300、450和600 m處5個(gè)測點(diǎn)，并在距離湖泊2 km的雨花區(qū)同升街道新興村衛(wèi)生室附近選擇3個(gè)測點(diǎn)作為對照點(diǎn)，受湖泊水體的影響可忽略。樣點(diǎn)與對照點(diǎn)布置見圖1。

對研究區(qū)域15個(gè)樣方中的建筑數(shù)量、建筑布局方式、綠地率、綠地組成方式和硬質(zhì)鋪裝比率等環(huán)境因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對其進(jìn)行打分評價(jià)(表1)，為分析樣點(diǎn)周圍環(huán)境差異性提供依據(jù)。

2.1.2測量內(nèi)容及方法

(1)天氣條件：選擇晴朗無云、晴朗少云以及無風(fēng)或者微風(fēng)的天氣，在樹蔭下距地面1.5 m處連續(xù)觀測。若測量時(shí)天氣發(fā)生變化，出現(xiàn)雷雨天氣，則放棄測量數(shù)據(jù)(避免太陽直射、強(qiáng)風(fēng)等因素的影響)。

(2)測定方法：從2019年夏季每個(gè)月中選擇符合測量條件的3 d，即6月20、25、26日，7月1、2、3日，8月23、24、31日，測量時(shí)間為8:00—19:00，每隔1 h同步記錄3次各測點(diǎn)及對照點(diǎn)的相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向。

(3)測量儀器：采用德圖TESTO08H1溫濕度計(jì)

(測定范圍為-10～60 ℃，分辨率為0.11 ℃；0.1%RH)測定溫度和濕度，采用GM890數(shù)字風(fēng)速儀(測定范圍為0～45 m·s-1)測定風(fēng)速。

圖2 研究區(qū)域周圍環(huán)境

表1 樣方環(huán)境參數(shù)變量統(tǒng)計(jì)

2.2 CFD數(shù)值模擬法

2.2.1模型建立

結(jié)合衛(wèi)星地圖采用CAD軟件三維建模模式繪制三維模型(圖3)。為方便CFD后期模擬，對研究區(qū)建筑形狀、建筑外立面、植被高度等作適當(dāng)簡化。

2.2.2模型前處理

(1)計(jì)算域劃分。將AUTO CAD 2018中建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH中的DESIGN MODELER進(jìn)行處理，劃分得到流體計(jì)算域，并對不同邊界面進(jìn)行命名，包括速度入口、壓力出口、壁面和對稱面(圖3)。計(jì)算域大小為2 500 m×2 800 m×180 m，可充分滿足研究區(qū)域情景模擬的需求[21]。

(2)網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(網(wǎng)格具有較好的靈活性、適應(yīng)性)，對建筑外立面與地面的交界處、植被區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，其余部分則采用尺度較大的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度范圍為4～15 m[22]。研究區(qū)域整體網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為1 205萬，根據(jù)Skewness參數(shù)要求(不能高于0.95，最好在0.90以下；越小越好)，將用于衡量網(wǎng)格質(zhì)量的Skewness參數(shù)值控制在0.3以上，可滿足模擬需求。

圖3 研究區(qū)域三維模型和計(jì)算域平面圖

2.2.3計(jì)算設(shè)置

針對研究區(qū)域的流場特點(diǎn)，采用ANSYS Fluent 20.0作為計(jì)算平臺(tái)，選擇壓力基求解器，選用RNGk-ε模型作為計(jì)算方程，選擇速度入口和壓力出口作為模擬邊界條件。

(1)輻射模型。選擇solar ray tracing作為太陽輻射的計(jì)算算法，太陽直射輻射量為604 W·m-2，散射輻射量為318 W·m-2，太陽入射系數(shù)為1.0，地面的熱輻射模型設(shè)置為mixed對流換熱與熱輻射耦合類型，地面反射率為0.38，建筑物表面的設(shè)置與其相同。

(2)湍流模型。選擇RNGk-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬，相比ANSYS Fluent 20.0中提供計(jì)算的其他湍流模型〔單方程(Spalart-Allmaras)模型、雙方程模型、k-w和RSM模型及LES模型等〕，該方程模型更適用于低速湍流數(shù)值模擬，應(yīng)用更加廣泛[23]。

(3)多孔介質(zhì)模型。研究區(qū)域位于長沙市郊區(qū)，湖泊周圍的植物環(huán)境以及地形較市區(qū)更加復(fù)雜。在構(gòu)建植物模型時(shí)，考慮后期模擬的周期以及電腦配置的需求，只針對場地內(nèi)部復(fù)雜地形區(qū)域建立三維模型，綠地密度為950 kg·m-2,導(dǎo)熱系數(shù)為0.42 W·m-2·K-1，植物孔隙率取夏季常綠植物孔隙率0.55[24]。

(4)組分運(yùn)輸模型。考慮水體蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣與空氣主要組分(N2和O2)的輸運(yùn)、擴(kuò)散過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，選擇通用有限速率模型中的無反應(yīng)物質(zhì)輸運(yùn)模型。

(5)出入口邊界條件。采用速度入口(velocity-inlet)、壓力出口(pressure-outlet)和夏季14:00測量數(shù)據(jù)作為模擬邊界條件，風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，入口來流風(fēng)速為2 m·s-1，溫度為36 ℃，相對濕度為60%，氣壓為101 325 Pa。

入口速度分布采用指數(shù)模型，速度與高度之間的變化關(guān)系為

(1)

式(1)中，x為高度，m；u(x10)為高度10 m處風(fēng)速，m·s-1；α為地面粗糙度指數(shù)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，取值為0.25。

2.2.4CFD情景模擬驗(yàn)證

通過模擬得到1.5 m高度處相對濕度云圖，讀取定點(diǎn)實(shí)測各測點(diǎn)位置相對濕度值，并將其與定點(diǎn)實(shí)測同時(shí)刻相對濕度(夏季6、7、8月14:00相對濕度平均值)進(jìn)行對比及相關(guān)性分析(圖4)。

圖4 實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比分析和相關(guān)性分析

由圖4可知，CFD模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)兩者之間的誤差為0.43%，測點(diǎn)11和12的實(shí)測值高于模擬結(jié)果，這是由于測點(diǎn)周圍植被豐富，測量時(shí)受到植被的遮陰作用，實(shí)際模擬時(shí)，對于周邊植被并沒有考慮其單體的影響，加上夏季東南風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向的影響，使得模擬濕度較低。實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果之間的決定系數(shù)R2=0.801，相關(guān)系數(shù)R=0.895，表明CFD模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間存在強(qiáng)相關(guān)性，可將其應(yīng)用于后續(xù)模擬。

3 結(jié)果與分析

3.1 整體變化規(guī)律

對每個(gè)月測量的3 d數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，得到湖泊相對濕度日變化規(guī)律(圖5)。由圖5可知，湖泊具有明顯的“濕島效應(yīng)”特征。8:00—19:00研究區(qū)域濕度與對照區(qū)域相對濕度變化趨勢相似，呈“U型”分布，13:00—14:00出現(xiàn)最低值。研究區(qū)域相對濕度變化范圍為58.27%～75.50%，相對濕度差為17.23百分點(diǎn)；對照區(qū)域相對濕度變化范圍為56.25%～75.55%，相對濕度差為19.30百分點(diǎn)。研究區(qū)域日均相對濕度為64.16%，對照區(qū)域日均相對濕度為63.17%，平均差值為0.99百分點(diǎn)，表明夏季白天湖泊對周圍環(huán)境一直存在增濕作用。隨時(shí)間的推移，湖泊“濕島效應(yīng)”逐漸增強(qiáng)，在13:00—14:00前后，測點(diǎn)周圍的空氣濕度達(dá)到峰值，增濕效應(yīng)表現(xiàn)最顯著，增濕強(qiáng)度為2.02百分點(diǎn)。

圖5 研究區(qū)域與對照區(qū)域相對濕度日變化和日均差值

3.2 不同風(fēng)向區(qū)域變化規(guī)律

將位于不同風(fēng)向的3條樣線(樣線1、2和3)上所有測點(diǎn)以及對照區(qū)域各點(diǎn)夏季3個(gè)月同一時(shí)刻的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，得到不同風(fēng)向區(qū)域夏季湖泊相對濕度日變化規(guī)律(圖6)，夏季湖泊各樣線相對濕度日變化趨勢相似，上風(fēng)向、下風(fēng)向、垂直向和對照區(qū)域的相對濕度變化范圍分別為58.06%～76.25%、58.97%～75.26%、57.81%～74.98%和56.25%～75.55%，日均相對濕度分別為63.59%、64.86%、64.03%和63.17%。

圖6 不同風(fēng)向區(qū)域湖泊相對濕度日變化和日均差值

在上午8:00—10:00，太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，各區(qū)域相對濕度波動(dòng)較??；在11:00—16:00，隨著空氣濕度逐漸升高，湖泊周圍各區(qū)域相對濕度呈現(xiàn)明顯差異，對下風(fēng)向區(qū)域的增濕作用明顯強(qiáng)于其他區(qū)域；在17:00—19:00，隨著太陽輻射強(qiáng)度逐漸衰減，各區(qū)域相對濕度變化趨于平緩。

通過將不同風(fēng)向區(qū)域與對照區(qū)域日平均相對濕度取差值，上風(fēng)向、下風(fēng)向和垂直向與對照區(qū)域的日均相對濕度差分別為0.42、1.69和0.86百分點(diǎn)，表明湖泊對下風(fēng)向區(qū)域的增濕作用明顯，增濕幅度最大。

3.3 不同臨湖距離變化規(guī)律

由圖7可知，各樣線不同臨湖距離相對濕度日變化趨勢相近，距湖岸0 m處相對濕度明顯高于其他臨湖距離測點(diǎn)，與對照區(qū)域相對濕度差值為2.78百分點(diǎn)；臨湖600 m與對照區(qū)域相對濕度變化較接近，相對濕度差值為0.66百分點(diǎn)，表明隨著臨湖距離的增大，湖泊水體的增濕作用逐漸衰減。

3.4 實(shí)際算例情景模擬

1.5 m高度處相對濕度和風(fēng)速分布見圖8，相對濕度最大值可達(dá)82.30%。根據(jù)樣線分布和主導(dǎo)風(fēng)向?qū)⒀芯繀^(qū)域劃分為湖泊水體上方、東南部、西北部、東北部和西南部區(qū)域。

圖7 不同臨湖距離處相對濕度日變化規(guī)律和研究區(qū)域與對照區(qū)域日均差值

圖8 實(shí)際算例1.5 m高度處相對濕度(RH)和風(fēng)速(v)分布

3.4.1東南部區(qū)域

建筑背風(fēng)面風(fēng)速為0.6～0.85 m·s-1，高層建筑之間的過道區(qū)域風(fēng)速可達(dá)2.20 m·s-1。入口來流受到湖泊周圍高層建筑與水氣擴(kuò)散力的雙重阻礙作用，衰減較快，水體對該區(qū)域增濕作用有限，增濕范圍約為100 m。植被區(qū)域氣流相互影響，形成靜風(fēng)區(qū)，風(fēng)速為0.2～0.35 m·s-1。

3.4.2湖泊水體上方

湖泊水體相當(dāng)于一個(gè)散濕源，水體上方空曠平展，受到太陽輻射加熱作用，轉(zhuǎn)化為水蒸氣向周圍擴(kuò)散，氣流受到上風(fēng)向建筑的阻礙與分隔作用，形成多股分流吹向湖面，導(dǎo)致水體上方的濕氣分布不均勻。整體風(fēng)速變化范圍為0.90～2.23 m·s-1，高風(fēng)區(qū)水氣擴(kuò)散快，相對濕度低，為63.10%～66.45%；低風(fēng)區(qū)水氣擴(kuò)散慢，相對濕度高，為77.50%～78.12%。

3.4.3西北部區(qū)域

該區(qū)域位于主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向，建筑少，分布散，氣流流動(dòng)受到阻擋較小，風(fēng)速為0.48～2.38 m·s-1，影響范圍可達(dá)500 m。在建筑迎風(fēng)面，主導(dǎo)氣流受到建筑的影響，濕氣聚集，相對濕度為63.65%～64.18%。植被區(qū)域內(nèi)部相對濕度偏高，為58.20%～61.35%。

3.4.4東北部區(qū)域和西南部區(qū)域

區(qū)域內(nèi)部建筑較多，建筑分布形式多樣，主要有行列式、圍合式和點(diǎn)群式3種布局，對溫度的影響作用較復(fù)雜。與湖岸呈行列式布局的建筑組團(tuán)形成明顯的通風(fēng)廊道，風(fēng)速為1.30～1.85 m·s-1，加強(qiáng)湖泊水氣向周圍的傳輸；圍合式布局的建筑組團(tuán)內(nèi)部氣流聚集，風(fēng)環(huán)境較差，風(fēng)速為0.45～0.65 m·s-1；環(huán)狀布局的建筑組團(tuán)會(huì)阻斷湖泊上方濕冷空氣向周圍空間的傳輸，導(dǎo)致冷空氣在建筑附近堆積，最終被建筑表面及地面所產(chǎn)生的輻射能量抵消；分布雜亂、無序，建筑間距小，呈點(diǎn)狀布局的建筑，其雜亂的分布對湖泊增濕效應(yīng)存在明顯的消極作用。位于西南部水庫下方的建筑群內(nèi)部，水體增濕作用加強(qiáng)，相對濕度為58.55%～60.25%。

3.5 改變單一影響因子情景模擬

結(jié)合實(shí)際算例進(jìn)行模擬分析，建筑高度、建筑布局、建筑密度、建筑后退湖岸距離影響湖泊“濕島效應(yīng)”的發(fā)揮。由于湖泊周圍建筑的整體高度低于市區(qū)建筑，在設(shè)計(jì)改變建筑高度因子的模擬中，結(jié)合計(jì)算機(jī)性能將研究區(qū)域建筑高度增加10和20 m。位于湖泊水體周邊不同區(qū)域的建筑排布方式多樣，建筑間距存在差異，在設(shè)計(jì)改變建筑后退湖岸距離和建筑間距因子的模擬中，考慮建筑后退湖岸100、200 m和建筑間距增大2倍的模擬算例。

3.5.1建筑后退湖岸100和200 m

在實(shí)際算例模型的基礎(chǔ)上，保持其他條件不變，刪除臨湖100和200 m范圍內(nèi)的建筑，總計(jì)87棟和220棟，其他參數(shù)設(shè)置保持與實(shí)際算例一致，網(wǎng)格數(shù)量為1 137萬和1 048萬。建筑后退湖岸100和200 m相對濕度和風(fēng)速分布見圖9～10。由于局部區(qū)域水體周邊空間被打開，氣流流動(dòng)受到影響，相對濕度呈現(xiàn)不同的變化。建筑后退湖岸100和200 m相對濕度變化見表2。

圖9 建筑后退湖岸100 m處相對濕度(RH)和風(fēng)速(v)分布

圖10 建筑后退湖岸200 m處相對濕度(RH)和風(fēng)速(v)分布

(1)東南部區(qū)域。建筑后退湖岸100 m，東南部高層建筑群背風(fēng)面建筑數(shù)量減少，建筑風(fēng)影區(qū)面積減小，風(fēng)速為0.35～0.45 m·s-1，建筑過道區(qū)域風(fēng)速為2.30 m·s-1，湖泊水體與建筑群之間形成開敞空間，湖陸環(huán)流效應(yīng)增強(qiáng)，相對濕度較實(shí)際算例下降1.16百分點(diǎn)。建筑后退湖岸200 m，高層建筑對氣流的阻礙減小，氣流流動(dòng)暢通，形成明顯風(fēng)道，風(fēng)速為0.37～2.31 m·s-1，建筑周圍的積濕現(xiàn)象減弱，相對濕度較實(shí)際算例下降1.70百分點(diǎn)。

(2)湖泊水體上方。建筑后退湖岸距離增大，上風(fēng)向區(qū)域建筑對氣流的阻礙減小，分流作用減弱，湖泊水體上方氣流變化隨建筑后退距離增大趨于均勻。建筑后退湖岸100 m，風(fēng)速變化為1.36～2.22 m·s-1，相對濕度較實(shí)際算例下降0.30～1.67百分點(diǎn)；建筑后退湖岸200 m，湖泊水體上方風(fēng)速為1.45～2.35 m·s-1，較實(shí)際算例增大0.12～0.55 m·s-1，氣流流動(dòng)增強(qiáng)帶走更多的水氣，相對濕度較實(shí)際算例下降1.20～2.98百分點(diǎn)。

表2 建筑后退湖岸100和200 m相對濕度變化

(3)西北部區(qū)域。由于該區(qū)域位于主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向，建筑后退距離增大，上風(fēng)向來流在傳輸過程中受到的阻礙作用減小，帶走更多的湖泊水體蒸發(fā)產(chǎn)生的水氣，對該區(qū)域形成明顯的增濕效應(yīng)。建筑后退湖岸100 m，風(fēng)速為0.35～2.32 m·s-1，相對濕度增加0.27～0.36百分點(diǎn)，湖泊水體的增濕范圍為550～650 m；建筑后退湖岸200 m，風(fēng)速為0.30～2.25 m·s-1，相對濕度增加0.38～1.40百分點(diǎn)，湖泊水體的增濕作用區(qū)域范圍可達(dá)800 m。

(4)東北部區(qū)域和西南部區(qū)域。湖泊水體的作用范圍有限，區(qū)域內(nèi)部建筑密度大，增大建筑后退距離對氣流的流通以及湖岸周圍環(huán)境改善作用明顯，西南部區(qū)域部分建筑位于水庫下方，建筑后退距離增大的影響大于東北部區(qū)域。建筑后退湖岸100 m，風(fēng)速為0.25～2.18 m·s-1，東北部和西南部相對濕度較實(shí)際算例分別增大0.13～0.92百分點(diǎn)和0.77百分點(diǎn)；建筑后退湖岸200 m，湖區(qū)周圍建筑數(shù)量減少相對較多，風(fēng)速為0.30～2.35 m·s-1，東北部和西南部相對濕度較實(shí)際算例分別增大0.43～1.10百分點(diǎn)和1.28～1.44百分點(diǎn)，湖泊水體的增濕效應(yīng)得到增強(qiáng)。

3.5.2建筑高度增加10和20 m

在實(shí)際算例模型的基礎(chǔ)上，保持其他因素不變，將研究區(qū)域內(nèi)建筑高度增加10和20 m，模擬參數(shù)與實(shí)際算例保持一致，網(wǎng)格數(shù)量分別為1 316萬和1 474萬。建筑高度增加10、20 m相對濕度和風(fēng)速分布見圖11～12。由表3可知，研究區(qū)域相對濕度整體較實(shí)際算例有所下降。

(1)東南部區(qū)域。建筑高度增加，入口來流受到的阻礙作用增大，湖泊水體與周圍區(qū)域的熱濕交換作用減弱，水體產(chǎn)生的水氣在建筑背風(fēng)面聚集，最終被地面以及建筑表面的輻射熱消耗，區(qū)域整體相對濕度降低。建筑高度增加10 m，風(fēng)速為0.28～2.32 m·s-1，建筑背風(fēng)面風(fēng)速減小0.09 m·s-1，高風(fēng)區(qū)分布在建筑過道之間，增大0.12 m·s-1，相對濕度減小0.23～0.30百分點(diǎn)；建筑高度增加20 m，風(fēng)速為0.20～2.38 m·s-1，低風(fēng)區(qū)風(fēng)速減小0.17 m·s-1，高風(fēng)區(qū)風(fēng)速增大0.18 m·s-1，建筑背風(fēng)區(qū)影響范圍增大30～50 m，相對濕度較實(shí)際算例下降0.65～0.70百分點(diǎn)，湖泊水體的增濕作用減弱。

(2)湖泊水體上方。上風(fēng)向區(qū)域風(fēng)速減小，建筑對氣流的分流作用增強(qiáng)，導(dǎo)致流向湖面上方的氣流分布隨建筑高度的增加趨向離散化，相對濕度下降。建筑高度增加10 m，風(fēng)速為1.35～2.15 m·s-1，相對濕度較實(shí)際算例降低0.05～0.30百分點(diǎn)；建筑高度增加20 m，風(fēng)速為1.25～2.10 m·s-1，相對濕度較實(shí)際算例下降0.60～0.87百分點(diǎn)。

(3)西北部區(qū)域。區(qū)域內(nèi)部建筑少，建筑分布較分散，建筑高度增加導(dǎo)致入口來流強(qiáng)度被削減，對局部區(qū)域風(fēng)速以及相對濕度影響明顯。建筑高度增加10 m，風(fēng)速為0.32～2.22 m·s-1，相對濕度較實(shí)際算例下降0.23～0.40百分點(diǎn)；建筑高度增加20 m，風(fēng)速為0.26～2.12 m·s-1，相對濕度較實(shí)際算例下降0.69～0.73百分點(diǎn)，水體增濕范圍減小50～100 m。

(4)東北部區(qū)域和西南部區(qū)域。建筑高度增加，位于主導(dǎo)風(fēng)迎風(fēng)面的前排建筑對氣流的阻礙作用變大，建筑風(fēng)影區(qū)影響范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致建筑群內(nèi)部氣流流通受阻，濕氣聚集，溫度升高，不利于排汗，形成人體舒適度較差的濕熱環(huán)境。建筑高度增加10 m，風(fēng)速為0.20～2.32 m·s-1，高風(fēng)區(qū)分布在建筑群外圍以及迎風(fēng)面前排建筑過道之間；東北部和西南部相對濕度分別下降0.44～0.63百分點(diǎn)和0.11～0.17百分點(diǎn)，西南部由于水庫的存在受到的影響相對較小。建筑高度增加20 m，風(fēng)速為0.18～2.40 m·s-1，高風(fēng)區(qū)風(fēng)速增加0.20 m·s-1，東北部和西南部相對濕度較實(shí)際算例分別降低0.90～1.18百分點(diǎn)和0.28～0.40百分點(diǎn)。

圖11 建筑高度增加10 m處相對濕度(RH)和風(fēng)速(v)分布

圖12 建筑高度增加20 m處相對濕度(RH)和風(fēng)速(v)分布

表3 建筑高度增加10、20 m和建筑間距增大2倍相對濕度變化

3.5.3建筑間距增大2倍

在規(guī)劃用地面積不變的情況下，建筑密度增大，意味著建筑棟數(shù)增多，建筑之間的間距減小，氣流流動(dòng)難以進(jìn)入建筑群內(nèi)部，導(dǎo)致建筑背風(fēng)面面積增大，形成較大的靜風(fēng)區(qū)。在不改變計(jì)算域大小的情況下，將實(shí)際算例模型中建筑之間的間距分別擴(kuò)大2倍(去除相鄰一排建筑)，探究改變建筑間距對湖泊“濕島效應(yīng)”的影響程度。建筑間距增大2倍的相對濕度和風(fēng)速分布見圖13。由表3可知，建筑間距增大，氣流流動(dòng)帶走更多的熱量和水氣，濕度分布發(fā)生明顯變化。

(1)東南部區(qū)域。建筑間距增大2倍，建筑群之間形成明顯的通風(fēng)廊道，高層建筑過道之間風(fēng)速可達(dá)2.35～2.42 m·s-1，建筑背風(fēng)面的風(fēng)速以及風(fēng)影區(qū)面積減小，風(fēng)速為0.35～0.55 m·s-1，空曠區(qū)域風(fēng)速為1.90～1.95 m·s-1。風(fēng)速加快帶動(dòng)氣流的流動(dòng)，空氣中水蒸氣含量降低，相對濕度較實(shí)際算例下降0.59～0.81百分點(diǎn)，影響范圍較實(shí)際算例減小20～30 m。

(2)湖泊水體上方。建筑間距增大導(dǎo)致研究區(qū)域整體氣流流動(dòng)暢通，湖泊上方氣流流速加快，風(fēng)速為1.57～2.25 m·s-1，相對濕度較實(shí)際算例降低0.71～1.10百分點(diǎn)。

圖13 建筑間距增大2倍處相對濕度(RH)和風(fēng)速(v)分布

(3)西北部區(qū)域。區(qū)域建筑少，區(qū)域內(nèi)部建筑間距增大對湖泊“濕島效應(yīng)”的影響不明顯。由于湖泊周圍其他區(qū)域氣流流動(dòng)暢通，風(fēng)速為0.44～2.30 m·s-1，湖泊水體對下風(fēng)向區(qū)域的增濕效應(yīng)增強(qiáng)，相對濕度較實(shí)際算例增大0.41～0.48百分點(diǎn)，影響范圍為500～600 m。

(4)東北部區(qū)域和西南部區(qū)域。由于東北部和西南部區(qū)域內(nèi)建筑數(shù)量多、密度大，建筑間距增大2倍打破原有建筑布局，建筑群之間形成明顯廊道，有利于通風(fēng)散熱和水蒸氣向周圍的傳輸，對湖泊水體的“濕島效應(yīng)”具有促進(jìn)作用。東北部區(qū)域風(fēng)速為0.28～2.42 m·s-1，中高層建筑群之間風(fēng)速達(dá)2.15～2.25 m·s-1，相對濕度增加0.17～0.36百分點(diǎn)；西南部區(qū)域風(fēng)速為0.25～2.25 m·s-1，受上方水庫的影響，建筑之間的風(fēng)環(huán)境優(yōu)于東北部區(qū)域，相對濕度較實(shí)際算例增大0.48～1.17百分點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過平行定點(diǎn)實(shí)測結(jié)合CFD情景模擬交互驗(yàn)證的方法探究了夏季城市近郊湖泊“濕島效應(yīng)”的變化規(guī)律以及建筑因子對湖泊“濕島效應(yīng)”的影響。

(1)整體來說，夏季城市近郊湖泊對周圍環(huán)境存在“濕島效應(yīng)”，增濕強(qiáng)度弱于城市市區(qū)，湖泊對周邊區(qū)域的日均增濕幅度為0.99百分點(diǎn)，最大增濕幅度可達(dá)2.02百分點(diǎn)。湖泊“濕島效應(yīng)”強(qiáng)度與距湖岸距離呈顯著負(fù)相關(guān)，距湖岸0 m處增濕作用最顯著，在距湖岸600 m范圍內(nèi)降濕效應(yīng)明顯，對下風(fēng)向區(qū)域的影響高于上風(fēng)向和垂直向區(qū)域。

(2)CFD情景模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間存在較高的擬合程度，相關(guān)系數(shù)R=0.895，表明情景模擬結(jié)果具有科學(xué)性和合理性，可將其作為城市湖泊“冷島效應(yīng)”后續(xù)模擬的研究工具。

(3)建筑因子是影響湖泊“冷島效應(yīng)”發(fā)揮的主要影響因素，若改變建筑因子，湖泊“濕島效應(yīng)”的分布及空間特征會(huì)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。增加建筑高度，影響速度入口氣流的傳輸，導(dǎo)致建筑背風(fēng)面濕環(huán)境變差，臨湖周圍的建筑高度增加會(huì)阻斷湖泊與周圍環(huán)境之間的“湖陸環(huán)流”效應(yīng)；增大建筑后退距離對湖泊水體周邊濕熱環(huán)境的改善作用明顯，增大水氣向周圍區(qū)域的傳輸距離，提高水體周邊活動(dòng)的舒適性；增大建筑間距有利于改善建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，提高建筑內(nèi)部自然通風(fēng)，減少建筑內(nèi)部積溫，降低建筑內(nèi)部相對濕度。