數(shù)值模擬方法在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的應(yīng)用

何瑞珍+張敬東

摘要：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)度的加快，各地的城鄉(xiāng)規(guī)模以前所未有的趨勢向外擴(kuò)張，出現(xiàn)了更多的城市化問題，諸如城市的熱島效應(yīng)、城市空氣質(zhì)量問題、交通問題、水資源問題等。為了解決這些問題，在城鄉(xiāng)規(guī)劃實(shí)踐中，應(yīng)引入數(shù)值模擬的方式。為了使城鄉(xiāng)規(guī)劃成果更加科學(xué)、合理，本文分析了這些問題在國內(nèi)外的數(shù)值模擬情況，以期找到好的解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；城鄉(xiāng)規(guī)劃；城市氣候；城市空氣質(zhì)量；城市水文；城市交通

中圖分類號(hào)：G646 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）33-0036-02

城市是一個(gè)開放的巨大系統(tǒng)，它包括人口、經(jīng)濟(jì)、交通、公共服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。規(guī)劃者應(yīng)考慮讓所有的子系統(tǒng)和諧、健康地發(fā)展，考慮讓所有的人生活和工作得更方便、快樂、有尊嚴(yán)；應(yīng)考慮讓所有的人感受到社會(huì)的公平和正義。因此，城市規(guī)劃發(fā)展到現(xiàn)在，已成為一門和哲學(xué)、人口學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、地理學(xué)、管理學(xué)、交通工程、土木工程和環(huán)境工程密切聯(lián)系的交叉學(xué)科。

對(duì)于城市這個(gè)龐大系統(tǒng)來說，任何一方面的忽視或者不到位將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。隨著科技的發(fā)展，RS和GIS技術(shù)的不斷加入，各種模型不斷更新、快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得海量數(shù)據(jù)的處理和模擬成為可能；這些技術(shù)都為城鄉(xiāng)規(guī)劃更加科學(xué)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。數(shù)值模擬方法以短周期、低成本、高質(zhì)量的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)形象生動(dòng)的展現(xiàn)，做到未雨綢繆，心中有數(shù)，從而更好地指導(dǎo)未來的規(guī)劃。下面分別討論數(shù)值模擬方法在城市氣候、城市交通、城市空氣質(zhì)量和城市擴(kuò)展幾個(gè)方面的發(fā)展趨勢及存在的優(yōu)勢和局限性。

一、城市氣候

城市化的過程是人們聚集、改變下墊面的過程，從而引起區(qū)域氣候的變化。對(duì)其研究多從中、小兩種尺度進(jìn)行。中尺度模式氣候研究多采用數(shù)值模擬方式從土地覆被方面進(jìn)行研究。中尺度模式通常采用分辨率為1km或2km的網(wǎng)格來模擬幾到幾十公里的中尺度范圍。在這個(gè)尺度上常用的軟件有MM5、RAMS、ARPS等。其中，比較有代表性的模擬軟件是WRF模型。通過數(shù)值模擬，綜合評(píng)估城市化過程對(duì)局地氣象環(huán)境，如城市溫度場、氣流場變化和空氣污染物分布等方面的影響。并將模擬結(jié)果及時(shí)應(yīng)用到規(guī)劃方案調(diào)整和決策中。我國學(xué)者使用區(qū)域邊界層模式模擬城市的植被覆蓋以及城市建設(shè)用地增加對(duì)城市區(qū)域的氣象環(huán)境的重要影響[1]。

在小尺度上，風(fēng)速的大小與周圍環(huán)境密不可分，如建筑的高低、街道的走向、W/H比、天空視場角、綠化的規(guī)模和布設(shè)等。決定地表溫度的除太陽輻射外，還有地面材料、陰影和周圍圍合程度。由于空氣的流動(dòng)性，空氣的溫度更多地是受到風(fēng)速的影響。常用的數(shù)值模擬軟件有CFD、ENVI-met等。ENVI-met是由德國的Michael Bruse開發(fā)的，特別適合城市小區(qū)規(guī)模的，三維微氣候模擬軟件，其計(jì)算過程包括風(fēng)流量、熱流量和輻射量等城市冠層大氣過程中所涉及的環(huán)境參量交換過程的完整耦合，它以0.5—10m的空間解析度和10s的時(shí)間解析度來模擬城市環(huán)境中的實(shí)體表面—植物—空氣的相互作用，其在城市微氣候環(huán)境的整體數(shù)值計(jì)算上（包括各種微氣候環(huán)境參量的整合計(jì)算和日循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算）有明顯的優(yōu)勢。

二、城市空氣質(zhì)量

由于空氣的流動(dòng)性，影響空氣質(zhì)量的因素有多種。張仁健[2]課題組對(duì)北京地區(qū)PM2.5化學(xué)組成及污染源研究的結(jié)果表明，土壤塵、燃煤、生物質(zhì)燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業(yè)污染和二次無機(jī)氣溶膠是PM2.5的主要來源。針對(duì)中科院有關(guān)北京霧霾六大貢獻(xiàn)源的結(jié)論，環(huán)境保護(hù)部認(rèn)為，做霧霾的源解析，需要一年以上時(shí)間的監(jiān)測，獲取大量的監(jiān)測信息，要做大量的源分析，還要有一定的研究模型。這種情況下，選哪些監(jiān)測點(diǎn)也非常重要。更多的學(xué)者認(rèn)為，機(jī)動(dòng)車是大城市的主要污染源。劉瀏[3]以79個(gè)地級(jí)以上城市2008年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)年日均SO2、NO2、PM10濃度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，目前我國城市工業(yè)污染逐步緩解，交通污染日益嚴(yán)重。

氣象場對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響需在長期觀測氣象因子與空氣質(zhì)量因子的基礎(chǔ)上，采用一定的統(tǒng)計(jì)模型，才能將兩者結(jié)合起來。常用的軟件有MM5/WRF、Metphomod、ADMS等，模擬涉及的污染物有SO2、NO2、O3等，模擬所需的數(shù)據(jù)通常包括地形、污染源類型、天空覆蓋度、溫度、濕度、大氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨量等，上述幾個(gè)模型側(cè)重于污染物在多種氣象條件下的擴(kuò)散，對(duì)街道和場地的描述僅限于幾何形狀，并沒有考慮材料的性質(zhì)。這對(duì)于建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)、交通道路環(huán)境影響評(píng)價(jià)、區(qū)域規(guī)劃政策環(huán)境影響評(píng)價(jià)、大氣環(huán)境容量計(jì)算等項(xiàng)目是足夠的，但還需要細(xì)化場地條件，以使模擬結(jié)果更加科學(xué)。

三、城市水文

城市化改變了城市地坪，破壞了原有的水文過程。硬化地面的增加，攔截了地下水的滲漏，增加了地表的徑流，造成水土流失。常用的軟件有SWMM。SWMM模型包括：氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水力數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)。用以模擬徑流和融雪過程的氣象數(shù)據(jù)有溫度、蒸發(fā)、風(fēng)速和融雪以及區(qū)域損耗；水文數(shù)據(jù)除了雨量計(jì)和子流域，還包括含水層、融雪、單位流量過程線和對(duì)滯留、下滲和蒸發(fā)的調(diào)控；水力學(xué)數(shù)據(jù)涉及橫斷面、入流和控制器；水質(zhì)數(shù)據(jù)涉及污染物、土地利用和污水處理；污染物包括以下污染物名稱、污染物濃度、降水中的污染物濃度、地下水中的污染物濃度、滲透污染物濃度和最初衰減系數(shù)；土地利用類型數(shù)據(jù)包括住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和未開發(fā)區(qū)域等，用于計(jì)算流域內(nèi)部污染物的積累和沖刷速率。土地表面屬性包括屋頂、草坪、人行道和未受干擾土壤等。

四、城市交通

城市交通與土地利用的互動(dòng)作用關(guān)系是城市空間發(fā)展的基本動(dòng)力，研究模擬空間活動(dòng)的位置、土地利用、不動(dòng)產(chǎn)市場和交通系統(tǒng)的關(guān)系，并且從經(jīng)濟(jì)、財(cái)政和環(huán)境的角度評(píng)價(jià)交通對(duì)不同城市和地區(qū)的工程和政策的可能效果，是城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。城市交通數(shù)值模擬方面比較好的軟件有TRANUS。

王樹盛利用TRANUS軟件平臺(tái)結(jié)合昆山實(shí)際創(chuàng)建了交通與土地利用一體化分析模型[4]，通過對(duì)2008年的模型模擬輸出結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的比較對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行了校核，驗(yàn)證了模型的可靠性，并以對(duì)軌道交通與城市空間布局的關(guān)系的分析為例說明了模型的應(yīng)用，為昆山城市總體規(guī)劃方案的制定和優(yōu)化提供了定量支撐。

五、結(jié)論

城鄉(xiāng)規(guī)劃不僅影響土壤的性質(zhì)，也影響了大氣、水和植物的循環(huán)；規(guī)劃的結(jié)果更對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。綜合上述研究內(nèi)容，就城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科涉及的數(shù)值模型進(jìn)行研究的話，在以下幾個(gè)方面還需要進(jìn)一步的加強(qiáng)：

1.多源數(shù)據(jù)共享與融合。城鄉(xiāng)規(guī)劃既關(guān)系到個(gè)人的利益，也關(guān)系到社會(huì)各方面的利益，城鄉(xiāng)規(guī)劃應(yīng)融合、集各學(xué)科研究所長，為城鄉(xiāng)規(guī)劃所用。氣象、環(huán)保、國土、交通和水利等部門的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究成果也應(yīng)及時(shí)和城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科共享，轉(zhuǎn)變成規(guī)劃的語言才能更好地指導(dǎo)規(guī)劃。

2.各種模型的本地化和驗(yàn)證。規(guī)劃只有貼近實(shí)際才能落到實(shí)地，各學(xué)科由于研究的范圍不同，涉及的尺度也各不相同，城鄉(xiāng)規(guī)劃需要將各部門的研究成果在不同的尺度上本地化，同時(shí)也應(yīng)注意結(jié)合實(shí)地的觀測，驗(yàn)證各模型的結(jié)果，只有符合實(shí)際，才能運(yùn)用以指導(dǎo)規(guī)劃的實(shí)施。

3.實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、自動(dòng)觀測技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科應(yīng)拓展視野、集百家所長為自己所用，更全面合理、更科學(xué)、更智慧地進(jìn)行城鄉(xiāng)規(guī)劃，才能更好地建立和諧社會(huì)，才能有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王詠薇，蔣維楣，郭文利，王曉云.城市布局規(guī)模與大氣環(huán)境影響的數(shù)值研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2008，51（1）：88-100.

[2]張仁健.http：//www.csp.org.cn/progress/2013/1008_753.html.

[3]劉瀏，我國城市空氣質(zhì)量與影響因子分析以79個(gè)地級(jí)以上城市2008年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）2011，24（1）：10-14.

[4]王樹盛，交通與土地利用一體化分析技術(shù)及其應(yīng)用——以昆山城市總體規(guī)劃為例[J].城市規(guī)劃，2010，（34）：130-135.

Application of the Method of the Numerical Simulation in the Urban and Rural Planning

HE Rui-zhen1，ZHANG Jing-dong2

（1.Forestry College of Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan 450002，China；

2.Zhengzhou Schooi for Surveying and Mapping，Zhengzhou，Henan 450000，China）

Abstract：With the speeding up of urbanization progress，the magtitude of urban and rural areas expanded outward in an unprecedented trend. The problems of the urbanization appeared more，such as urban heat island effect，the urban air quality worse，traffic jam，water resources shortage and poor water quality，etc. In order to solve these problems，the methods of the numerical simulation should be admitted.In order to make the development of the discipline of urban and rural planning more scientific and reasonable，In order to find a good solution，this paper analyzes the numerical simulation of the situation at home and abroad about these problems.

Key words：numerical simulation；urban and rural planning；urban climate；urban air equality；urban hydrology；urban traffic