基于ENVI-met的透水路面對微區(qū)域氣候影響的模擬分析

陳禹衡，冀超宇，黃力瑤，易軍艷

(哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

城市熱島效應(Urban Heat Island Effect，UHI)是在城市化發(fā)展過程中，由于多種因素(如城區(qū)下墊面性質(zhì)及結(jié)構、人類行為)造成的熱排放、建筑及道路密集等導致城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)，形成類似高溫島嶼的現(xiàn)象。隨著城市化的不斷發(fā)展，熱島效應對城市能源消耗、環(huán)境質(zhì)量等方面產(chǎn)生了深遠影響。傳統(tǒng)瀝青混凝土路面在陽光下吸收熱量高，同時也釋放大量的熱量，造成城市熱島效應加劇，道路高溫病害嚴重[1-2]。

為降低城市熱島效應對人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的不利影響，國內(nèi)外致力于研究涼爽路面技術[3]，目的是降低路面熱輻射的吸收，抑制路面升溫，降低建筑能耗，改善城市環(huán)境[4]，采用主要的手段包括使用空隙率較大的透水瀝青混凝土路面或在瀝青混凝土路面面層涂裝反射層等[5-6]。目前研究表明，透水路面是有效緩解城市熱島效應的重要手段，其路面內(nèi)部存在的多孔結(jié)構能實現(xiàn)地層與大氣互通，使其具有良好的透水排水功能，結(jié)合較小的比熱容特性使路面具有快速吸熱放熱功能，從而不斷適應外界環(huán)境變化，有效降低熱島效應[7]；同時由于路面對太陽輻射的吸收率較高，在長時間持續(xù)照射下路表溫升較為顯著，故可在透水路面涂裝降溫熱反射層提升太陽光反射比例，增加路面反射率，降低路面對于太陽輻射的吸收，從而使路面表層熱量減小，熱效應得到緩解[8]。

隨著“海綿城市”理念的提出，透水路面鋪裝的應用與推廣逐漸成為研究熱點，在我國中南部地區(qū)已有了實際應用[9]，該技術的推廣應用不僅能達到降低路面表層溫度的功效，更能實現(xiàn)城市環(huán)境生態(tài)的改善，減少能源消耗，最大限度地提升經(jīng)濟效益[7]。而針對北方寒冷地區(qū)夏季高溫、冬季低溫的氣候條件，透水路面的應用研究還有待完善，探究透水路面鋪裝對于區(qū)域氣候的影響效應對于“海綿城市”在北方地區(qū)的推廣有著重要意義。

在實際應用中[10]，針對透水路面的研究主要集中于觀察實測，室外環(huán)境的多因素影響使試驗結(jié)果的復現(xiàn)性與廣泛性不足，從而導致不同區(qū)域內(nèi)的參考價值較為局限。雖然透水路面結(jié)構對于環(huán)境熱效應有一定的改善作用，但其具體影響范圍和改善效果還不明確，尚未有路面參數(shù)及氣候因素對降溫過程的影響研究評價，缺乏一定的路面降溫預估模型，透水路面對特定區(qū)域的氣候影響作用情況有待進一步研究完善。

城市微氣候仿真軟件ENVI-met可用來模擬住區(qū)室外風環(huán)境、城市熱島效應、室內(nèi)自然通風等，能夠?qū)崿F(xiàn)城市微氣候分析及不同環(huán)境設計方式比選。目前研究表明[11-13]， ENVI-met能對多項環(huán)境條件實現(xiàn)參數(shù)化控制，部分學者已進行了不同環(huán)境因素(建筑高度與密度、綠化程度、水體與鋪裝設計等)對于微區(qū)域氣候(溫度、濕度、風向、輻射溫度等)影響的研究，其模擬微區(qū)域氣候方面準確度和靈敏度較高，所表征的模擬結(jié)果變化與實際趨勢吻合，能很好地反映實際情況，在氣候環(huán)境模擬方面得到了較為廣泛的應用。

ENVI-met軟件可通過逐層修改下墊面參數(shù)與表面參數(shù)模擬透水瀝青混凝土路面及路面反射層[10]，從而模擬不同類型路面對于微區(qū)域氣候的影響。本研究基于ENVI-met模擬微區(qū)域氣候模型的高精度與高質(zhì)量，模擬4種路面結(jié)構模型在夏季、冬季的微區(qū)域氣候特征，初步建立評價透水路面緩解微區(qū)域熱島效應和極端低溫能力的體系，針對本次研究區(qū)域給出路面鋪裝的推薦方案。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究地點位于哈爾濱某高校校園環(huán)境，研究區(qū)域面積約19 200 m2，由8棟主要建筑物及綠化植被組成，植被類型包括喬木、灌木、地被3類，如圖1(a)所示。選擇建模范圍為120 m×180 m，按照ENVI-met軟件模擬要求簡化后如圖1(b)所示。研究范圍內(nèi)下墊面包括瀝青混凝土路面、灰色地磚、植被，其中瀝青混凝土路面作為控制變量，其面積約為4 056 m2，占總面積的21.12%。

圖1 研究區(qū)域衛(wèi)星云圖和模型示意圖Fig.1 Satellite nephogram and model schematic diagram in research area

1.2 ENVI-met微氣候模型模擬1.2.1 模型量化

采用軟件版本為ENVI-met V4，研究核心區(qū)域面積近似于長方形。為使模型更接近實際情況，增加模擬運算的準確性，研究區(qū)域建模范圍為120 m×160 m，設置60×80個網(wǎng)格，分辨率為2 m。

建筑、植被、各類下墊面面積根據(jù)衛(wèi)星云圖測量得到，建筑高度根據(jù)建筑資料獲得，最高建筑高度為21 m。為保證ENVI-met模擬結(jié)果有效，上邊界大于區(qū)域內(nèi)建筑高度2倍，垂直方向設置30個網(wǎng)格，分辨率為2 m。

1.2.2 參數(shù)設置

ENVI-met 軟件中需要的主要輸入量基于當?shù)貙嶋H地理和氣候條件，因此對模型主要輸入量調(diào)整如下：經(jīng)緯度為126.70°E，45.80°N，時區(qū)為東八區(qū)(北京時間)，海拔為128 m。初始溫度夏季采用2018年7月30日12:00實測數(shù)據(jù)33.20 ℃，冬季采用2018年12月31日12:00實測數(shù)據(jù)1.50 ℃。2 m高相對濕度，2 500 m高絕對濕度，風力及方向等數(shù)據(jù)根據(jù)氣象站數(shù)據(jù)獲得，具體初始參數(shù)匯總見表1。模擬時間均為12 h，輸出時間間隔為60 min，其余項目均采用軟件默認參數(shù)。

表1 初始氣象參數(shù)

1.2.3 瀝青混凝土路面模型

通過前期調(diào)查及研究，基于瀝青混凝土路面實際應用情況及研究內(nèi)容，選用4種不同類型路面用于研究，分別為：完全不透水瀝青混凝土路面、10%空隙率透水瀝青混凝土路面、20%空隙率透水瀝青混凝土路面、涂裝反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面。基層選用無極結(jié)合料穩(wěn)定類基層，底基層為級配碎石，如圖2所示。4種瀝青路面影響微區(qū)域氣候的熱物性質(zhì)體積比熱容、熱導率、反射率、發(fā)射率數(shù)據(jù)根據(jù)已有研究結(jié)果及軟件默認參數(shù)值，如表2所示[14-16]，基層及底基層熱物性質(zhì)采用軟件默認參數(shù)。

表2 四種瀝青路面熱物參數(shù)

圖2 四種類型瀝青混凝土路面(單位: mm)Fig.2 Four types of asphalt concrete pavement(unit: mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)篩選及處理

通過ENVI-met軟件對4種下墊面條件下的微區(qū)域氣候進行模擬，得到4種路面在夏季高溫和冬季低溫情況下12 h的氣候模擬數(shù)據(jù)，共96組數(shù)據(jù)。為更直觀地展示4種瀝青混凝土路面對不同季節(jié)微區(qū)域氣候的影響，同時篩選低效數(shù)據(jù)，以日平均最高溫度時間14:00為起點，以4 h為間隔，取14:00，18:00，22:00這3個時間的數(shù)據(jù)作為分析的基礎。在分析數(shù)據(jù)時，除對比4種下墊面條件下各時段平均溫度的變化以外，同時對比各個溫度梯度范圍內(nèi)的面積變化，進一步分析不同類型瀝青路面對于熱島效應的緩解作用。

圖3 不同路面不同季節(jié)不同時段平均氣溫統(tǒng)計Fig.3 Statistics of average temperatures of different pavement types, different seasons and different time periods

2.2 不同瀝青路面對微氣候影響分析2.2.1 平均空氣溫度

根據(jù)ENVI-met軟件模擬結(jié)果所得數(shù)據(jù)，剔除建筑物范圍氣溫后，獲得下墊面層范圍內(nèi)平均溫度，結(jié)果如圖3所示，不同時間不同種類瀝青混凝土路面的溫度變化量如表3所示，每類路面溫度變化量均為該類路面溫度減去上一類路面溫度。其中，A表示完全不透水瀝青混凝土路面，B表示10%空隙率透水瀝青混凝土路面，C表示20%空隙率透水瀝青混凝土路面，D表示涂反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面。

如圖3(a)～(c)所示，夏季隨著透水路面空隙率的增加，同一時間段的平均空氣溫度呈現(xiàn)近似線性的下降趨勢，在該微區(qū)域中，20%空隙率透水瀝青混凝土路面平均空氣溫度在3個時間段比完全不透水瀝青混凝土路面平均低0.28 ℃。涂反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面平均空氣溫度在14:00時下降較明顯，較完全不透水瀝青混凝土路面低0.49 ℃，但隨著太陽輻射減小，其降溫效果下降，在22:00時較20%空隙率透水瀝青混凝土路面平均空氣溫度高0.06 ℃。

如圖3(d)～(f)所示，冬季隨著空隙率的增加，同一時間段的平均空氣溫度仍呈近似線形的上升趨勢，該微區(qū)域中，在3個時間段，20%空隙率透水瀝青混凝土路面平均空氣溫度比完全不透水瀝青混凝土路面平均高0.12 ℃。而涂反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面平均空氣溫度比20%空隙率透水瀝青混凝土路面下降明顯，在14:00下降0.41 ℃，18:00下降0.30 ℃，22:00下降0.27 ℃。

2.2.2 空氣溫度分布

將所得空氣溫度數(shù)據(jù)進行梯度劃分，針對不同時間不同起始溫度采取不同的起始點及溫度梯度，對于不同路面同一時間同一起始溫度采用相同的起始點與溫度梯度，分析微區(qū)域空氣溫度分布情況。

表3 不同季節(jié)不同時段不同路面的溫度變化 (單位: ℃)

利用ENVI-met軟件所得到的夏季溫度分布如圖4所示，從圖中標記部位能夠看出較為明顯的溫度變化，尤其涂反射層的20%孔隙率透水瀝青混凝土路面對于夏季高溫情況的改善作用非常明顯。為進一步探究路面鋪裝對于溫度分布的影響，以2 ℃為梯度將區(qū)域網(wǎng)格按所處溫度范圍劃分，各溫度梯度范圍內(nèi)區(qū)域面積統(tǒng)計匯總?cè)鐖D5所示，其中，A表示完全不透水瀝青混凝土路面，B表示10%空隙率透水瀝青混凝土路面，C表示20%空隙率透水瀝青混凝土路面，D表示涂反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面。

圖4 不同路面不同時段夏季氣溫分布(單位: ℃)Fig.4 Distribution of summer temperatures on different pavements at different time periods (unit: ℃)

圖5 不同路面不同時段夏季各溫度梯度范圍面積匯總Fig.5 Summary of area of each temperature gradient range on different pavements at different periods in summer

圖6 不同路面不同時段冬季氣溫分布(單位: ℃)Fig.6 Distribution of winter temperatures on different pavements at different time periods (unit: ℃)

根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)，在14:00時間段，隨著空隙率增加，微區(qū)域最高溫度基本保持不變，但最高溫度梯度范圍所占面積隨空隙率每增加10%平均下降1.1%；最低溫度隨空隙率增加而下降，空隙率每增加10%溫度平均下降0.24 ℃，最低溫度梯度范圍所占面積平均上升123.4%。涂反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面最高溫度較20%空隙率透水瀝青混凝土路面上升0.9 ℃，但最高溫度梯度范圍所占面積下降9.1%；最低溫度下降1.0 ℃，最低溫度梯度范圍所占面積上升510.0%。隨時間推移，總體變化趨勢不變，但變化幅度降低。

圖7 不同路面不同時段冬季各溫度梯度范圍面積匯總Fig.7 Summary of area of each temperature gradient range on different Pavements at different periods in winter

所得冬季溫度分布如圖6所示，從圖中標記部位能看出較為明顯的溫度變化，與夏季溫度下相比，溫度范圍變化的幅度明顯降低。同樣以2 ℃為梯度將區(qū)域網(wǎng)格按所處溫度范圍劃分，各溫度梯度范圍內(nèi)區(qū)域面積匯總?cè)鐖D7所示。根據(jù)圖7中數(shù)據(jù)，在22:00時間段，隨著空隙率增加，微區(qū)域最低溫度上升，平均上升0.18 ℃，最低溫度梯度范圍所占面積平均下降26.4%，最高溫度及最高溫度梯度范圍所占面積變化較小。涂反射層的20%空隙率透水瀝青混凝土路面最高溫度及最低溫度較20%空隙率透水瀝青混凝土路面變化不大，但最低溫度梯度范圍所占面積平均上升75.7%，最高溫度梯度范圍所占面積變化不大。

2.2.3 微氣候變換對環(huán)境指標影響分析

夏季空氣溫度的降低與冬季空氣溫度的升高，將有效減少夏季制冷及冬季供暖所帶來的碳排放及能源消耗。根據(jù)已有研究表明[17-18]，夏季氣溫每降低0.1 ℃，相同室內(nèi)溫度下制冷造成的能源消耗平均降低0.74%。冬季氣溫每升高0.1 ℃，相同室內(nèi)溫度下供暖帶來的能源消耗平均降低0.32%。以本次研究對象為例，采用20%空隙率透水瀝青混凝土路面后，夏季能源消耗平均可降低1.9%，冬季能源消耗平均降低0.80%。

北方地區(qū)發(fā)電及供暖均以燃煤為主，根據(jù)《中國建筑能耗報告2018》中的數(shù)據(jù)顯示，黑龍江省最新的電網(wǎng)平均碳排放因子為0.776 9 kgCO2/(kW·h)，最新的采暖碳排放強度為56 kgCO2/m2。通過調(diào)查估計，研究對象每年夏季制冷造成的用電量約為每月250 000 kW·h，每月產(chǎn)生碳排放為194.23 t；冬季供暖面積約為23 800 m2，總共供暖5個月，平均每月供暖產(chǎn)生的碳排放為266.56 t。

采用20%空隙率透水瀝青混凝土路面后，該地區(qū)夏季每月可減少碳排放3.69 t，冬季每月可減少碳排放2.13 t。可明顯看出，使用透水瀝青混凝土路面能夠?qū)δ茉聪钠鸬揭欢刂谱饔茫瑥亩M一步減少碳排放，有利于對環(huán)境的保護。

3 結(jié)論

以哈爾濱某高校校園環(huán)境為研究對象，采用軟件模擬的方法，選取哈爾濱地區(qū)具有代表性的夏季高溫與冬季低溫天氣。基于軟件模擬的高度準確性的前提，對研究區(qū)域預設的不同瀝青路面鋪裝方案進行微氣候效應模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)ENVI-met軟件能夠通過修改下墊面的熱物參數(shù)，模擬不同類型瀝青路面的熱物性質(zhì)，從而模擬不同類型瀝青路面對于微區(qū)域氣候的影響效應。同時，ENVI-met軟件的區(qū)域模型可調(diào)性較高，最高可覆蓋城市中心范圍。

(2)通過分析模擬出的微區(qū)域氣候環(huán)境特征，可知透水瀝青混凝土路面對于氣候環(huán)境具有一定的改善作用。在透水瀝青混凝土路面改善熱島效應方面，隨著空隙率的增加，除降低微區(qū)域平均空氣溫度外，還能起到減少局部高溫面積的功能。針對瀝青路面有損害作用的低溫環(huán)境，透水瀝青混凝土路面仍然具有一定的改善功能，隨著空隙率的增加，平均空氣溫度上升，低溫區(qū)域面積減小顯著。

(3)通過對微區(qū)域氣候的改善作用，透水瀝青混凝土路面能夠起到控制能源消耗的作用，并進一步減少碳排放，對環(huán)境保護有著重要意義。

(4)反射層作為損耗較嚴重的冷路面技術，對熱島效應有著較好的緩解作用，但會加重局部的極端高溫。同時，針對哈爾濱一類北方城市，反射層在冬季會進一步加重區(qū)域局部低溫情況。在應用時，可通過控制反射層涂裝時間達到較好的應用效果。