为缓解天津的城市热岛效应,必须从风源优化、风道改善和风汇区性能提升 3 个层面对通风环境进行优化。其中, 城市风环境中的“源”是指风源 (包括风向和风质等方面的内容),以及山林、湿 地等富氧提供源、工业区产生的大气污染源等;“流”是指承接风源与风汇区的风道系统,以及其中影响风速、风量大小等方面的相关内容;“汇”是指城市中接纳空气流动作用的功能区,如商 业区、居住区等,也包括这些作用区与微气候相关的空间结构、空间形态和肌 理等影响因素。
(一)风源控制与保护—多尺度风源的利用与富氧冷媒区保护规划策略
(1) 多尺度风源的引导与降温、排浊。在风源控制与保护层面,应针对地理区位及热工分区,结合大气环流及风气候,以及风源所在地的河流、湿地富 氧冷媒区特点,应用环境控制方法与生态气候降温法则,有针对性地提出保护与优化策略。
首先,应顺应大气环流与季风来向, 强化河流、道路和开敞空间对于风的引导,保持通风口的开阔,提升城郊生态 冷媒区凉爽气流的渗入速度。
其次,通过对城市主要道路及连续 开放空间的引导,强化夏季大尺度自然 主导风源的引导与利用,将这些主导风 源引入市区内部;同时,结合地形特点 布置城市功能分区,形成湿地、河流和 滨海相互交错的界面,并有效地将渤海 的海陆风等中尺度局地环流引入城市高 温区域,利用城市内部的冷空气生成区 和由城市热岛温差形成的局地环流,实 现降温、排浊目的。
最后,充分利用城市肌理与街谷形 态,以及市区内部紧密相连的河流、湖泊水系等微气候调节系统,根据不同功能区的要求,使用不同的下垫面材料, 利用地表热导与热容的差别,如利用河 流、湿地等温差特性,产生冷热对流, 并创造冷巷风、庭院风等局部小尺度环 流,实现市区多类型的风源利用。
(2) 风源入口与富氧冷媒区的生态保护。
风源入口与富氧冷媒区的保护是指 避免在城市风源区和上风向布置污染源 与人工废热源,防止污染源靠近城市富 氧冷媒区,保护富氧与冷源等风源流入 和产生的环境敏感区;同时,保护富氧 风源区面积,并通过建筑高度控制等手 段,提升进入城区的风速等。城市的生 态冷媒及富氧冷媒区主要由城郊山林、 湿地和市区的绿地系统组成,因此应合 理利用自然生态要素,包括河川湿地、 农田林地,整合城区内的绿化与道路系统,保障这些绿地和水面的有效面积, 形成相互交织的生态网络,并通过大量 种植乔木及灌木,形成水绿交融的带状空间,将原有的块状分离式绿化转化为网络与线状绿化,在城市点、线、面结合的绿地系统中,形成引风、导风通道 的屏障,构建城市绿网,并合理确定绿网的规模,以有效发挥城市生态绿脉的降温增湿功能并提高碳汇能力(表3)。
结合天津实例,对夏季风源方向空 间内的自然生态要素 ( 如湿地、林地和农 田等 ) 应当分类制定严格的保护策略,尤 其是夏季风源方向的团泊湖、鸭淀水库、 大港水库及海河等富氧风源空间边界, 对其中各类生态要素划定生态保护红线, 确保风源空间具备足够的面积。同时, 禁止在边界内进行城市用地开发建设, 对于已经遭受破坏的生态区域,应该尽 快消除破坏源头,积极修复和培育新的生态区域。
根据遥感影像的地表温度反演,识别出天津中心城区的热场分布特点,结合生态低温安全格局布局理念,建构系统化的生态通风廊道网络,同时连接河 流、湿地等低温风源区,增加通风换气频率,为中心城区提供良好的新鲜冷空气,使之作为城市热岛的降温冷媒。此外,有效连接风源区—风汇区,使风道 达到切分城市片区的热场、缓解城市热岛 效应的目的。具体手段包括建立多层级风 道系统、切分高污染与高温区域、消除热 岛叠加作用与规模效应(表4)。
以天津的风道布局为例,首先,应结合天津的实际情况,充分分析夏季南面的主导风向,引入南面团泊湖、鸭淀水库等生态冷媒与富氧冷媒区的新鲜空气,结合城市更新,拓宽南面红旗路和解放南路,增加风道开口和开敞度,利 用外部的大气环流和局部环流,形成南北贯通的主要风道,切分城市热场夏季主要风道;同时,充分利用贯穿天津城 区的海河和北运河相关水系,结合地表高温分布空间范围,并连接城区内的长虹公园、南翠屏公园等冷岛区域,通过次级城市风道,切分相邻的高密度市场和工业仓储等热核区 (图9,图10)。
其次,应使城市风道尽量结合河流、 城市干道、绿道及开放空间系统,如结合局部环流,串联子牙河、新开河及卫国道、普济河道等东西向道路,增加局部的次级风道,根据热岛强度,形成降 温分区;通过生态气候降温法则,连接城区内的水上公园、卫南洼公园和湿地, 利用这些大型湖泊、河流和公园中水体与绿化植物的蒸散功能,形成局部环流, 增加冷媒的交流界面,形成降温型的风 道系统,联通冷岛降温节点,从而达到分割热岛区域、提升城市整体通风效率 的目的。
最后,利用 CFD 风环境模拟技术, 科学布置城市风道,充分利用城市开敞空间,严格控制城市夏季盛行风方向的迎风面建筑高度和建筑密度,保证风道宽度,防止因建筑布局不当而降低城市风道的通风效率。同时,结合商业、居住、文教等建筑的热负荷和大气污染特点, 确定不同通风需求的区域,划分通风、排污防霾和降温除湿等功能,基于不同宽度与走向的通风廊道,结合不同的绿化开敞空间、建筑群布局及下垫面特点进行重点管控。
(三)风汇区调整与优化—控制人为排热的低碳空间布局优化方法
城市中的各功能区是风源的作用区, 即风汇区。为优化风汇区的风热环境, 在土地利用结构优化方面,应强调土地适度混合的原则,发展职住平衡的工业组团,提高工业园区的土地利用效率, 避免钟摆式的交通带来的能源浪费和废热产出,以及城市热源的形成及加剧。在功能结构优化布局方面,应坚持城市用地集约化的原则,搬迁转移城市高能 耗、高污染的工业项目,根据天津的风环境特点,合理布局工业、居住与商业等空间区位,尽量将高能耗的工业用地布置在夏季主导风向下方位的城市边缘区,避免工业废热与废气对城区热环境 的干扰。
同时,应降低地表粗糙度以增大通 风潜力,创造街区内部良好的通风微循 环系统,减少静风区面积。在实际建设中, 可结合高密度地区的旧城改造,控制开 发强度和降低建筑密度,为了在建筑密 集区形成良好的通风环境,可采用高层 低密度的改造方式,利用错列式平面布 局和高度错落竖向分区,适当控制海河 两岸高密度商业区建筑的长宽比,避免 垂直于夏季主导风向的板式建筑,增设 架空层与通廊,提高通风效率。
此外,在高密度居住区内植入小型绿化广场、屋顶花园和进行垂直绿化等, 形成多层次、立体化的绿网格局,提高绿化覆盖率;通过渗透式铺装、增加硬 质铺装的透水率和蒸发率,降低热排放量,并结合低冲击的环境设计,布置雨水花园、植被浅沟,形成与自然河湖水系相结合的低碳型绿化景观体系。