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2023 , Vol. 43 >Issue 8: 1523 - 1535

DOI: https://doi.org/10.13284/j.cnki.rddl.003570

城市地理

基于空间封闭度的城市通风廊道构建——以衡阳县城为例

  • 向艳芬 , 1 ,
  • 郑伯红 , 1 ,
  • 郭睿 1 ,
  • 江燚晗 2
展开
  • 1. 中南大学 建筑艺术学院，长沙 410075
  • 2. 江西省国土空间调查规划研究院，南昌 330008
郑伯红（1966—），男，湖南邵阳人，教授，博士生导师，主要研究方向为城市空间规划与低碳城市等，（E-mail）。

向艳芬（1993—），女，广东韶关人，博士研究生，主要研究方向为城市规划设计与城市气候，（E-mail）；

收稿日期: 2022-02-24

  修回日期: 2022-10-22

  网络出版日期: 2023-08-14

基金资助

国家自然科学基金项目(51478470)

湖南省研究生科研创新项目(CX20220123)

收起

Construction of Urban Ventilation Corridors Based on the Spatial Enclosure Index: A Case Study of the Hengyang County

  • Yanfen Xiang , 1 ,
  • Bohong Zheng , 1 ,
  • Rui Guo 1 ,
  • Yihan Jiang 2
Expand
  • 1. College of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410075, China
  • 2. Jiangxi Provincial Institute of Land and Space Investigation and Planning, Nanchang 330008, China

Received date: 2022-02-24

  Revised date: 2022-10-22

  Online published: 2023-08-14

Fold

本文亮点

南方季风气候夏热冬冷的特殊性，让人们意识到城市在夏季应加强自然通风，冬季则需抵御寒冷的冬季风，而构建城市通风廊道不仅有利于缓解城市夏季的热岛效应、减轻大气污染，还能减少冬季风的侵袭。当前城市风环境研究一般选用数值模拟的方法，其可实现不同情境下的城市风环境模拟研究；但也存在短板，特别是在城市总体规划等大尺度的设计方案初期，受计算机性能限制需要花费大量的时间和精力。文章以湖南省衡阳县城为研究对象，提出通过规则建模的方法建立城市3D模型，并利用ArcGIS空间叠加构建城市空间封闭度综合评价模型。通过该方法计算出城市的潜在通风廊道，并与PHOENICS模拟的风速云图进行验证，结果基本吻合，验证了模型的可行性。研究发现：在设计初期阶段应考虑城市风环境变化，选择规则建模不仅有利于方案的快速建模，还能快捷构建规划方案的通风廊道；城市通风廊道的构建需要考虑多项城市要素，根据风道的不同作用空间在规划方案中构建了8条一级通风廊道和14条二级通风廊道，并比较PHOENICS的风速云图和综合评价结果，证明了由建筑、路网、水体、绿化系统所构建的廊道系统能较好地与通风廊道相重叠，并证明了风口、开敞空间、水域、道路和建筑的优化措施能有效改善规划方案的通风能力；对比单因子与多因子的评价结果，进一步论证了单一标准评价的局限性，而多因子评价更适合复杂的城市风环境；空间封闭度模型不仅考虑了地形高差，还考虑了建筑环境因子（天空开阔度、绝对粗糙度、迎风面积密度、平均高度、建筑密度），为城市通风廊道构建提供了一种更加便捷有效的新方法，有利于城市的绿色低碳建设。

本文引用格式

向艳芬 , 郑伯红 , 郭睿 , 江燚晗 . 基于空间封闭度的城市通风廊道构建——以衡阳县城为例[J]. 热带地理, 2023 , 43(8) : 1523 -1535 . DOI: 10.13284/j.cnki.rddl.003570

Highlights

The monsoon climate in southern China is characterized by hot summers and cold winters. These extreme conditions have caught the attention of researchers because of the importance of designing cities so as to strengthen natural ventilation in summer and reduce exposure to cold winds during winter. Not only do the design and construction of urban ventilation corridors lead to the mitigation of the urban heat island effect in summer, the corridors also contribute to reducing atmospheric pollution and the invasion of winter monsoons. This study is specifically concerned with an analytical method that can be used, especially during the planning and design of cities, to improve the urban wind environment. Currently, most urban wind environment studies generally adopt numerical simulations as the investigation method. To some extent, this approach can be helpful with urban wind environment analyses under different planning and design scenarios. Many existing studies indicate that this technique has the advantage of rendering urban wind environment predictions with reliable accuracy. Numerical wind environmental simulations—especially, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation models—have been used for urban planning and design optimization. However, these models have certain limitations about the planning and workflow that the numerical simulation techniques require. For instance, in the early stages of urban design schemes, such as the master planning stage, the workload and amount of time required to perform the necessary repetitive simulations become enormous (not only in terms of time and energy but also with regard to expertise). The thorough and exhaustive numerical simulation task sometimes becomes impossible because of the limitations of computer performance, particularly for large city-scale areas. In this study, Hengyang County, Hunan Province, was selected as the study area. A new method was proposed to reduce the workload, time, and computational equipment requirements for analyzing the wind environment of a large city-scale area during the early stages of urban planning and design. The proposed method starts with the construction of a 3D model of the city using rule-based modeling, followed by a comprehensive evaluation model implemented in ArcGIS to assess the urban spatial enclosure and its influence on urban ventilation corridors. We used the least-cost path to generate ventilation corridors under different wind directions. The measurement points in the ventilation corridors of the city were selected to validate the wind speed cloud map simulated by PHOENICS. The simulation results were basically consistent with the site-measurements, thus demonstrating the validity of the evaluation model proposed in this study. Several findings are derived from this study. First, changes in the urban wind environment should be considered at the early stage of urban design. Second, the choice of rule-based modeling is not only beneficial to the quick modeling of the design scheme but is also efficient for a quick modeling of ventilation corridors. Third, the construction of urban ventilation corridors needs to consider several urban elements. The 8 primary ventilation corridors and 14 secondary ventilation corridors are constructed in the planning scheme according to the different action spaces of the wind corridors. Comparing the wind speed map of PHOENICS and the comprehensive evaluation results, it is proved that the urban ventilation corridor system constructed by buildings, road networks, water, and greenery systems can be quite overlapped with the ventilation corridors, and it also proved that the optimization measures based on wind openings, open space, water, roads, and buildings can effectively improve the ventilation capacity of the planning scheme. The study further demonstrates the limitation of single-criteria evaluation compared to multi-criteria evaluation which is more suitable for the complex urban wind environment. In addition to terrain height differences, the urban spatial enclosure model reflects consideration for building environment factors, such as the sky view factor, absolute roughness, frontal area density, average height, and building density. Thus, we propose a more convenient and effective method for the design of urban ventilation corridors that can be beneficial for achieving green and low-carbon urban planning.

城市通风廊道是以提升城市空气流动性，缓解热岛效应和改善人体舒适度为目的，为城区引入新鲜空气而构建的通道。在快速城镇化发展中，通风廊道可以有效减缓城市热岛，驱散城市空气污染等城市气候环境问题。2015年中央城市工作会议要求“提升城市的通透性和微循环能力”（中共中央政治局，2015），同年中国气象局提出构建城市通风廊道的规划技术指南；2016年国家发改委和住建部联合颁布了《城市适应气候变化行动方案》（中华人民共和国国家发展和改革委员会 等，2016）。目前，城市通风廊道建设已经纳入国家“十四五”规划，作为推动城市绿色低碳发展的战略举措之一。中国南方城市普遍处于夏热冬冷的特殊气候背景，构建城市通风廊道十分必要。
城市通风廊道的研究始于德国斯图加特的城市空间布局研究，陆续在不同城市展开，至2016年，对中国17个省区的36个城市共进行了63项城市通风廊道专项规划或相关研究（Ren et al., 2018）。根据研究手段的不同大致分为3类：一类是基于实测数据的理论分析，如早期的斯图加特和卡塞尔、东京都和旭川的城市风环境研究（赵敬源，2010；任超 等，2013），该类研究数据采集工作量较大、不易获取，且数据易受变量影响无规律变化。二是利用风洞实验，如通过风洞实验分析了加拿大渥太华、美国纽约等城市风环境（Williams et al., 1992; Plate et al., 1999）。虽然实验易调节自然条件且结果精确，但在方案修改阶段周期长、费用高，不易开展。三是计算机模拟，即利用计算机进行数值模拟，常用的技术有CFD、GIS、RS等，如用CFD软件研究了东京、香港、台南等城市与风环境的关系（Ashie et al., 2009; Wong et al., 2010; Ng et al., 2011; Hsieh et al., 2016），模拟结果可行性较高、发展前景大，但需要验证软件的可行性、时间周期较长，研究尺度受限。
近年来，香港、长春等城市利用CFD与GIS的集成、GIS与实测数据或形态学理论等综合手段，展开通风廊道的规划与建设研究（Chen et al., 2011; Chang et al., 2018），但多基于大尺度的城市，且多为专题研究，对中、小尺度的城市规划建设指导性不强。此外，依据CFD等复杂模型所提出的相关策略，存在城市尺度模型内容复杂、建模结果跟不上快速的规划过程、评价指标过于单一难以落地等问题（Germano, 2007; Ng et al., 2011; Yuan et al., 2014；史兵 等，2017）。在当前国土空间规划背景下，面对量多面广和空间形态相较单一的中小城市，需要一种更加便捷的方法用以指导城市通风廊道的建设。
城市规则建模是一种语义建模方法，即采用一系列计算机语言将现实世界的信息转换为逻辑信息，并根据规则决定模型的生成，是一种可以快速反映城市风貌的建模方法。常见的城市建模方法大致可分为4类（骆燕文 等，2017）：1）基于二维数据资料（如规划图纸等），利用AutoCAD、SketchUp等软件建立城市三维模型，这是使用最广、精确度最高的一种方法；但耗时较多，数据的时效性存在不确定性，工作量较大，难以满足三维空间深层次的研究应用。2）激光扫描，利用激光扫描仪或机载激光雷达扫描获取城市建筑模型数据，该方法能快速、精准获取相关数据；但数据量较大，模型生成时间长，成本较高。3）使用航天影像或数码摄影，根据建筑物的特征提取相关数据，该方法获取速度最快，展示信息最真实；但模型不易修改，存在信息不完整的问题。4）规则建模，能快速构建三维城市模型，允许创建和分析替代方案，适用于规模较大、对细节要求较低的模型，常用的软件有CityEngine和ArcGIS。与传统的建模方法不同，城市规则建模更擅于灵活有效的建模，模型包含多方数据，允许创建和分析多方案，适用于城市的已建和新规划区域（Trubka et al., 2016）。但当前少有研究将城市规则建模与城市通风廊道相结合，而城市的通风廊道往往影响城市的空间形态布局（卢飞红，2016），因此，在以优化城市通风廊道为目的的空间形态布局中应用规则建模技术具有现实意义。
在城市规则建模中，本文提出构建空间封闭度综合评价模型以计算城市的潜在通风廊道。空间封闭度初期作为描述单体建筑内部空间封闭程度的概念，但在研究城市风环境的大尺度下，可将其定义为城市三维空间内的封闭程度，即城市空间对风流动的阻挡程度。城市空间的封闭度受垂直要素的高度、密实度和连续性等方面影响，可理解为受建筑的城市形态特征影响。相关研究（Grimmond et al., 1999; Wong et al., 2010）证明，地表建筑物、自然植被的粗糙度和开敞空间影响城市风环境，其中建筑的城市形态特征对城市通风廊道的构建影响最大。Grimmond等（1999）在研究中证明建筑的形态特征可由形态学方法计算，即可通过城市下垫面的粗糙元形态特征定量估算。国内外相关学者总结了许多形态特征的量化指标，如Chen等（2011）在ArcGIS中以粗糙度指标论证城市几何形态与风环境的关系，并证明迎面面积密度、天空开阔度等指标可用于评价城市风环境的变化，其他学者相继应用该类指标开展研究（Yuan et al., 2014;Wicht et al., 2017；李廷廷，2017；Ren et al., 2018）。Kanda等（2013）提出了同时考虑迎风面积系数、顶面积系数、平均建筑高度、最大建筑高度和建筑高度标准差的形态学计算方法；唐玉琪等（2020）以上海徐家汇地区为例，论证了该方法可估算建筑形态特征且差异较小。部分学者利用粗糙度指标与GIS中的最小成本路径定义城市通风廊道，并利用CFD软件论证结果的可行性（Wong et al., 2010;Hsieh et al., 2016;Peng et al., 2017；申鑫杰 等，2020）。可见城市风环境的评价指标选取由单一向综合转变，研究方法转向更为快捷、精准，尺度也倾向人行空间。
因此，本研究试图运用GIS技术与城市规则建模的方法，构建城市潜在通风路径，深入分析城市空间封闭度与通风廊道之间的关系，综合空间封闭度影响因子构建城市潜在通风廊道，以期为改善丘陵型的中、小城市风环境提供借鉴。

1 研究区域与方法

1.1　研究区域

衡阳县城位于湖南省中南部、湘江中游区域，地形有起伏，海拔为32~255 m，相对高度＜200 m，坡度较缓和。城区地势周边高、中间低，湘江支流——蒸水河贯穿东西。地理环境较为封闭，外围山体有屏蔽作用，致使盛行风的渗透较弱，大气污染物疏散存在问题。县城建成区面积为15.6 km2，主要集中在老城区与西渡区；建筑多为4~6层，新区建筑规划以7~10层为主，城区周边为大面积绿地（图1）。
图1 衡阳县城城市鸟瞰图

Fig.1 City aerial view of the Hengyang county

根据《建筑气候区划标准》（中华人民共和国国家技术监督局，1994），湖南省全境属于夏热冬冷气候类型，夏季炎热潮湿，需加强城市自然通风以提高人体热舒适度；冬季则正好相反，因冬季风寒冷干燥，需要规避寒风入侵。衡阳县四季分明，夏热冬冷，受山体影响，气候变化更甚。由国家气象信息中心提供的衡阳县台站近30 a气象数据统计可知，城区冬季盛行东北风，平均风速1.5 m/s，夏季盛行南风，平均风速2 m/s；7月平均气温最高（30.2℃），极端最高温达41.3℃，1月平均气温最低（6.7℃），极端最低温达-4.8℃。在7、8月中，平均有34 d是35℃以上的高温，其中有连续几天超过40℃。受多变气候与起伏地形的共同影响，湖湘传统民居在布局上往往选择依山傍水以形成宜居的小气候区域，在建筑设计上夏季隔热通风，冬季防寒纳阳（万艳华，2010；张蒙，2017）。

1.2　研究方法

首先基于城市的基础地理信息数据规则建模，再根据空间封闭度影响因子构建综合影响评价模型，并对衡阳县的现状和规划模型（图2）进行评价，然后通过PHOENICS对现状与规划模型进行数值模拟。在此基础上，通过对比GIS与数值模拟2种途径下的结果，以及验证实测风速值，提出衡阳县夏热冬冷气候区内的通风廊道设计策略。
图2 衡阳县城总体城市设计规划方案

Fig.2 Comprehensive urban design scheme of the Hengyang county

1.3　空间封闭度因子的空间数据集构建

上文分析了城市风环境研究中的评价指标运用，现有的研究多依据单一指标划定，而史兵等（2017）指出单一指标评价难以满足精细化的城市建设，应选择更全面的指标研究风道与城市的内在关系。根据文献（Kanda et al., 2013;Yuan et al., 2014;Hsieh et al., 2016;Wicht et al., 2017；李廷廷，2017；Ren et al., 2018；唐玉琪 等，2020），分析选择5个较为成熟的参数，分别是：建筑物迎风面积密度（Frontal Area Density, FAD）、天空开阔度（Sky View Factor, SVF）、绝对粗糙度、建筑高度均值、建筑密度。其中，FAD（Hsieh et al., 2016; Wicht et al., 2017）受建筑几何形态影响，能考虑地形的变化，但在评价人行高度处的风场变化时存在不足；SVF（Chen et al., 2011；刘勇洪 等，2017）反映人行高度处的城市几何形态，可弥补FAD指标的不足。本研究选用方形栅格划分地块，与其他划分地块的方法相比，规则划分有利于开放空间的数据展示（Man et al., 2010; Ng et al., 2011），因此要选择能描述规则地块整体情况的指标，以选用能表示城市空间内几何形态的绝对粗糙度和表示地块内建筑物覆盖率的建筑密度和建筑平均高度，下文将概述5个指标的概念及计算公式。
SVF指在建筑围合的城市空间中，人们视线所及可看到的天空范围。Gal等（2009）认为栅格计算SVF更适合大尺度、多数据的城市地表开阔度。SVF的计算公式为（刘勇洪 等，2019）：
ψ S V F = 1 - ∑ i = 1 n s i n γ i n
式中：γi 为第i个方位角时的地形影响高度角；n为计算的方位角数目。由于SVF值越大越有利于通风，在综合计算时，SVF以负值进行计算。
FAD表示单位面积内城市建筑迎风面积密度，反映城市风的渗透性（刘勇洪 等，2019）。数值越大表示该区域对风的阻碍越大；相反阻碍越小，通风能力越大。计算公式为（Ng et al., 2011）：
λ F ( θ , z ) = A θ p r o j ( Δ z ) A T
λ F z = ∑ i = 1 n λ F θ , z P θ , i
式中：λF （ θ， z ）表示特定风向θ处的迎风面积密度；A （ θ ）proj （△z） 为面向θ风向的建筑物总投影面积；θ为风的不同方位的方向角度；AT 为研究区域的地块面积；△z为投影面积高度方向的计算范围。λF （ z ）表示整个城市冠层的形态平均值；P （ θ ， i ）表示第i个方位的风向年均出现频率；n表示气象站统计的风向方位数。
绝对粗糙度（Hm ）可表示城市几何形态（陆面、植物、水体）的粗糙度，Kondo等（1986）发现城市结构可通过气流中障碍物的绝对粗糙度来降低地面的平均风速，计算公式为：
H m = ∑ b u i l t A i h i ∑ b u i l t A i + ∑ n o n b u i l t A j
式中：Ai 是i号建筑的占地面积；hi 是i号建筑的高度；Aj 是研究区域的非建筑物占地面积。
建筑密度（D）指研究区域内的空地率和建筑密集程度，数值越大表示该单元内的建筑物覆盖率越大，阻碍也越大，计算公式为（Grimmond et al., 1999）：
D = ∑ b u i l t A i A T
式中：Ai 为i号建筑的占地面积；AT 为研究区域的地块面积。
建筑平均高度（ H ¯）表示研究区域内建筑物高度的变化，数值越大表示研究区域内建筑高度变化小，风的渗透力越小，计算公式为（张海龙，2015）：
H ¯ = 1 n ∑ i = 1 n H i
式中：Hi 是i号建筑的高度值；n是研究区域内的建筑数量。

1.4　空气封闭度评价模型构建

考虑到各影响因子的特性和代表性，采用序关系法（G1-法）赋予各指标权重系数，以此构建评价模型。相比层次分析法，G1-法无需构建判断矩阵及一致性检验，大大减少了计算量（王学军 等，2006；王伟武 等，2019）。5个影响因子分为：FAD（X 1）、SVF（X 2）、绝对粗糙度（X 3）、建筑密度（X 4）、建筑高度均值（X 5）。按照指标对通风影响的重要性进行排序分级：X 1 > X 2 > X 3 > X 4 > X 5，根据相对重要程度的比值对rk 进行赋值，设定r 2=X 1/X 2=1.2，r 3=X 2/X 3=1.4，r 4=X 3/X 4=1.4，r 5=X 4/X 5=1.4，权重系数Xm 的计算为：
X m = 1 + ∑ k = 2 m Π r i i = k m - 1
则X 1/X 5=3.292 8，X 2/X 5=2.744 0，X 3/X 5=2.352 0，X 4/X 5=1.960 0，（X 1+X 2+X 3+X 4）/X 5=9.396 8。因此，各评价因子的权重系数为：X 5=（1+10.349）-1=0.096 2，X 4= X 5·r 5=0.134 7，X 3=X 4·r 4=0.188 6，X 2=X 3·r 3=0.264 0，X 1=X 2·r 2=0.316 5。根据各影响因子的权重值建立综合评价模型，即：
V = ∑ i = 1 n β i ⋅ χ i
式中：i为城市通风潜力的影响因子编号；n为城市通风潜力的影响因子总数；βi 为第i个影响因子的单因子评价值；Xj 为j因子的通风潜力权重值（X 1+X 2+X 3+ ┉ +Xn =1）。

1.5　数值模拟中边界条件的设置

选择PHOENICS软件对潜在风道进行模拟验证，其中，风廓线指数α依据地表面粗糙度分区（日本建筑学会，2007），赋值0.27；对规划红线范围内的建筑及山体建模，建筑物每层赋值3 m，以最低的河流高程为初始高度，按照等高线数值进行拉伸建模。在PHOENICS中使用3层嵌套的六面体网格，选择广泛用于低速湍流的标准k-ε湍流模型；流入边界的风向选择东北风（冬季）和南风（夏季），10 m高度风速为2 m/s；建筑和地形表面边界为光滑壁面，流出边界使用零梯度条件。研究区的建筑高度不超过100 m，综合考虑地形高度变化，将计算域边界高度调整为3倍的模型最高高度，在150 m高度范围内网格大小设为3 m，超出该范围的网格大小逐渐增加。

2 结果分析

2.1　空气封闭度现状与规划的对比

由于研究范围内有一定高差变化，在计算影响因子时加入地形高度，即以研究范围内的蒸水河面为参考水平面，高度计算为相对地形高度加上建筑高度，如图3所示。按县城总体规划的红线范围，基于1∶1 000的CAD地形图计算城区内现状建筑的影响因子，并在ArcGIS中以50 m×50 m的单元尺度转为栅格图，各影响因子空间数据集见图4。
图3 受地形影响的天空开阔度计算原理示意

Fig.3 The calculation principle of Sky View Factor

图4 空间封闭度因子分布

Fig.4 Distribution of the spatial enclosure index

图中红色表示数值越大，对比分析FAD值，夏季区域小于冬季，冬季数值较高是因为建筑遮挡寒风的缘故。不同风向下FAD高值分布在城区西部与南部，如解放西路西段，由于该路段建筑密集，密度值较大；东部、北部建筑的整体密度较低，迎风密度值较低，通风潜力非常好。规划方案中，新区建筑的FAD通过优化策略能得到有效控制，整体数值降低，其中高值区域集中在老城区与新区中规划的居住区，即单位栅格内建筑密度与体量较大的区域。老城区的SVF值有所增加，验证了老城的优化措施能有效改善城区的天空可视度；新城出现局部低值栅格是因为单体建筑过大，也间接造成建筑的绝对粗糙度、密度、迎风面积密度等数值偏大。
SVF值中红色区域表示低值区，数值越低表示天空可视范围越小，现状的低值区域集中在城区内建筑密度较大的区域，如船山广场片区的新正街等，但规划方案的老城区低值有所改善。新区内规划了大量的工业厂房和高层居住建筑，扩大了计算单元内的建筑占比，导致地块的建筑密度和绝对粗糙度的增大。

2.2　LCP与现状风速云图对比

利用GIS中的最小路径（LCP）生成综合影响评价的路径，得到潜在通风廊道，为了验证路径的准确性，将其与PHOENICS的模拟结果进行对比。LCP依据GIS中50 m×50 m的分辨率进行计算，沿规划红线每50 m设置了共290个起始点进行计算。图5-a、c、e、g表示综合评价叠加LCP，LCP选取成本值较低的路径作为风道路径。
图5-b、f是中性流条件下的夏季风速云图。夏季风的路径中，南侧为阻挡较少的农田用地，风口较大、风道多，但受城区北侧山体的影响，大部分南向来风被阻挡。由于蒸水河河面较宽敞，在西侧也形成一道沿河的风道，城区内部受阻较多，风沿建筑高差或道路方向走势；城区东侧的风道基本沿山体布局，大致为南北向。PHOENICS中的静风区基本无潜在风道，风速值较大区域风道较多。
图5-d、h是冬季风速云图，北侧有较多山体阻挡，风道路径难以贯穿，潜在路径较少，南侧不受阻挡，风道较多。西侧老城区仍受山体阻挡，仅有2条沿主干道形成的风道，在南边沿蒸水河汇聚。图中颜色对比明显，潜在路径与颜色变化趋势一致，能与云图中颜色偏红的区域相重合。

2.3　潜在风道验证

根据上文挖掘的潜在通风廊道，在夏、冬季各1 d进行风速测量，为保证数据的准确性，分别选择南风日和东北风日，以此验证潜在通风廊道和PHOENICS模拟结果（Ng et al., 2011；李廷廷，2017；张弘驰，2020）。南风向分别沿清江路、海英大道和蒸水河西段3条城市道路，用便携式气象观测站Kestrel 5500进行风速测量，共布置55个测量点；东北风向分别沿保安路、新正路和洪山路，共布置50个测量点，如图5-b、d所示。为保证数据的准确性，在道路两侧布置测量点，测量时间为T 10:00－16:00，仪器每10 min记录1次数据。
表1的实测结果与LCP的计算结果基本吻合，表明了LCP分析的可信度，也证明了空间封闭度综合评价的方法科学可行。实测通风路径的平均风速皆高于对比点，说明所选风道的通风效果较为显著，尤其在大型交通路口或是较大的城市广场附近，观测点风速值较大；蒸水河西段的风速远高于其他风道，一定程度上证实了宽阔平坦的空间通风效果相较于高低起伏的建成区更佳。
表1 夏、冬季潜在风道数值对比

Table1 Comparison of measured values of urban ventilation corridor in summer and winter

测量点 风速/（m·s-1）
实测 模拟
沿清江路 1.6 0.8
海英大道 1.8 1.6
蒸水河西段 2.0 1.7
保安路 1.0 0.7
新正路 1.7 1.5
洪山路 1.4 1.0

2.4　风环境优化策略

规划方案将城区分为5个风貌区——城中的传统生活风貌区、城西的西渡历史风貌区、城东的滨水休闲风貌区、城南的田园景观风貌区和城北的高新产业风貌区。其中，传统生活风貌区为老城区，建筑体量较大，以中、高层为主；西渡历史风貌区严格控制开发强度，建筑体量较小，以低层建筑为主；滨水休闲风貌区展示新城形象，建筑体量较大，以中高层建筑为主；城南组团多为居住用地，以板式中高层居住建筑为主；城北组团建筑体量较大，以工业建筑为主，建筑多为1~2层。图5-f、h为Phoenics软件模拟得到的人行高度处云图，结合城市通风廊道的构建类型和作用空间，将通风路径分为一级廊道和二级廊道，一级廊道贯穿大型生态绿地，可为城区内提供风源；二级廊道则串联绿地系统、道路系统等，作用于城市内部功能空间，表2罗列了规划方案中8条一级通风廊道和14条二级通风廊道。基于不同等级的廊道空间采取不同的优化策略，即从风口、开敞空间、水域、道路及建筑布局5个方面提出风环境优化策略，完善规划方案并利用综合评价模型进行验证。
表2 衡阳县城一、二级城市通风廊道汇总

Table 2 The summary table of primary and secondary urban ventilation corridors in Hengyang county

编号 名称 分级 走向 分类 备注
1 蒸水河西段通风廊道 一级 南北 河流型 蒸水河西段结合虎形山郊野公园和西渡公园布置，联系翻冲风口
2 解放西路通风廊道 一级 东西 道路型 解放西路两侧贯彻三区，联系岭湾风口
3 清江路通风廊道 一级 南北 道路型 清江路两侧结合清水垄公园，联系柿子塘风口和岳塘风口
4 洪山路通风廊道 一级 南北 道路型 洪山路两侧结合清水垄公园和米子水库，联系船山发展核中心，联系柿子塘风口
5 蒸水河中段通风廊道 一级 东西 河流型 结合中洲公园、船山广场布置
6 海英大道—农业园通风廊道 一级 南北 绿地型 结合海英大道和英睦塘公园布置
7 两里塘通风廊道 一级 南北 复合型 两里塘路与两里塘郊野生态公园结合布置，联系挂榜山风口
8 城东大道通风廊道 一级 南北 道路型 联系江山郊野公园，联系兰水塘风口和发家塘风口
9 燕西大道北段通风廊道 二级 南北 道路型 联系虎形山郊野公园与翻冲风口
10 学前路—中心路通风廊道 二级 东西 复合型 联系蒸水河风道和明翰公园，引风入中心
11 新正路通风廊道 二级 东西 道路型 新正路两侧绿带结合明翰广场布置
12 蒸水河西南段通风廊道 二级 东西 复合型 通过蒸水河联系中洲公园，虎形山郊野公园
13 城南大道通风廊道 二级 东西 道路型 城南大道两侧，结合南山广场布置，联系合家桥风口和发家塘风口
14 西渡公园—明翰广场—中洲公园通风廊道 二级 南北 复合型 保安路两侧结合中洲公园和明翰公园以及西渡公园布置
15 衡邵公路通风廊道 二级 南北 绿地型 结合衡邵公路两侧绿带布置
16 公园北路通风廊道 二级 东西 道路型 结合清水垄公园、英睦塘公园布置
17 人和路通风廊道 二级 东西 道路型 人和路两侧，联系两里塘郊野公园
18 联胜路东段通风廊道 二级 东西 道路型 结合米子公园和农业生态园布置
19 开福路通风廊道 二级 南北 道路型 开福路两侧，结合南山广场布置
20 两里塘公园—农业生态园通风廊道 二级 南北 绿地型 两个公园绿带形成联系兰水塘风口的风道
21 市场路通风廓道 二级 东西 道路型 市场路两端，联系江山郊野生态公园
22 江山公园通风廊道 二级 南北 绿地型 从江山郊野生态公园引风入城，联系挂榜山风口
图5 现状（a、b、c、d）与城市规划（e、f、g、h）方案通风潜力对比

Fig.5 Comparative of the city ventilation potential of urban planning schemes

分析现状可知，风口地带布置了污染性的工业，如服饰工业园、机械工业园等，影响城市内部的空气质量。在规划阶段，调整风口地带的土地利用布局，规划控制新建工业园的开发强度和建筑布局，转移有污染性质的企业，将工业用地迁移至下风向，在工业区外围布置绿化隔离带，并增设监测站点。
现状风道体系中，大多数道路与主导风向呈夹角，城市整体绿化连续性不足，公共空间较少，未形成网络结构，部分区域建筑密度大，导致风难以渗透。因此在规划阶段将串联水体、绿地、公共空间及道路元素构建风道体系，结合《衡阳县城市绿地系统规划》加强与城市绿地的有机联系。通过扩大绿地面积、增加立体绿化及绿地数量、降低下垫面的粗糙度等，拓宽风口风道、增加通风载体，构建城市绿网。在风口区域，可建设大面积楔形绿地，植被由防护林改为低矮的乔灌木，便于风的进入。建筑布局方面，老城区通过拆除通风节点处的老旧建筑，降低建筑密度，打破连续的建筑界面，改善地块内的通风情况。拓宽街道的天空可视域面积，使街道两侧的建筑高度呈梯度变化，优化建筑布局形态，提高街区的渗透率。
图5-e、g展示了规划方案的风道路径，在不同主导风下的潜在通风路径皆与Phoenics云图中的风道相似，再次证明利用ArcGIS构建的综合评价模型可得到适用的通风廊道，虽在对比分析中受研究尺度的约束，局部街区未形成风道，但不影响整个城区风道的建立。

3 结论

本研究提出一种由空间封闭度构成的多指标综合影响评价模型，以衡阳县城为例，利用GIS中的LCP构建夏、冬季主导风向下的潜在通风廊道，并对比了CFD数值模拟中的风速云图，结果显示，风道的分布基本是沿城市主干道，多为连接城市公共空间的道路，但在北部城乡结合处由于道路系统的不完善、路幅狭窄的原因导致通风性能较差；风向多为密度较高的老城区趋向低密度建筑、公园绿地等城市公共空间，但由于道路与风向呈夹角、廊道系统的连续性不足，导致部分通风廊道的走向与整体的方向有一定偏差；亦或是由靠近城区外围趋向郊区农田、蒸水河面等自然生态区域等。
本研究选择了迎风面积密度、天空开阔度、绝对粗糙度、建筑密度、建筑平均高度5个空间封闭度影响因子，该指标不仅考虑了城市地形的影响，还能表征切割后地块的整体差异性。单一的评价指标未能覆盖所有的风道要素，对比不同指标数值的空间分布差异，发现单一标准未能准确评估，而多因子综合评价涉及更多影响要素，其评价结果相对更可行。因此在城市规划方案中，针对不同的城市空间类型进行优化，通过调整风口的用地布局及布局形态、开敞空间的网络化布局及要素选择、滨水空间的城市三维形态和廊道路径下的建筑布局及高度控制，并利用多因子综合评价证明优化策略的有效性。因此，在充分利用现有资源的前提下，规划方案可依据综合评价模型指标调整城市道路、开敞空间、建筑结构等要素的空间布局，还可在控规层面加入地块的经济指标，多尺度协调风道的构建。
本研究论证了空间封闭度评价模型在中国典型夏热冬冷气候区的可行性，为城市的通风廊道研究提供一种新的视角。该方法不仅能快捷有效的评价及修改规划方案，为基于气候特征的城市风道量化研究提供技术支撑，还能为地方政府提出切实可行的建设管理及动态监测方法，有利于控制性详细规划阶段指标的约束与落实。同时，本研究仍需深入开展，后续将在不同气候区内验证模型的有效性，完善评价模型；并耦合不同尺度下的风道研究，补充城市不同尺度下的风环境理论研究。

脚注

向艳芬：论文选题，论文设计，调查研究，提出论文研究方法，可视化呈现，论文撰写与修改；

郑伯红：指导研究过程，提出修改意见，提升论文质量等；

郭 睿：调查研究；

江燚晗：前期分析，制图。

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