奧運場館規劃方案大氣環境效應研究

1、問題的提出

　　同國外相比，我國現階段經濟社會快速發展，城市建設規模逐年增大。以北京市為例，改革開放以來，城鎮人口和建設用地急劇增加，1980年～1989年城鎮人口年均增加12.1萬，建設用地年均增加26.2km²。隨著城市化進程的加速，北京城鎮人口和建設用地增加的趨勢更為明顯，1989年～2003年城鎮人口年均增加33.8萬，城鎮人口由1990年的1086萬增至2003年的1456萬，建設用地年均增加36.1km²，市區不透水地面的比例由解放初的20％增至77％；道路里程由1990年的9648km增至2003年的14453km；城市機動車保有量由1990年的38萬輛增至2003年的199.11萬輛；北京市1957年～1961年五年間城市房屋年竣工面積平均為314.2萬m²，而1997年～2001年五年間城市房屋年竣工面積平均為1928.9萬m²；1999年～2003年建筑竣工面積由約2300萬m²增至3500萬m²，相當于1949年舊城建筑總量(1760萬m²)的兩倍。城市體積的不斷擴展引發了一系列的環境問題，如“城市熱島”、“城市干島”、“城市混濁島”的存在等。據統計，北京由于城市熱島效應，1957年～1961年的五年間氣溫年平均升高了1.06℃，而1997年～2001年的五年間氣溫年平均升高了1.96℃；城郊相對濕度差在1957年～1961年平均為-1.5℃，而1997年～2001年則平均為-5.5℃。大氣污染物的增多使城市空氣混濁，北京城郊能見度差別可達5km……因此，城市規劃一方面要考慮城市發展而擴大建設，另一方面要顧及農、林、水、土、氣的影響，因而任務艱巨、問題復雜，這也是我國城市規劃的主要特點。在這種背景下，如何更為合理地實施城市規劃以實現城市的可持續發展，減少規劃建設過程中人為的負面影響是目前發展過程中亟待解決的問題。因此，除建立一套長遠的、有序的、可持續發展的城市規劃運作和管理機制外，發展和完善城市規劃學科的理論、方法與實施機制是我國城市化進程中迫切需要解決的問題。

　　城市規劃是城市建設和發展的藍圖，是建設和管理城市的基本依據。城市規劃搞得好不好，直接關系到城市總體功能的有效發揮，關系到經濟、社會、人口、資源、環境的協調發展。在城市規劃這項全局性、綜合性、戰略性的工作中，應樹立全面、協調、科學、可持續的發展觀，處理好資源有效利用與生態環境保護的關系，以充分保障城市規劃作為公共政策的綜合協調職能的發揮，保障政府在環境、資源和城鄉土地利用配置方面的有效干預，使城市規劃在統籌區域發展、統籌經濟社會發展的同時，做到統籌人與自然的和諧發展，從而改善人居環境，保證城市健康、持續地發展。

　　城市規劃是一門復雜的綜合學科，僅以本文的結合點—城市規劃與氣象環境為例，兩者相輔相成的關系較為明顯。規劃設計建立在城市氣候環境的基礎之上，同時城市中人類的活動及下墊面的變化、建筑群的布局差異，都會對城市氣象環境產生不同程度的影響，從而改變城市局部小氣候，影響城市污染物的擴散速度和方向。從城市規劃管理角度出發，如不重視城市發展對局部環境氣象條件的影響，很可能會造成難以逆轉的嚴重后果。盡管政府在治理污染源上投入了大量資金，但最終這種改進大氣環境質量的收效也會因城市規劃管理疏忽了城市發展對環境氣象的影響而被抵消。相反，如果在城市發展規劃中合理考慮環境氣象條件，對政府及城市規劃、建設部門的科學決策，改善城市環境氣象狀況，提高市民生活質量，建設面向21世紀的現代化大都市，都具有重要的意義和實用價值。

2、科技進步背景下對規劃理念的再認識

2.1 實施理念

　　在傳統城市規劃理論中，依據資源和建設項目計劃的實施而編制的城市規劃著重考慮的是建設項目的空間安排。在這種思路下，規劃中對氣象因素的考慮主要體現為對風玫瑰圖及污染系數玫瑰圖的考慮。當前，城鄉規劃的任務已演變為統籌資源、環境和人口，發展建設和保護環境。強調“以人為本”的融合，全面建設小康社會對規劃提出了更高的要求，即規劃必須統籌兼顧、綜合協調布局。同時，計算機技術的飛速發展為氣象環境數值的預報工作提供了強有力的支持，利用計算機技術預報氣象環境數值成為國際上研究城市大氣環境領域中最受重視、最有活力、最具科學性的方法。信息技術的發展使數字規劃技術成為城市規劃編制和規劃管理的重要手段和推動力量。因此，在當前條件下，如何在科技進步的背景下借助新興科學技術重新加強氣象環境與城市規劃的聯系，更為科學、客觀、系統地研究城市規劃大氣環境效應，并對其影響進行定性和定量的評估是目前城市規劃大氣環境問題研究的熱點與前沿。從這一需求出發，以《北京城市規劃建設與氣象條件及大氣污染關系研究》等項目的科研成果[1]為依托，運用“城市大氣環境多尺度數值模擬系統”對不同尺度的規劃設計方案進行定量評估，以便在城市規劃實施之前對不同方案進行模擬分析，預測建成后的大氣環境狀況，為優化城市局部設計和整體規劃提供依據。

2.2 主要技術思路

　　城市小區規劃對氣象和大氣環境的影響是一個復雜的系統，因此，其相應的評估指標呈現多目標性和多層次性。層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱“AHP”)是美國著名運籌學家T·L·Saaty教授提出的一種新的定性分析與定量分析相結合的決策評估方法[2]。根據此方法及遵循客觀性、科學性、以人為本、層次性、區域性和可操作性等原則，把城市小區規劃—氣象—大氣環境看成一個層次體系，這個層次體系由目標層、影響層、指標層3個層次構成。評估指標體系的總體框架如圖1所示。其中分別就6個單項評估指標作如下解釋：

　　(1)I1—人體舒適度。該指標反映了人體對外界自然環境的生理承受程度。各地氣候條件的差異使得影響人體舒適度的主要因子不同，以北京市為例，人體舒適度的計算公式為： (1)                            

　　該公式中，Comf_I為人體舒適度指數，t、RH和V分別代表溫度、相對濕度和風速。人體舒適度分指標I1用30≤Comf_I≤90(人體感受為“較舒適”)時的區域所占的面積百分比P來衡量，分級標準如表1所示。

　　(2)I2—行人舒適度。在城市小區規劃中，行人舒適度直接反映了小區規劃中建筑物對風場的影響及行人可感受到的風環境。行人舒適度通常用風壓來衡量，其計算公式為：  (2)              

　　該公式中，Wind_P為風壓，ρ為空氣密度，V為風速。行人舒適度分指標I2用Wind_P≤0.039(人體感受為“較舒適”)時的區域所占的面積百分比P來衡量，分級標準同I1。

　　(3)I3—地面污染物濃度。主要考慮污染物對人們日?；顒拥挠绊?，地面污染物濃度分指標I3分別用地面大氣污染級別為“優”和“良”(如SO₂濃度小于0.15mg/m³)的區域所占的面積百分比P來衡量，分級標準同I1。

　　(4)I4—最高建筑物高度以下污染物濃度。本指標反映了最高建筑物高度以下區域污染物濃度分布的總體情況。該分指標I4用評估區域建筑物高度以下立體空間中大氣污染級別為“優”和“良”的區域所占的面積百分比P來衡量，分級標準同I1。

　　(5)I5—建筑物表面污染物濃度。它反映了大氣環境對人類活動的影響程度，即污染物對人們居住環境的影響大小。建筑物表面污染物濃度分指標I5用評估區域建筑物表面大氣污染級別為“優”和“良”的區域所占的面積百分比P來衡量，分級標準同I1。

　　(6)I6—自凈時間。本指標表征小區規劃對污染擴散能力的影響，具體表現為瞬時污染源(如交通污染源)擴散到小于一定濃度時(如污染源排放濃度的1％)所需的無量綱時間T(用氣流穿過小區的特征時間無量綱化)，分級標準如表2所示。

　　本文以奧運場館大氣環境研究為例，運用多尺度數值模式中的城市小區尺度模式進行計算分析[3]，得到風速、溫度、污染物濃度等要素值的分布情況。將相應的要素值放入(1)、(2)兩個計算公式后得出各分指標的大小，再將6個分指標進行加權(各分指標的權重系數如圖1所示)，最終得到奧運場館規劃方案大氣環境效應綜合評估指數I。根據綜合指數I即可科學地定量評估現有環境狀況和不同規劃方案的環境效應差別。

　　I=0.2×I1+0.1×I2+0.1×I3+0.1×I4+0.1×I5+0.4×I6                (3)

3、在規劃實踐中的應用

3.1 五棵松文化體育中心兩個規劃方案的大氣環境效應分析

　　五棵松文化體育中心坐落于北京城西部，西臨西四環，南臨復興路。該區內有兩條城市主干道(西四環和復興路)、一條城市次干道(西翠路)和一條城市支路。體育中心用地面積為54hm²，地段平整，周邊為商業、辦公和居住建筑。

　　利用上述評估系統對體育中心A、B兩個不同規劃設計方案進行評估分析，以確定環境適應性更為合理的規劃方案(由于兩條城市主干道都處于五棵松文化體育中心的上風向，場館建成后的主要污染來自汽車排放的尾氣，因此，評估時主要考慮了交通污染源的影響)。

　　要素場分布—利用城市小區尺度模式進行模擬計算，得到風速、溫度、污染物濃度等要素值的分布情況。圖2為兩個規劃方案夏季風場的模擬結果剪切圖，該圖顯示的是不同場館的規劃立體圖和氣流場的疊加，可以連續進行直觀形象的動畫播放。圖3給出了兩個規劃方案夏季地面NOx污染物濃度場(單位mg/m³)分布的模擬結果，亦顯示了不同場館的規劃立體圖和污染物濃度的疊加。

　　指標分布—由表3及上述分析可知：夏季，就人體舒適度指標而言，方案B優于方案A；而就行人舒適度指標而言，方案A優于方案B；就綜合評估指標而言，方案B優于方案A。因此，綜合比較兩個方案的大氣環境效應，方案B較優。

3.2 奧林匹克公園兩個規劃方案的大氣環境效應分析

　　規劃中的奧林匹克公園坐落于北京中軸線向北的延伸線上，該地區交通十分便利。奧林匹克公園南部有北土城路和北四環路貫穿而過，中部地區有城府路和大屯路兩條城市主干道，北部為北五環路，南北方向分別有北中軸路和安立路兩條城市主干道，以及北辰東路和北辰西路兩條城市次干道。公園用地平整，包括體育場館在內，賽后可綜合使用，繼續發揚奧林匹克精神。其周邊為商業、辦公和居住建筑。

　　依照五棵松文化體育中心規劃方案的分析方法，可以得出奧林匹克公園不同規劃設計方案下的風速、溫度、污染物濃度等要素值的分布變化情況(表4)?？偟膩砜?，兩個規劃方案冬、夏兩季的評分相差不大，都較利于污染物的擴散，整體通透性較好。方案A中，人體舒適度指標在冬、夏兩季明顯不同，冬季為5，而夏季僅達到1，這主要是因冬、夏兩季氣溫差異較大導致的。而方案B中人體舒適度指標冬季為4，夏季為1；兩方案冬夏兩季的污染物指標差別不大，均得到了較高的評分；就自凈能力而言，與方案A相比，方案B較差；最高建筑高度以下污染物濃度冬季略高，人體舒適度冬季略差，因而方案B的綜合評分較低。

4、結論與討論

　　本文從城市規劃建設中的環境理念出發，探討了科技進步背景下如何提升規劃中環境分析手段的方法，并以五棵松體育文化中心、奧林匹克公園中實施的奧運場館規劃方案大氣環境效應評估為例，提出了一套客觀、科學、可操作的評估指標及評估方法，具體展示了新時期城市規劃建設對環境理念的科學運用。從小的方面來看，該評估尺度的實施關系到城市中越來越多的小區與大型建筑設施的建設；從大的方面來看，它又僅是城市多尺度氣象環境評估中的一部分。隨著我國城市化進程的不斷加速，城市內部(城市小區、大型建筑設施等)、各個城市(超大城市、新興城市等)、城市群(都市圈、經濟帶等)的發展日新月異。日益突出的城市環境問題表明，如果城市要實現可持續發展的目標就必須合理地考慮氣象環境效應的影響。在現有城市發展狀態和發展趨勢下，單一化尺度的城市大氣環境效應研究存在很大的局限性。若要更好地研究解決城市發展氣象環境問題就要求我們應針對不同的范圍進行不同的思考，即建立多尺度大氣環境評估系統。該系統的建立反映了不同模擬研究范圍(數百公里的城市周邊、數十公里的城區、數公里的城市小區及數十米的建筑物)、不同分辨率(數公里、數百米、數十米及數米)和不同尺度的特殊物理過程。不斷發展完善該系統，提取出研究對象由大到小、由粗到細的環境信息，掌握城市周邊地區—城區—城市小區甚至街區內、建筑物間的大氣環境特征及變化情況，為優選、調整、優化城市整體和局部規劃提供依據將是我們共同的目標。在“以人為本”的科學發展觀的指導下，城市規劃應在統籌區域發展和經濟社會發展的同時做到統籌人與自然和諧發展，以實現城市的可持續發展。

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作者簡介：王曉云,男,正研級高工,清華大學建筑學院博士研究生,北京市氣象局副局長.  
作者簡介：汪光燾,男,教授,建設部部長,清華大學建筑學院博士生導師.  
作者簡介：房小怡,女,工程師,博士,現任職于北京市氣候中心.  
作者簡介：苗世光,男,副研究員,博士,現任職于中國氣象局北京城市氣象研究所.  
作者簡介：郭文利,男,正研級高工,北京市氣候中心主任.  
作者簡介：蔣維楣,男,教授,博士生導師,現任職于南京大學大氣科學系.