数值模拟方法在城乡规划中的应用

何瑞珍+张敬东

摘要：随着城镇化进度的加快，各地的城乡规模以前所未有的趋势向外扩张，出现了更多的城市化问题，诸如城市的热岛效应、城市空气质量问题、交通问题、水资源问题等。为了解决这些问题，在城乡规划实践中，应引入数值模拟的方式。为了使城乡规划成果更加科学、合理，本文分析了这些问题在国内外的数值模拟情况，以期找到好的解决方案。

关键词：数值模拟；城乡规划；城市气候；城市空气质量；城市水文；城市交通

中图分类号：G646 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）33-0036-02

城市是一个开放的巨大系统，它包括人口、经济、交通、公共服务、基础设施和生态系统等子系统。规划者应考虑让所有的子系统和谐、健康地发展，考虑让所有的人生活和工作得更方便、快乐、有尊严；应考虑让所有的人感受到社会的公平和正义。因此，城市规划发展到现在，已成为一门和哲学、人口学、经济学、社会学、地理学、管理学、交通工程、土木工程和环境工程密切联系的交叉学科。

对于城市这个庞大系统来说，任何一方面的忽视或者不到位将产生严重的后果。随着科技的发展，RS和GIS技术的不断加入，各种模型不断更新、快速发展的计算机技术，使得海量数据的处理和模拟成为可能；这些技术都为城乡规划更加科学提供了数据和技术支撑。数值模拟方法以短周期、低成本、高质量的方式实现对现实形象生动的展现，做到未雨绸缪，心中有数，从而更好地指导未来的规划。下面分别讨论数值模拟方法在城市气候、城市交通、城市空气质量和城市扩展几个方面的发展趋势及存在的优势和局限性。

一、城市气候

城市化的过程是人们聚集、改变下垫面的过程，从而引起区域气候的变化。对其研究多从中、小两种尺度进行。中尺度模式气候研究多采用数值模拟方式从土地覆被方面进行研究。中尺度模式通常采用分辨率为1km或2km的网格来模拟几到几十公里的中尺度范围。在这个尺度上常用的软件有MM5、RAMS、ARPS等。其中，比较有代表性的模拟软件是WRF模型。通过数值模拟，综合评估城市化过程对局地气象环境，如城市温度场、气流场变化和空气污染物分布等方面的影响。并将模拟结果及时应用到规划方案调整和决策中。我国学者使用区域边界层模式模拟城市的植被覆盖以及城市建设用地增加对城市区域的气象环境的重要影响[1]。

在小尺度上，風速的大小与周围环境密不可分，如建筑的高低、街道的走向、W/H比、天空视场角、绿化的规模和布设等。决定地表温度的除太阳辐射外，还有地面材料、阴影和周围围合程度。由于空气的流动性，空气的温度更多地是受到风速的影响。常用的数值模拟软件有CFD、ENVI-met等。ENVI-met是由德国的Michael Bruse开发的，特别适合城市小区规模的，三维微气候模拟软件，其计算过程包括风流量、热流量和辐射量等城市冠层大气过程中所涉及的环境参量交换过程的完整耦合，它以0.5—10m的空间解析度和10s的时间解析度来模拟城市环境中的实体表面—植物—空气的相互作用，其在城市微气候环境的整体数值计算上（包括各种微气候环境参量的整合计算和日循环的非稳态计算）有明显的优势。

二、城市空气质量

由于空气的流动性，影响空气质量的因素有多种。张仁健[2]课题组对北京地区PM2.5化学组成及污染源研究的结果表明，土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶是PM2.5的主要来源。针对中科院有关北京雾霾六大贡献源的结论，环境保护部认为，做雾霾的源解析，需要一年以上时间的监测，获取大量的监测信息，要做大量的源分析，还要有一定的研究模型。这种情况下，选哪些监测点也非常重要。更多的学者认为，机动车是大城市的主要污染源。刘浏[3]以79个地级以上城市2008年统计数据为依据，对年日均SO2、NO2、PM10浓度进行了分析，结果表明，目前我国城市工业污染逐步缓解，交通污染日益严重。

气象场对城市空气质量的影响需在长期观测气象因子与空气质量因子的基础上，采用一定的统计模型，才能将两者结合起来。常用的软件有MM5/WRF、Metphomod、ADMS等，模拟涉及的污染物有SO2、NO2、O3等，模拟所需的数据通常包括地形、污染源类型、天空覆盖度、温度、湿度、大气压、风速、风向和降雨量等，上述几个模型侧重于污染物在多种气象条件下的扩散，对街道和场地的描述仅限于几何形状，并没有考虑材料的性质。这对于建设项目环境影响评价、交通道路环境影响评价、区域规划政策环境影响评价、大气环境容量计算等项目是足够的，但还需要细化场地条件，以使模拟结果更加科学。

三、城市水文

城市化改变了城市地坪，破坏了原有的水文过程。硬化地面的增加，拦截了地下水的渗漏，增加了地表的径流，造成水土流失。常用的软件有SWMM。SWMM模型包括：气象数据、水文数据、水力数据和水质数据。用以模拟径流和融雪过程的气象数据有温度、蒸发、风速和融雪以及区域损耗；水文数据除了雨量计和子流域，还包括含水层、融雪、单位流量过程线和对滞留、下渗和蒸发的调控；水力学数据涉及横断面、入流和控制器；水质数据涉及污染物、土地利用和污水处理；污染物包括以下污染物名称、污染物浓度、降水中的污染物浓度、地下水中的污染物浓度、渗透污染物浓度和最初衰减系数；土地利用类型数据包括住宅区、商业区、工业区和未开发区域等，用于计算流域内部污染物的积累和冲刷速率。土地表面属性包括屋顶、草坪、人行道和未受干扰土壤等。

四、城市交通

城市交通与土地利用的互动作用关系是城市空间发展的基本动力，研究模拟空间活动的位置、土地利用、不动产市场和交通系统的关系，并且从经济、财政和环境的角度评价交通对不同城市和地区的工程和政策的可能效果，是城乡规划设计的重要内容之一。城市交通数值模拟方面比较好的软件有TRANUS。

王树盛利用TRANUS软件平台结合昆山实际创建了交通与土地利用一体化分析模型[4]，通过对2008年的模型模拟输出结果与观测数据的比较对模型的参数进行了校核，验证了模型的可靠性，并以对轨道交通与城市空间布局的关系的分析为例说明了模型的应用，为昆山城市总体规划方案的制定和优化提供了定量支撑。

五、结论

城乡规划不仅影响土壤的性质，也影响了大气、水和植物的循环；规划的结果更对社会、经济和文化产生深远的影响。综合上述研究内容，就城乡规划学科涉及的数值模型进行研究的话，在以下几个方面还需要进一步的加强：

1.多源数据共享与融合。城乡规划既关系到个人的利益，也关系到社会各方面的利益，城乡规划应融合、集各学科研究所长，为城乡规划所用。气象、环保、国土、交通和水利等部门的基础数据和研究成果也应及时和城乡规划学科共享，转变成规划的语言才能更好地指导规划。

2.各种模型的本地化和验证。规划只有贴近实际才能落到实地，各学科由于研究的范围不同，涉及的尺度也各不相同，城乡规划需要将各部门的研究成果在不同的尺度上本地化，同时也应注意结合实地的观测，驗证各模型的结果，只有符合实际，才能运用以指导规划的实施。

3.实际教学中的应用。随着计算机技术、3S技术、大数据处理技术、自动观测技术和现代教育技术的发展，城乡规划学科应拓展视野、集百家所长为自己所用，更全面合理、更科学、更智慧地进行城乡规划，才能更好地建立和谐社会，才能有利于社会的可持续发展。

参考文献：

[1]王咏薇，蒋维楣，郭文利，王晓云.城市布局规模与大气环境影响的数值研究[J].地球物理学报，2008，51（1）：88-100.

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

[3]刘浏，我国城市空气质量与影响因子分析以79个地级以上城市2008年统计数据为依据[J].苏州科技学院学报（工程技术版）2011，24（1）：10-14.

[4]王树盛，交通与土地利用一体化分析技术及其应用——以昆山城市总体规划为例[J].城市规划，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