基于计算流体动力学(CFD)的湖泊因子对城市湖泊增湿效应的模拟研究: 以湖南烈士公园湖泊为例

张 伟，陈存友，胡希军，王凯丽，赵 荻

(中南林业科技大学风景园林学院，湖南 长沙 410004)

近年来，随着全球城市化进程的加快，城市人口不断聚集，城市房地产行业快速发展[1-3]。城市湖泊由于其具有独特的区位优势、适宜的气候和良好的生态效益等特征，深受广大开发商的青睐，导致城市湖区开发规划“失控”现象愈发严重[4-5]。湖泊周围被高大密集的建筑包围，空间受到严重挤压，形成了独特的“湖泊盆地”特征[6-7]。“湖陆环流”机制被阻断，使得湖泊在改善周围小气候方面的功能和效用大大降低[8-9]。如何利用现有资源缓解城市热环境、改善城市小气候和营造舒适的人居环境成为城市开发建设的重中之重[10-12]。

城市湖泊作为城市湿地生态系统的重要组成部分，是城市可持续发展的重要基础条件，具有明显的小气候效应。目前关于城市水体小气候效应的研究主要集中在以下2个方面：(1)基于定点实测[13]、气象观测站点[14]和遥感地温反演等[15]研究方法探索城市湖泊温湿度效应的空间特征及变化规律。朱春阳[16]采用定点实测方法针对湖泊水体的深度、湖泊面积和湖泊形状指数等因子对湖泊温湿度效应进行研究；DU等[17]通过对比分析湖泊与河流的冷岛效应强度，探究湖泊冷岛效应与河流冷岛效应的关系；部分学者采用监测或者遥感卫星方法研究湖泊温湿度效应的成因以及湖区周围热环境的影响机制[18-19]。(2)基于计算流体动力学(CFD)、ENVI-met等数值模拟软件探索城市湖泊小气候效应的主导因子：张磊等[20]运用CFD模拟分析了水面植物的遮阳作用、水深和水体尺寸等对水面温度的影响；宋丹然[21]运用微气候模拟软件ENVI-met分析河流宽度、河岸绿地开敞空间、河岸植被结构和住区空间形态4个因子对河流微气候效应的影响。周浩超[22]采用CFD 数值模拟软件模拟分析广州居住小区有无水体、水体占有率、水体的调节时间对微气候效应的影响。THEEUWES等[23]运用WRF模拟软件分析河流降温效应与河流面积、不同风向等之间的关系。

基于国内外大多数研究以水体自身为主，针对大、中尺度的城市建成区，侧重对水体自身传热机制以及作用机理进行研究。笔者采用小尺度定点实测[24](小尺度观测方法更有利于分析多样性与动态性方面的数据，以清晰地反映各时间段各个测点的相对指标变化)与CFD 数值模拟(CFD软件对小气候中流体力学的各类问题进行数值实验、模拟和分析，具有数据的连续性、全面性及物理模型的可调性等显著优点)相结合的方法研究湖泊面积和湖泊形状指数对湖泊周围环境湿度效应的影响，2种方法交互验证，从而更准确地揭示城市湖泊湿度效应的空间特征和变化规律，通过量化分析可为城市湖泊周边环境评价以及湖区规划提供理论依据[25-27]。

1 研究区域概况

湖南省长沙市(北纬27°51′～28°41′，东经111°53′～114°15′)烈士公园位于长沙市区东部偏北，是长沙市内面积最大的综合性公园。该地属亚热带季风气候区，冬冷夏热，雨水充足，夏季盛行东南风，冬季盛行西北风。公园总用地面积为146.35 hm2，其中，陆地面积为77.93 hm2，水域面积为68.42 hm2。公园内主要湖泊有年嘉湖和跃进湖，其中，年嘉湖面积为47.85 hm2，跃进湖面积为16.18 hm2，其余景观小水体若干，集中分布在年嘉湖西侧、纪念塔轴线东侧区域内，面积总计4.39 hm2。

2 研究方法

2.1 实测法

2.1.1样点与样线设计

根据湖泊周边的环境及样本区域的布局选择4条样线，分别位于年嘉湖北侧、西侧、西南侧及跃进湖东侧(图1)。各样线以距离湖泊0、200和400 m处布置样点，共12个样点，在每个样点处向外延伸20 m范围内，划定面积为400 m2的样方区域。空白对照组选择在距烈士公园湖泊2 000 m的芙蓉广场附近，可在最大限度上忽略湖泊增湿作用的影响。通过对研究区域15个样方中的建筑数量、建筑布局方式、绿地率、绿地组成方式和硬质铺装比率等环境因素进行统计，并对其进行打分评价(表1)，为分析样点周围环境差异性提供依据。

2.1.2实测研究条件与方法

(1)监测时间。在晴朗无风或者微风(风速小于3 m·s-1)的天气情况下选取2015年7月14、16和18日，在8:00—18:00每个整点时分别对12个样点进行同步测量记录。

(2)监测内容。保证每个样点下垫面条件一致，避免仪器受到阳光长时间的直射，均选择树荫下较为开阔的场地，测量距离地面1.5 m处相对湿度值(%RH)和风向风速(m·s-1)，每次测定时读数3次取平均值，以减小仪器误差，保证数据测量的稳定性。

(3)监测仪器。湿度测量仪器选择德国TESTO 08H1温湿度计，湿度测定范围为0～100%RH，分辨率为0.1%RH；GM890 数字风速仪，测量范围为0～45 m·s-1，分辨率为0.1 m·s-1。

2.2 数值模拟法

2.2.1模型的建立

基于CFD技术对研究区域的样本模型进行仿真模拟，考虑湖泊周围环境(包括地形、地质、土壤、水体、建筑用地、林地等)的错综复杂，笔者研究集中于湖泊面积和湖泊形状指数(LSI，Il,s)对城市湖泊增湿效应的影响。Il,s计算公式为

(1)

式(1)中，L为湖泊周长，m；x为不规则形状系数；A为湖泊面积，m2。首先利用AutoCAD 2010绘制底图，建立整体模型时进行适当合理化，除建筑和水体外均采用统一下垫面，为排除绿地等其他因子对湖泊湿度效应的影响，对植被情况作忽略处理。建立研究区域三维模型，输出结果为可导入CFD的ASCII文件格式。

表1 样点区域周围环境概况

2.2.2模型的计算

利用AutoCAD 2018软件建立三维模型并导入ANSYS Workbench中的Design Modeler进行处理，得到流体计算域，并命名不同边界面。

2.2.3计算条件的设立

(1)网格划分。采用ANSYS Meshing进行网格划分，选用非结构网格，针对研究区域场地大小，计算区域选择3 350 m×3 400 m×400 m(X轴，3 350 m；Y轴，3 400 m；Z轴，400 m)，网格总数量为739万，网格质量控制在0.3以上，可以充分满足湖泊湿度效应的模拟需求。

(2)计算设置。以研究区域流场特点为依据，采用ANSYS Fluent 17.0作为计算平台，选择压力基求解器，计算方程选用RNGk-ε模型，模拟采用速度入口、压力出口边界条件。夏季气象数据设置：主要风向为东南风，入口来流速度为1.5 m·s-1，气压为101 325 Pa。

(3)速度边界条件。入口边界条件设为速度入口，高度为x的某点风速u(x)的经典计算公式为

(2)

式(2)中，x为高度，m；u(x10)为已知高度情况下的风速，通常取气象高度为1.5 m处的风速，m·s-1；α为地面粗糙度指数，根据计算区域内建筑高度和建筑密集程度可得到不同的计算值，市区、近郊、绿化区和稠密的低层住宅区α取值0.25。为保证模拟结果的可靠性，对3 d的14:00实测风速取平均值v=1.5 m·s-1，选择夏季主导风向东南风，将其作为边界条件输入。

来流入口湍动能(k)和湍动耗散率(ε)计算公式为

(3)

(4)

式(3)～(4)中，x为高度，m；Cμ为常数，取值0.084 5；κ为卡门常数，取值0.4。选取7月16日14:00夏季空气温度、相对湿度和水蒸气质量分数作为模拟参数(表2)。

表2 模拟参数的设定

由平行定点实测结果可知，夏季7月湖泊对周边环境的增湿效应最强，8:00—18:00时间段内，12:00前后地表温度达到峰值，考虑到太阳辐射有短波和长波之分，导致空气中温度在14:00前后达到峰值。

3 实测与模拟结果分析

3.1 实测结果分析

3.1.17月湖泊增湿效应日变化规律分析

将研究区域与对照场地监测所得的3 d数据进行平均化处理(图2)，对比分析可知研究区域与对照场地相对湿度日变化规律相似，相对湿度由8:00开始逐渐降低，15:00—16:00达到最低值，随后呈现小幅上升趋势。研究区域相对湿度变化范围为45.80%～61.63%，平均相对湿度为51.39%，对照场地相对湿度变化范围为43.89%～59.36%，平均相对湿度为49.38%。整体而言，研究区域与对照场地对比呈增湿效应，且在12:00—15:00增湿效应较明显，平均差值达2%。

3.1.27月湖泊增湿效应影响范围分析

将各测点3 d内同一时段测得的相对湿度加以平均，计算得到每条样线上0 m样点分别与200、400 m样点各时段的差值(图3)。

0 m样点与200 m样点各时段相对湿度差值的平均值为0.29%，0 m样点与400 m样点各时段相对湿度差值的平均值为1.65%，表明湖泊增湿效应与距湖泊距离呈负相关，距离越近，相对湿度就越大；对照场地平均相对湿度为49.38%，各样线上的3个样点平均相对湿度分别为52.03%、51.74%和50.38%。可见，7月湖泊对距湖岸0 m处增湿效应最强，平均相对湿度差为2.65%；对周边200 m处增湿效应稍弱，平均相对湿度差为2.36%；对周边400 m处增湿效应最差，平均相对湿度差为1%。

3.1.37月湖泊各样线实测结果分析

将4条样线7月3 d同一时刻距湖岸不同距离的实测数据分别进行求平均值处理(图4)，分析可得：(1)整体上相对湿度呈现先下降后上升趋势，受夏季主导风向以及样线周边环境的影响，不同区域湖泊增湿效应强度由大到小依次为下风向区域、垂直风向区域和上风向区域。(2)样线4(主导风下风向)与样线3(主导风垂直方向)所处风向位置不同，但周围环境(建筑密集，通风较差)相似。样线4相对湿度变化范围为46.59%～65.25%，样线3相对湿度变化范围为37.22%～60.59%，下风向区域增湿效应高于垂直方向区域。整体变化规律一致，样线3周围建筑较多，人流量大，受建筑辐射、人为热影响，导致相对湿度波动较大，整体相对湿度较低。(3)样线1(主导风垂直方向)和样线2(主导风下风向)周围环境相似(建筑较少，人流量小)，所处位置风向不同，样线1相对湿度变化范围为44.02%～62.37%，样线2相对湿度变化范围为44.65%～63.88%，表明下风向区域增湿效应高于垂直风向区域。

3.2 CFD模拟分析

3.2.1CFD模拟结果相关性验证

通过CFD模拟得到的模拟实际算例结果与定点实测(各测点3 d的平均相对湿度)同时刻(以夏季7月14:00为例)相对湿度进行相关性分析，通过散点图验证可得R2=0.859 8，表明CFD模拟结果与实测结果存在强相关性(图5)，其中，样点5、10模拟结果分别与其实测结果相差较大，这是由于地面辐射量(下垫面为硬质铺装)和人群活动量较大，导致相对湿度较低，而CFD模拟中忽略了下垫面及人为热的影响。总体而言，CFD模拟结果已经达到该研究预期要求，与定点实测结果较吻合，具有科学性和合理性。

3.2.2CFD模拟分析

由7月实际算例中1.5 m高处相对湿度(表3)和模拟云图(图6)分析可得：

(1)研究区整体相对湿度变化范围为47.7%～68.3%，相对湿度变化幅度为20.6%，风速变化范围为0.3～1.8 m·s-1，相对湿度分布情况呈现明显分区(表3)，湖泊水体上方>西北部建筑区域(下风向)>西南部建筑区域(垂直风向)>东北部建筑区域(垂直风向)>东南部建筑区域(上风向)，下风向区域增湿幅度明显高于上风向区域。

(2) 中心湖泊区域：湖泊水体区域空旷平展，湖泊上方区域空气环流形成静风区，中心水体区域相对湿度较高，水体边缘区域较低，变化范围为64.6%～65.9%，受东南部建筑的阻碍作用，风速变化范围为0.1～0.3 m·s-1。

(3)湖泊东南部区域(上风向)：区域内高层建筑较密集，沿主导风向布局较多，分布较杂乱，人流量较大，减缓了风的流动，主导风的作用力方向与水气扩散方向相反，风力成为阻碍力，过多的建筑导致太阳辐射较强，相对湿度变化范围为48.2%～48.9%，湖泊增湿效应较弱。风速变化范围为1.3～1.5 m·s-1，水气扩散范围可达400～600 m。湖泊西北部区域(下风向)：由于主导风的作用力方向与水气扩散方向一致，风力形成助推力，风力虽受到东南部建筑的阻碍作用，下风向区域内建筑多呈行列式布局，分布较整齐，一定程度上改善了风环境，整体相对湿度较高，变化范围为56.6%～57.8%，湖泊增湿效应明显。靠近水体的建筑群迎风面风速略高，变化范围为1.0～1.3 m·s-1，远离水体的建筑群内部风速较低，变化范围为0.4～0.7 m·s-1，水气扩散范围可达1 200 m。

(4)湖泊东北部区域(垂直风向)和湖泊西南部区域(垂直风向)：区域内建筑较少，多呈点状分布，湖泊增湿效应一般，相对湿度变化范围为50.1%～52.6%，风速变化范围为0.3～1.2 m·s-1，风力受到部分建筑的阻碍，扩散范围介于500～800 m之间。

3.2.3控制单因子变化CFD模拟结果与分析

3.2.3.1湖泊面积缩小1/2时的模拟分析

在原有模型的基础上，不改变湖泊的水面形状，但将其面积缩小1/2。研究区域湿度、风速分布见图7，相对湿度见表3。分析可得：

(1)中心湖泊区域：湖泊面积缩小1/2，湖泊增湿效应的分布规律与基础算例基本一致，整体相对湿度呈现下降趋势，部分湖泊水体变为人工下垫面，水体分布情况发生变化。湖泊周围部分区域相对湿度由实际算例62.6%～63.9%下降为54.3%～54.8%，下降范围为8.3～9.1百分点，主导风受到水体扩散力的阻碍变小，风速相比基础算例增加0.3～1.0 m·s-1，效果较明显。这表明湖泊水体面积减小，湖泊增湿效应减弱，风速在一定程度上得到加强。

(2)主导风上风向区域：湖泊面积减小，水气向周围的扩张力减小，水体距离建筑的距离变大，使得区域相对湿度略有下降，变化范围为48.0%～48.4%，相比基础算例降低0.2～0.5百分点，风速变化不明显，水气扩散范围约为350～500 m。

(3)主导风下风向区域：与基础算例相比，该区域相对湿度平均值为54.3%～54.8%，下降2.3～3.0百分点，风速变化范围为0.6～1.1 m·s-1，增大较明显。受到主导风向与水体分布2个方面的影响，增湿效应大小呈现较明显分区，西北部部分水体区域变为人工下垫面，导致建筑内部相对湿度较低，约为47.4%～50.8%，水气扩散范围为900～1 100 m。

(4)主导风垂直方向区域：湖泊水体距离建筑的距离变大，整体相对湿度略有减小，变化范围为48.6%～50.0%，局部区域风速增加0.2～0.6 m·s-1，水气扩散范围相对减小，约为450～650 m。

表3 湖泊面积减小1/2和为0时相对湿度

3.2.3.2湖泊面积缩小为0时的模拟分析

在原有模型的基础上，不考虑湖泊的影响，将所有水体区域设置为人工下垫面，模拟湖泊被人工不透水下垫面取代(湖泊被填埋)，研究区域湿度和风速分布见图8，相对湿度见表3。分析可得：

(1)中心湖泊区域：湖泊面积为0，相当于去掉整个散湿源，区域相对湿度大幅降低，区域最高值从68.3%下降至51.6%，整体相对湿度在47.0%～51.6%范围内，湖泊水体上方相对湿度相比基础算例下降15.1～15.5百分点。主导风减弱了对水面上水蒸气的输送，使得空气质量降低，整体风速增大0.15～0.4 m·s-1。研究区域未出现明显分区，表明湖泊水体具有显著的增湿效应。

(2)主导风上风向区域：该区域相对湿度总体变化不大，分布也较均匀，部分建筑内部湿气聚集，形成一定的高湿区，相对湿度变化范围为47.9%～48.5%，风速较实际算例增加0.15～0.3 m·s-1，缺乏水体扩张力，水气扩散范围减小450～600 m。

(3)主导风下风向区域：湖泊面积为0对该区域影响较大，缺乏散湿源，整体区域相对湿度平均值为49.2%～49.6%，下降7.4～8.2百分点，增湿效应在很大程度上受到削弱，少数建筑内部形成积湿，相对湿度稍高，水气扩散范围减小100～250 m，表明湖泊水体对周围环境存在显著的调节作用。

(4)主导风垂直方向区域：该区域相对湿度变化不大，范围为48.2%～49.4%，相比基础算例下降1.9～3.2百分点，风速均匀增加0.12～0.3 m·s-1。

3.2.3.3湖泊形状指数增大1.5和2倍时的模拟分析

保持湖泊面积不变，将湖泊形状指数增大为1.5和2倍，研究区域相对湿度及风速分布见图9～10，相对湿度见表4。分析可得：

表4 湖泊形状指数增大为1.5和2倍时相对湿度

(1)中心湖泊区域：湖泊形状指数的改变导致湖岸线变得蜿蜒曲折，水体上方高湿区呈离散型分布，整体相对湿度变化不明显，部分区域风速增加0.3～0.8 m·s-1。湖泊形状指数增大为1.5倍时，相对湿度变化范围为62.6%～63.5%，相比基础算例下降2.0～2.4百分点，风速变化范围为0.3～0.5 m·s-1；湖泊形状指数增大为2倍时，相对湿度范围为63.9%～64.2%，相比基础算例下降0.7～1.7百分点，风速变化范围为0.4～0.6 m·s-1。湖岸线的曲折导致原本的绿地形状发生变化，湖泊中心下垫面发生改变，某些较粗部分变细(较粗部分较实际算例增湿，较细部分较实际算例降湿)，可见湖泊形状指数对湖泊水体分布状况以及湖泊局部环境有一定影响。

(2)主导风上风向区域：湖泊形状指数增大使得部分水体距离建筑的距离变小，靠近水体的建筑面湿度较高，部分建筑内部形成积湿效应。湖泊形状指数增大为1.5倍时，相对湿度变化范围为49.2%～49.6%，风速变化范围为0.25～0.6 m·s-1；湖泊形状指数增大为2倍时，相对湿度变化范围为49.3%～50.0%，风速变化范围为0.3～0.7 m·s-1。水气扩散范围较基础算例增大200～450 m。

(3)主导风下风向区域：湖泊形状指数增大为1.5倍时，相对湿度变化范围为56.0%～56.5%，湖泊形状指数增大为2倍时，相对湿度变化范围为54.9%～55.6%。受主导风向和湖泊形状指数变化以及建筑物阻挡作用的影响，导致水气在扩散时呈带状分布，扩散范围变化较小。

(4)主导风垂直方向区域：该区域相对湿度总体变化较小，未呈现明显分区现象，风速变化微小。湖泊形状指数增大为1.5倍时，东北部区域相对湿度变化范围为49.7%～50.5%，西南部区域相对湿度变化范围为51.2%～51.8%；湖泊形状指数增大为2倍时，东北部区域相对湿度变化范围为49.8%～50.4%，西南部区域相对湿度变化范围为51.4%～52.3%。湖泊形状指数的改变导致部分建筑距水较近，建筑周围相对湿度增大，可达58.6%～59.2%。扩散范围较基础算例增大300～500 m。

4 结论

通过实地测量和模拟分析交互验证的方法，较全面地探析了湖泊面积和湖泊形状指数对城市湖泊增湿效应的影响，综合相关模拟结果及上述分析结果，得出以下结论：(1)城市湖泊增湿效应与距湖泊距离呈负相关，受夏季主导风向影响，不同区域湖泊增湿效应由大到小依次为下风向区域、垂直风向区域和上风向区域。(2)湖泊面积是引起夏季湖泊增湿效应的主要因素，减小湖泊面积相当于缩减整个散湿源面积，水气向周围环境的扩散量减少，水体增湿效应明显减弱，对下风向区域的影响程度高于上风向区域，少量建筑群内部形成静风区，空气流通不畅，质量较大的湿空气堆积在建筑物下方表面，空气相对湿度较高。减小湖泊面积使得水体上方区域空气流通顺畅，风速相对增大。(3)湖泊形状指数对湖泊增湿效应的影响有限，在湖泊面积不变的前提下，增大湖泊形状指数，水体的整体性发生改变，水气向周围的扩散范围增大(上风向区域、垂直向区域)，湖泊整体增湿效应变化较小，局部区域会出现相对湿度较高的现象，整体风速相对增加，对周围局部环境具有一定改善作用。

定点实测与CFD 模拟分析结果表明采用CFD技术研究中、小尺度下城市湖泊水体小气候是可行的。但在研究过程中，仍然存在着一些问题需要在今后的深入研究中得到进一步完善：(1)在选取样本区域方面，仅选择了湖南烈士公园单一湖泊作为研究对象，缺乏对照的样本区域，在今后调研中需要增加样本湖泊，从而得出更科学、准确的规律。(2)由于计算能力有限且该研究区域建筑及周边环境复杂，在CFD 模拟中对计算模型进行了大幅简化，将模拟条件设置为阴天，简化了太阳辐射条件的设置，在下垫面设置中，统一设置为地面，忽略了绿地及道路的影响。在以后的城市湖泊研究中，应尽可能完善相关参数，使得CFD 模拟逐渐由理想模型走向现实环境，使得模拟结果更加符合实际。(3)在探索主导因子对城市湖泊增湿的影响时只选取湖泊面积和湖泊形状指数对周围环境的影响，以后需对周围的建筑因子(建筑高度、建筑后退距离和建筑布局)以及植被因子进行综合分析，为今后的城市湖区规划以及更佳人居环境的创建提供科学依据。