基于计算力流体力学的城市近郊湖泊“冷岛效应”及其情景模拟研究——以长沙市同升湖为例

张伟 ，王凯丽，梁胜，杜心宇，刘路云，陈存友*，胡希军

1. 中南林业科技大学风景园林学院/湖南省自然保护地风景资源大数据工程技术研究中心/城乡景观生态研究所，湖南 长沙 410004；2. 五矿矿业（安徽）开发有限公司，安徽 合肥 230000

城市空间扩张导致城市不断向郊区蔓延，而郊区生态环境良好，湖泊、河流等湿地资源丰富，形成多个“冷源”，对于周围区域热环境具有较大的改善作用（崔丽娟等，2015；陆芊芊等，2020）。因此，研究城市近郊湖泊“冷岛效应”的变化特征和规律对指导湖区规划建设，加强“湖陆环流”作用，充分利用自然资源改善局域热环境以及提高湖区生态环境适宜性具有重要意义（王煜东等，2016）。

目前关于城市水体“冷岛效应”的研究主要集中在2个方面。水体“冷岛效应”作用机理：一些学者选择湖泊水体作为研究对象（朱春阳，2015；纪鹏等，2017；梁胜等，2020），部分学者则选择城市河流（Katayama et al.，1991；Hathway et al.，2012），方法多采用实地测量法，研究发现水体对周边区域具有明显的“冷岛”作用。水体“冷岛效应”影响因素：从水体自身因素出发，针对水体面积、形状指数、深度的变化探究对水体降温增湿效应的影响（张伟等，2021）；从水体周边环境因素出发，针对建筑布局、建筑高度、建筑后退距离、城市形态等要素，结合 CFD、ENVI-met等数值模拟方法探究各要素对水体“冷岛效应”发挥的影响（Han et al.，2020；张棋斐等，2018；戴茜等，2019；尹杰等，2019）。随着计算机数值模拟更加的精细化，对植被、硬质等影响因素的研究更加深入（宋晓程等，2016；冯娴慧等，2017）。

总体来看，多数研究选择城市市区湖泊作为研究主体，从城市尺度上肯定了湖泊“冷岛效应”的作用，而选择城市近郊湖泊的研究较少（文莉娟等，2008；马宁等，2016；杨朝斌等，2021）。城市近郊作为市郊的连接枢纽，开发模式与市区相近，开发战略地位逐年升高（张振鹏等，2014）。本研究选择长沙市近郊区同升湖，采用实地测量分析湖泊“冷岛效应”的变化规律，结合CFD情景模拟分析湖泊周边建筑因子对温度场的影响，通过控制单一影响因子的变化模拟探究建筑因子对湖泊“冷岛效应”的影响机制，对未来湖区规划开发建设以及充分发挥湖泊“冷岛效应”的作用具有重要指导意义。

1 研究区域概况

同升湖位于长沙市雨花区中部偏南（111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N），距离建成区 9.5 km 的城市近郊。本文将同升湖以及北面和南面两个水库及周边600 m范围用地作为研究区域（如图1），占地总面积101.5 hm2，其中水体面积34.54 hm2。研究区域共有建筑740栋，目前湖泊周边仍在开发建设，研究湖泊水体对周边热环境的影响具有重要意义（如图2）。

图2 研究区域周边环境Fig. 2 Surrounding environment of the study area

2 研究方法

2.1 平行定点实测法

2.1.1 样点与样线设计

根据夏季实测风向（偏南风）以及长沙市夏季历史主导风向（东南风）在湖泊周边分别设置3条样线，分别位于同升湖东南侧（上风向）、西北侧（下风向）和东侧（垂直风向）。样线设置保持由湖岸向周围呈直线分布，分别在每条样线上等距划分5个测点（0、150、300、450、600 m），并在距离湖泊水体岸边2000 m雨花区同升街道新兴村卫生室附近选择3个测点作为对照点，受到湖泊水体的影响可忽略（研究表明100—150 m范围内湖泊小气候的尺度效应明显）。样点布置与对照点的布置如图1所示。

图1 研究区域和对照区域样线及样点布置Fig. 1 Sample point layout in the study area and control area

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（见表1），为分析样点周围环境差异性提供依据。

表1 样方环境参数变量统计Table 1 Environmental parameter variable statistics of sample square

2.1.2 测量内容及方法

（1）天气条件：选择晴朗无云、晴朗少云以及无风或者微风的天气，在树荫下距地面1.5 m处连续观测，若测量时天气发生变化，出现雷雨天气，则放弃测量数据（避免太阳直射、强风等因素的影响）。

（2）测定方法：从夏季（6—8月）每个月中挑选符合测量条件的3 d（见表2），测量时间08:00—19:00，每隔1小时同步记录3次各测点及对照点的温度、风速风向。

表2 测量时间Table 2 Measuring time

（3）测量仪器：温度测量选用德图TESTO08H1温湿度计（测定范围：−10—60 ℃，分辨率：0.11 ℃；0.1% RH），风速测量仪器选用GM890数字风速仪（测定范围：0—45 m·s−1）。

2.2 CFD数值模拟法

2.2.1 模型建立

结合卫星地图采用 CAD软件三维建模的模式进行三维模型绘制，为方便 CFD后期模拟对研究区域建筑形状、建筑外立面、植被高度等进行适当简化（图3）。

图3 研究区域三维模型和计算域平面图Fig. 3 Three-dimensional model of the study area and Computational domain plan

2.2.2 模型计算过程

（1）计算域划分

将 AUTO CAD2018中建立的三维模型导入ANSYS WORKBENCH中的 DESIGN MODELER中进行处理，划分得到流体计算域，并对不同边界面进行命名，包括速度入口、压力出口、壁面和对称面。计算域大小2500 m×2800 m×180 m，充分满足情景模拟需求（姜平等，2020）。

（2）网格划分

采用非结构化网格（网格具有较好的灵活性、适应性），对建筑外立面与地面的交界处、植被区域进行局部加密处理，其余部分则采用精度较大网格（程雪玲等，2015）。整体网格划分数量在1205万，网格质量控制在0.3以上，满足模拟需求。

2.2.3 计算设置

采用ANSYS Fluent 20.0作为计算平台，选择压力基求解器，计算方程选用RNG k-ε模型，选择速度入口压力出口边界条件，并设置相关参数完成模拟计算。

（1）辐射模型

选择Solar Ray Tracing作为太阳辐射的计算算法。太阳直射辐射量 604 W·m−2，散射辐射量 318 W·m−2，太阳入射系数1.0，地面反射率0.38。

（2）湍流模型

选择 RNG k-ε模型进行数值模拟，相比FLUENT中提供计算的其它湍流模型（单方程(Spalart-Allmaras)模型、双方程模型、k-w及 RSM模型和LES等），该方程模型更适用于低速湍流数值模拟，应用更加广泛（Patankar et al.，1983）。

（3）多孔介质模型

研究区域位于长沙市郊区，湖泊周围的植物环境以及地形较市区更加复杂，在构建植物模型时，考虑后期模拟的周期以及电脑配置的需求，针对场地内部复杂地形的区域建立三维模型，绿地密度950 kg·m2，导热系数 0.42 W·m2·K−1，植物孔隙率取夏季常绿植物0.55（Molina-Aiz et al.，2006）。

（4）组分运输模型

本文考虑水体蒸发产生的水蒸气与空气主要组成组分（N2和O2）的输运、扩散过程中没有发生化学反应，选择通用有限速率模型中的无反应物质输运模型（Nagarajan et al.，2004）。

（5）出入口边界条件

模拟采用速度入口（velocity-inlet）、压力出口（pressure-outlet）边界条件，具体参数见表3。

表3 入口来流参数Table 3 Inlet flow parameters

入口速度的分布采用指数模型，速度与高度之间的变化关系如式（1）：

式中：

x——高度；

u(x10)——高度10 m处的风速；

α——地面粗糙度指数，根据《建筑结构荷载规范》，本文取为0.25。

2.3 CFD情景模拟验证

通过模拟得到1.5 m高度处温度云图，读取定点实测各测点位置温度值，并与定点实测同时刻（夏季6—8月14:00温度平均值）温度进行对比及相关性分析。

由图4可知，CFD模拟结果与实测数据之间的温度误差为0.33 ℃。测点1、测点2、测点3、测点8、测点12、测点13、测点14的实测数据与模拟数据基本吻合；测点4、测点5实测值低于模拟结果，是由于测点4、测点5距离湖泊较远，周围植被较丰富，测量时受到植被的遮阴作用，实际模拟时，对于周边植被并没有考虑单体植物遮阴的影响，使得模拟温度较大；测点6、测点7实测温度低于模拟温度是由于测点距离同升湖水体较近，且测点位于马路旁边，样线位置与主导风的作用方向一致，实际测量时温度值受到湖泊水体的影响较大，导致实测温度低于模拟温度；测点10、测点11实测温度值相较于其它测点变化最大，是由于测点位于高大的乔木下，导致实测温度与模拟相比较低。实测数据与模拟数据之间相关系数r=0.929，表明二者之间存在强相关性。CFD模拟结果与实测数据吻合程度较高，具备科学性与合理性。

图4 实测数据与模拟数据对比分析和相关性分析Fig. 4 Comparative analysis and correlation analysis between measured data and simulated data

3 实测与模拟结果分析

3.1 实测结果分析

3.1.1 整体日变化规律

对每个月测量的3 d的数据进行平均值处理，得到各个月份白天08:00—19:00的湖泊温度日变化规律表，根据样线样点选取的条件，分为主导风向上风向、垂直向、下风向3组数据，对表上测定的各个样点以及对照点的数据求平均数，得到湖泊温度日变化规律。

由图5可知，湖泊具有明显的“冷岛效应”特征。在08:00—19:00时间段内，研究区域温度与对照区域温度变化趋势相似，呈“倒U型”分布，均是在下午13:00—14:00时间段温度达到最高。研究区域温度变化范围 29.98—36.20 ℃，最大温差6.22 ℃；对照区域温度变化范围30.55—37.04 ℃，最大温差6.49 ℃，高于研究区域0.27 ℃。通过对研究区域与对照区域夏季温度进行平均值计算，研究区域日均温度 33.83 ℃，对照区域日均温度34.38 ℃，平均温度差值0.55 ℃，表明夏季白天湖泊对周围环境一直存在降温作用。湖泊的降温效应随时间的推移逐渐增强，在13:00—14:00左右，降温效应最显著，受太阳辐射的影响，夏季 12:00—13:00时间段内，太阳对地面的辐射强度达到峰值，温度升高加快，温度增长速率最快。

图5 研究区域与对照区域温度日变化规律Fig. 5 Diurnal changes in temperature between the studied area and the control area

3.1.2 不同风向区域日变化规律

（1）将位于不同风向的3条样线（样线1、样线2、样线3）上所有测点以及对照点夏季3个月同一时刻的实测数据进行平均值处理，得到不通风向区域夏季湖泊温度日变化规律图（如图 6），夏季湖泊各样线温度日变化趋势相似，整体温度呈现先上升后下降的趋势，样线 1温度在 30.49—36.38 ℃，日均温度34.16 ℃；样线2温度在29.26—35.74 ℃，日均温度33.42；样线3温度在30.19—36.48 ℃，日均温度 34.38 ℃；对照区域温度在30.55—37.04 ℃，日均温度34.38 ℃。温度分布呈现下风向<垂直向<上风向<对照区域。

图6 不同风向区域湖泊温度日变化规律Fig. 6 Diurnal variation of lake temperature in different wind directions

（2）将不同风向区域与对照区域夏季各时刻实测数据取差值（如图 7），不同风向区域温度与对照区域之间的差值变化呈现下风向>垂直向>上风向，下风向区域的温度明显低于其它区域，降温最大幅度集中在 13:00—14:00，表明湖泊降温效应的强度与夏季日间最高温度相关。上风向区域、下风向区域、垂直向区域与对照区域的日均温度差值分别为0.22、0.96、0.47 ℃，湖泊对下风向区域的降温作用明显，降温幅度最大。

图7 不同风向区域与对照区域日均温差Fig. 7 The difference in daily average temperature between areas with different wind directions and the control area

3.2 CFD情景模拟分析

图8为实际算例1.5 m高度温度分布图，由表4知，研究区域内温度幅度为30.10—38.72 ℃，湖泊周边以及下风向区域的温度明显低于其它区域。

表4 改变建筑高度和建筑间距温度变化表Table 4 Changes in temperature when building height and building spacing are changed

图8 实际算例1.5 m高度处温度分布和风速矢量图Fig. 8 Actual calculation example Temperature distribution and wind speed vector diagram at a height of 1.5 m

（1）东南部区域

湖泊周围高层建筑群，对速度入口的来流存在阻滞效应和绕流作用，建筑迎风面风速 0.8—1.1 m·s−1，建筑背风面形成湍流区，风速在0.35—0.45 m·s−1，建筑群过道以及边缘形成的穿流区和角流区，风速在2.20—2.30 m·s−1。高层建筑群周围局部热量堆积，形成空气积温，加上建筑表面以及地面的辐射作用，温度变化在37.50—38.50 ℃。植被区域对太阳辐射存在一定程度的遮挡作用，温度在35.0—36.50 ℃。由于水气的蒸发扩散力与主导风作用方向相反，湖泊水体的降温作用在距湖岸 100 m范围明显。

（2）湖泊中心区域

由风速矢量图可知，气流在经过上风向区域建筑、植物的阻隔及削减作用，形成多股分流，导致湖面上水蒸气扩散过程中受到不同方向气流作用，风速变化范围在0.90—2.23 m·s–1。高风区气流流动快，带走的热量多，温度在30.12—30.25 ℃；低风区气流流动缓慢，水分蒸发的热量被带走的少，温度在32.80—34.30 ℃。湖岸地面反射率小，温度略高，在35.50—35.80 ℃。

（3）西北部区域

区域内部建筑数量少，多为点群式分布，湖泊水体在太阳辐射作用下产生的蒸发扩散力与上风向气流的作用力方向一致，形成助推作用，整体风速变化在0.48—2.38 m·s–1，对下风向区域产生明显的降温作用，温度变化范围35.25—37.88 ℃。在植被区域，水蒸气的聚集使得温度下降，在 35.60—35.75 ℃。由于区域内部建筑对气流的阻碍作用小，湖泊水体对周围600 m范围内仍存在降温作用。

（4）东北部和西南部区域

区域内部建筑数量较多，建筑密度大，分布形式多样，主要有行列式、围合式、点群式3种布局，对温度的影响作用较复杂。由图可知，高温区域主要分布在建筑群周围，建筑群外围温度变化趋于平缓。与湖岸呈行列式布局的建筑组团，建筑之间风环境畅通，对风环境改善明显，增强了湖泊对周边环境的降温效应，温度在37.20—37.56 ℃；围合式布局的建筑组团对建筑迎风面的气流形成较大阻碍作用，建筑内部气流流动不畅，在建筑迎风面形成高温区，温度变化在37.0—38.20 ℃。环状布局的建筑阻断湖泊上方冷空气向周围环境的传输，导致冷空气在建筑附近堆积，最终被建筑表面及地面所产生的辐射能量抵消，温度在36.80—37.90 ℃；分布杂乱、无序建筑间距小点状式布局的建筑群，温度在36.90—38.10 ℃，其杂乱的分布导致建筑群内部形成湍流区域，对湖泊降温效应存在消极作用。

湖泊水体对东北部区域降温范围在 50 m左右，西南部建筑群部分建筑位于水库下方，受水体的影响降温范围可达200—300 m，温度在35.40—36.10 ℃。

3.3 改变单一影响因子情景模拟分析

结合数值模拟分析结果可知，建筑因子（建筑高度、建筑布局、建筑密度、建筑后退湖岸距离）影响湖泊“冷岛效应”的发挥。由于研究区域位于城市近郊，湖泊周围建筑基本为别墅建筑，整体高度低于市区。在设计改变建筑高度因子时，结合计算机性能将研究区域建筑高度增加10 m和20 m，模拟改变建筑高度对湖泊“冷岛效应”的影响。位于湖泊水体周边不同区域的建筑排布方式多样，建筑间距也不同，在设计改变建筑后退湖岸距离和建筑间距因子的模拟时，考虑建筑后退湖岸100、200 m和建筑间距增大2倍的模拟算例。

3.3.1 建筑后退湖岸100 m和200 m

在实际算例模型的基础上，保持其它条件不变，去掉距湖岸周围 100 m和 200 m范围内的建筑，总计87栋和220栋，其他参数设置保持与实际算例一致，网格数量分别为1137万和1048万。

图9、10为建筑后退湖岸100 m和200 m的温度分布图和风速矢量图，整体温度值较实际算例下降，湖区周边局域温度因建筑后退距离增大呈现不同的分布规律。

图9 建筑后退湖岸100 m温度分布和风速矢量图Fig. 9 Vector diagram of temperature distribution and wind speed at 100 m of building receding lake shore

（1）东南部区域

建筑后退湖岸100 m，高层建筑群背风面建筑数量减少，湍流区面积减小，风速在 0.38—0.50 m·s−1，建筑过道之间的穿流区风速在 2.30 m·s−1。湖岸与建筑之间形成开敞空间，湖陆环流作用增强，温度较实际算例下降0.17—0.22 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖岸周围高层建筑数量减少，气流流动畅通，通风效果改善明显，风速在0.37—2.31 m·s−1，建筑周围温度较实际算例下降0.27—0.78 ℃。植被区域温度在 35.63—35.72 ℃，水体的降温范围在50—100 m。

图10 建筑后退湖岸200 m温度分布图和风速矢量图Fig. 10 Vector diagram of temperature distribution and wind speed at 200 m of building receding lake shore

（2）湖泊中心区域

建筑后退湖岸距离增大，湖岸周围气流受到建筑的阻碍作用减小，湖泊水体上方气流分布变得均匀，水体上方高温区和低温区的面积减小。建筑后退湖岸100 m，风速在 1.36—2.22 m·s−1，温度下降0.06—0.12 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖面上方气流流线趋向直线变化，风速在1.45—2.35 m·s−1，水气分布趋于均匀，温度下降0.15—0.29 ℃。湖岸区域虽然建筑数量减少，但地面辐射增强，温度变化不大，在35.60—35.95 ℃。

（3）西北部区域

增大建筑后退湖岸距离，西北部区域建筑数量减少，角隅区与穿流区面积减小，气流中水蒸气含量增加，降温作用明显。建筑后退湖岸100 m，风速在 0.35—2.32 m·s−1，温度降低 0.10—0.58 ℃，降温范围在550—650 m；建筑后退湖岸200 m，风速在 0.30—2.25 m·s−1，温度下降 0.35—0.77 ℃。西北部水体周边建筑少，去除部分建筑对区域温度变化影响不大，温度在35.25—35.70 ℃。水体周边的植被区域温度下降0.20—0.25 ℃，水体的降温范围在800 m左右。

（4）东北部和西南部区域

湖泊水体对主导风垂直向区域的降温范围有限，东北部与西南部区域建筑密度大，增大建筑后退湖岸距离改变了原有建筑布局，湖岸空间被打开，湖岸周围气流流动增强，建筑群内部风环境得到改善，空气温度降低。建筑后退湖岸100 m，风速在 0.25—2.18 m·s−1，温度分降低 0.10—0.29 ℃和0.19—0.23 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖岸周围空间变大，水气流动畅通，温度降低0.19—0.54 ℃和0.28—0.34 ℃，西南部区域水库水体的降温范围较实际算例增大50—100 m。

3.3.2 建筑高度增加10 m和20 m

在实际算例模型的基础上，保持其它因素不变，将研究区域内的建筑高度增加10 m和20 m，模拟参数与实际算例保持一致，模型修改后重新划分网格，网格数量为1316万和1474万。

图11、12为建筑高度增加10 m和20 m温度分布图和风速矢量图，建筑高度增加，建筑周围穿流区、涡流区、角流区的气流强度、流向发生变化，导致温度呈现差异性。

图11 建筑高度增加10 m温度分布图和风速矢量图Fig. 11 Temperature distribution map and wind speed vector diagram for 10 m increase in building height

图12 建筑高度增加20 m温度分布图和风速矢量图Fig. 12 Temperature distribution map and wind speed vector diagram for 20 m increase in building height

（1）东南部区域

建筑高度增加，气流的流线发生改变，对入口来流的阻碍作用增强，建筑迎风面风速增加，建筑过道和角隅处的风速增加，建筑背风面的风影区面积和影响范围增大，建筑辐射产生的能量增多，建筑群周围空气温度上升。建筑高度增加10 m，穿流区和角流区风速增大 0.12 m·s−1，温度增加 0.06—0.56 ℃；建筑高度增加20 m，涡流区风速减小0.17 m·s−1，穿流区风速减小 0.18 m·s−1，温度增加 0.14—0.71 ℃。湖泊水体的降温范围减小20—50 m，降温强度减弱。

（2）湖泊水体上方

上风向来流流速减小，建筑的分流作用增强，湖泊水体上方的气流分布趋于离散化。建筑高度增加 10 m，风速在 1.35—2.15 m·s−1，温度增加 0.35—0.56 ℃，湖岸周围温度在35.85—35.95 ℃；建筑高度增加 20 m，风速在 1.25—2.10 m·s−1，温度增加 0.50—0.63 ℃，湖岸周围温度在 35.92—36.05 ℃。

（3）西北部区域

区域内部建筑多为点状分布，建筑间距大，分布散，增加建筑高度导致建筑周边角流区的气流流速增大，整体温度变化较小。建筑高度增加10 m，角流区风速最大可达 2.20 m·s−1，温度增加 0.03—0.15 ℃；建筑高度增加 20 m，角流区风速在 2.12 m·s−1左右，温度增加 0.17—0.60 ℃。湖泊水体降温范围在350—500 m，较实际算例减小100—250 m。

（4）东北部和西南部区域

区域内部建筑密集，建筑高度增加，位于主导风迎风面的前排建筑对气流的阻挡作用增强，建筑迎风面以及前排建筑穿流区风速增大。导致后排建筑群内部气流流通受阻，湍流效应增强，形成空气积温，室外热舒适度下降。建筑高度增加10 m，风速在 0.23—2.32 m·s−1，温度分别增加 0.01—0.07 ℃和0.08—0.20 ℃；建筑高度增加20 m，背风区风速在 0.18 m·s–1左右，风速最高可达 2.40 m·s−1，东北部和西南部区域温度分别增加 0.14—0.15 ℃和0.22—0.37 ℃。西南部水库对周围环境的降温范围在200—250 m，较实际算例下降50 m左右。

3.3.3 建筑间距增大2倍

在不改变计算域大小的情况下，将实际算例模型中建筑之间的间距分别扩大2倍（去除相邻一排建筑），其它参数保持与实际算例一致，网格数量1054万。图13为建筑增大2倍的温度分布图和风速矢量图，建筑间距变大，建筑内部气流畅通，风速变大，带走更多的辐射热，建筑群内部温度变化明显。

图13 建筑间距增大2倍温度分布图和风速矢量图Fig. 13 The building spacing increases by 2 times the temperature distribution map and the wind speed vector diagram

（1）东南部区域

建筑间距增大，湖岸周围高层建筑过道距离增大，形成明显的风道，高层建筑之间的气流流速变大，风速可达2.35—2.42 m·s−1，建筑背风面的涡流区风环境得到改善，风速在0.35—0.55 m·s−1。气流加速带走更多的辐射热，空气温度降低 0.12—0.23 ℃。湖泊水体的影响范围减小20—30 m。

（2）湖泊水体上方

上风向气流流速增大，导致湖面上方水气流动加快，风速在1.57—2.25 m·s−1，温度较实际算例降低0.23—0.45 ℃。

（3）西北部区域

区域内部建筑数量少，增大建筑间距的影响不明显，整体风速在 0.44—2.30 m·s−1，温度变下降0.27 ℃左右。距离湖泊水体较近的建筑周围，水体的降温作用明显，温度在34.99—35.38 ℃；距离湖泊水体较远的建筑周围，水体降温作用有限，温度在 37.62—37.72 ℃。植被区域温度变化范围在35.55—35.65 ℃，湖泊水体对该区域的降温范围在500—600 m，较实际算例增大。

（4）东北部和西南部区域

建筑间距增大 2倍，原有的建筑布局、建筑形式发生改变，建筑群之间形成通道，有利于湖泊水体水气的传输，促进湖泊水体的降温作用。东北部区域风速在 0.28—2.42 m·s−1，温度降低 0.13—0.26 ℃；西南部区域受到水库水体的影响，整体热环境优于西北部区域，风速在 0.25—2.25 m·s−1，温度下降0.27—0.41 ℃，水体的影响范围在300—350 m。

4 结论

本文以城市近郊区湖泊水体作为研究对象，采用平行定点实测法结合CFD情景模拟法交互验证，通过改变建筑后退湖岸距离、建筑高度、建筑间距等参数模拟不同情境下建筑因子对湖泊“冷岛效应”的影响。结果发现，同升湖周边开发强度适宜，生态效益良好，湖泊水体对周边环境存在一定的降温作用。具体结论如下：

（1）城市近郊湖泊水体对周边区域的日均“冷岛”幅度在0.55 ℃，湖泊“冷岛效应”的强度与距湖岸距离呈显著负相关，湖泊水体周边降温作用最显著，在距湖岸300 m范围内降温效应明显，对主导风下风向区域的影响高于上风向和垂直向区域，降温强度可达0.96 ℃。

（2）CFD情景模拟结果与实测数据之间存在较高的拟合程度，相关性系数r=0.929，具有科学性和合理性，可将其作为城市湖泊“冷岛效应”后续模拟的研究工具。

（3）湖泊周边建筑空间形态是影响湖泊“冷岛效应”发挥的主要影响因素，不同工况下的模拟导致湖泊“冷岛效应”的分布规律及空间特征存在差异性。增加建筑高度，上风向区域气流的传输受阻，建筑周围穿流区、角隅区风速增大，建筑背风面热环境变差，增加临近湖泊水体周围的建筑高度会阻断湖泊与周围环境之间的“湖陆环流”效应，应合理控制湖泊水体周围的建筑高度；增大建筑后退距离对湖泊水体周边热环境的改善明显，能够增加水气向周围区域的传输距离，提高水体周边活动的舒适性。增大建筑间距有利于改善建筑内部风环境质量，提高建筑内部自然通风，缓解建筑内部的积温现象。

5 讨论

选择城市近郊湖泊水体通过实测分析湖泊“冷岛效应”日变化规律、月变化规律、时空分布规律和模拟探究湖区周边各影响因子对湖泊“冷岛效应”的影响程度对指导未来湖区开发建设以及缓解局部热环境是一种有效的方式。由于研究样本湖泊选择单一，研究过程中只针对已建设开发区域做的理想假设，除水体、绿地以外对其它下垫面均设置为裸地，需要在今后的研究中做进一步优化补足。充分验证城市市区湖泊与城市郊区湖泊的关联性，为湖泊小气候研究提供理论基础，最大发挥湖泊水体的生态效能，创造适宜的人居生态环境。