广州市主城区城市地形类型与风环境评价

1980年以来,中国城市经历了历史上最大规模的平面扩展与垂向高度的抬升,北京、上海、广州、香港、重庆等成为全球城市高层、超高层建筑物密集分布的城市[1-3]。城市建筑高度与密度的提高,导致城市风速降低,风环境质量变差。同时,伴随着城市建筑高度与密度的提高,原有的自然地形发生了极大改变,城市人工地貌类型变得多种多样。风环境质量是生态环境质量的一个重要内容,它与热岛强度、雾霾天气出现频率和静风日数等指标密切相关。在同样的来流之下,风环境质量主要依赖于区域的地形类型及其在整个城市宏观地形中所处的相对位置。高层建筑集聚的城市内部、建筑密度较高的“城中村”、高层围绕的“盆地”,以及由密集高层形成的背风区,由于风速减缓,形成城市内部高温和污染物不易扩散的斑块。因此,准确的划分城市地形组合类型,并选择合适的风环境评价方法,才能客观地反映城市地形组合类型及其地形对风场影响[4-5]。近地面风环境质量的评价,将有助于优化和提高城市宜居环境的质量。

虽然自然地形分类体系与标准的研究已经比较完善[6-8]。然而,由于自然地形和城市人工地形差异较大,目前城市人工地形的划分还不能直接引用自然地形的分类体系与标准[9]。城市地形前期的分类相对简单,侧重于城市构筑物[10-11]。相比之下,近年来李雪铭对城市地形的划分最为系统[12-13]。传统的地貌类型划分主要依靠判读勾画,近年来,多基于ArcGIS,通过数字高程模型数据(DEM)进行地形地貌形态的分类[14-16]。另外,与城市建筑地形相关的指标如建筑高度、建筑密度、城市天际线、城市体积及分维数、城市三维重心等在城市地形分析中得到了广泛的应用[17-23]。总体上,相比于城市高层建筑的发展速度以及社会的需求,针对城市地形分类的标准、方法以及应用的研究还比较缺乏。不过,仍可以借鉴自然地形的分类体系与建筑形态指标,基于GIS对城市地形进行分类。其中自然地形的分类体系里,海拔高度、相对高度、起伏度以及地形单元的平面形状是地形类型划分的主要指标,从而也成为城市建筑地形分类的主要指标。

城市地形与风环境相互关系的研究中,城市风道的规划是关注的重点。无论空间尺度大小,城市风道识别与风环境的评价必然要考虑自然与人工地形[24]。在ArcGIS平台借助LCP(Least cost path),能确定费用表面的最佳路径[25]、动物的最佳生态廊道[26-30],以及偷采者可能的潜入路线[31]。在风环境研究领域中,目前在迎风面密度(λf)基础上,运用LCP识别城市风道的尝试逐渐增多[32-36]。总体上,运用LCP对风道的辨识中,基于格网评价相对较多,更多的突出了建筑物的相对高度,适合运用于平原城市,对于自然地形考虑不足。同时,LCP的运用仅限于风道识别,还没有扩展到风环境质量的评价。

综上所述,本文以高层建筑密集的特大城市广州主城区为例,从宏观的城市尺度出发,基于建筑与自然地形形成的综合DEM,对城市地貌的形态特征进行简要的分类。在此基础上,运用最小路径法,在三种主风向约束下,辨识和评估了城市尺度的风道以及城市的风环境质量。

1 数据来源与研究区域

本文数据主要包括：2014年等高距5 m的等高线数据、2017年广州市单体建筑数据(

本文所划定的广州市主城区是以珠江新城为中心半径约为12 km的范围,包括了整个海珠以及传统的越秀、荔湾、芳村、天河以及白云区的大部分,面积约为447 km2。主城区北部为白云山、凤凰山、火炉山等丘地,南部有珠江前后航道、海珠湿地、万亩果园等。研究范围包括了中部城市建筑密集区、北部白云山低丘以及平坦的东南部湿地三大地理单元,能反映城市建筑密集区与周边地形的风场相互作用,也能较好地体现珠江、建筑物之间以及丘陵地形夹持下不同类型的风道(图1)。

图1 研究区域单点建筑物高度的分布Fig.1 Distribution of height of single-point buildings

2 城市地形的分类标准与地形特点

2.1 综合DEM的生成

根据等高线生成的数据,获得每幢单点建筑物的基底海拔高度,将其与建筑本身高度相加,获取建筑物的绝对高度。以建筑面的质心代表建筑物位置,得到建筑的高程数据。地形等高线亦转为折点,同样形成地形的高程数据。保留珠江的基本形态,将珠江水域的矢量面数据同样转化为折点,赋高程为0 m,和前述建筑、地形高程数据合并,得到包括建筑、地形、水域三种要素在内的点集合。在Surfer软件下采用最小曲率法,生成混合的DEM,采样分辨率为50 m。使用最小曲率法可在保持数据科学性的同时,生成尽可能圆滑的曲面。

文章来源：《广州化工》 网址: http://www.gzhgzz.cn/qikandaodu/2021/0616/1562.html