奧運(yùn)場(chǎng)館規(guī)劃方案大氣環(huán)境效應(yīng)研究

1、問題的提出

　　同國(guó)外相比，我國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模逐年增大。以北京市為例，改革開放以來，城鎮(zhèn)人口和建設(shè)用地急劇增加，1980年～1989年城鎮(zhèn)人口年均增加12.1萬，建設(shè)用地年均增加26.2km²。隨著城市化進(jìn)程的加速，北京城鎮(zhèn)人口和建設(shè)用地增加的趨勢(shì)更為明顯，1989年～2003年城鎮(zhèn)人口年均增加33.8萬，城鎮(zhèn)人口由1990年的1086萬增至2003年的1456萬，建設(shè)用地年均增加36.1km²，市區(qū)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(jī)動(dòng)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(dāng)于1949年舊城建筑總量(1760萬m²)的兩倍。城市體積的不斷擴(kuò)展引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，如“城市熱島”、“城市干島”、“城市混濁島”的存在等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京由于城市熱島效應(yīng)，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(duì)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(dá)5km……因此，城市規(guī)劃一方面要考慮城市發(fā)展而擴(kuò)大建設(shè)，另一方面要顧及農(nóng)、林、水、土、氣的影響，因而任務(wù)艱巨、問題復(fù)雜，這也是我國(guó)城市規(guī)劃的主要特點(diǎn)。在這種背景下，如何更為合理地實(shí)施城市規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，減少規(guī)劃建設(shè)過程中人為的負(fù)面影響是目前發(fā)展過程中亟待解決的問題。因此，除建立一套長(zhǎng)遠(yuǎn)的、有序的、可持續(xù)發(fā)展的城市規(guī)劃運(yùn)作和管理機(jī)制外，發(fā)展和完善城市規(guī)劃學(xué)科的理論、方法與實(shí)施機(jī)制是我國(guó)城市化進(jìn)程中迫切需要解決的問題。

　　城市規(guī)劃是城市建設(shè)和發(fā)展的藍(lán)圖，是建設(shè)和管理城市的基本依據(jù)。城市規(guī)劃搞得好不好，直接關(guān)系到城市總體功能的有效發(fā)揮，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。在城市規(guī)劃這項(xiàng)全局性、綜合性、戰(zhàn)略性的工作中，應(yīng)樹立全面、協(xié)調(diào)、科學(xué)、可持續(xù)的發(fā)展觀，處理好資源有效利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，以充分保障城市規(guī)劃作為公共政策的綜合協(xié)調(diào)職能的發(fā)揮，保障政府在環(huán)境、資源和城鄉(xiāng)土地利用配置方面的有效干預(yù)，使城市規(guī)劃在統(tǒng)籌區(qū)域發(fā)展、統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，做到統(tǒng)籌人與自然的和諧發(fā)展，從而改善人居環(huán)境，保證城市健康、持續(xù)地發(fā)展。

　　城市規(guī)劃是一門復(fù)雜的綜合學(xué)科，僅以本文的結(jié)合點(diǎn)—城市規(guī)劃與氣象環(huán)境為例，兩者相輔相成的關(guān)系較為明顯。規(guī)劃設(shè)計(jì)建立在城市氣候環(huán)境的基礎(chǔ)之上，同時(shí)城市中人類的活動(dòng)及下墊面的變化、建筑群的布局差異，都會(huì)對(duì)城市氣象環(huán)境產(chǎn)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(kuò)散速度和方向。從城市規(guī)劃管理角度出發(fā)，如不重視城市發(fā)展對(duì)局部環(huán)境氣象條件的影響，很可能會(huì)造成難以逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)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(jìn)大氣環(huán)境質(zhì)量的收效也會(huì)因城市規(guī)劃管理疏忽了城市發(fā)展對(duì)環(huán)境氣象的影響而被抵消。相反，如果在城市發(fā)展規(guī)劃中合理考慮環(huán)境氣象條件，對(duì)政府及城市規(guī)劃、建設(shè)部門的科學(xué)決策，改善城市環(huán)境氣象狀況，提高市民生活質(zhì)量，建設(shè)面向21世紀(jì)的現(xiàn)代化大都市，都具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

2、科技進(jìn)步背景下對(duì)規(guī)劃理念的再認(rèn)識(shí)

2.1 實(shí)施理念

　　在傳統(tǒng)城市規(guī)劃理論中，依據(jù)資源和建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃的實(shí)施而編制的城市規(guī)劃著重考慮的是建設(shè)項(xiàng)目的空間安排。在這種思路下，規(guī)劃中對(duì)氣象因素的考慮主要體現(xiàn)為對(duì)風(fēng)玫瑰圖及污染系數(shù)玫瑰圖的考慮。當(dāng)前，城鄉(xiāng)規(guī)劃的任務(wù)已演變?yōu)榻y(tǒng)籌資源、環(huán)境和人口，發(fā)展建設(shè)和保護(hù)環(huán)境。強(qiáng)調(diào)“以人為本”的融合，全面建設(shè)小康社會(huì)對(duì)規(guī)劃提出了更高的要求，即規(guī)劃必須統(tǒng)籌兼顧、綜合協(xié)調(diào)布局。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為氣象環(huán)境數(shù)值的預(yù)報(bào)工作提供了強(qiáng)有力的支持，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)預(yù)報(bào)氣象環(huán)境數(shù)值成為國(guó)際上研究城市大氣環(huán)境領(lǐng)域中最受重視、最有活力、最具科學(xué)性的方法。信息技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字規(guī)劃技術(shù)成為城市規(guī)劃編制和規(guī)劃管理的重要手段和推動(dòng)力量。因此，在當(dāng)前條件下，如何在科技進(jìn)步的背景下借助新興科學(xué)技術(shù)重新加強(qiáng)氣象環(huán)境與城市規(guī)劃的聯(lián)系，更為科學(xué)、客觀、系統(tǒng)地研究城市規(guī)劃大氣環(huán)境效應(yīng)，并對(duì)其影響進(jìn)行定性和定量的評(píng)估是目前城市規(guī)劃大氣環(huán)境問題研究的熱點(diǎn)與前沿。從這一需求出發(fā)，以《北京城市規(guī)劃建設(shè)與氣象條件及大氣污染關(guān)系研究》等項(xiàng)目的科研成果[1]為依托，運(yùn)用“城市大氣環(huán)境多尺度數(shù)值模擬系統(tǒng)”對(duì)不同尺度的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量評(píng)估，以便在城市規(guī)劃實(shí)施之前對(duì)不同方案進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)建成后的大氣環(huán)境狀況，為優(yōu)化城市局部設(shè)計(jì)和整體規(guī)劃提供依據(jù)。

2.2 主要技術(shù)思路

　　城市小區(qū)規(guī)劃對(duì)氣象和大氣環(huán)境的影響是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此，其相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)呈現(xiàn)多目標(biāo)性和多層次性。層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱“AHP”)是美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家T·L·Saaty教授提出的一種新的定性分析與定量分析相結(jié)合的決策評(píng)估方法[2]。根據(jù)此方法及遵循客觀性、科學(xué)性、以人為本、層次性、區(qū)域性和可操作性等原則，把城市小區(qū)規(guī)劃—?dú)庀蟆髿猸h(huán)境看成一個(gè)層次體系，這個(gè)層次體系由目標(biāo)層、影響層、指標(biāo)層3個(gè)層次構(gòu)成。評(píng)估指標(biāo)體系的總體框架如圖1所示。其中分別就6個(gè)單項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)作如下解釋：

　　(1)I1—人體舒適度。該指標(biāo)反映了人體對(duì)外界自然環(huán)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(jì)算公式為： (1)                            

　　該公式中，Comf_I為人體舒適度指數(shù)，t、RH和V分別代表溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速。人體舒適度分指標(biāo)I1用30≤Comf_I≤90(人體感受為“較舒適”)時(shí)的區(qū)域所占的面積百分比P來衡量，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

　　(2)I2—行人舒適度。在城市小區(qū)規(guī)劃中，行人舒適度直接反映了小區(qū)規(guī)劃中建筑物對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響及行人可感受到的風(fēng)環(huán)境。行人舒適度通常用風(fēng)壓來衡量，其計(jì)算公式為：  (2)              

　　該公式中，Wind_P為風(fēng)壓，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速。行人舒適度分指標(biāo)I2用Wind_P≤0.039(人體感受為“較舒適”)時(shí)的區(qū)域所占的面積百分比P來衡量，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)同I1。

　　(3)I3—地面污染物濃度。主要考慮污染物對(duì)人們?nèi)粘；顒?dòng)的影響，地面污染物濃度分指標(biāo)I3分別用地面大氣污染級(jí)別為“優(yōu)”和“良”(如SO₂濃度小于0.15mg/m³)的區(qū)域所占的面積百分比P來衡量，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)同I1。

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

　　(5)I5—建筑物表面污染物濃度。它反映了大氣環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)的影響程度，即污染物對(duì)人們居住環(huán)境的影響大小。建筑物表面污染物濃度分指標(biāo)I5用評(píng)估區(qū)域建筑物表面大氣污染級(jí)別為“優(yōu)”和“良”的區(qū)域所占的面積百分比P來衡量，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)同I1。

　　(6)I6—自凈時(shí)間。本指標(biāo)表征小區(qū)規(guī)劃對(duì)污染擴(kuò)散能力的影響，具體表現(xiàn)為瞬時(shí)污染源(如交通污染源)擴(kuò)散到小于一定濃度時(shí)(如污染源排放濃度的1％)所需的無量綱時(shí)間T(用氣流穿過小區(qū)的特征時(shí)間無量綱化)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

　　本文以奧運(yùn)場(chǎng)館大氣環(huán)境研究為例，運(yùn)用多尺度數(shù)值模式中的城市小區(qū)尺度模式進(jìn)行計(jì)算分析[3]，得到風(fēng)速、溫度、污染物濃度等要素值的分布情況。將相應(yīng)的要素值放入(1)、(2)兩個(gè)計(jì)算公式后得出各分指標(biāo)的大小，再將6個(gè)分指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)(各分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如圖1所示)，最終得到奧運(yùn)場(chǎng)館規(guī)劃方案大氣環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)估指數(shù)I。根據(jù)綜合指數(shù)I即可科學(xué)地定量評(píng)估現(xiàn)有環(huán)境狀況和不同規(guī)劃方案的環(huán)境效應(yīng)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(guī)劃實(shí)踐中的應(yīng)用

3.1 五棵松文化體育中心兩個(gè)規(guī)劃方案的大氣環(huán)境效應(yīng)分析

　　五棵松文化體育中心坐落于北京城西部，西臨西四環(huán)，南臨復(fù)興路。該區(qū)內(nèi)有兩條城市主干道(西四環(huán)和復(fù)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(yè)、辦公和居住建筑。

　　利用上述評(píng)估系統(tǒng)對(duì)體育中心A、B兩個(gè)不同規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估分析，以確定環(huán)境適應(yīng)性更為合理的規(guī)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(fēng)向，場(chǎng)館建成后的主要污染來自汽車排放的尾氣，因此，評(píng)估時(shí)主要考慮了交通污染源的影響)。

　　要素場(chǎng)分布—利用城市小區(qū)尺度模式進(jìn)行模擬計(jì)算，得到風(fēng)速、溫度、污染物濃度等要素值的分布情況。圖2為兩個(gè)規(guī)劃方案夏季風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果剪切圖，該圖顯示的是不同場(chǎng)館的規(guī)劃立體圖和氣流場(chǎng)的疊加，可以連續(xù)進(jìn)行直觀形象的動(dòng)畫播放。圖3給出了兩個(gè)規(guī)劃方案夏季地面NOx污染物濃度場(chǎng)(單位mg/m³)分布的模擬結(jié)果，亦顯示了不同場(chǎng)館的規(guī)劃立體圖和污染物濃度的疊加。

　　指標(biāo)分布—由表3及上述分析可知：夏季，就人體舒適度指標(biāo)而言，方案B優(yōu)于方案A；而就行人舒適度指標(biāo)而言，方案A優(yōu)于方案B；就綜合評(píng)估指標(biāo)而言，方案B優(yōu)于方案A。因此，綜合比較兩個(gè)方案的大氣環(huán)境效應(yīng)，方案B較優(yōu)。

3.2 奧林匹克公園兩個(gè)規(guī)劃方案的大氣環(huán)境效應(yīng)分析

　　規(guī)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(qū)交通十分便利。奧林匹克公園南部有北土城路和北四環(huán)路貫穿而過，中部地區(qū)有城府路和大屯路兩條城市主干道，北部為北五環(huán)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(chǎng)館在內(nèi)，賽后可綜合使用，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)奧林匹克精神。其周邊為商業(yè)、辦公和居住建筑。

　　依照五棵松文化體育中心規(guī)劃方案的分析方法，可以得出奧林匹克公園不同規(guī)劃設(shè)計(jì)方案下的風(fēng)速、溫度、污染物濃度等要素值的分布變化情況(表4)。總的來看，兩個(gè)規(guī)劃方案冬、夏兩季的評(píng)分相差不大，都較利于污染物的擴(kuò)散，整體通透性較好。方案A中，人體舒適度指標(biāo)在冬、夏兩季明顯不同，冬季為5，而夏季僅達(dá)到1，這主要是因冬、夏兩季氣溫差異較大導(dǎo)致的。而方案B中人體舒適度指標(biāo)冬季為4，夏季為1；兩方案冬夏兩季的污染物指標(biāo)差別不大，均得到了較高的評(píng)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(píng)分較低。

4、結(jié)論與討論

　　本文從城市規(guī)劃建設(shè)中的環(huán)境理念出發(fā)，探討了科技進(jìn)步背景下如何提升規(guī)劃中環(huán)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(shí)施的奧運(yùn)場(chǎng)館規(guī)劃方案大氣環(huán)境效應(yīng)評(píng)估為例，提出了一套客觀、科學(xué)、可操作的評(píng)估指標(biāo)及評(píng)估方法，具體展示了新時(shí)期城市規(guī)劃建設(shè)對(duì)環(huán)境理念的科學(xué)運(yùn)用。從小的方面來看，該評(píng)估尺度的實(shí)施關(guān)系到城市中越來越多的小區(qū)與大型建筑設(shè)施的建設(shè)；從大的方面來看，它又僅是城市多尺度氣象環(huán)境評(píng)估中的一部分。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加速，城市內(nèi)部(城市小區(qū)、大型建筑設(shè)施等)、各個(gè)城市(超大城市、新興城市等)、城市群(都市圈、經(jīng)濟(jì)帶等)的發(fā)展日新月異。日益突出的城市環(huán)境問題表明，如果城市要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)就必須合理地考慮氣象環(huán)境效應(yīng)的影響。在現(xiàn)有城市發(fā)展?fàn)顟B(tài)和發(fā)展趨勢(shì)下，單一化尺度的城市大氣環(huán)境效應(yīng)研究存在很大的局限性。若要更好地研究解決城市發(fā)展氣象環(huán)境問題就要求我們應(yīng)針對(duì)不同的范圍進(jìn)行不同的思考，即建立多尺度大氣環(huán)境評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立反映了不同模擬研究范圍(數(shù)百公里的城市周邊、數(shù)十公里的城區(qū)、數(shù)公里的城市小區(qū)及數(shù)十米的建筑物)、不同分辨率(數(shù)公里、數(shù)百米、數(shù)十米及數(shù)米)和不同尺度的特殊物理過程。不斷發(fā)展完善該系統(tǒng)，提取出研究對(duì)象由大到小、由粗到細(xì)的環(huán)境信息，掌握城市周邊地區(qū)—城區(qū)—城市小區(qū)甚至街區(qū)內(nèi)、建筑物間的大氣環(huán)境特征及變化情況，為優(yōu)選、調(diào)整、優(yōu)化城市整體和局部規(guī)劃提供依據(jù)將是我們共同的目標(biāo)。在“以人為本”的科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，城市規(guī)劃應(yīng)在統(tǒng)籌區(qū)域發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)做到統(tǒng)籌人與自然和諧發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]
[1]汪光燾. 氣象、環(huán)境與城市規(guī)劃[M]．北京：北京出版社，2004.
[2]北京城市規(guī)劃建設(shè)與氣象條件及大氣污染關(guān)系研究課題組．城市規(guī)劃與大氣環(huán)境[M].北京：氣象出版社，2004.
[3]汪光燾．貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀　改進(jìn)城鄉(xiāng)規(guī)劃編制[R]. 2004．
[4]苗世光，蔣維楣，王曉云，等．城市小區(qū)氣象與污染擴(kuò)散數(shù)值模式建立的研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(4)：478-483.
[5]Saaty T L.The analytic Hierarchy process[M]. McGraw Hill，Inc.，1980.
[6]北京市測(cè)繪院．北京地圖集[M]．北京：測(cè)繪出版社，1994．86-88.
[7]周澤興，等．北京市汽車行駛工況和污染物排放系數(shù)調(diào)查研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(1)：48-54.
[8]Bruse Michael，Heribert Fleer．Simulating surface-plant-air interactions inside urban en-vironments with a three dimensional numerical model[J]．Environmental Modelling & Software，1998，13(4)：373-384.
[9]Kaplan H．，N．Dinar．A lagrangian disper-sion model for calculating concentration dis-tribution within a built-up domain[J]. Atmo-sphere Environment，1996，30(24)：4197-4207.

作者簡(jiǎn)介：王曉云,男,正研級(jí)高工,清華大學(xué)建筑學(xué)院博士研究生,北京市氣象局副局長(zhǎng).  
作者簡(jiǎn)介：汪光燾,男,教授,建設(shè)部部長(zhǎng),清華大學(xué)建筑學(xué)院博士生導(dǎo)師.  
作者簡(jiǎn)介：房小怡,女,工程師,博士,現(xiàn)任職于北京市氣候中心.  
作者簡(jiǎn)介：苗世光,男,副研究員,博士,現(xiàn)任職于中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所.  
作者簡(jiǎn)介：郭文利,男,正研級(jí)高工,北京市氣候中心主任.  
作者簡(jiǎn)介：蔣維楣,男,教授,博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任職于南京大學(xué)大氣科學(xué)系.