奥运场馆规划方案大气环境效应研究
1、问题的提出
同国外相比，我国现阶段经济社会快速发展，城市建设规模逐年增大。以北京市为例，改革开放以来，城镇人口和建设用地急剧增加，1980年～1989年城镇人口年均增加12.1万，建设用地年均增加26.2km2。随着城市化进程的加速，北京城镇人口和建设用地增加的趋势更为明显，1989年～2003年城镇人口年均增加33.8万，城镇人口由1990年的1086万增至2003年的1456万，建设用地年均增加36.1km2，市区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；城市机动车保有量由1990年的38万辆增至2003年的199.11万辆；北京市1957年～1961年五年间城市房屋年竣工面积平均为314.2万m2，而1997年～2001年五年间城市房屋年竣工面积平均为1928.9万m2；1999年～2003年建筑竣工面积由约2300万m2增至3500万m2，相当于1949年旧城建筑总量(1760万m2)的两倍。城市体积的不断扩展引发了一系列的环境问题，如“城市热岛”、“城市干岛”、“城市混浊岛”的存在等。据统计，北京由于城市热岛效应，1957年～1961年的五年间气温年平均升高了1.06℃，而1997年～2001年的五年间气温年平均升高了1.96℃；城郊相对湿度差在1957年～1961年平均为-1.5℃，而1997年～2001年则平均为-5.5℃。大气污染物的增多使城市空气混浊，北京城郊能见度差别可达5km……因此，城市规划一方面要考虑城市发展而扩大建设，另一方面要顾及农、林、水、土、气的影响，因而任务艰巨、问题复杂，这也是我国城市规划的主要特点。在这种背景下，如何更为合理地实施城市规划以实现城市的可持续发展，减少规划建设过程中人为的负面影响是目前发展过程中亟待解决的问题。因此，除建立一套长远的、有序的、可持续发展的城市规划运作和管理机制外，发展和完善城市规划学科的理论、方法与实施机制是我国城市化进程中迫切需要解决的问题。
城市规划是城市建设和发展的蓝图，是建设和管理城市的基本依据。城市规划搞得好不好，直接关系到城市总体功能的有效发挥，关系到经济、社会、人口、资源、环境的协调发展。在城市规划这项全局性、综合性、战略性的工作中，应树立全面、协调、科学、可持续的发展观，处理好资源有效利用与生态环境保护的关系，以充分保障城市规划作为公共政策的综合协调职能的发挥，保障政府在环境、资源和城乡土地利用配置方面的有效干预，使城市规划在统筹区域发展、统筹经济社会发展的同时，做到统筹人与自然的和谐发展，从而改善人居环境，保证城市健康、持续地发展。
城市规划是一门复杂的综合学科，仅以本文的结合点—城市规划与气象环境为例，两者相辅相成的关系较为明显。规划设计建立在城市气候环境的基础之上，同时城市中人类的活动及下垫面的变化、建筑群的布局差异，都会对城市气象环境产生不同程度的影响，从而改变城市局部小气候，影响城市污染物的扩散速度和方向。从城市规划管理角度出发，如不重视城市发展对局部环境气象条件的影响，很可能会造成难以逆转的严重后果。尽管政府在治理污染源上投入了大量资金，但最终这种改进大气环境质量的收效也会因城市规划管理疏忽了城市发展对环境气象的影响而被抵消。相反，如果在城市发展规划中合理考虑环境气象条件，对政府及城市规划、建设部门的科学决策，改善城市环境气象状况，提高市民生活质量，建设面向21世纪的现代化大都市，都具有重要的意义和实用价值。
2、科技进步背景下对规划理念的再认识
2.1 实施理念
在传统城市规划理论中，依据资源和建设项目计划的实施而编制的城市规划着重考虑的是建设项目的空间安排。在这种思路下，规划中对气象因素的考虑主要体现为对风玫瑰图及污染系数玫瑰图的考虑。当前，城乡规划的任务已演变为统筹资源、环境和人口，发展建设和保护环境。强调“以人为本”的融合，全面建设小康社会对规划提出了更高的要求，即规划必须统筹兼顾、综合协调布局。同时，计算机技术的飞速发展为气象环境数值的预报工作提供了强有力的支持，利用计算机技术预报气象环境数值成为国际上研究城市大气环境领域中最受重视、最有活力、最具科学性的方法。信息技术的发展使数字规划技术成为城市规划编制和规划管理的重要手段和推动力量。因此，在当前条件下，如何在科技进步的背景下借助新兴科学技术重新加强气象环境与城市规划的联系，更为科学、客观、系统地研究城市规划大气环境效应，并对其影响进行定性和定量的评估是目前城市规划大气环境问题研究的热点与前沿。从这一需求出发，以《北京城市规划建设与气象条件及大气污染关系研究》等项目的科研成果[1]为依托，运用“城市大气环境多尺度数值模拟系统”对不同尺度的规划设计方案进行定量评估，以便在城市规划实施之前对不同方案进行模拟分析，预测建成后的大气环境状况，为优化城市局部设计和整体规划提供依据。
2.2 主要技术思路
城市小区规划对气象和大气环境的影响是一个复杂的系统，因此，其相应的评估指标呈现多目标性和多层次性。层次分析法(Analytical Hierarchy Process，简称“AHP”)是美国著名运筹学家T·L·Saaty教授提出的一种新的定性分析与定量分析相结合的决策评估方法[2]。根据此方法及遵循客观性、科学性、以人为本、层次性、区域性和可操作性等原则，把城市小区规划—气象—大气环境看成一个层次体系，这个层次体系由目标层、影响层、指标层3个层次构成。评估指标体系的总体框架如图1所示。其中分别就6个单项评估指标作如下解释：
(1)I1—人体舒适度。该指标反映了人体对外界自然环境的生理承受程度。各地气候条件的差异使得影响人体舒适度的主要因子不同，以北京市为例，人体舒适度的计算公式为： (1)
该公式中，Comf_I为人体舒适度指数，t、RH和V分别代表温度、相对湿度和风速。人体舒适度分指标I1用30≤Comf_I≤90(人体感受为“较舒适”)时的区域所占的面积百分比P来衡量，分级标准如表1所示。
(2)I2—行人舒适度。在城市小区规划中，行人舒适度直接反映了小区规划中建筑物对风场的影响及行人可感受到的风环境。行人舒适度通常用风压来衡量，其计算公式为： (2)
该公式中，Wind_P为风压，ρ为空气密度，V为风速。行人舒适度分指标I2用Wind_P≤0.039(人体感受为“较舒适”)时的区域所占的面积百分比P来衡量，分级标准同I1。
(3)I3—地面污染物浓度。主要考虑污染物对人们日常活动的影响，地面污染物浓度分指标I3分别用地面大气污染级别为“优”和“良”(如SO2浓度小于0.15mg/m3)的区域所占的面积百分比P来衡量，分级标准同I1。
(4)I4—最高建筑物高度以下污染物浓度。本指标反映了最高建筑物高度以下区域污染物浓度分布的总体情况。该分指标I4用评估区域建筑物高度以下立体空间中大气污染级别为“优”和“良”的区域所占的面积百分比P来衡量，分级标准同I1。
(5)I5—建筑物表面污染物浓度。它反映了大气环境对人类活动的影响程度，即污染物对人们居住环境的影响大小。建筑物表面污染物浓度分指标I5用评估区域建筑物表面大气污染级别为“优”和“良”的区域所占的面积百分比P来衡量，分级标准同I1。
(6)I6—自净时间。本指标表征小区规划对污染扩散能力的影响，具体表现为瞬时污染源(如交通污染源)扩散到小于一定浓度时(如污染源排放浓度的1％)所需的无量纲时间T(用气流穿过小区的特征时间无量纲化)，分级标准如表2所示。
本文以奥运场馆大气环境研究为例，运用多尺度数值模式中的城市小区尺度模式进行计算分析[3]，得到风速、温度、污染物浓度等要素值的分布情况。将相应的要素值放入(1)、(2)两个计算公式后得出各分指标的大小，再将6个分指标进行加权(各分指标的权重系数如图1所示)，最终得到奥运场馆规划方案大气环境效应综合评估指数I。根据综合指数I即可科学地定量评估现有环境状况和不同规划方案的环境效应差别。
I=0.2×I1+0.1×I2+0.1×I3+0.1×I4+0.1×I5+0.4×I6 (3)
3、在规划实践中的应用
3.1 五棵松文化体育中心两个规划方案的大气环境效应分析
五棵松文化体育中心坐落于北京城西部，西临西四环，南临复兴路。该区内有两条城市主干道(西四环和复兴路)、一条城市次干道(西翠路)和一条城市支路。体育中心用地面积为54hm2，地段平整，周边为商业、办公和居住建筑。
利用上述评估系统对体育中心A、B两个不同规划设计方案进行评估分析，以确定环境适应性更为合理的规划方案(由于两条城市主干道都处于五棵松文化体育中心的上风向，场馆建成后的主要污染来自汽车排放的尾气，因此，评估时主要考虑了交通污染源的影响)。
要素场分布—利用城市小区尺度模式进行模拟计算，得到风速、温度、污染物浓度等要素值的分布情况。图2为两个规划方案夏季风场的模拟结果剪切图，该图显示的是不同场馆的规划立体图和气流场的叠加，可以连续进行直观形象的动画播放。图3给出了两个规划方案夏季地面NOx污染物浓度场(单位mg/m3)分布的模拟结果，亦显示了不同场馆的规划立体图和污染物浓度的叠加。
指标分布—由表3及上述分析可知：夏季，就人体舒适度指标而言，方案B优于方案A；而就行人舒适度指标而言，方案A优于方案B；就综合评估指标而言，方案B优于方案A。因此，综合比较两个方案的大气环境效应，方案B较优。
3.2 奥林匹克公园两个规划方案的大气环境效应分析
规划中的奥林匹克公园坐落于北京中轴线向北的延伸线上，该地区交通十分便利。奥林匹克公园南部有北土城路和北四环路贯穿而过，中部地区有城府路和大屯路两条城市主干道，北部为北五环路，南北方向分别有北中轴路和安立路两条城市主干道，以及北辰东路和北辰西路两条城市次干道。公园用地平整，包括体育场馆在内，赛后可综合使用，继续发扬奥林匹克精神。其周边为商业、办公和居住建筑。
依照五棵松文化体育中心规划方案的分析方法，可以得出奥林匹克公园不同规划设计方案下的风速、温度、污染物浓度等要素值的分布变化情况(表4)。总的来看，两个规划方案冬、夏两季的评分相差不大，都较利于污染物的扩散，整体通透性较好。方案A中，人体舒适度指标在冬、夏两季明显不同，冬季为5，而夏季仅达到1，这主要是因冬、夏两季气温差异较大导致的。而方案B中人体舒适度指标冬季为4，夏季为1；两方案冬夏两季的污染物指标差别不大，均得到了较高的评分；就自净能力而言，与方案A相比，方案B较差；最高建筑高度以下污染物浓度冬季略高，人体舒适度冬季略差，因而方案B的综合评分较低。
4、结论与讨论
本文从城市规划建设中的环境理念出发，探讨了科技进步背景下如何提升规划中环境分析手段的方法，并以五棵松体育文化中心、奥林匹克公园中实施的奥运场馆规划方案大气环境效应评估为例，提出了一套客观、科学、可操作的评估指标及评估方法，具体展示了新时期城市规划建设对环境理念的科学运用。从小的方面来看，该评估尺度的实施关系到城市中越来越多的小区与大型建筑设施的建设；从大的方面来看，它又仅是城市多尺度气象环境评估中的一部分。随着我国城市化进程的不断加速，城市内部(城市小区、大型建筑设施等)、各个城市(超大城市、新兴城市等)、城市群(都市圈、经济带等)的发展日新月异。日益突出的城市环境问题表明，如果城市要实现可持续发展的目标就必须合理地考虑气象环境效应的影响。在现有城市发展状态和发展趋势下，单一化尺度的城市大气环境效应研究存在很大的局限性。若要更好地研究解决城市发展气象环境问题就要求我们应针对不同的范围进行不同的思考，即建立多尺度大气环境评估系统。该系统的建立反映了不同模拟研究范围(数百公里的城市周边、数十公里的城区、数公里的城市小区及数十米的建筑物)、不同分辨率(数公里、数百米、数十米及数米)和不同尺度的特殊物理过程。不断发展完善该系统，提取出研究对象由大到小、由粗到细的环境信息，掌握城市周边地区—城区—城市小区甚至街区内、建筑物间的大气环境特征及变化情况，为优选、调整、优化城市整体和局部规划提供依据将是我们共同的目标。在“以人为本”的科学发展观的指导下，城市规划应在统筹区域发展和经济社会发展的同时做到统筹人与自然和谐发展，以实现城市的可持续发展。
[参考文献]
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[2]北京城市规划建设与气象条件及大气污染关系研究课题组．城市规划与大气环境[M].北京：气象出版社，2004.
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作者简介：王晓云,男,正研级高工,清华大学建筑学院博士研究生,北京市气象局副局长.
作者简介：汪光焘,男,教授,建设部部长,清华大学建筑学院博士生导师.
作者简介：房小怡,女,工程师,博士,现任职于北京市气候中心.
作者简介：苗世光,男,副研究员,博士,现任职于中国气象局北京城市气象研究所.
作者简介：郭文利,男,正研级高工,北京市气候中心主任.
作者简介：蒋维楣,男,教授,博士生导师,现任职于南京大学大气科学系.
