绿地生态功能导向下的CO2扩散效应研究——以沈北新区为例

——以沈北新区为例

时泳，付士磊，屠兵

摘要:目前国内对绿地的研究大多限制在“量”上，还没有从空间格局上来进行研究的。二氧化碳浓度与植物的固碳能力之间有着紧密的联系，本文以沈北新区为研究对象通过运用流体力学模拟软件对二氧化碳扩散效应进行研究进而来确定绿地在空间上的布局。通过宏观、中观、微观三个角度采用实测-模拟-验证的方法对二氧化碳在空间中的分布进行分析研究。结果表明：二氧化碳主要集中在主导风向的下风向；开敞空间通风良好的地区比较利于二氧化碳的扩散；上风向比下风向扩散效果好；较高处比较低处扩散效果好；有通风廊道且与主导风向一致时（廊道与城市风向之间的夹角在 30°-60°的范围内）扩散效果更好；二氧化碳会在建筑背风向形成集聚，在较高建筑上风向脚下形成湍流风降低该空间的二氧化碳浓度。 关键词:生态功能,二氧化碳,扩散效应,绿地

气候变化已然成为人类关注的重要环境问题之一，并成为影响人类生存及发展的根本问题[1]。二氧化碳含量的上升成为人类共同面临的重大挑战，要解决目前人类生活和自然的矛盾就需要构建基于目前情况下的绿地生态优化体系来满足人类生活对自然生态系统的需求

[2]

。然而有限的城市面积不可能无限的增加绿地的供给，我们不能一味地通过增加绿地面积

来增加碳汇量，因此如何在有限绿地面积的情况下，通过大气动态模拟技术获取城市二氧化碳的空间分布格局，揭示二氧化碳空间分布特征，界定城市植物固碳效应最佳边界，优化城市绿地系统的空间布局，从空间格局的变化上增加碳汇量，从而在城市有限绿地面积下发挥植被最大生态效应就显得尤为重要。

二氧化碳浓度与植物的固碳能力之间有着紧密的联系，因此本文以沈北新区为例开展基于植物固碳释氧效应的城市绿地系统优化布局[3]，采用生态规划中的定量分析与空间技术分析相结合的研究方法，以实地外业调查数据为基础，以模型模拟为手段，以绿地生态功能的静态和动态空间分析为主要内容，构建基于定量分析的城市绿地适宜空间布局。

1 材料与方法

1.1 区域概况分析

沈北新区地处沈阳四环北郊，位于沈阳、大连、长春、哈尔滨―东北城市走廊‖中部，南靠三环，北隔辽河、万泉河与铁岭、法库县相望，东与抚顺市、铁岭县毗邻，西接辽西走 *课题“基于二氧化碳扩散模拟的城市绿地系统空间规划研究（编号：51308350）”

廊，与新民市、于洪区相连。是连接吉林、黑龙江和内蒙古三省区的黄金通道和\"东北城市走廊\"的枢纽重地。坐标介于东经123°16'至48'，北纬41°54'至42°11'之间。 沈北新区总面积819平方千米，总人口319380人。

沈阳市沈北新区现有的农业生态绿地大约占规划区总面积的68% ，这些绿地构成了沈北新区绿地的主要基质；另外山体绿地、景区的景观绿地水域河道周围的自然景观绿地等部分作为规划区内的绿地斑块，而河流水域及其沿岸周围的绿地一起构成了沈北新区整个绿地系统的生态廊道[4]。沈北新区现状绿地布局存在的问题：（1）农田面积过大，碳汇能力低;（2）冬季西北部风沙侵袭;（3）绿地系统布局不合理，各功能类型绿地发展不均衡;（4）建成区的绿地植被类型单一，生态系统的同质化现象比较严重，生态稳定性较差。

1.2 数据来源

本文研究是基于植物的固碳释氧功能，根据植物的一般生理活性，在沈阳地区绿地植被在秋季和冬季叶片枯萎不具有固碳功能[5]，因此本文选取沈阳市春季和夏季的气候参数来对二氧化碳的扩散进行研究。二氧化碳浓度的测量采用手持二氧化碳测试仪，从2015年1月的冬天开始，到10月的秋天截止，选择早（9:00）、中（12:00）、晚（18:00）三个时段进行监测获得。同期监测点的气温、湿度及风速等参数通过中国气象网进行获取。将所获数据的平均值作为Fluent模拟初始条件。Gambit物理模型的高度确立通过阴影长度法来求得[6]。

1.3 研究方法

本文采用实测-模拟-验证的方法，根据实测获取的数据运用Fluent模拟软件从宏观的域尺度、中观的建成区尺度以及微观的小区尺度对沈北新区内部的二氧化碳进行动态模拟，并通过实地采样监测的方法来验证模型精度，从而对沈北新区内二氧化碳的扩散效应进行对比分析。

1.3.1 三维模型的建立

使用Gambit进行三维模型的建立，为保证来流充分扩散，分别将宏观尺度、中观尺度、微观尺度的计算域设置为50000m×50000m×1500m、10000m×10000m×500m、1000m×1000m×100m的箱体空间。

1.3.2 网格划分与边界条件的设定

本研究运用模糊理论对模型进行简化处理，并采用结构化网格对Gambit模型进行划分。为了提高模拟的精确度，保证每个计算面都能够正确的划分网格，本文进行多次尝试根据不同的模块尺度大小，形成5m、10m、15m、20m不等的分析网格系统[7]。

在数值模拟过程中，不考虑温度对二氧化碳气体流场的影响，也不考虑空气受温度影

响的上升浮力，城市流场近地面气流速度数量级不大（20m/s以下），因此可以将模型内部的流场计算按照不可压缩流动来处理[8]。研究区春季的主导风向为西南风，夏季主导风向为南风，模拟中风速设置为沈阳的常年平均风速3.0m/s。设定流场的岀流面上的流体流动已得到了充分扩散，流动形态已经恢复为无建筑影响时的流动特征，因此将出口边界的压力设置为0，建筑物表面设为有摩擦的平滑墙壁[9]，重力加速度值定为9.81 m/s2。

1.3.3 控制方程的选择

因二氧化碳密度高于室内的空气密度，将Gambit建成的模型导入Fluent模拟软件中设定初始模拟条件后，我们选择以下四组控制方程来进行5000次的迭代运算得出最终的模拟结果[10] 。

（1）连续性方程：

Ui0xi i1,2

（2）动量守恒方程：

UiUi1pUjuiujv2Utxjxixj j1,2

p—流体时均压强—流体密度v—流体运动黏性系数ui,uj—流体脉动速度在i,j方向上的分量uiuj—流体脉动切应力xi,xj—i,j方向上的坐标Ui,Uj—流体时均速度在i,j方向上的分量式中

（3）标准的k方程组：

kkUjtxjxjUjtxjxjvtkUUjvtixxxikjjUixjUiC2xj

vtUiUjCvxk1xxijj式中 —湍动耗散率 （4）组分方程：

csdivucsdivDsgradcssst

cs—组分s的体积浓度cs—组分s的质量浓度式中 Ds—组分s的扩散系数

1.3.4 模拟结果验证

本文选取典型的定位测量和十字样线两种采样布点方法来对模拟结果进行监测验证，共选取了8组监测点，24个测量点进行测量，监测点位布置如图1所示：

图1 监测点在研究区域内的空间分布图

将监测点位测量所得的二氧化碳浓度与对应点位模拟结果所得浓度两组数据运用spss软件进行样本T检验可得Sig值为0.390＞0.05，表明模拟结果与实测二氧化碳数值之间差异不显著，满足模拟的精度，证明CFD模型对二氧化碳扩散效应场的模拟是有效可行的[11]。

2 结果与分析

2.1 春夏季二氧化碳模拟结果分析

图2 沈北新区春、夏季二氧化碳扩散模拟结果

宏观域尺度的模拟主要体现了大范围内的二氧化碳走势，通过对沈北新区春、夏季二氧化碳的模拟结果分析我们可以总结出以下几个方面的结论：第一，二氧化碳的浓度较大的区域主要分布在沈北新区的下风向；第二，通过不同主导风向下的二氧化碳浓度分布可以看出，在有通风廊道的地区二氧化碳比较容易扩散，相应的二氧化碳浓度较低。第三，工业用地地块较长边垂直于主导风向时，其下风向上的二氧化碳扩散范围较其较短边垂直于主导风向时的扩散范围广。

图3 新城子新城春、夏季二氧化碳扩散模拟结果

中观尺度的模拟主要选取了周围环境对其影响较小的新城子新城作为模拟对象，通过对模拟结果的分析我们可以总结出以下几点结论：第一，新城子新城通风状况较为良好，二氧化碳的扩散较为适宜，其下风向上的二氧化碳没有形成集聚。第二，在滨河的通风廊道处通风效果好，二氧化碳的浓度较其他地区更低。第三，对于没有障碍物的西部工业用地部分在通风良好的春季其所产生的二氧化碳可以得到及时扩散。在夏季，主导风向为南风，其下风向上的二氧化碳扩散距离较远，浓度稀释较慢扩散效果不及春季主导风向为西南风时的好，这主要说明了两个问题，其一，说明了通风廊道对于城区二氧化碳扩散的重要性。其二，说明了在城市规划中道路、水系、绿道等形成的通风廊道对城市二氧化碳扩散的影响；

图4 天泰小区春、夏季二氧化碳扩散模拟结果

小区尺度的模拟比较精确直观，通过对小区内春、夏季二氧化碳的模拟结果的对比分析，可总结出以下几方面的结论：第一，二氧化碳占空气体积比较大区域为整个小区的下风向；第二，二氧化碳浓度最高的区域一是该区域缺乏通风道，上风向建筑体块比较长，或者上风向前一排的建筑挡住了当前建筑的风道。二是该区域的下风向存在高度较高的建筑从而形成了湍流风，湍流风带走了较高建筑脚下的二氧化碳，然而却阻挡了上风向建筑二氧化碳的扩散从而使上风向二氧化碳形成集聚，提高了该区域的二氧化碳浓度；

2.2 典型水平剖面二氧化碳分布规律

高度H=0.1米时为地面高度；H=1.5米是人类呼吸的敏感范围；H=9米是地被植物及灌木植物生长的极限点；H=18米是一般植物生长的极值，文章选取这四个典型高度的模拟结果来进行分析，并进行相应的植物配置。

2.2.1 典型水平剖面模拟结果

通过模拟分析可得宏观、中观、微观尺度的二氧化碳空间分布结果，以下为0.1m，1.5m，9m，18m不同高度水平截面的颗粒物浓度分布，可见不同平面的大气污染物的分布均匀程度、浓度降低趋势各不相同。

宏观模拟结果：

H = 0.1米

H = 1.5米

H = 9米

H =18米

图5 沈北新区春季二氧化碳扩散平剖面分布结果

H = 0.1米

H = 1.5米

H = 9米

H =18米

图6 沈北新区夏季二氧化碳扩散平剖面分布结果

中观模拟结果：

H = 0.1米

H = 1.5米

H = 9米

H =18米

图7 新城子新城春季二氧化碳平剖面分布结果

H = 0.1米

H = 1.5米

H = 9米

H =18米

图8 新城子新城夏季二氧化碳平剖面分布结果

微观模拟结果：

H = 0.1米

H = 1.5米

H = 9米

H =18米

图9 小区春季二氧化碳平剖面分布结果

H = 0.1米

H = 1.5米

H = 9米

H =18米

图10 小区夏季二氧化碳平剖面分布结果

2.2.2 不同截面二氧化碳模拟结果分析

表1 宏观水平截面模拟结果分析

表2 中观水平截面模拟结果分析

表3 微观水平截面模拟结果分析

2.3 典型垂直剖面二氧化碳分布规律 2.3.1 垂直剖面的选取

为进一步揭示和验证二氧化碳在不同空间形态的分布特征，选取小区春夏二季小区同一位置的垂直剖面对以下12个不同空间形态点位的二氧化碳空间分布来进行分析比较，剖面位置见图11 ：

图11 轴剖面位置示意图

春夏两季模拟结果的垂直剖面二氧化碳扩散效应见图12，通过城市冠层内轴剖面的二氧化碳分布云图可以看出，小区内释放的二氧化碳在风环境的影响下空间格局扩散分布与静

态分布有所不同。

图12 小区春、夏季二氧化碳X轴剖面扩散模拟结果

2.3.2 不同剖面在垂直高度上二氧化碳浓度分布特征

表4 为选取的12个空间在垂直方向不同高度下的二氧化碳质量分数，从二氧化碳的分布云图可以看出，各点位的二氧化碳的浓度随着高度的上升而呈现出逐渐下降的趋势，由于不同点位的小区域环境不同，因此，不同点位二氧化碳浓度在垂直方向上的变化趋势也不尽相同。

表4 小区剖面垂直方向上的二氧化碳质量分数（%）

由表4垂直方向上小区的剖面二氧化碳质量分数数值可知：

（1）对比1、2、3，7、8、9，二氧化碳在各空间地点的平均浓度排序为,3＞2＞1，9＞8＞7，可知在风环境的影响下，处于上风向的空间二氧化碳浓度较处于下风向的空间二氧化碳浓度低，通风良好的地区，边界风可以较容易地带走建筑所产生的二氧化碳，而处于较下风向的空间二氧化碳不易扩散，容易形成集聚，提升该地区的二氧化碳浓度。

（2）封闭性较强的空间点2、3、8、9，浓度变化不大的区间为：0m—5m，二氧化碳浓度高，且分布均匀；5m—15m，二氧化碳浓度变化不大，略有降低；15m—25m，二氧化碳浓度有明显降低趋势，开始呈不均匀分布状态；25m以上，二氧化碳浓度降低明显，直至逐渐扩散。在两侧建筑的影响下，来风对20米以下建筑产生的二氧化碳气体影响较小，对20m以上高度的污染气体有较好的疏散作用。

（3）较为开敞的空间点1、7，浓度变化不大的区间为：0m—5m，二氧化碳度较高，且分布均匀；5m—20m，二氧化碳浓度明显降低，并且分布状态也呈现出不均匀的现象；20m以上，二氧化碳气体逐渐扩散。在两侧建筑的影响下，来风主要对5米以下的二氧化碳气体影响较小，对5m以上高度的二氧化碳气体有较好的疏散作用。对比1、7可知当边界风垂直于建筑较长边时对二氧化碳的扩散作用较边界风与建筑较长边成一定夹角时的扩散作用差。

（4）两侧建筑高度差异较大的空间点4、10，二氧化碳的分布不均匀，上风向建筑的背面均形成了二氧化碳的积聚，上风向建筑较下风向建筑低从而在下风向较高建筑脚下形成

湍流风带走了该空间内的二氧化碳气体，降低了该空间的二氧化碳浓度。

（5）由较高建筑围合形成的空间点5、11，由于风向分布以及周边建筑环境形态的影响，在高层建筑间隙产生了狭缝效应，整体二氧化碳浓度较低，二氧化碳垂直分布变化不明显。

（6）高层成排建筑围合的通风道6、12，可知当边界风与建筑成一定夹角时，其扩散作用较好，该区域的二氧化碳浓度较低，相比空间区域12边界风与建筑较长边垂直，从而阻碍了风的流通造成了二氧化碳在建筑周边的集聚，较区域6的扩散作用要差很多。

通过对剖面图不同点位二氧化碳浓度的分析比较，我们可以在绿地空间优化布局及植物配置时根据不同场地空间形态的不同类型进行相对应的植物搭配优化。

3 讨论

在对二氧化碳扩散效应场的研究中，从宏观、中观、微观三个层次来进行模拟研究，并针对三维模拟结果从不同季节、典型水平剖面及垂直剖面来进行研究分析。

因本文的研究二氧化碳扩散的目的是为了优化绿地的空间布局，所以主要从春夏两个季节来进行，通过研究发现：二氧化碳主要集中在主导风向的下风向；在有通风廊道的地区二氧化碳的浓度较没有通风廊道的地区低，扩散效果也较好；通风廊道与主导风向一致时，即廊道与城市风向之间的夹角在 30°-60°的范围内，且廊道的出口方向也顺应主导风向时，廊道具有良好的通风效果；当存在障碍物阻碍季风流动的情况下，二氧化碳会在障碍物的上风向或者下风向上形成集聚。

通过对典型水平剖面高度H=0.1m、H=1.5m、H=9m、H=18m的分布特征进行分析结果表明：在H=0.1m处接近碳源且建筑连续性强，二氧化碳不易扩散从而形成大面积的集聚，个点位浓度差异较大；在H=1.5m处建筑密度依然较大，外来风很难进入街区内部，二氧化碳整体所占的面积未有明显的减小；H=9m处建筑密度有所减小，季风带走了部分二氧化碳，整体二氧化碳浓度有较为明显的降低；H=18m处开敞空间增多，边界风可沿建筑空隙进入小区内部，带走二氧化碳，各点位浓度差异不大。

通过对垂直剖面的研究分析表明：开敞空间通风良好的地区比较利于二氧化碳的扩散；上风向比下风向扩散效果好；较高处比较低处扩散效果好；两侧建筑高度差异较大的空间点，较高建筑的背面形成二氧化碳的积聚，较高建筑脚下形成湍流风带走了该空间内的二氧化碳气体，降低了该空间的二氧化碳浓度；在高层建筑间隙产生狭缝效应区域整体二氧化碳浓度较低且垂直分布变化不明显。

4 结论

本文是基于绿地生态功能导向下的沈北新区二氧化碳扩散效应的研究，将城市规划与流体力学相结合，探索基于二氧化碳分布规律和绿地生态功能相结合的绿地系统规划方法；通过对二氧化碳进行空间动态模拟，确定绿地的空间布局优化，以此来改善空气的质量。将大气动态监测技术、流体力学模拟技术以及地理信息系统技术相结合，提出基于生态功能的植被空间布局优化技术，将理论用于实践中，最终得出适合沈北新区绿地空间格局的优化方案，为城市绿地生态网络的构建奠定基础。

图13 宏观尺度绿地固碳适宜性分析结果

通过将春、夏季的二氧化碳空间分布模拟结果进行叠加，即可得出二氧化碳的时空布局结果，根据二氧化碳的分布特征按照二氧化碳浓度从高到低的顺序依次设置为绿地的最适宜建设区、较适宜建设区及适宜建设区从而可以得出绿地固碳适宜性分析图13，根据模型得出的不同高度二氧化碳浓度扩散的分布情况，在相应的区域进行相对应树种选择及植物配置优化，（如在典型水平剖面模拟分析对应高度H=0.1m处应选择地被植物及灌木相互搭配进行布局、H=1.5m处以灌木的布置为最佳，可配合布置草坪等地被植物、H=9m如果栽植禾本科地被植物和灌木，由于高度的原因其固碳作用会很小，因此该二氧化碳浓度较高区域以乔木布置为最佳、H=18m处由于高度较高，此区域应栽植中高乔木为最佳。）并依据沈北新区绿地适宜性分析结果从基质、斑块、廊道三个方面在沈北新区构建南北贯通，西联东拓的绿道生态网络系统。

参考文献

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作者简介

时泳，硕士研究生，助理规划师，贵州省城乡规划设计研究院； 付士磊，博士后，教授，沈阳建筑大学；

屠兵，所长，住房和城乡建设部专家委员，贵州省城乡规划设计研究院。