Тасейко О.В., Михайлюта С.В., Захаров Ю.В., Леженин А.А., Хлебопрос Р.Г.

Научно-инновационный Центр Прикладной Геоэкологии, ГУ Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт (г. Красноярск),
Сибирский Федеральный Университет,
Сибирский государственный технологический университет (г. Красноярск),
ИВМиМГ СО РАН (г. Новосибирск),
Международный Центр исследования экстремальный состояний организма СО РАН

На примере неоднородной урбанизированной территории г. Красноярска получены и рассмотрены характеристики городской застройки. Для получения ветровых характеристик использованы полуэмпирические соотношения. Показано влияние плотности, высоты и проницаемости застройки на горизонтальную составляющую скорости ветра.

1. Введение

При исследовании процессов переноса примесей в приземном слое атмосферы на территории города необходимо учитывать характеристики городской застройки [1]. Такими характеристиками, определяющими ветровой режим на урбанизированной территории, являются плотность застройки, размеры строений (высота, ширина и длина зданий) и способ их расположения.

В данной работе для получения характеристик застройки предложен метод зонирования, позволяющий представить неоднородную городскую территорию в виде набора «квазиоднородных зон», каждая из которых имеет определенные характеристики.

Для получения ветровых характеристик каждой выделенной территории использовалась полуэмпирическая математическая модель переноса атмосферных примесей в условиях города [2].

2. Характеристики городских территорий

2.1. Зонирование урбанизированной территории

Для исследования влияния параметров застройки на ветровые потоки и перенос атмосферных примесей в условиях города, используя технологию ГИС, было проведено зонирование территории промышленного центра, г. Красноярска.

Для количественного описания распределения объектов (строений) по территории г. Красноярска была построена сетка с размером ячейки, равной средней длине зданий – 100 м, и нанесена на цифровую карту города. Выбранная для зонирования область имела размеры 23.5 на 20 км.

В каждой ячейке сетки подсчитывалась суммарная площадь объектов (строений). При этом плотность застройки P^B_ij определялась отношением суммы площадей строений, попадающих в ячейку сетки, к площади ячейки.

, (1)

где S^k_ij – площадь под k-м строением, принадлежащим ячейке с индексами ij; m_ij - количество строений в ячейке с индексами ij, S– площадь ячейки.

Плотность застройки, определенная согласно (1), может принимать значения от 0 до 100%.

В результате вся территория г. Красноярска была представлена в виде матрицы PB размером 235x200, элементами которой являются значения плотности застройки.

С помощью технологии ГИС элементы матрицы P^B были объединены в «однородные» по плотности застройки зоны (рис. 1).

Рис. 1. Зоны на территории Красноярска. Цифра в центре зоны соответствует плотности застройки (%). Номера зон, где расположены стационарные посты ЦМС, выделены символом # (при этом номер зоны является номером поста)

Кроме плотности застройки P^B, выделенные зоны (рис.1) имеют различный функциональный тип и могут быть охарактеризованы высотой расположения над уровнем моря, средней высотой строений H и шириной пересекающих зону автомагистралей h (табл.1).

2.2. Типология застройки

Каждая выделенная зона на территории города обладает своими свойствами, поэтому для расчета ветровых характеристик и адекватного описания процессов переноса примеси необходимо исследовать и учитывать аэрографические особенности различных типов застройки.

Одной из характеристик аэрографических свойств является проницаемость территории. Параметр проницаемости территории предложен для оценки продуваемости городской застройки относительно набегающего ветрового потока. Проницаемость является функцией угла между направлением на север и направлением среднего потока и зависит от типа и плотности застройки окружающей территории [2].

Для характеристики проницаемости городской застройки по аналогии с операциями симметрии в задачах структурного анализа регулярных структур рассмотрим градостроительные конфигурации выделенных на территории г. Красноярска зон (рис. 2.).

Рис. 2. Планы типов застройки территорий г. Красноярска, I – тип застройки периметральный (зона 10); II – тип застройки свободный (зоны #3, 6 и #1); III – тип застройки смешанный (зона #20), IV – тип застройки продольно-поперечный (зоны #5 и #7), V – тип застройки поперечный (зона 4), VI – тип застройки периметрально-продольный (зоны15, #8, #9, 13)

С использованием классификации по типам симметрии, выделенные на территории Красноярска зоны (рис.1) были соотнесены с типами застройки (рис.2). Была выделена изотропная застройка, застройка с осями симметрии второго и четвертого порядка (оси симметрии перпендикулярны плоскости чертежа).

Застройки II и III типов являются изотропными, проницаемость в такой застройке можно считать постоянной и не зависящей от направления набегающего потока. Территория с осью симметрии второго порядка характеризуется максимальным значением проницаемости вдоль одного направления. К ним относятся застройки IV и V типов. Типы застройки I и VI имеют ось симметрии четвертого порядка и характеризуются двумя максимальными значениями проницаемости.

2.3. Оценка проницаемости территории

Проницаемость территории η(&phi) является функцией от направления движения потока. Для определения проницаемости территории в выбранном направлении считается площадь проекции на плоскость, перпендикулярную этому направлению.

Рис. 3. Расчет проницаемости городской застройки

Так, в представленной на рисунке 3 модельной ситуации плоскость А соответствует направлению движения потока 0 градусов, а плоскость В – 45 градусов. При этом, площадь проекции на плоскость А меньше, чем на плоскость В, и является минимальной для данной застройки при любых направлениях. В это же время площадь проекции на плоскость В является максимальной для данной территории. Следовательно, в направлении 0 градусов данный тип застройки обладает наибольшей проницаемостью, а в направлении 45 градусов – наименьшей.

Для каждого из 6 типов застройки, рассмотренных на рисунке 2, была оценена проницаемость территории в зависимости от направления ветра, меняющегося от 0 до 180 градусов (рис. 4). Расчет выполнялся для оцифрованного плана застройки г. Красноярска с помощью средств MapInfo v. 6.0.

Рис. 4. Проницаемость территорий с различными типами застройки

Проницаемость фактически является характеристикой эффективного сопротивления территории и принимает значения от 0 до 1. Значение 0 в некотором направлении соответствует тому, что вероятность адвекции примеси в этом направлении близка к 0, а 1 соответствует условиям, при которых поток в данном направлении не встречает никаких препятствий, то есть является фактически невозмущенным.

Для застройки типа III наблюдается низкая и практически одинаковая для любого направления потока проницаемость.

В застройке II типа распределение проницаемости по направлениям такое же, как и в III типе, но значения выше, поскольку плотность застройки этой территории ниже.

Для застройки I наибольшая проницаемость для северо-западного и юго-западного направления ветра. Эти направления соответствуют направлениям автомагистралей на этой территории. Для остальных направлений ветра эта территория обладает очень низкой проницаемостью, то есть примесь от источника (автомагистрали) в застройку практически не будет попадать.

Распределение проницаемости в зависимости от направления для IV и V типов застройки имеет общую особенность – одно направление максимальной проницаемости. В V типе застройки наблюдается максимальное значение проницаемости для юго-западного направления ветра. Кроме того, отличные от 0 значения проницаемости соответствуют западному и юго-западному направлениям. Во всех остальных направлениях проницаемость близка к нулю.

В IV типе застройки наибольшее значение проницаемости также соответствует юго-западному направлению.

Для застройки VI типа характерно два максимума проницаемости, как и в I типе застройки, но величина этих максимумов в VI типе меньше.

Такие значительные различия в проницаемости являются одной из причин неоднородности пространственно-временной структуры полей концентраций в условиях городской застройки. Как видно из рисунка 4, проницаемость любого типа застройки далека от своего возможного максимального значения 1, то есть городская застройка значительно трансформирует и замедляет воздушный поток, набегающий на город.

3. Расчет ветровых характеристик на городской территории в зависимости от плотности застройки и проницаемости

В городской застройке можно выделить вертикальную и горизонтальную составляющие ветрового потока. Для описания вертикальной составляющей необходимо учитывать, что в приземной атмосфере в условиях города наблюдается динамическая турбулентность, которая возникает вследствие деформации воздушного потока. Деформация выражается, с одной стороны, в замедлении горизонтальной составляющей набегающего ветрового потока, вызываемом эффективным сопротивлением строений на городской территории, а с другой стороны – в увеличении вертикальной составляющей скорости. Такие вертикальные движения в пределах городской застройки могут быть значительно выше, чем на открытой территории, поэтому при оценке трансформации потока на урбанизированной территории их учет достаточно важен. При этом описание ветровых характеристик в городской застройке можно получить с помощью простых полуэмпирических соотношений.

Горизонтальная скорость в городской застройке пропорционально скорости набегающего на город невозмущенного ветрового потока U_h и зависит от коэффициента замедления K_f

. (2)

Значения скорости невозмущенного ветрового потока, набегающего на городскую застройку, можно получить по данным температурно-ветрового зондирования, путем специальных измерений над крышами строений и с использованием мезометеорологических моделей циркуляции атмосферы для городской территории.

Коэффициент замедления учитывает такие параметры городской застройки, как высота и ширина зданий [1]. В данной работе коэффициент преобразован к виду, учитывающему плотность застройки и проницаемость территории:

, (3)

где C_ds и C_dh коэффициенты сопротивления поверхности и застройки, P_B – плотность застройки, h, b – средняя высота и ширина зданий соответственно, η – проницаемость территории. Значения констант C_ds= 0,003 и C_dh = 0,6 определены с помощью экспериментов в аэродинамической трубе [3].

Используя полученные соотношения, рассмотрим снижение скорости ветра в различных типах городской застройки, выделенных на территории г. Красноярска (рис. 5).

Рис. 5. Снижение горизонтальной составляющей скорости ветра в зависимости от направления для различных типов застройки. Скорость набегающего ветрового потока 10 м/с.

Можно видеть (рис. 5), что наибольшее снижение горизонтальной скорости ветра по сравнению со скоростью набегающего ветрового потока наблюдается в застройке III типа (высокие девяти этажные здания, низкая проницаемость).

Рассмотрим подробнее влияние плотности застройки, высоты строений и проницаемости на снижение скорости ветра на городской территории (рис. 6).

Рис. 6. Влияние плотности застройки и проницаемости на ветровые характеристики внутри городской территории. Скорость набегающего ветрового потока 10 м/с.

Можно видеть (рис. 6), что увеличение плотности застройки и снижение проницаемости приводит к понижению скорости ветра на городской территории. При этом увеличение высоты застройки дает больший вклад в снижение скорости ветра, чем уменьшение проницаемости. Уменьшение проницаемости в два раза со значения 0.27 до значения 0.45 при постоянной плотности застройки и высоте строений приводит к снижению скорости ветра на 1 м/с, а увеличение высоты застройки с 15 м до 30 м при постоянной плотности и проницаемости территории приводит к уменьшению скорости ветра почти на 3 м.

Современное развитие городской среды сопровождается одновременным увеличением плотности и высоты застройки и уменьшением проницаемости. Это приводит к значительному снижению скорости ветра на урбанизированной территории (в отдельных случаях на 9 м/с), и, следовательно, к ослаблению рассеивающей способности атмосферы и увеличению потенциала загрязнения городских территорий.

Заключение

Полуэмпирические подходы к оценке скорости ветра на неоднородной урбанизированной территории с учетом плотности, высоты и проницаемости застройки можно эффективным образом использовать для планирования развития городской среды, оценки потенциала загрязнения городских территорий, управления качеством атмосферного воздуха с целью охраны здоровья населения. А также для прогнозирования антропогенных катастроф на городской территории и поиска эффективных средств защиты от их последствий.

Литература

1. Improved Models for Computing the Roughness Parameters of Urban Areas. D4.4. FUMAPEX Report : SR EVK4-CT-2002-00097 – Copenhagen: DMI, 2003. – 55 p.

2. Тасейко, О.В. Моделирование пространственного распределения загрязнителей от автотранспорта в условиях городской застройки / О.В. Тасейко, С.В. Михайлюта // География и природные ресурсы. – 2004. – Специальный выпуск. – С. 180–185.

3. Raupach, M.R. Simplified expressions for vegetation roughness length and zero-plan displacement height as functions of canopy height and area index / M.R. Raupach // Boundary-Layer Meteorology. – 1994. – № 71. – P. 211–216.