硕士学位论文三峡库区城镇室外热环境研究.docx
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硕士学位论文三峡库区城镇室外热环境研究
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三峡库区城镇室外热环境研究
重庆大学硕士学位论文
学生姓名:
袁飞飞
指导教师:
卢军教授
专 业:
供热、供燃气、通风及空调工程
学科门类:
工学
重庆大学城市建设与环境工程学院
二O一一年五月
StudyonOutdoorThermalEnvironmentofTownsinThreeGorgesReservoirRegion
AThesisSubmittedtoChongqingUniversity
inPartialFulfillmentoftheRequirementfor
theDegreeofMasterofEngineering
By
YuanFeifei
SupervisedbyProf.LuJun
Specialty:
Heating,Gassing,Ventilationand
Air-conditioningEngineering
CollegeofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China
May2011
摘要
随着城市化进程的加快,城市规模和人口数量逐渐增加,为满足人们生活的需要,高大建筑和非渗透性基础结构取代了自然的下垫面。
三峡库区城镇在快速城市化进程中,受限于山地特征和自身气候的特殊性,大量的基础设施建设将会对该地的室外热环境造成影响。
在一些三峡库区范围内的城镇,新城区建设和旧城区改造齐头并进,城镇规划阶段对城镇室外热环境考虑较少或忽略此项要素,建筑追求大体量高密度,使得城镇中的室外热环境继续恶化,热岛效应突出就是其中的一个明显表现。
本文选择重庆市所辖的位于三峡库区的区县城镇万州、云阳和开县及位于主城区的华岩新城区为研究对象进行室外热环境的分析。
对万州、开县和云阳这三个库区区县城镇进行研究过程中,采用流动观测的方法,对各区县主城区范围内的空气温度值进行了测试,通过同时性订正,得到各区县在流动观测范围内的温度场分布,计算出城区热岛强度分布。
对华岩新城区的研究,采用流动观测方法结合卫星遥感反演方法,得到华岩新城区室外热环境的时空分布特征。
通过库区城镇的室外热环境的测试分析,建立了基于GIS的城镇室外热环境信息管理系统,对该系统进行了介绍,为库区城镇室外热环境的信息化管理提供了参考。
本论文所得到的具体结论如下:
1、利用流动观测方法得到万州白天的最大热岛强度值在1.0℃左右,云阳新县城白天的热岛强度值为1.4~1.9℃,位于重庆主城区的华岩新城区夜间热岛强度在-1.5℃~2.0℃之间,与库区区县城镇的热岛强度值相当。
2、卫星遥感影像的地表温度反演结果显示,华岩新城区内原来布局相对分散的破碎高温斑块逐渐集中、合并成区域大斑块,这表明城区的高温范围逐渐扩展,高温热中心的内部结构和组成发生了明显的变化。
3、三峡库区城镇中的水体对城镇的室外热环境有重要的调节作用,从测试情况发现水体对气温的调节作用不明显。
在城镇规划和建设中要加强利用水体来改善城镇的室外热环境,尤其是夏季利用水体给城镇降温。
4、利用GIS软件来实现三峡库区城镇室外热环境的管理是非常有效的工具,它可以从整体上展示城镇热环境的现状以及进行热环境预测,为库区城镇室外热环境的信息化管理提供了技术支持。
关键词:
三峡库区,城镇热环境,热岛效应,流动观测,遥感
ABSTRACT
Withtherapidprocessofurbanization,theurbansizeandthepopulationaregraduallyimproving.Tallbuildingsandimpermeableinfrastructurereplacenaturalsurfacesinordertosatisfytheneedsofpeople’slives.TownsintheThreeGorgesReservoirRegion,whicharelimitedbyitsmountainouscharacterandhavespecialnatureoftheclimate,areintherapidurbanizationprocess.Constructionsofmassiveinfrastructureaffecttheoutdoorthermalenvironmentintheregion.InsometownswithinthescopeoftheThreeGorgesReservoirRegion,newcityconstructionandoldtownmodificationareadvancingsidebyside.Urbanplannersconsideredlittleordirectlyneglectedtheinfluencesofurbanconstructiononoutdoorthermalenvironment.Whattheypursuitisoflargecapacityofbuildingsandhigh-density,makingtheurbanoutdoorthermalenvironmentcontinuedtodeteriorate.Theheatislandeffectisoneofsignificantperformances.
ThispaperselectedWanzhou,Kaixian,YunyanginthenortheastofChongqingandHuayannewcityinthemaincityasobjectsfortheoutdoorthermalenvironmentanalysis.DuringtheobservationinWanzhou,KaixianandYunyang,movingobservationmethodwasemployedtorecordairtemperaturesontheobservationroute.Theoverallairtemperaturefieldsweredrawnaftercorrectingallthedatatobesynchronism,andtheurbanheatislandintensitieswerecalculatedaswell.BothmovingobservationmethodandthesatelliteremotesensingmethodswereusedinthestudyofHuayannewcitytogetthespatialandtemporaldistributionofoutdoorthermalenvironmentinthearea.
AGIS-basedinformationmanagementsystemforurbanoutdoorthermalenvironmentwasestablishedusingthedataobtainedbythepreviousobservations.Thesystemwasintroduced,whichcanbeareferencefortheinformationmanagementoftheoutdoorthermalenvironmentinthetownsintheThreeGorgesReservoirRegion.Conclusionsgotinthepaperareasfollows:
1、Themaximumurbanheatislandintensitywasabout1.0℃inthedaytimeinWanzhouandinYunyangit’s1.4~1.9℃whichwereobtainedbymovingobservations.WhiletheurbanheatislandintensityinthenighttimeofHuayannewcitywas-1.5℃~2.0℃,whichapproximatestothevalueinthenortheasttowns.
2、TheretrievedsurfacetemperaturesfromtheremotesensingimagesshowthatoriginallyscatteredhightemperaturepixelsgraduallymergeintobigonesinHuayannewcity,whichmeansthattheareasofhightemperatureshaveexpandedandtheinternalstructureandcompositionofheatislandcentershavegreatlychanged.
3、ThewaterbodyandlakesinthetownsoftheThreeGorgesReservoirRegionhasanunapparenteffectonloweringthetemperatureinthedaytime.Waterbodyshouldbeconsideredtoimprovetheoutdoorthermalenvironmentduringtheurbanplanningandconstruction,especiallyloweringthecitytemperatureinsummer.
4、GISsoftwarecanbeusedfortheinformationmanagementofurbanheatislandforthetownsoftheThreeGorgesReservoirRegion,whichcanprovideanobviousviewofthecurrentoutdoorthermalenvironmentandpredictthethermalenvironmenttrends.Thesoftwarecanbereferencesforurbanplanninganditssustainabledevelopment.
Keywords:
threegorgesreservoirregion,urbanthermalenvironment,heatislandeffect,movingobservations,remotesensing
目录
中文摘要I
英文摘要III
目录V
1绪论1
1.1课题的提出1
1.2课题的研究目的和意义2
1.3城镇室外热环境国内外研究现状2
1.3.1引起城市热岛的原因3
1.3.2城市热岛的危害3
1.3.3城市热岛的类型4
1.3.4城市热岛测试方法5
1.3.5城市热岛影响因素及缓解对策研究现状9
1.3.6地理信息系统(GIS)在城镇热环境研究中的应用11
2重庆市区县城镇室外热环境13
2.1研究区概况13
2.1.1自然地理13
2.1.2人口与城镇化率14
2.2研究方法与数据处理16
2.2.1研究方法16
2.2.2实验设备与软件18
2.2.3数据处理方法19
2.3区县城镇测试概况19
2.4测试结果及分析21
2.4.1万州21
2.4.2开县22
2.4.3云阳23
2.5小结26
3重庆市主城区城镇室外热环境27
3.1研究区概况27
3.2研究方法与数据处理28
3.2.1研究方法28
3.2.2数据处理28
3.3主城区城镇测试概况31
3.4测试结果及分析32
3.4.1流动观测结果及分析32
3.4.2地表温度反演结果及分析34
3.5小结37
4城镇室外热环境信息管理系统39
4.1管理系统的总体设计39
4.1.1设计原则39
4.1.2总体结构39
4.2系统构建40
4.2.1空间系统构建40
4.2.2空间数据库构建40
4.2.3系统模型构建41
4.3华岩新城区热岛效应信息化管理系统41
4.3.1热岛趋势预测模型41
4.3.2舒适度评价模型43
4.3.3软件的功能与操作44
4.4小结58
5结论与展望60
5.1结论60
5.2存在的不足与展望60
致谢62
参考文献64
附录72
1绪论
1.1课题的提出
改革开放以来,随着城市化、现代化进程加快,导致城市规模不断扩张和能源消耗的迅速增长,给城市室外热环境带来了一系列不良的影响,其中最明显的表现就是城市热岛效应。
我国西部的山地城镇,新城区建设和旧城区改造齐头并进,城镇规划阶段对城镇室外热环境考虑较少或忽略此项要素,建筑追求大体量高密度,使得城镇中的室外热环境继续恶化。
重庆市是位于三峡库区的特大型山地城镇。
重庆市位于三峡水库库区的库尾,包括九区十二县,面积23114m2。
重庆直辖十多年来,经济取得较快发展,城市化水平也有了显著提高。
城市化进程中,随着城市规模的扩大,环境压力也日渐增大,城市人口的增加相应地引发能源消耗、污染物排放等一系列的环境问题,三峡库区的环境问题也日渐显现。
重庆都市圈城市热岛效应、浊岛效应尤其明显。
如都市圈主城区年均温度2001年和2002年分别为18.8℃和19.0℃,比市近郊的铜梁,璧山等县高0.6℃~2.5℃,其中7、8月份夜晚的温度平均要高于近郊1.5℃~2.5℃,年均出现38℃以上的极端高温日数比近郊多5天以上,年月均降尘量比近郊县高70%。
人口拥挤、交通不畅,人均交通用地和绿化用地少,人均公共绿地3.92m2[1]。
与此同时,重庆市范围内位于三峡库区内的区县,人口亦迅速增长,为满足城镇人口居住而进行的大规模的基础建设,使得区县的热环境亦有逐渐恶化的趋势。
重庆市地形相当复杂,位于四川盆地东南,多条山脉从东北向西南直贯全市。
城区东有铜锣山,南有真武山,西有中梁山,处于长江、嘉陵江交汇的河谷丘陵地带,地形地貌不同于北方平原地区,气候环境也与北方迥异,传统的规划理论不适合于本地。
黄光宇教授提倡的组团式规划理念更适于重庆等山地城市,但随着城市化进程的加快,组团式规划中原有的组团分割被破坏,城市热岛现象日趋严重。
2008年7月20日,在重庆市委三届三次全委会上浓墨重彩地提出“五个重庆”——“宜居重庆”、“畅通重庆”、“森林重庆”、“平安重庆”和“健康重庆”,作为重庆发展的新目标、新追求,成为重庆的战略决策。
在这样的背景下,同步跟进重庆市的热环境研究,尤其是分析在更加快速的城市化进程中热岛效应的特征与发展趋势,在“五个重庆”的建设过程中找出减缓热岛效应的应对措施,切实有效的控制重庆热岛效应,改善城市热环境,避免对城市环境的“亡羊补牢”。
有针对性的开展缓解城市热岛现象的研究,对于之前专注于建筑室内环境的暖通空调专业也意义重大。
由于室外热环境与建筑室内热环境有密切的关联,研究热岛现象的特征及规律,对创造健康、舒适的室内环境和建筑节能设计都有指导价值。
1.2课题的研究目的和意义
本选题在空间范围上,选择重庆市所辖的位于三峡库区的区县城镇万州、云阳和开县及位于主城区的华岩新城区为研究对象。
对万州、开县和云阳这三个库区区县城镇进行研究过程中,采用流动观测的方法,对各区县主城区范围内的空气温度值进行了测试,通过同时性订正,得到各区县在流动观测范围内的温度场分布。
同时,根据设置于各自郊区的温度记录测点,计算出城区热岛强度分布。
对华岩新城区的研究,采用流动观测方法结合卫星遥感反演方法,得到华岩新城区室外热环境的时空分布特征。
通过库区城镇的室外热环境的测试分析,建立了基于GIS的城镇室外热环境信息管理系统,对该系统进行了介绍,为库区城镇室外热环境的信息化管理提供了参考。
同时,三峡库区城镇夏季高温是其所处地区的高温背景与城市热岛效应共同作用的结果所致,其中热岛效应引起的温升也不容忽视,通过流动观测和卫星遥感反演的方法得到的城市热岛分布特征可以对库区城镇室外热环境分析提供基础数据支持,对各城镇新城区的规划建设和可持续发展都将起到一定的指导作用。
1.3城镇室外热环境国内外研究现状
城市是人类活动的中心,在城市里人口密集,下垫面变化最大。
工商业和交通运输频繁,耗能最多,有大量温室气体、“人为热”、“人为水汽”、微尘和污染物排放至大气中。
因此人类活动对气候的影响在城市中表现最为突出。
城市气候是在区域气候背景上,经过城市化后,在人类活动影响下而形成的一种特殊局地气候[2]。
城市热岛效应是城市气候最显著的特征之一,人类很早以前就发现城市的大气环境与乡村及山区具有不同的特点。
英国人LukeHoward于1833年第一次对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行文字记载[3]。
Manley于1958年首次提出城市热岛UrbanHeatIsland(UHI)的概念[4]。
现在普遍认为城市热岛效应是指当城市发展到一定规模,由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等使城市温度明显高于郊区,形成类似高温孤岛的现象。
1.3.1引起城市热岛的原因
城市热岛的形成是因为城市中的建筑、硬质路面和其他吸热、非渗透性的基础结构取代了自然的表面覆盖物。
这些变化以一系列的方式对城市的高温起着不同的作用:
(1)树木和植被的减少降低了其遮阳产生的自然冷却效应以及土壤和树叶水分的蒸发量(蒸腾作用减弱);
(2)高大建筑物和狭窄的街谷中的热量聚集,减少了空气流动;
(3)交通、工厂和空调排放的废热进一步使空气升温,加重了热岛效应[5]。
1.3.2城市热岛的危害
随着城市热岛效应的不断加剧,城市热岛效应带来的危害也越发明显。
城市上空形成的热岛现象会给一些城市和地区带来异常天气现象,如暴雨、飓风、酷热、暖冬等[6]。
暴雨是造成城市洪涝灾害的首要原因。
城市由于热岛效应、雨岛效应,加剧了城市暴雨的作用,使城市雨洪径流增大,增加了城市的防洪压力,同时使地面侵蚀加强,非点源污染加大,使受纳水体的污染情况恶化及河道、蓄水池淤积加速等。
加上下雨时能见度下降,路滑泥泞,阻碍交通,甚至使交通事故率增加。
飓风是指中心附近最大风力大于12级时的热带气旋,在有些国家也称台风或旋风。
我国是世界上少有的几个受热带气旋影响最严重的国家,沿海地带常受台风、风暴的侵袭,灾害强度大,损失严重。
随着沿海地区的对外开放和开发建设,台风影响的损失逐年上升。
例如1985年我国9次遭受登陆台风袭击,所造成的经济损失高达25亿元。
在冬季,由于城市热岛效应、使气温升高,往往出现暖冬现象。
暖冬使城市取暖季节比郊区缩短,有利于节省城市取暖的能源消耗,削减大气污染,并能减少城市积雪的时间和深度,延长无霜期,利于植物生长。
这些都是有利的一面。
但夏季城市热岛可加强城市高温的酷热程度,尤其是对于低纬度城市,这种“过热环境”使居民感到不适,使人们上作效率降低,严重时会引起中暑和心血管功能失调等疾病。
而空调降温又消耗能量、污染环境、影响城市生态环境质量。
室外空气温度升高1℃时对空调设备的运行能耗的影响都是巨大的,相关资料预计,随着热岛现象的进一步恶化,未来10年内,将会使空调能耗增加30%。
另外,夏季高温容易引发火灾,加剧光化学烟雾等的危害。
1.3.3城市热岛的类型
城市热岛包括城市表面热岛和城市大气热岛两类。
城市热岛的这两种类型的不同是由于它们形成的方式、认识和测量的技术以及影响范围不同,并且在某种程度上,缓解它们的有效方法不同。
表1.1概括这两类热岛的基本特征。
表1.1城市表面热岛和城市大气热岛的基本特征
Table1.1BasicCharacteristicsofSurfaceandAtmosphericUrbanHeatIsland(HHIs)
性质
城市表面热岛
城市大气热岛
时间发展特点
白天和夜间任何时候都会发生;
最大热岛强度出现在夏季的白天。
白天可能会很小或者不存在;
最大热岛强度出现在冬季的夜间或黎明前;
峰值强度
(最大热岛强度条件下)
时间和空间上差别很大:
白天:
18~27°F(10~15℃)
夜间:
9~18°F(5~10℃)
时间和空间上差别不大:
白天:
-1.8~5.4°F(-1~3℃)
夜间:
12.6~21.6°F(7~12℃)
研究方法
间接测量:
遥感
直接测量:
固定气象站,流动观测
描述方式
热影像图片
等值线图;温度曲线图
①城市表面热岛
在炎热晴朗的夏季白天,阳光照射会加热干燥裸露的城市表面,比如屋顶和道路,使其温度比空气温度高50~90°(27~50℃)。
与此同时,通常在城市周围乡村的阴凉下或潮湿的表面,其表面温度和空气温度大致相当。
城市表面热岛在白天和夜间都会出现,但是在白天阳光照射时,热岛强度趋于强烈。
平均来说,白天的城乡表面温度差值为18~27°F(10~15℃),夜间要小一些,为9~18°F(5~10℃)。
城市表面热岛的大小,由于太阳辐射强度以及地表覆盖物和天气的变化随季节变化。
因此,城市表面热岛强度一般夏季比较大。
为了研究城市热岛,研究人员运用直接和间接的方法,比如数值模拟,基于经验模型的估计等。
研究人员常使用遥感这种间接测量方式来估计表面温度。
②城市大气热岛
城市大气热岛指的是暖和的城区温度与凉爽的乡村温度的差值。
学者通常将城市大气热岛分为两种:
一是大气冠层城市热岛,它存在于人们生活的大气的底层,其范围是从地表到树顶或屋顶。
大气冠层城市热岛是最常见和被讨论最多的。
二是大气边界层城市热岛,该层从屋顶或树顶一直到达地面景观不再影响大气的高度。
这个范围一般不超过从地面往上1.5km。
城市大气热岛通常在早晨和白天较弱,日落后由于城市基础结构逐渐释放出的热量变得显著。
热岛峰值发生在何时取决于城乡表面温度的特征、季节性和主导天气状况。
1.3.4城市热岛测试方法
近年来,人们在研究热岛过程中根据地理范围做了许多综合的测试。
UHI的测试方法可以分为现场实测和模拟两类。
现场实测又包括气象站法、布点测试、遥感观测和小尺度建模测试。
1.3.4.1现场实测
①气象站法,是基于成对气象站点对城乡差异的统计分析。
李文莉[7]等利用兰州站和相邻的榆中
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