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C.1环境工学基本知识§1-1生物圈与生态平衡一、生物圈1.定义：地球表面全部有机体及其相互作用的生存环境的总合称为生物圈。2.范围：海平面以上约15公里；海平面以下约11公里物种：动物216万种；植物34万种；微生物4万种3.分类：1)气圈：约10km暖层（非常稀薄，基本与人类无关）大中层（非常稀薄，基本与人类无关）气平流层（臭氧含量非常高）对流层（气流活动非常丰富）2)水圈3)岩石圈二、生态系统1.定义：在一定的空间内，生物之间、生物与环境之间，互相依赖制约并以某种方式进行物质与能量的交换。这种生物与环境的结合体称为生态系统2.组成生产者：自养者，绿色植物、菌类消费者：他养者，动物分解者：还原者，微生物非生命物质：各种无机物及自然因素3.生态平衡Ⅰ定义：生态系统各组分之间，在一段时间内，在一定的条件下保持着自然的、暂时的、相对的动态平衡，称为生态平衡。Ⅱ手段正反馈：物种在无限制环境下连续以指数形式增长的本能。负反馈：资源减少、疾病、天敌、环境恶化等限制物种发展。Ⅲ正、负反馈的调节三、城市生态环境的特点1.人类成为生态系统的主体2.是一个不独立、不完全的开放系统3.是一个极不稳定的环境系统§1-2环境及环境机能一、环境1.定义：某一主体周围对该主体有影响的自然因素的总合。2.分类自然环境：客观生存基础人工环境：物质环境（房屋、桥梁、道路、城市等）社会文化环境（政治、法律、宗教、风俗等）二、环境的机能1.环境中的物质交换——分子扩散；紊流扩散2.环境中的能量传递3.环境的自净能力Ⅰ定义：借助一系列物理、化学、生物过程，被污染的环境一定程度上都有清除异物恢复原状的能力，称为环境的自净能力。Ⅱ大气自净方式紊流扩散重力吸附作用雨水冲刷生物、化学作用Ⅲ最大自净能力（环境负荷）环境对异物的最大可容纳量Ⅳ建筑实例§1-3人类活动对环境和气候的影响一、下垫面性质的改变对气候的影响下垫面：天空大气面对的地表层，能对大气产生影响的表层。1.植林与伐林2.建造大型水库3.海洋石油污染二、改变了大气成分1.CO2浓度升高形成温室效应2.化工业废气破坏臭氧层3.光化学污染严重4.人为尘埃增加三、人为释放热C.2城市热环境§2-1城市气候特点1.空气污染严重、日照减弱2.城市气温升高，形成“热岛”现象3.市区风向不规则，风速减小，但时有强风4.雾多、降水多，空气相对湿度小§2-2城市热岛现象一、城市热岛城市“热岛”效应是指城市内的气温比城市外高，且越接近市中心建筑稠密区温度越高，等温线图呈现岛性，称其为热岛热岛强度△T=市区气温-郊区气温二、热岛的成因1.城市下垫面与郊区的巨大差异是形成热岛效应的重要原因Ⅰ立体化下垫面曾大大增加了太阳辐射的接触次数Ⅱ城市建筑密度大，通风不良，不利于热量散发Ⅲ城市中不透水面积大，植被水体少2.市区有大量的人为释放热3.市区上空的大气污染严重三、热岛的特征1.城市规模越大，人口越多，热岛现象越强。△T=2.0lgN-4.06(℃)欧洲△T=2.96lgN-6.41(℃)北美2.各地区各季节各时刻热岛强弱不同Ⅰ冬季热岛效应较夏季强Ⅱ纬度越高的地区热岛效应越强Ⅲ夜间热岛效应较白天强3.存在“临界风速”§2-3热岛对环境的影响及对策一、热岛对环境的影响1.在城乡之间形成热岛环流，加重空气污染混合高度Hmin=50～500m2.增加城市降水量，降低城市空气湿度，城市极端天气增多3.酷热天气增多，减少城市霜、雪二、规划设计对策1.严格控制城市人口，控制城市规模：最佳城市规模2.以交通站点为中心，城市均匀分布多个闹市中心，分散人流，减轻热岛3.“大区大间距，小区小间距”的规划原则减少太阳辐射吸收量；减少二氧化碳排放量4.加强绿化改善外部环境Ⅰ分散式绿化：减弱整个城市的热岛强度Ⅱ绿化带型：将热岛分割成小块，有效降低混合高度（宽约150m）Ⅲ结合建筑立体绿化乔、灌、草合理结合优先使用当地植物绿化品种的选择与配置3.合理的建筑布局Ⅰ合理预留风道Ⅱ提高风道利用效率4.加强建筑节能，减少人为产热Ⅰ市区保持充足的蒸发地面（湿地、绿地），严格控制人工铺装地面，或使用新型建材Ⅱ优化建筑单体5.建设海绵城市海绵城市：国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”，指的是城市像海绵一样，遇到有降雨时能够就地或者就近“吸收、存蓄、渗透、净化”径流雨水，补充地下水、调节水循环，在干旱缺水时有条件将蓄存的水“释放”出来并加以利用，从而让水在城市中的迁移活动更加“自然”。Ⅰ建设原则：规划引领；生态优先；安全为重；因地制宜；统筹建设。Ⅱ建设途径：①对城市原有生态系统的保护。②生态恢复和修复。③低影响开发。Ⅲ控制目标：径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源化利用等•Ⅳ实施路径：总体规划：（1）保护水生态敏感区。（2）集约开发利用土地（3）合理控制不透水面积。（4）合理控制地表径流。（5）明确低影响开发策略和重点建设区域。专项规划：城市水系统专项规划；城市绿地系统专项规划；城市排水防涝综合规划；城市道路交通专项规划；技术路线：控制指标分解技术选择：渗透、储存、调节、转输、截污净化单项设施：主要有透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐、调节塘、调节池、植草沟、渗管/渠、植被缓冲带、初期雨水弃流设施、人工土壤渗滤等。C.3城市风环境定义：“风环境”，包括城市的风向，风速以及影响城市风向、风速的因素以及其对城市大气环境的影响。§3-1大气边界层一、大气边界层1.大气边界层：从地球表面到500~1000米高的这一层空气郊区：薄平原：薄市区：厚山地：厚2.分层①接地层：自地面向上50-100米的空气层，也叫城市覆盖层。是与人类关系最密切的一层，气温、风速、风向等的变化都发生在该层。②自由大气：大气边界层的上部的大气。二、边界层内风速的垂直分布式中Vh——高度h处的风速Vg——当地地转向风速hg——当地边界层上界高度α——指数，取决于当地粗燥度类别草原农耕地带城市郊区城市中心α0.28~0.120.13~0.160.20~0.230.25~0.40边界100~180270~350390~460420~600层厚度(m)式中：hs——基准高度，取10米规律：随高度的增加，农村风速迅速增大，而城市风速变化不大，同一高度处，农村风速远大于城市风速。gghhhVVsshhhVV三、边界层内气温的垂直分布与大气稳定度1.温度层结：大气中空气温度沿垂直方向的分布状况（用气温垂直递减率γ表示）正常分布：下高上低，γ＞0气温随着高度增加而下降，每上升100m平均下降0.65℃反常分布：Ⅰ等温——气温不随高度发生变化，γ＝0Ⅱ逆温——气温随高度的增加而升高，γ＜02.大气稳定度：反映城市中空气流动情况A——极不稳定D——中性F——稳定3.地面浓度分布Ⅰ地面最大浓度与烟囱高度的平方成反比Ⅱ地面最大浓度落点（烟囱下风侧Xmax）①建筑选址避开下风向10-15倍烟囱有效高度为位置②附加高度正比于：烟囱直径、烟囱口排烟速度、排烟温度③源强条件相同的情况下,抬高源高可以有效地降低地面污物浓度四、逆温及其对大气污染的影响1.逆温：气温随高度的增加而升高的现象，称逆温现象2.逆温层：逆温所及的空气层叫“逆温层”。上界称“逆温顶”，下界叫“逆温底”。3.分类：1根据逆温层的位置分类a.接地逆湿：从地面即开始逆温b.悬浮逆温：中间一段大气分布反常2根据逆温形成原因分类①平流逆温：大天气系统的暖气流经过冷的下垫面上空时形成②辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温③地形逆温：由于局部地形原因而造成的逆温（谷地或盆地）§3-2风向分布与规划设计一、大天气系统的风向类型与规划设计1、基本概念a风向频率：某地某方向的风向频率即指该方向一年中有风次数与该地区全年各方向有风总次数的比率。b最小风频风向：指某地风向频率最小的方向。b最小风频风向：指某地风向频率最小的方向。c风玫瑰图：在极坐标中标出各风向的风向频率。d盛行风向：多年气象资料统计出某地一年中风向频率较大的方向，可以有一或二个，不超过三个。e主导风向：即单一盛行风向、即该地区只有一个风向频率较大的风向，风玫瑰图上单一尖角。2、风向类型分区与规划布局A季风区：冬偏北夏偏南，风向较稳定，风向变化在135°~180°盛行风向频率一般在20%—40%。东北至东南大部地区(风玫瑰图上有两个尖角)规划原则：将工业区布置在最小风频风向的上风侧；居民区布置在最小风频风向的下风侧。B主导风向区：具有风向频率在50%的风向，西北西南大部分地区（风玫瑰图上一个长尖角）规划原则：工业区置于主导风向的下风侧居住区置于主导风向的上风侧C无主导风向区：全年风向多变，无盛行风，也无最小风频，陕北甘肃宁夏。（风玫瑰图较均匀）规划原则Ⅰ工业区置于年合成风速风向的下风侧居住区置于年合成风速风向的上风侧(各向风速均较大)Ⅱ工业区布置于危险风速的下风侧居住区置于于危险风速的上风侧(有危险风速)D准静风区：静风频率(风速0~1.0m/s)在50%以上，盆地、山谷规划原则Ⅰ工业区集中布置；利用卫生防护带隔离其与生活区Ⅱ计算出污染源浓度落点，生活区置于该界限以外风向类型符号指标生活区工业区主导风A主导风向上风下风A’最小风频下风上风对角盛行风180°B风向旋转本侧外侧B’最小风频下风上风夹角盛行风90°C风向夹角内侧外侧45°C’盛行风向上风下风135°C’’风向旋转本侧对侧C’’’最小风频下风上风静风D工业区集中生活区分散次大风频下风侧D’最小风频上风侧无主风E年合成风向上风下风二、局地环流与规划设计1、山谷风1）机理2）特点：Ⅰ日变型山风和谷风的的频率大致相等；Ⅱ谷风的风速约大于山风；Ⅲ常伴有逆温现象，大气稳定；Ⅳ阴雨天几乎不存在；Ⅴ与山谷的大小，山坡面的朝向均有关系。规律：山谷大：风强向阳：强山谷小：风弱背阳：弱3）对环境的影响及对策影响：谷底的污染物难以扩散稀释对策：①尽量避免在山谷地带建污染浓度大的工厂②对重污染工厂，采用超高烟囱，冲出环流层2、海陆风（水路风）1）机理2）特点：Ⅰ日变型，风频基本相等；Ⅱ影响范围大：Ⅲ风速较大，海风约为5～6级，陆风＜3级Ⅳ热带地区海陆风较强，中高纬地区较弱。3）对环境的影响及对策影响：Ⅰ局地循环累积污染加重Ⅱ若当地盛行风与海风相反，将形成一层倾斜的逆温层烟气压在逆温层内难以扩散，造成沿海近处污染增大对策：沿海建工业区时，应将生产用地与生活用地平行布置，二者均垂直于海岸线布置。3、过山风（下坡风）1）机理2）特点：局部强风3）对环境的影响及对策对策：①尽量提倡布置在C点②在岩山不稳的山坡下，避免设置各种设施§3-3建筑群中的风环境一、建筑周围的气流状况1.建筑气流场的基本模式Ⅰ室外气流遇建筑物阻碍，约在墙面高度1/2处，分成向上、向下气流，侧面分成向左、向右气流。Ⅱ经过建筑转角处，气流与建筑物剥离，风速沿剥离流线加强。横向剥离风有下降趋势。2.建筑物尺度变化对气流的影响建筑物越长、越高、进深越小，其背风面产生的涡流区越大。3.风向入射角变化对气流的影响风向与建筑物长边的夹角越大，其背风面产生的涡流区越大，同时两侧强风区越大。二、建筑防风1.选址要求Ⅰ避免“霜洞”Ⅱ避免产生“局地疾风”——风旋、风洞、风漏斗Ⅲ避免雨雪堆积2.利用防风林或挡风构筑物Ⅰ防护林背后最低风速出现在距离林木高度4至5倍处Ⅱ防护林的宽度为其高度11倍左右时，防护距离最大Ⅲ树丛的防护距离远大于树林Ⅳ实体墙阻风设施应在墙体上留有向上穿透的百页或孔洞3.建筑“涡流”效应Ⅰ建筑角落部分形成猛烈气流“角落效应”Ⅱ被吸入建筑物背风面真空区形成强烈下旋“尾流效应”Ⅲ建筑物紧密相依造成狭长空间“通道效应”Ⅳ高大建筑物角部相对“漏斗效应”4.建筑防风措施A立面处理Ⅰ基座型建筑①高层建筑物附设“裙房”或出挑“平台”②裙房的设计高度必须比临近建筑物高Ⅱ中空化建筑①建筑立面中部设通风通道②建筑中空层应设在迎风面气流分叉点附近Ⅲ邻栋间设通廊顶盖B平面处理Ⅰ建筑平面转角处理①转角作锯齿状处理②平面流线转形处理③平面