Введение

Современные города сталкиваются с множеством вызовов, связанных с обеспечением комфортных условий для жизни населения. Среди этих вызовов значительное место занимает учет микроклиматических факторов, которые оказывают существенное влияние на качество городской среды и здоровье населения. Уплотнение застройки, рост эмиссии техногенного тепла, сокращение зеленых насаждений, увеличение площадей с искусственным покрытием и другие виды антропогенного преобразования городских территорий приводят к изменению радиационного и теплового баланса, деформации ветровых полей, температуры воздуха, перераспределению осадков и многим другим последствиям, что негативно сказывается на состояние окружающей среды и здоровье населения. В связи с этим одной из наиболее важных задач для обеспечения устойчивого развития урбанизированных территорий является анализ микроклиматических условий территории и их регулирование путем разработки и внедрения современных архитектурно-планировочных решений, способствующих повышению комфортных условий проживания и созданию здоровой городской среды.

Цель данного исследования – проанализировать методологические подходы к оценке микроклиматических условий городских территорий и их учет в градостроительном планировании. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи: изучить факторы формирования городского микроклимата, проанализировать влияние микроклимата на здоровье населения, представить методы микроклиматической оценки и разработать рекомендации по их интеграции в градостроительное планирование.

Факторы формирования городского микроклимата

Микроклимат городской среды представляет собой совокупность климатических условий, которые формируются на уровне небольших урбанизированных территорий, таких как городские кварталы, парки, прибрежные зоны или отдельные здания. Главными характеристиками микроклимата являются температурный и ветровой режимы, влажность воздуха, показатели количества и качества осадков. В городской среде компоненты микроклимата, взаимодействуя между собой и с такими элементами окружающей среды, как растительность, водные объекты и архитектурно-градостроительные структуры, формируют уникальные климатические условия на определенной территории.

Факторами, влияющими на формирование локального климата, являются городская застройка (плотность, этажность); прямые выбросы тепла объектами теплоэнергетики; пылегазовые выбросы промышленных предприятий и транспорта; «запечатанность» территории (перекрытие почв и грунтов непроницаемыми искусственными материалами); теплоемкость и отражательная способность элементов городской застройки (стен зданий и сооружений, крыш, дорог); распределение зеленых насаждений; естественные и искусственные водоемы. В результате в городской среде формируется эффект теплового острова (увеличение температуры на 2–8 °С в сравнении с пригородной зоной), эффект городского или уличного каньона (ветровые коридоры), образуются зоны ветрового застоя, световой тени и другие неблагоприятные последствия. Кроме того, под влиянием перечисленных факторов могут формироваться микроклиматические изменения общеклиматических режимов территории, изменяются основные климатические параметры, применяемые для проектирования городских и сельских поселений, зданий и сооружений [1].

Влияние микроклиматических условий на здоровье населения

Измененные микроклиматические условия городской среды, такие как повышенная температура воздуха, ветровые потоки, влажность и солнечное излучение, оказывают существенное влияние на здоровье и качество жизни населения. Температурные аномалии, усиливаемые в городских условиях, могут вызывать тепловой стресс, повышать риск сердечно-сосудистых и иных заболеваний, что особенно опасно для уязвимых групп населения, а именно детей, пожилых людей и лиц с хроническими заболеваниями. Высокая влажность может усиливать ощущение жары и затруднять охлаждение тела, что может привести к перегреву. В городах, где высокие здания создают эффект каньонов, скорость ветра обычно увеличивается, образуя ветровые коридоры, что приводит к дискомфорту и даже опасности для пешеходов.

Влияние климатических условий в городской среде на здоровье населения изучено во многих зарубежных и отечественных исследованиях. В результате установлены статистические связи между климатическими факторами и характером заболеваемости населения. В качестве примера можно привести исследование в г. Воронеже, в котором была доказана роль климатических факторов в формировании уровня общественного здоровья населения города с учетом комплексных биоклиматических показателей [2]. Модели развития заболеваний жителей Воронежа, обусловленных климатом, представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Диаграммы зависимости показателей заболеваемости от климатических параметров окружающей среды (случаев заболеваний на 1000 человек за 2006-2016 гг).

Исследование особенностей городского микроклимата позволяет понять, как урбанизированная среда может влиять на комфорт и здоровье населения на определенной территории. Как следствие, имеется возможность разработать эффективные меры по их регулированию, что особенно важно в условиях плотной городской застройки.

Методы оценки микроклимата в городской среде

В методологии оценки микроклимата города в настоящий момент есть довольно существенные достижения: проведено большое количество научных исследований по оценке микроклиматических условий конкретных территорий, разработаны экспериментальные методики оценки комфортности городской среды с учетом микроклиматических особенностей. Однако унифицированных методик оценки микроклимата, в том числе с использованием современных технологий геоинформационного анализа, дистанционного зондирования и математического моделирования не сформировано. Кроме того, должным образом не рассматривается реализация основных выводов и рекомендаций научных исследований по оптимизации городского планирования для улучшения микроклимата.

Базовый анализ климатических условий в настоящее время производится традиционными способами и инструментами: через показатели метеорологических станций, с помощью ручных измерительных приборов (анемометры, термометры, гигрометры) и эмпирических моделей, которые имеют технические и пространственные ограничения, например низкое пространственное разрешение и необходимость регулярного технического обслуживания.

В то же время сегодня специалисты располагают широким спектром эффективных технологий, позволяющих собирать, обрабатывать и интерпретировать данные о климатических условиях на локальном уровне, чем обеспечивается более точный и оперативный анализ. К таким технологиям относятся геоинформационные системы (ГИС), автоматизированный мониторинг, компьютерное моделирование.

С помощью ГИС возможна визуализация и анализ данных, создание карт микроклимата, выявление проблемных зон, зонирование территории по степени комфортности. Компьютерное моделирование, например с помощью ENVI-met, позволяет строить 3D-модели городских территорий, визуализировать распределение температуры, влажности и потоков воздуха, а также оценивать влияние застройки и озеленения на микроклимат (рис. 2) [3].

Рисунок 2. Моделирование потенциальной температуры воздуха в городском районе (слева) и скорости ветра (справа).

Помимо моделирования в ENVI-met существует еще ряд программных продуктов по расчету микроклимата: SIMULIA Abaqus, Dytran, Star-CCM, Flow Vision, OpenFOAM, SimScale и Eddy3D (CFD моделирование ветрового потока), ANSYS CFD (CFX, Fluent) и др. [4, 5, 6, 7]. Это прикладные инструменты, проприетарные и не интегрированные в основные программы для градостроительного планирования. Кроме того, ряд методов дает возможность моделировать микроклиматические условия с высокой точностью, однако для его использования требуются значительные вычислительные ресурсы и профессиональная специализация.

Уникальные возможности для мониторинга и анализа микроклимата предоставляют сенсорные сети, например SBS-24 а45, ArchiSense и др. Они состоят из множества датчиков и могут различные замеры в реальном времени с высокой частотой. Так, в Сингапуре в рамках инициативы «Умный город» (Smart Nation) была внедрена система сенсоров, охватывающая более половины территории города, что позволило прогнозировать перегрев кварталов и управлять вентиляцией улиц, изменяя направление воздушных потоков за счет городской архитектуры и озеленения (рис. 3). Такие проекты демонстрируют, как современные технологии могут быть интегрированы в градостроительное планирование для создания более комфортных и экологически устойчивых городов.  

Рисунок 3. Реализация зеленых решений в рамках комплексной инициативы по устойчивому развитию «Зеленый план Сингапура до 2030 года» (источник: https://www.gardener.ru/gap/garden_guide/page7125.php)

Интеграция микроклиматических решений в градостроительную практику

Внимание к микроклиматическим условиям при градостроительном планировании позволяет проектировать городские пространства с предельной минимизацией негативного воздействия, например от эффекта городского теплового острова, ветровых коридоров, световых/теневых зон, и создавать благоприятные условия для жизни и здоровья населения.

Важным шагом в интеграции микроклиматических решений в градостроительную практику является мониторинг городского микроклимата. Территория каждого типа городского локального участка имеет свои особенные микроклиматические показатели, отличающиеся от показателей открытого ровного пространства. В целом микроклиматические показатели характеризуются изменчивостью радиационного, температурного, ветрового и инсоляционного режимов, что необходимо учитывать в городском планировании.

Городское планирование, учитывающее микроклиматические особенности, может быть реализовано с использованием технологии слежения в режиме реального времени (онлайн) с помощью систем и средств автоматизации в различных сервисах «умного города». Полученная от городских служб автоматизированного мониторинга информация может использоваться департаментами и управлениями архитектуры и градостроительства, администрацией городов и предоставляться проектным градостроительным организациям при разработке документов территориального планирования и мастер-планов.

Программы компьютерного моделирования с учетом полученных данных автоматизированного мониторинга позволяют с высокой точностью оценивать влияние микроклиматических условий на проектируемые здания, окружающую среду и здоровье населения. Благодаря этим инструментам создаются детализированные модели, учитывающие воздействие таких факторов, как солнечное излучение, температура, ветер и влажность, что способствует выявлению проблемных зон и принятию эффективных архитектурно-планировочных решений.

Следующим шагом в интеграции оценки микроклимата в градостроительную практику должен стать адаптивный городской дизайн, учитывающий климатические особенности на определенной территории. Такой дизайн является эффективным архитектурно-планировочным подходом, цель которого создать комфортную и безопасную среду, минимизируя негативные климатические воздействия. Принципами адаптивного климатического городского дизайна выступают динамичность (гибкость объемно-пространственных структур), смена функций (в ответ на запрос жителей), использование модульных элементов и экологичных материалов, учет социальных потребностей (запросы разных социальных групп). Мероприятия и проектные решения адаптивного городского дизайна фокусируются на следующих вопросах:

• контроль объема солнечного излучения, достигающего общественного пространства (обеспечивает различные градиенты солнца и тени);

• использование зеленых насаждений при регулировании теплового и ветрового комфорта в городах;

• проектирование искусственных водных объектов (фонтаны, искусственные водоемы и каналы), способствующих охлаждению воздуха и повышению его влажности;

• учет воздействия ветра, что обеспечивает ветрозащиту или стимулирует ветропродувание;

• регулирование температуры воздуха и относительной влажности (объединяются такие параметры, как испарение и аэрация).

В качестве примера решений адаптивного климатического городского дизайна можно привести создание специальных теневых зон (крытых мест), которые позволяют защититься от солнца. С помощью оборудования светопрозрачных конструкций солнцезащитными устройствами имеется возможность смягчить последствия экстремальной жары (рис. 4).

Рисунок 4. Теневая зона в «Мария-парке», Вайле, Дания (слева), светозащитная конструкция в колледже Святого Петра Оксфордского университета, Англия (справа)

Для эффективного учета микроклимата в градостроительстве необходимо разрабатывать и внедрять инновационные подходы к проектированию на законодательном уровне. Такие подходы должны включать обязательное использование технологий анализа микроклимата и внедрение зеленых и устойчивых решений. В частности, принятые «зеленые» стандарты, направленные на применение и развитие зеленых технологий в строительстве, обозначают новые градостроительные подходы к созданию безопасной и здоровой городской среды: развитие вертикального озеленения, создание зеленых крыш и фасадов, строительство энергоэффективных зданий и др. Интеграция систем мониторинга микроклимата в городскую инфраструктуру будет способствовать более эффективному внедрению «зеленых» стандартов и решений. Также в методическую основу разработки градостроительной документации может быть включена оценка микроклимата территории, при этом методики такой оценки должны быть унифицированы, а программы анализа включены в перечень программ российского программного обеспечения для субъектов градостроительной деятельности.

Важное значение имеет включение микроклиматических аспектов в программы городского развития, документы стратегического и территориального планирования. Содержащиеся в них проекты могут стать ключевым ресурсом в реализации адаптивных механизмов с точки зрения микроклиматических условий. Вовлечение жителей в процесс принятия решений также поможет созданию адаптированных к местным условиям и потребностям проектов. Совместные обсуждения, участие граждан в планировании и прозрачность действий органов власти будет способствовать созданию доверия и повышению эффективности принимаемых мер.

Заключение

В ходе исследования были изучены факторы формирования городского микроклимата, его влияние на здоровье населения, выявлено, что использование таких методов микроклиматической оценки, как автоматизированный мониторинг и компьютерное моделирование в значительной степени способствуют качественному микроклиматическому анализу, а включение раздела об аспектах микроклимата в градостроительную документацию, переход на адаптированное городское планирование способствуют созданию комфортной и здоровой городской среды.

Основной проблематикой в интеграции микроклиматических аспектов в градостроительную практику остается:

• отсутствие четких требований по обязательному учету микроклиматических параметров в градостроительном планировании;

• проблема в получении актуальных исходных данных;

• подбор (разработка) программного обеспечения для микроклиматической оценки территории;

• отсутствие методического обеспечения и нормативного регулирования с учетом региональной/местной специфики территории.

Возможные пути решения проблемных вопросов могут заключаться в следующем:

• законодательное регулирование: внедрение обязательных требований к учету микроклимата в градостроительных нормах;

• унификация методик оценки: разработка отечественных стандартизированных методов микроклиматической оценки территории;

• переход на методы тактического адаптивного планирования через цифровое информационно-аналитическое моделирование;

• включение зеленых стандартов и адаптивных технологий в утверждаемую часть проектов: правила землепользования и застройки (архитектурно-градостроительный облик), нормативы градостроительного проектирования.

Таким образом, включение оценки микроклиматических аспектов в документы территориального и мастер-планирования позволит обеспечить учет их особенностей при планировке и застройке, разработать эффективную стратегию повышения комфортности городской среды для населения, тем самым улучшить показатели общественного здоровья и способствовать устойчивой модели городского развития.

Список литературы

1. Экология урбанизированных территорий: особенности развития, проблемы, методы оценки: монография / В. Г. Поляков, Э. С. Косицына, Д. К. Князев и др.; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Волгоградский государственный технический университет. – Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2021. – 110 с.

2. Попова, И. В. Методика геоэкологической оценки комфортности городской среды с учетом микроклиматических особенностей: автореф. дисс.  канд. географ. наук / И. В. Попова. – Воронеж, 2019. – 24 с.

3.  Туан, Л. М. Расчет интенсивности теплового острова в мегаполисах с помощью моделирования в программе ENVI-met /Ле Мунь Туан, И. С. Шукуров, М. О. Гельманова, М. Ю. Слесарев и др. // Вестник МГСУ. – 2020. – Т. 15. – Вып. 9. – С. 1262– 1273.

4. Мешкова, В. Д. SigmaFlow как инструмент исследования ветрового комфорта в условиях городской среды / В. Д. Мешкова, А. А. Дектерев, С. А. Филимонов, К. Ю. Литвинцев // Техника и технологии. – 2022. – № 15(4). – С. 490–504.

5.  Оленьков, В. Д. Компьютерное моделирование аэрационного режима жилой застройки с целью проветривания и ветрозащиты / В. Д. Оленьков, А. О. Колмогорова, А. Е. Сапогова // Вестник ЮУрГУ. – 2021. – Т. 21. – № 1. – С. 5–12.

6. Воробьева, Ю. А. Цифровое моделирование ветровых потоков в жилой застройке / Ю. А. Воробьева, Т. В. Михайлова, Е. Э. Бурак // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. – 2022. № 5. – С. 33–40.

7. Беленко, В. В. База пространственных данных экологической геоинформационной системы застраиваемой (застроенной) территории // Естественные и технические науки. –2011. – № 3. – С. 278–281.