Влияние рельефа на формирование местных закономерностей при строительстве городов

Среди многих компонентов природной среды рельеф оказывает преобладающее влияние на формирование местных закономерностей санитарно-гигиенического состояния окружающей среды города, воздействуя своим строением и высотой над уровнем моря на радиационный, температурно-влажностный и ветровой режим территории, на распространение шума и загрязнений в воздушном бассейне.

Особенности местного климата города во многом определяются высотой его территории над уровнем моря (явление вертикальной зональности климата) и расположением города по отношению к крупным формам макрорельефа - горным хребтам. Эти хребты значительно изменяют направление и характер движения крупных воздушных масс и являются причиной частых осадков (орографические осадки) с наветренной стороны от хребта и уменьшения осадков с подветренной стороны. Для городов, расположенных вблизи естественных перевалов или проходов в горах, характерны частые и сильные ветры, образуемые при перетекании препятствий рельефа или огибании их воздушными массами (бора в Новороссийске и Сплите, бакинский норд, мистраль на юге Франции, сарма на Байкале, фён и т.д.).

Важно для градостроителей учитывать и огромное влияние рельефа на микроклимат отдельных районов города, обусловливаемое большой разностью высот этих районов над уровнем моря (в ряде городов до 400—500 м) и различиями в экспозиции их территории по отношению к солнечному облучению и преобладающим ветрам.

Влияние рельефа на инсоляцию территории и помещений обусловливается связанными с ним различиями в радиационном режиме. Для условий солнечной радиации имеет значение относительная разница в высоте районов города, так как она определяет резкие отличия показателей прозрачности приземного слоя воздуха. Однако значительно большее влияние на условия радиации территории оказывает экспозиция склонов. При принятии проектных решений необходимо также учитывать возможность затенения территории возвышающимися формами рельефа, особенно вытянутыми в широтном направлении.

Экспозиция склонов оказывает большое влияние и на размер теней, отбрасываемых расположенными на них зданиями. На южных склонах эти тени укорачиваются, на северных - удлиняются. Это должно учитываться при выборе типов зданий и приемов застройки, чтобы обеспечить необходимую инсоляцию жилых территорий и помещений в жилых и общественных зданиях. Для определения величины инсоляционных разрывов между зданиями, размещаемыми на склонах разной ориентации и крутизны, наиболее прост и удобен метод П.П. Коваленко и А.Б. Ривкина, которые установили, что условия инсоляции на северных и южных склонах зависят от изменения уклона, так же как условия инсоляции ровной территории от изменения широты местности.

При этом изменение крутизны склонов на 2% равноценно изменению широты местности на 1°. Отклонение ориентации склона от широтного направления может учитываться умножением величины его уклона на косинус угла отклонения. Величина разрывов между зданиями и связанные с этой величиной показатели плотности застройки могут при этом устанавливаться для любого города, расположенного в интервале от 45 до 65° северной широты, по графику (рис. 37).

Рис. 37. Сводный график переводных коэффициентов норм плотности жилой застройки для склонов различной экспозиции по условиям инсоляции (по П.П. Коваленко, А.Б. Ривкину, для широт от 45 до 65°) 1 - уклоны, % (налево - южных, направо - северных склонов); К - коэффициент по отношению к норме для равнинных условий (для данной широты); 1 - разрывы между зданиями; 2 - плотность застройки; 3 - плотность жилого фонда (нетто); 4 – плотность жилого фонда (брутто); при отклонении ориентации склона от широтной переводной коэффициент следует умножить на косинус угла отклонения

Различия в количестве солнечной радиации и ряд других причин создают в условиях сложного рельефа специфический температурно-влажностный режим отдельных частей города. Прежде всего сказывается закономерная связь температуры воздуха с высотой местности над уровнем моря (вертикальный градиент температуры, составляющий в среднем около 0,65° на 100 м подъема). При наличии перепадов между отдельными районами города в 200—400 м, характерных для многих, в основном крупных городов, разницу средних температур воздуха в этих районах составляет 2—3°. Это само по себе немалое отличие в условиях жаркого климата. Кроме того, надо учитывать, что наиболее важные с точки зрения комфортности среды дневные максимумы и минимумы температур имеют более сильные отличия.

Установлено, что в различных природно-климатических зонах страны относительно наилучший температурно-влажностный режим имеют благоприятно ориентированные склоны (в большинстве случаев — южные), возвышающиеся на 50-100 м над тальвегами и днищами долин и котловин. Эти склоны обычно защищены от сильных неблагоприятных ветров и находятся выше зон частого образования в понижениях рельефа температурных инверсий и ’’озер холода”, вызываемых промерзанием поверхности земли или стоком тяжелого холодного воздуха по склонам.

Большое влияние строение рельефа оказывает на ветровой режим территории города. Формы рельефа представляют одну из разновидностей шероховатости земной поверхности и значительно изменяют в приземном слое воздуха направление ветров общей циркуляции. Кроме того, элементы и формы рельефа способствуют зарождению местных циркуляций воздуха (горно-долинных ветров и горных бризов) за счет упоминавшихся выше различий в нагревании и охлаждении склонов разной экспозиции.

Ф.Л. Серебровский, исследуя проблему аэрации городов, установил, что рельеф холмистых и горных районов оказывает более значительное воздействие на воздушный поток, чем сама городская застройка. Особенности вынужденного ветра, отражающего влияние рельефа на обще-циркулярное воздушное течение, исследовались рядом специалистов с использованием эмпирических, теоретических и экспериментально-модельных методов.

Установлено, что изменение характеристик воздушного потока, взаимодействующего с простыми формами рельефа (грядами, холмами, ложбинами), заключается: в повышении скорости ветра в зоне над вершинными частями выпуклых форм рельефа (на высоту до трех высот препятствия); в понижении скорости у подножия препятствия как с наветренной, так и с подветренной стороны; в падении скорости ветра в долинах, поперечных к его общему направлению, и в ускорении — в продольных; в изменении направления ветра в приземном слое воздуха в результате экранирующего влияния форм рельефа; в образовании завихрений на подветренной стороне препятствий, обтекаемых воздушным потоком.

Сведения об изменении направления и скорости преобладающих ветров под воздействием рельефа конкретной территории должны быть одним из важных исходных данных при принятии проектных решений.

Специфическим видом местных ветров в горных районах, возникающих вне прямой связи с общей циркуляцией воздуха и оказывающих значительное воздействие на городской микроклимат при общей штилевой обстановке, являются горно-долинные ветры. Эти ветры имеют суточный период обращения и вызываются различиями в нагревании и охлаждении различных склонов и воздушных масс над ними. Различают три вида ветров: собственно горно-долинные, обусловленные различным нагреванием воздуха над хребтом и долиной; ветры склонов, являющиеся движением тонкого приземного слоя воздуха под влиянием различного нагревания верхних и нижних частей склонов, и горные бризы, возникающие между противоположными склонами долины, имеющими перепад температур.

Горно-долинные ветры могут быть как благоприятным, так и отрицательным фактором при застройке в зависимости от общих климатических условий района и конкретной планировочной ситуации.

Специфика ветрового и температурного режима, связанная с условиями рельефа, влияет не только на микроклимат города, но и на закономерности распространения в его воздушном бассейне загрязнений, выбрасываемых отдельными промышленными предприятиями.

Одним из основных средств, применяемых для снижения концентрации вредных примесей в воздухе в районах выбросов, являются высокие дымовые трубы. Превышение отметки верха трубы является одним из важнейших факторов, влияющих на положение начала зоны загрязнения и на закономерности изменения концентраций примесей в приземном слое воздуха на различных расстояниях от места выброса. Размещение источников вредных выбросов на более высоких участках рельефа, чем жилые районы, позволяет увеличить действующую высоту труб и уменьшить загрязнение селитебных территорий.

Распространение загрязнений в воздушных массах, перемещающихся над пересеченной местностью, имеет ряд особенностей. Его расчет осложняется вследствие причудливых изменений направления и скорости ветра. При общей устойчивости циркуляции с достаточно высокими скоростями сложный рельеф может быть благоприятным фактором, так как его формы способствуют лучшему перемешиванию воздуха в нижнем слое атмосферы и рассеиванию загрязнений. Изменение направления ветров в долинах также оказывает влияние на распространение загрязнений и должно учитываться при проектировании (рис. 38).

Рис. 38. Особенности распространения загрязнений воздушного бассейна в условиях сложного рельефа А — расположение участка территории на уровне факела выброса; Б — возможность стока загрязнений по склону при неблагоприятной метеорологической обстановке; В - возможность скопления выбросов в замкнутых понижениях рельефа при такой обстановке; Г - благоприятные и неблагоприятные участки для жилой застройки по условиям возможного стока загрязнений; 1 - распространение загрязнений при нормальных метеорологических условиях, 2 — то же, при неблагоприятных условиях (температурных инверсиях)

Наиболее неблагоприятно рельеф может влиять на санитарно-гигиеническое состояние воздушного бассейна города в периоды безветренной погоды и образования в связи с этим температурных инверсий. В ряде случаев в приземном слое воздуха, особенно в пониженных местах рельефа — котловинах и долинах — происходит недопустимое накопление вредных примесей. Поэтому промышленные предприятия, выделяющие значительные вредные выбросы, и жилые районы не следует размещать в пределах одной котловины или долины.