城市濱水帶風(fēng)景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計初探*

張 琳 劉濱誼 林 俊

同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 上海 200092

1 城市濱水帶風(fēng)景園林小氣候環(huán)境的作用

近百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化，并對人類居住環(huán)境產(chǎn)生重大影響，與之伴生的城市環(huán)境問題不斷凸顯，隨著社會發(fā)展和人民生活水平的提高，大眾更為關(guān)注戶外活動空間的環(huán)境質(zhì)量。城市環(huán)境的惡劣化發(fā)展趨勢與公眾對健康舒適的戶外活動需求之間的矛盾日益突出，從而激發(fā)了人們對宜人小氣候環(huán)境的追求。小氣候是在具有相同的大氣候特點的范圍內(nèi)由于地形方位、土壤條件和植被不一致而在局部地區(qū)形成的獨特氣候狀況，主要表現(xiàn)在個別氣象要素(溫度、濕度、風(fēng))變化劇烈以及個別天氣現(xiàn)象(霧、露、霜)的差異上。正如L. J. 貝頓所指出的，小氣候是代表從地面到不受地面影響高度的氣候，十幾米到百米的高度。而這一層正是人類生活和動植物生長的區(qū)域和空間，所以創(chuàng)造舒適宜人的小氣候環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

通過風(fēng)景園林要素改善戶外環(huán)境微小氣候，在氣候適應(yīng)性設(shè)計中具有關(guān)鍵的作用，例如通過城市綠化提供“冷島”以減緩城市熱島效應(yīng)，調(diào)節(jié)戶外近人尺度環(huán)境的溫度、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、太陽輻射等，關(guān)注格局、空間節(jié)點、廊道的形態(tài)和性質(zhì)等內(nèi)容，在設(shè)計上更注重地形、水體、植物、色彩等要素，在環(huán)境上關(guān)注風(fēng)、濕度、溫度、日照等生態(tài)要素等。因此，氣候適應(yīng)性風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計是應(yīng)對全球氣候變化、改善城市戶外環(huán)境的重要建設(shè)途徑。

城市濱水帶是城市中河流、湖泊、海洋等水域與陸域相接的一定范圍的帶狀區(qū)域。與廣場、街道等城市公共空間相比，水域是城市生態(tài)系統(tǒng)中相對獨立和完整的區(qū)域。所以城市濱水帶更具自然性，是城市中理想的生境走廊和最高質(zhì)量的城市岸線。感應(yīng)地理學(xué)和景觀偏愛理論的調(diào)查研究表明，濱水帶對于人類有著一種內(nèi)在的持久的吸引力。而與鄉(xiāng)村濱水區(qū)、自然狀態(tài)的濱水區(qū)相比，城市濱水帶更多地體現(xiàn)了人工性的特征，是城市中復(fù)合了人工改造的自然景觀環(huán)境。所以，可以利用自然生態(tài)要素與風(fēng)景園林人工要素之間的作用機制，找到水體、駁岸、植物、鋪裝、園林構(gòu)筑等設(shè)計要素對小氣候物理因子的作用規(guī)律，提出城市濱水帶風(fēng)景園林濱水小氣候適應(yīng)性設(shè)計方法，從規(guī)劃設(shè)計的理論方法和具體的實施途徑入手，發(fā)揮風(fēng)景園林對氣候調(diào)節(jié)的作用，營造舒適宜人的城市濱水帶小氣候環(huán)境。

2 國內(nèi)外相關(guān)研究成果

2.1 風(fēng)景園林設(shè)計要素對小氣候的影響

國外很早就開始關(guān)注綠化對環(huán)境的影響并進行了大量的實驗研究。Ca 等［1］在夏季現(xiàn)場測量了城市中一個公園對周圍區(qū)域環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)面積為35 hm2的公園對周圍環(huán)境溫濕度的影響范圍在風(fēng)力強時可達到風(fēng)力方向1 km 遠。L. Shashua-Bar 等和Ali-Toudert 等認為街道的幾何形態(tài)與走向?qū)Τ鞘行夂蛴兄陵P(guān)重要的影響，并探討了樹蔭對太陽輻射的阻隔作用以及如何利用其改善城市氣候環(huán)境的方法［2-3］。Mahmoud 在城市公園進行了物理因子測試及舒適度問卷調(diào)查，結(jié)果表明在水夏季有利于提高舒適度而在冬季則不然［4］。美國的克萊爾·庫拍·馬庫斯和卡羅琳·弗朗西斯共同編著的《人性場所——城市開放空間設(shè)計導(dǎo)則》［5］針對小氣候如光照、風(fēng)速、舒適度等方面，對廣場上的風(fēng)景園林設(shè)計要素提出了一些建設(shè)性的導(dǎo)則。國內(nèi)對綠化改善小氣候的研究已有40 余年，通過實測分析總結(jié)了植物改善小氣候的各項指標，利用與冠幅、冠高的一元、二元回歸模型計算或估算了園林植物綠量，獲得了一些常見綠化用植物的熱工參數(shù)，得出植物冠層的太陽短波輻射透過和長波輻射透過呈指數(shù)分布。大量研究顯示，在陽光照射下，表面溫度由高到低依次為瀝青、混凝土、淺色石材、干土、草坪，樹蔭對地表材料表面溫度的影響十分顯著。還有學(xué)者針對種植模式、林帶寬度等組合方式的降溫增濕效果進行研究。關(guān)于水體要素，研究顯示水體有增加空氣濕度、降低空氣溫度的效果，其中動態(tài)水更加明顯。

2.2 風(fēng)景園林環(huán)境的小氣候計算機模擬

目前國內(nèi)外用于風(fēng)景園林環(huán)境的小氣候計算機模擬軟件主要有FLUENT，Phoenics，ENVI-met 等10余種。國外主要側(cè)重于借助計算機模擬的方法研究熱或風(fēng)舒適度與設(shè)計的關(guān)系，如使用三維數(shù)字模擬模型ENVI-met 對街谷比例、走向、對稱性、廊道、懸挑立面、綠化要素等對人體熱舒適度的影響進行了模擬研究［7］，借助Fluent 軟件模擬了城市區(qū)域風(fēng)環(huán)境并對其進行了舒適度評價［7］，應(yīng)用EcoTect 軟件分析樹遮蔭的形式如何改善人體熱舒適度感受［8］，借助RayMan 模型對長期熱舒適度進行預(yù)測［9-10］，以sky-view factor(SVF)作為影響行人舒適度的重要參數(shù)借助ENVI-met 進行日間的舒適度評價［11］。國內(nèi)的研究主要集中在對居住區(qū)的風(fēng)、熱環(huán)境進行數(shù)值模擬及相應(yīng)舒適度的評價［12］，對城市街區(qū)的風(fēng)、熱環(huán)境進行模擬及舒適度評價并提出相關(guān)改進策略［13］，用數(shù)字模擬的方式研究了不同綠化模式對街谷空間舒適度的影響［14］。

2.3 城市濱水帶對氣候的影響

國外主要是對城市濱水帶作為通風(fēng)道及其對緩解熱島的作用方面進行研究［15-19］。國內(nèi)也主要是對其緩解熱島的效能研究，部分還對其相關(guān)的寬度、植被、曲折度等做了闡述［20-24］，以及將城市濱水帶與ECD(城市生態(tài)文化中心區(qū))或綠色基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的研究［25-26］。

綜上，目前基于小氣候適應(yīng)性的城市濱水帶規(guī)劃設(shè)計理論方法基本集中在將其作為城市通風(fēng)道的研究上，一般是在城市尺度上對其進行方向、寬度、界面、曲折度、植被情況的討論與控制，而缺少中小尺度上的以城市濱水帶作為一個空間單元的氣候適應(yīng)性設(shè)計理論與方法的探索。

3 城市濱水帶小氣候適應(yīng)性設(shè)計的基本框架

本文將城市濱水帶作為基本空間單元進行研究，包括水域范圍、水陸交界帶和陸域范圍3 部分，主要探討影響城市濱水帶小氣候的風(fēng)景園林設(shè)計要素有哪些?其相互作用的機制是什么?什么樣的城市濱水帶風(fēng)景園林設(shè)計要素及其組合模式能夠有效改善濱水帶的小氣候?初步構(gòu)建城市濱水帶風(fēng)景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計的研究框架。

3.1 城市濱水帶風(fēng)景園林設(shè)計要素

通過對城市濱水帶空間特征的分析，提出其小氣候風(fēng)景園林設(shè)計要素(水體、駁岸、綠化、硬質(zhì)鋪裝、園林構(gòu)筑物)，并根據(jù)其面積、類型、特征等，將這5 大類設(shè)計要素細分為若干小類的設(shè)計要素，對其展開相關(guān)數(shù)據(jù)的測量。

1)水體。選取水體的面積、流速、水深作為主要測量指標，記錄不同水體要素條件下的小氣候數(shù)據(jù)指標。

2)駁岸。選取自然駁岸(如原始緩坡型自然駁岸、砌塊型自然駁岸)、人工駁岸(如垂直駁岸、緩坡駁岸、階梯駁岸、帶平臺的駁岸、緩坡與階梯復(fù)合駁岸)等駁岸形式作為主要測量指標，記錄不同的駁岸要素條件下的小氣候數(shù)據(jù)指標。

3)綠化。選取綠地率和綠化種植模式(如喬灌草遞進式、喬灌草錯落式、單喬式、喬灌式、喬草式等)作為主要測量指標，記錄不同的綠化要素條件下的小氣候數(shù)據(jù)指標。

4)硬質(zhì)鋪裝。選取鋪裝率和鋪裝材料(如天然石材、人造石材、磚材、木材、混凝土制品、金屬材料等)作為主要測量指標，記錄不同的硬質(zhì)鋪裝率和鋪裝材料等要素條件下的小氣候數(shù)據(jù)指標。

5)園林構(gòu)筑物。選取園林構(gòu)筑物面積和構(gòu)筑物材料(木質(zhì)花架花廊、混凝土亭廊、玻璃纖維遮陽織物、金屬頂棚、張拉膜等)作為主要測量指標，記錄不同的構(gòu)筑物面積和構(gòu)筑物材料等要素條件下的小氣候數(shù)據(jù)指標。

3.2 城市濱水帶小氣候環(huán)境物理要素

目前，戶外環(huán)境小氣候舒適度評價主要包括熱舒適度和風(fēng)舒適，熱舒適度評價可應(yīng)用PMV-PDD 指標、PET 生理等價溫度指標等，風(fēng)舒適度評價普遍使用風(fēng)速的閾值。盡管國內(nèi)外對熱舒適度和風(fēng)舒適度的評價都進行了大量的研究和驗證，但尚沒有研究顯示何種模型具有適用性。本文主要以基于熱舒適度指標溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)建立的規(guī)范《人居環(huán)境氣候舒適度評價(GB/T 27963-2011)》為基礎(chǔ)，通過對城市戶外環(huán)境人體感受機制的研究，確定影響城市濱水帶小氣候適宜性的主要因素(風(fēng)環(huán)境、濕環(huán)境、熱環(huán)境)，并選取了對這些物理環(huán)境起關(guān)鍵作用并方便測量的主要指標(空氣溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等)，通過對這些指標數(shù)據(jù)的實地測量，計算出城市濱水帶的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)(表1)。

表1 人居環(huán)境舒適度等級劃分標準

目前，課題組已經(jīng)以上海蘇州河濱水帶為基地展開實測工作，對其水體、駁岸、綠化、硬質(zhì)鋪裝、園林構(gòu)筑等風(fēng)景園林設(shè)計要素與溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)等小氣候環(huán)境物理要素進行了實測，后續(xù)研究將通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的處理分析，探尋二者之間的作用關(guān)系和變化規(guī)律，從而總結(jié)出城市濱水帶小氣候適應(yīng)性設(shè)計的模式語言。

4 基于ENVI-met 軟件構(gòu)建城市濱水帶小氣候適應(yīng)性設(shè)計模型

目前，計算機模擬技術(shù)以其快速、準確、低成本的優(yōu)勢成為室外小氣候環(huán)境研究的熱點，如ENVImet，F(xiàn)luent，EcoTect，RayMan，sky-view factor 等。其中，城市微氣候仿真軟件ENVI-met 是由德國Mainz大學(xué)的Michael Bruse 開發(fā)的一個多功能系統(tǒng)軟件，可以用來模擬住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境、城市熱島效應(yīng)、室內(nèi)自然通風(fēng)等。ENVI-met 由4 個模塊組成，即建模版塊(ENVI-met Eddi Version)、編程模塊(ENVI-met Configuration Editor)、計算版塊(ENVI-met V3.1 Default Config)以及結(jié)果顯示版塊(LEONARDO 3.75)。

研究擬ENVI-met 軟件的模型框架為基礎(chǔ)，根據(jù)城市濱水帶的特點，將水體、駁岸、綠化、硬質(zhì)鋪裝、園林構(gòu)筑作為輸入量，將溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)作為輸出量。擬采用的技術(shù)路線是將場地實測和計算機模擬相結(jié)合，通過場地實測得到一定水體、駁岸、綠化、硬質(zhì)鋪裝、園林構(gòu)筑組合條件下的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)，進而通過軟件模擬，在ENVI-met軟件中更改一定的設(shè)計要素，重新計算溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)，進行比對分析，找到城市濱水帶風(fēng)景園林設(shè)計要素與小氣候物理要素之間的作用關(guān)系和變化規(guī)律，從而基于ENVT-met 軟件構(gòu)建城市濱水帶小氣候適應(yīng)性設(shè)計模型。

本文作為國家自然科學(xué)基金重點項目“城市宜居環(huán)境風(fēng)景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計理論和方法研究”研究的初期成果，主要是設(shè)計了研究的技術(shù)路線、提出了實測的方案，以ENVI-met 軟件為工具，通過場地實測和計算機模擬相結(jié)合的方式，構(gòu)建了城市濱水帶風(fēng)景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計的初步框架。目前場地實測工作已經(jīng)展開，以上海蘇州河濱水帶為基地，對一定風(fēng)景園林設(shè)計要素組合條件下的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)進行了測試。后續(xù)研究將以理論框架為基礎(chǔ)，在ENVI-met 軟件中對實測數(shù)據(jù)進行分析，建立城市濱水帶風(fēng)景園林設(shè)計要素對小氣候物理因子影響關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，進而構(gòu)建城市濱水帶風(fēng)景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計的模擬軟件。

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