河谷氣候影響下的生態(tài)城市形態(tài)淺析
——以重慶市奉節(jié)縣整體城市設(shè)計為例

蕭 樂 XIAO Le

0 引 言

中國古代哲學(xué)提出過“天人合一”的最高理想，法國哲學(xué)家孟德斯鳩（Baron de Montesquieu）也曾經(jīng)說過“氣候王國才是一切王國的第一位”[1]；歷史上，大到城市規(guī)劃，小到民居布置，《易·系辭》中提出的“象天法地”思想都長期指導(dǎo)著國人的建設(shè)實踐。由此可見“空間形態(tài)”與“氣候環(huán)境”之間有著非常緊密的聯(lián)系和相互作用。而在現(xiàn)代社會城市設(shè)計的研究和實踐當(dāng)中，由于建筑技術(shù)和民用科技的興起，人類對氣候的適應(yīng)和改造能力越來越強大，因此對氣候與城市之間的關(guān)注往往僅限于城市改造后的微氣候改善，亦或是局部建筑的城市氣候環(huán)境利用，帶有一定的局限性。

圖1 地形風(fēng)的形成Fig.1 formation of the terrain wind

關(guān)于城市氣候與城市形態(tài)之間作用關(guān)系的研究，往往涉及多個相關(guān)學(xué)科。其中多數(shù)是以觀測、實驗為基礎(chǔ)，進行數(shù)量化研究的城市氣候?qū)W的研究。這在聚落地理學(xué)、風(fēng)水學(xué)、建筑氣候環(huán)境控制學(xué)、城市生態(tài)學(xué)、城市地理學(xué)、城市災(zāi)害學(xué)中，也對相關(guān)理論有些闡述[2-3]。在城市設(shè)計學(xué)科領(lǐng)域，主要能在具體的實踐案例中看到相關(guān)介紹，其中多數(shù)又以平原大城市為研究對象。而對于廣袤的山地城市形態(tài)與氣候之間的關(guān)系，尚鮮有涉及。本研究嘗試利用以往的研究成果，對局地氣候復(fù)雜的山地小城鎮(zhèn)進行生態(tài)城市設(shè)計研究。

目前的生態(tài)城市規(guī)劃通常很重視山體、水系、綠化等自然環(huán)境的保護和利用，在設(shè)計中更注重加強對物質(zhì)形態(tài)環(huán)境的建設(shè)，而對城市所處的氣候環(huán)境多有懈怠。事實上氣候環(huán)境對城市生態(tài)的影響是不容小覷的，可以說環(huán)境氣候是城市生態(tài)的基石?，F(xiàn)代城市規(guī)劃中已經(jīng)逐漸開始重視氣候的影響，但以平原城市或者大城市試點為多，實際上氣候因素疊加、局地氣候復(fù)雜的山地小城鎮(zhèn)在氣候與生態(tài)的關(guān)聯(lián)性上體現(xiàn)更大，城市形態(tài)與局地氣候的相互影響效果也更為明顯。探討和研究此類課題，對我們這個擁有大量山地小城鎮(zhèn)的國家具有重要意義。

上古歌謠《南風(fēng)歌》中曾唱到“南風(fēng)之熏兮，可以解吾民之慍兮；南風(fēng)之時兮，可以阜吾民之財兮！”在城市規(guī)劃中，充分地順應(yīng)局地氣候，利用局地氣候，才可以留住青山綠水，真正建設(shè)出生態(tài)小城鎮(zhèn)，創(chuàng)造出“金山銀山”。

1 重慶市奉節(jié)縣局地氣候分析

1.1 奉節(jié)縣地形及氣候現(xiàn)狀

奉節(jié)縣位于重慶市東部，全縣域?qū)偎拇ㄅ璧貣|部山地地貌，境內(nèi)山地面積占總面積的88.3%，其中海拔1 000 m以上山體占80.01%，最高海拔2 123 m。山地地貌對局地氣候有明顯影響，地形起伏與山脈走向可使風(fēng)向發(fā)生變化。山谷能夠迫使氣流沿谷而吹的趨勢，山體有能夠使氣流彎曲繞流和穿越的作用[4]。

奉節(jié)境內(nèi)長江干流41.5 km，另有梅溪河、大溪河、石筍河、草堂河、朱衣河等多條河流。

從奉節(jié)縣地形來看，在自然氣候中風(fēng)的要素影響較小的前提下，夏季如何利用局地氣候引導(dǎo)空氣流通就成為了判斷城市建設(shè)是否宜居的一個重要條件。奉節(jié)的自然地貌為河谷地形，同時存在山谷與水系兩種地形條件，因此局地氣候是山谷影響力與水系影響力的疊加。從對城市空間形態(tài)影響最大的通風(fēng)因素來看，主要分為地形風(fēng)與水陸風(fēng)兩種[5]。

1.2 奉節(jié)規(guī)劃范圍局地氣候研究

1.2.1 地形風(fēng)氣候分析

奉節(jié)城區(qū)依山而建，氣流經(jīng)過山地時，受地形阻礙而改變了運行方向和速度，加上不同太陽輻射導(dǎo)致不同的溫度變化，可以形成不同的局地環(huán)流（山坡風(fēng)和山谷風(fēng)）（圖1）。同時，奉節(jié)地區(qū)氣候自然狀態(tài)下大氣環(huán)流較微弱，“水陸風(fēng)”相對明顯。白天的時候風(fēng)從水體吹向陸地，夜間則相反，從陸地吹向水體。山地城市中夏季水陸風(fēng)強度最大的是夏熱冬冷型城市[6]（圖2）。

圖2 水陸風(fēng)示意圖Fig.1 schematic diagram of water and land wind

由地形分析可知，規(guī)劃范圍內(nèi)為山地地貌，長江橫貫中部，山巒起伏，溝壑縱橫，高差較大，具體為低中山河谷，有少量平緩河谷平壩，河谷呈“V”字型。山體坡度較陡，坡面有沖溝發(fā)育。近地面的風(fēng)速受峽谷地形影響，呈現(xiàn)不均勻空間分布：整體來看，峽谷內(nèi)風(fēng)速增大，迎風(fēng)谷口有顯著加速效應(yīng)，翻越迎風(fēng)坡時風(fēng)速減小；風(fēng)速變化在山脊最強、山腰次之、峽谷軸線最弱；山腰線及峽谷軸線受狹管效應(yīng)影響而風(fēng)速增幅變大，且在峽谷軸線附近最為顯著[7]。

由于河流的分隔，規(guī)劃用地分為了5個山頭，約6個主要朝向。其中東西向的長江河谷，由于流域長，面積較大，應(yīng)為河谷風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向；朱衣河前段河谷較窄，后半段突然拓寬，氣流在此分散，強度變??；梅溪河河谷和草堂河河谷流域較為平均，但是山勢較緩，河谷風(fēng)強度也小于長江河谷（圖3）。

地形風(fēng)與水陸風(fēng)疊加后，下墊面粗糙度和溫度的改變會導(dǎo)致風(fēng)速變化。氣流在水面上受到的摩擦阻力小，水體上空的風(fēng)速較大。研究數(shù)據(jù)顯示河谷地區(qū)水面上的風(fēng)速大約比陸地大60%左右[5]。因此，規(guī)劃范圍內(nèi)對城市影響最大的地形風(fēng)就是長江河谷風(fēng)，若想充分利用長江河谷風(fēng)就需重點考慮長江岸線的建筑布局與空間形態(tài)。同時，朱衣河河口、草堂河河口區(qū)域的建筑，由于處于匯風(fēng)口，也需考慮氣流的引導(dǎo)和規(guī)避。

圖3 奉節(jié)規(guī)劃區(qū)地形示意Fig.3 the topography of the Fengjie planning area

1.2.2 水陸風(fēng)氣候分析

境內(nèi)中部水系中長江14 km，最窄處659 m，最寬處1 936 m，江水自西南向東；朱衣河11 km，自西匯入長江，最窄處50 m，為雨洪通道，最寬處62 m，為長江回水，水流平緩；梅溪河3 km，自北匯入長江，最窄處300 m，最寬處690 m；草堂河1.9 km，自東北匯入長江，最窄處330 m，最寬處530 m。另外梳理出現(xiàn)狀匯水溝約67條，寬度在10 m以下，多呈“樹枝狀”或“漏斗狀”，溝深10～30 m（圖4）。

其中，長江流域可以提供具有明顯西北風(fēng)向的水陸風(fēng)，受影響地區(qū)為規(guī)劃區(qū)北岸中心城片區(qū)，以及東南向水陸風(fēng)，影響南岸部分建設(shè)用地。朱衣河沿岸受水陸風(fēng)影響較小，但匯水口會有較大的不穩(wěn)定氣流；草堂河的半島區(qū)域也會受到長江水陸風(fēng)的較大影響。規(guī)劃區(qū)內(nèi)的匯水溝由于水域面積較小，產(chǎn)生的氣候影響屬于場地微氣候，因此未在城市形態(tài)層面進行考慮。

圖4 奉節(jié)規(guī)劃區(qū)水系示意Fig.4 the water system in Fengjie planning area

2 局地氣候影響下的城市設(shè)計應(yīng)用

奉節(jié)屬于冬冷夏熱地區(qū)，此類城市應(yīng)對氣候的不利因素時，應(yīng)該充分注意“城市的開敞性、城市中心的分散性、城市通風(fēng)廊道的建立和建筑的低密度”，也就是注重對城市的“通風(fēng)驅(qū)濕”。對奉節(jié)縣地域進行分析知，穿越縣域的長江河谷奠定了奉節(jié)縣具有優(yōu)質(zhì)通風(fēng)條件的重要基礎(chǔ)，其開敞的大型盆地和河谷對于氣流的引導(dǎo)作用較強，可以成為地域級的通風(fēng)廊道和氣流樞紐，對于未來的城市通風(fēng)有較大幫助。

2.1 橫向的臺地引導(dǎo)

在奉節(jié)的城市設(shè)計上也強調(diào)了多臺的概念，根據(jù)地形及規(guī)劃、現(xiàn)狀路網(wǎng)，將城市劃分為4個臺地，以綠化景觀帶、道路綠地系統(tǒng)進行分隔，利用分臺使建筑產(chǎn)生錯落，減少建筑屏障（圖5）。這樣，可以使這種冬冷夏熱城市有著開放式的城市邊界線，面向地形風(fēng)的主導(dǎo)方向留出一定的開敞空間，建筑高度較低，在城郊布置大面積的綠化。如此布置可使城市的天際線呈現(xiàn)出起伏的形態(tài)，在地形和建筑高度的雙重影響下，城市天際線的起伏復(fù)雜多變，利用這種變化的城市天際線可以有效地將河谷風(fēng)引入城市內(nèi)部。

同時，為了更有利于城市的通風(fēng)，應(yīng)該在順應(yīng)地形的前提下盡可能保證若干條主要干道與夏季盛行風(fēng)平行，或者盡量減小與盛行風(fēng)向的夾角。同時根據(jù)位于山體不同區(qū)域地塊各自的具體風(fēng)向，對路網(wǎng)進行設(shè)計，盡可能使道路起到通風(fēng)廊道的作用，控制具有通風(fēng)功能的道路兩側(cè)建筑間距大于50 m。奉節(jié)縣城由于地形限制，已經(jīng)存在了橫向的道路結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計中保留原有的構(gòu)架，對路網(wǎng)進行優(yōu)化，增加道路寬度的同時也促進城市內(nèi)部地形風(fēng)的引導(dǎo)。

在道路條件難以達到橫向氣流引導(dǎo)的區(qū)域，可以通過建筑群的組合形式來形成通風(fēng)廊道，城市通風(fēng)的考慮需要結(jié)合一定的建筑高度才能夠?qū)崿F(xiàn)，觀測面越高，通風(fēng)廊道的風(fēng)速越快，影響范圍越大，因此建筑要按照從沿街到遠離逐漸升高的形式布局（圖6）。

同時，植物是生態(tài)城市必不可少的元素，也對冬季保暖夏季降溫能起到很好的作用，奉節(jié)在冬季的日照率較低，喬木等綠化對日照時數(shù)的影響有限。因此在進行規(guī)劃區(qū)內(nèi)部小型公共空間的綠化時，優(yōu)先選擇了夏季生長茂盛的喬木，夏季太陽高度角較高的時候，樹冠投影面積大的喬木能給城市提供更多的遮蔽。

圖5 臺地建筑與綠植布局Fig.5 terrace architecture and green planting layout

2.2 縱向的軸線貫通

冬冷夏熱氣候區(qū)的城市建設(shè)用地邊界通常強調(diào)與生態(tài)界面的延展性，一般來說有著較長或者較曲折的城市邊界線。對于奉節(jié)城市設(shè)計，受地形的影響，建設(shè)用地邊界線沿山體蜿蜒分布，以便盡可能地通過楔形深入城市的自然環(huán)境將郊區(qū)綠化中潔凈涼爽的風(fēng)引入城市內(nèi)部，達到除濕降溫的作用。同時，利用奉節(jié)自然形成的沖溝作為綠楔，保證足夠的綠線退距貫穿山體與水系，打通城市縱向通風(fēng)廊道,控制縱向通風(fēng)廊道不小于30 m，可以在夏季有效地將水陸風(fēng)引入城市內(nèi)部（圖7）。

將城市內(nèi)部高密度區(qū)分布適當(dāng)分散，穿插在低密度的地塊中，可以避免城市聚集大量熱量，增加城市通風(fēng)廊道，降低夏季的熱島效應(yīng)。

此外，東西向的建筑山墻間距在滿足小區(qū)規(guī)劃和防火要求的前提下，應(yīng)該盡可能縮小，使建筑相互遮蔽，以便有效降低東西曬時建筑墻面的溫度，減少日照輻射，降低區(qū)域氣溫，形成“氣溫梯度”，產(chǎn)生與林地風(fēng)和水陸風(fēng)原理類似的街巷風(fēng)，調(diào)節(jié)溫度制造“涼街”效果。

圖6 城區(qū)風(fēng)廊——高密度下的退臺Fig.6 urban wind corridor—stepped-wedge design

圖7 城區(qū)風(fēng)廊——水陸風(fēng)廊道Fig.7 urban wind corridor—land and water wind corridor

圖8 城區(qū)風(fēng)廊：建筑貼線示意Fig.8 urban wind corridor: building attachment rate

2.3 濱水建筑貼線控制

濱水建筑貼線控制一方面是將水面上的河谷風(fēng)由橫向轉(zhuǎn)為縱向以進入建設(shè)用地，另一方面是給水陸風(fēng)提供充分的登陸條件。奉節(jié)屬于典型的峽谷風(fēng)，由于長江水面的寬度，長江上主導(dǎo)風(fēng)速會略快于城區(qū)內(nèi)的風(fēng)速。設(shè)計中利用城區(qū)面向長江夏季主導(dǎo)風(fēng)向改變建筑朝向，增加開敞空間和斜面，可以引導(dǎo)江風(fēng)高速進入城區(qū)。同時，利用沖溝綠軸將水陸風(fēng)引入城區(qū)內(nèi)部，也可以改善城市縱向熱環(huán)境，因此濱水建筑貼線率建議控制在50%，以留出足夠的截風(fēng)口和通風(fēng)廊道入口（圖8）。

按照標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力壓強公式計算，wp=0.5·ro·v2，其中wp為風(fēng)壓，ro為空氣密度，v為風(fēng)速，設(shè)定溫度一定的時候，空氣密度不便，即，溫度不變風(fēng)速增加時，風(fēng)壓會以倍速增加[8]。

由得出即當(dāng)風(fēng)速增加0.5倍時，風(fēng)壓增加1.25倍。

由定高度風(fēng)速公式可推，其中Vh為定點高度風(fēng)速，V0為基準(zhǔn)高度風(fēng)速，0.2為平均下墊面粗糙指數(shù)。

因此得出，將河谷風(fēng)引入城市內(nèi)部，沿山體爬升，并且設(shè)置貫通的風(fēng)廊，可以有效地增加風(fēng)速，同時風(fēng)壓呈倍數(shù)增長也有利于城市內(nèi)部空氣的流通，最終形成良好的城市空氣流通環(huán)境。

3 結(jié) 語

自古以來，氣候就影響著人類文明的產(chǎn)生和傳播，可以說，如果沒有適宜的氣候，地球上就不會有人類文明的存在。與人類生活息息相關(guān)的“衣食住行”四大要素一直受到氣候條件的直接影響，同時也導(dǎo)致了局地氣候的改變。從遠古人類第一次進入洞穴遮風(fēng)避雨的時候，“居住、城市”與自然的相輔相倚就開始了，生活的空間形態(tài)和生活氣候環(huán)境相互影響和相互作用，引導(dǎo)著城市文明的發(fā)展。

在對奉節(jié)的城市的設(shè)計中，充分參考了當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，通過自然的方法，盡量利用氣候中有利的因素來設(shè)計城市，利用氣候留下的信息來延續(xù)城市的地域和人文特征。利用傳統(tǒng)營造中屏障、遮蔽、通風(fēng)等方法或者密集的建筑布局、包圍的綠化等形式，在一定程度之內(nèi)將自然氣候帶來的不利要素降到最低，最終建設(shè)成為生態(tài)、節(jié)能、具有可持續(xù)意義的城市。同時，除了地理結(jié)構(gòu)以外，氣候因素是最穩(wěn)定的，它在某一地區(qū)的循環(huán)過程中，幾乎是不變的。城市設(shè)計對地區(qū)特有氣候的真實應(yīng)對也體現(xiàn)了奉節(jié)的城市形態(tài)和氣候特征等城市文化。

參考文獻：

[1] 鄭子政. 氣候與文化[M]. 臺北: 臺灣商務(wù)印書館, 1069: 96.

[2] 柏春. 城市氣候設(shè)計[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009: 29-30.

[3] 鑫宇, 王嶠, 陳天. 綠色視角下的生態(tài)城市設(shè)計理論溯源與策略研究[J]. 南方建筑,2017(02): 14-20.

[4] 小澤行雄, 吉野正敏. 小氣候調(diào)查方法[M]. 南寧: 廣西人民出版社, 1982: 80.

[5] 重慶市奉節(jié)縣人民政府網(wǎng). http://fj.cq.gov.cn/index/.

[6] 鐘中, 張耀存. 城市人工水體的氣象效應(yīng)與局地環(huán)境變化[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2008: 24.

[7] 樓文娟, 劉萌萌, 李正昊, 等. 峽谷地形平均風(fēng)速特性與加速效應(yīng)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自科版）, 2016, 43(07): 8-15.

[8] 張延年, 王元清, 張勇, 等. Gumbel分布的基本風(fēng)壓計算與分析[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2012, 34(02): 27-31.

圖片來源：

圖1-2：柏春. 城市氣候設(shè)計[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

圖3-8：作者繪制