基于溫濕度實(shí)效的綠量測(cè)度算法對(duì)比研究

譚 瑛 劉 思

為正確測(cè)度用地綠化狀況，中國(guó)于20世紀(jì)80年代提出“綠量”這一概念，發(fā)展至今。隨著城市的多元化發(fā)展，在既有綠量測(cè)度的具體評(píng)測(cè)過(guò)程中，出現(xiàn)了一些較為特殊的區(qū)域，如城市歷史性地區(qū)。城市歷史性地區(qū)是指能夠反映城市社會(huì)文化多樣性，并能對(duì)其代表的歷史傳統(tǒng)內(nèi)涵提供生動(dòng)物證的地區(qū)[1]。此類地區(qū)的綠化通常具有總量少、尺度小、立體程度高、密度高、強(qiáng)度低、物種多樣性不足、綠化形式多樣等特點(diǎn)；其中屋頂綠化、垂直綠化、盆栽綠化、陽(yáng)臺(tái)綠化等獨(dú)具特色的綠化方式是其常見(jiàn)形式。因此雖然歷史性地區(qū)綠地率較低, 但建筑低矮, 庭院或道路邊角的大樹(shù)華蓋于屋面上，加以豐富的立體綠化，依然形成了郁郁蔥蔥的景象[2]。而目前通用的綠地指標(biāo)測(cè)度算法為城市人均公共綠地面積、綠地率及綠化覆蓋率3項(xiàng)，均為二維綠化指標(biāo)[3]，難以反映歷史性地區(qū)的真實(shí)綠化生態(tài)效益。與此同時(shí)，以葉面積說(shuō)和體積說(shuō)為基礎(chǔ)的三維綠量測(cè)度指標(biāo)提供了從三維空間反映綠化質(zhì)量的方法，理論上更能反映植物的實(shí)際生態(tài)功能水平。

雖然城市綠地具有多樣的生態(tài)功能，但對(duì)于城市歷史性地區(qū)的綠地而言，最重要的是通過(guò)調(diào)節(jié)氣溫、濕度、氣流(空氣交換、防風(fēng))來(lái)改善場(chǎng)地氣候，降低場(chǎng)地噪聲，最終創(chuàng)造舒適的生存環(huán)境[4]。因此本研究從調(diào)節(jié)微氣候真實(shí)效果的角度對(duì)各綠量測(cè)算方法進(jìn)行測(cè)評(píng)，以期遴選1種能夠更真實(shí)地反映城市歷史性地區(qū)這一特殊區(qū)域綠化狀態(tài)的綠量指標(biāo)。

1 試驗(yàn)比較對(duì)象及判別依據(jù)的選擇

本次試驗(yàn)方案選擇綠地率(GR)和綠色容積率(GPR)分別作為二維和三維指標(biāo)的代表來(lái)加以比較。在既有二維綠化指標(biāo)中，綠地率是目前使用最為廣泛的評(píng)判指標(biāo)，能較為準(zhǔn)確地從二維層面反映城市綠地狀況；而綠色容積率則是基于三維綠量指標(biāo)發(fā)展的一種新型綠量指標(biāo)，更充分考慮了綠化環(huán)境與建成環(huán)境的關(guān)系。最終，以試驗(yàn)地塊內(nèi)綠化的微氣候調(diào)節(jié)實(shí)效作為比較判別的依據(jù)。

1.1 綠地率的測(cè)度算法

綠地率(Green rate)指用地內(nèi)綠地總面積與用地總面積的比值，其計(jì)算公式為：

式中：Gs為綠地率，∑i為用地范圍內(nèi)各類綠地的總和，S0為用地總面積。具體測(cè)度較為簡(jiǎn)單，分為確定用地總面積、確定用地范圍內(nèi)各類綠地的位置及面積并計(jì)算總和、根據(jù)公式計(jì)算局部地塊的綠地率3個(gè)步驟。

1.2 綠色容積率的測(cè)度算法

綠色容積率(Green plot ratio，簡(jiǎn)稱GPR)，即三維綠量指標(biāo)葉面積總量與地塊面積的比率[5]。它關(guān)注同等綠地面積下不同植被狀況的生態(tài)學(xué)差異，更突出了綠量在生態(tài)建設(shè)中的作用[6]。計(jì)算公式為：

式中：Gp為綠色容積率，S0為用地面積，S1為單位體積葉面積，V為樹(shù)冠體積。具體測(cè)度綠色容積率的操作主要包括以下幾個(gè)步驟。

1)確定樹(shù)冠體積。實(shí)地踏勘，確定試驗(yàn)地塊內(nèi)的樹(shù)種分類、植株數(shù)量、胸徑等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用模擬方程法測(cè)度不同樹(shù)種單株樣本植物的樹(shù)冠體積。

2)確定單株樣本植物的單位體積葉面積。

3)計(jì)算葉面積總量。不同樹(shù)種單位體積內(nèi)葉片總面積與單株樣本植物樹(shù)冠體積相乘，可得到單株樣本植物的葉面積總量。統(tǒng)計(jì)疊加全部物種的葉面積總量得到整個(gè)試驗(yàn)地塊的總綠量(場(chǎng)地葉面積總量)。

4)根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算綠色容積率。

1.3 微氣候調(diào)節(jié)實(shí)效的測(cè)度算法

在既有研究中，環(huán)境小氣候的數(shù)據(jù)有很多種，如風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、CO2濃度、環(huán)境噪聲強(qiáng)度等。而人體所感受到外界環(huán)境的舒適度主要由環(huán)境中的溫度、濕度、噪聲和風(fēng)速?zèng)Q定；其中溫度、濕度在特定時(shí)空中較為穩(wěn)定，便于測(cè)量；噪聲強(qiáng)度次之，而風(fēng)速的隨機(jī)性最大。因此實(shí)驗(yàn)最終選擇和人體舒適度最為密切且較為穩(wěn)定的降溫增濕能力來(lái)表征城市歷史性地區(qū)綠地實(shí)效狀況，即試驗(yàn)中需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)內(nèi)容為空氣溫度值和空氣濕度值。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)方案中，先選擇功能類似、位置相近、綠化層次差異大的2塊城市用地作為試驗(yàn)地塊(其中1塊為城市歷史性地區(qū)用地)；應(yīng)用2種測(cè)度算法分別對(duì)試驗(yàn)地塊進(jìn)行測(cè)算；然后將兩者測(cè)度結(jié)果與場(chǎng)地綠化溫濕度實(shí)效實(shí)測(cè)記錄相比較，以確定更能真實(shí)反映城市歷史性地區(qū)的綠量情況的測(cè)度方法。

2.1 試驗(yàn)地塊的選擇

通過(guò)在南京建成區(qū)內(nèi)反復(fù)篩選，最終確定以南京大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)作為城市歷史性地區(qū)類型試驗(yàn)地塊，南京宏圖上福園小區(qū)作為比較項(xiàng)的現(xiàn)代居住區(qū)類型試驗(yàn)地塊(圖1)。

1)試驗(yàn)地塊1：南京大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)。

南京大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)位于南京老城東南部，內(nèi)秦淮河?xùn)|段以東；北到小油坊巷、小西湖小學(xué)，東至箍桶巷，南抵馬道街，西至大油坊巷，總用地面積為46 900m2，建筑以1～2層傳統(tǒng)居住建筑為主，局部鑲嵌多層現(xiàn)代建筑。內(nèi)部缺少公共綠化區(qū)域，大喬木不多但是樹(shù)齡較長(zhǎng)、樹(shù)冠較大，居民自發(fā)種植的果蔬花木較多，垂直綠化、屋頂綠化、陽(yáng)臺(tái)綠化、盆栽綠化等綠化方式廣泛分布在風(fēng)貌區(qū)的各個(gè)區(qū)域。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，風(fēng)貌區(qū)內(nèi)目前有15種大喬木、8種灌木及藤本植物。

2)試驗(yàn)地塊2：南京宏圖上福園小區(qū)。

南京宏圖上福園小區(qū)位于內(nèi)秦淮河?xùn)|段以西，與大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)隔河而望；西鄰軍師巷，北側(cè)是馬道街，總用地面積為17 857m2。小區(qū)建筑面積達(dá)5萬(wàn)m2，以多層坡頂住宅為主。小區(qū)內(nèi)植物種類和數(shù)量均較多。

小區(qū)內(nèi)目前有19種大喬木、23種灌木及藤本植物。

2.2 試驗(yàn)方法的確定

圖1 試驗(yàn)地塊區(qū)位圖

在試驗(yàn)時(shí)間選擇上，南京園林綠地對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的改善作用最明顯的季節(jié)是夏季，此時(shí)氣候較為惡劣，而植物葉片生長(zhǎng)情況也最為旺盛；且在南京綠地微氣候觀測(cè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，綠化對(duì)溫濕度的冬季影響度遠(yuǎn)低于夏季影響度[7]；此外為排除氣象因素的干擾，最佳測(cè)定時(shí)間應(yīng)當(dāng)選在晴朗、靜風(fēng)(風(fēng)速≤0.5m/s)的夏季[8]。因此試驗(yàn)時(shí)間確定為2016年6月中晴朗、靜風(fēng)的9—11日連續(xù)3d的9：00—17：00。

1)綠量測(cè)度方法。

本次試驗(yàn)采用模擬方程法對(duì)2塊試驗(yàn)地塊的三維綠量進(jìn)行測(cè)度。在實(shí)測(cè)中使用軟尺對(duì)試驗(yàn)地塊內(nèi)所有喬木樹(shù)種進(jìn)行胸徑測(cè)量，對(duì)所有圓灌木進(jìn)行半徑測(cè)量，對(duì)所有方灌木進(jìn)行長(zhǎng)寬測(cè)量，進(jìn)而通過(guò)模擬方程得到該植物的真實(shí)三維綠量。

2)溫濕度實(shí)效測(cè)度方法。

使用Thermo Recorder TR-72U型數(shù)顯溫濕度測(cè)量?jī)x，在2塊試驗(yàn)地塊中心區(qū)域的樹(shù)下分別選擇1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，并于1.5m高度處進(jìn)行溫濕度測(cè)量[9]；與此同時(shí)，在2塊試驗(yàn)地塊的中心空地分別選擇1個(gè)對(duì)照觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步測(cè)定(表1)。每隔1h測(cè)量1次，共計(jì)9個(gè)時(shí)間點(diǎn)，連續(xù)觀測(cè)3d。所有數(shù)據(jù)均采用Excel軟件進(jìn)行分析處理，將3d測(cè)量的數(shù)據(jù)取平均值，進(jìn)而對(duì)平均降溫率、平均增濕率進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)2塊試驗(yàn)地塊的溫濕度實(shí)效進(jìn)行比較。

3 試驗(yàn)地塊的綠量測(cè)度比較

3.1 大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)的綠量測(cè)度

1)綠地率的測(cè)度。

大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)用地總面積S0地塊1為46 900m2，綠地面積∑i地塊1為100m2。根據(jù)綠地率計(jì)算公式可得出該試驗(yàn)地塊綠地率Gs地塊1為0.21%。

2)綠色容積率的測(cè)度。

風(fēng)貌區(qū)內(nèi)街巷狹窄、建筑較為密集，高大喬木的冠幅較難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。因此首先選擇對(duì)主干明顯的12種樹(shù)種進(jìn)行胸徑測(cè)量，然后根據(jù)既有研究得出的“胸徑-冠幅”相關(guān)方程[10]對(duì)這12種樹(shù)種的冠幅進(jìn)行計(jì)算(表2)。除了12種大喬木通過(guò)模擬方程計(jì)算得出冠幅外，調(diào)研也對(duì)另3株主干不明顯的喬木冠幅進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分別得出：D桂花=3.5m，D石榴=5.2m，D夾竹桃=7.25m。由此，根據(jù)既有研究得出的植物樹(shù)冠體積-冠幅的相關(guān)關(guān)系[10]可計(jì)算出風(fēng)貌區(qū)內(nèi)15種喬木樹(shù)種的樹(shù)冠體積(表3)。

表1 試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)位置確定

表2 大油坊巷部分種大喬木的胸徑-冠幅計(jì)算表

針對(duì)大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)常見(jiàn)的垂直綠化、屋頂綠化等綠化特征，對(duì)于綠化主體之一的灌木、草本和藤本植物采用低矮植物樹(shù)冠有效體積方程進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)其生長(zhǎng)和修剪情況，可將不同類型的灌木分為長(zhǎng)方體及球形(表4)2類，然后加以計(jì)算。

通過(guò)以上的模擬方程測(cè)度，可以得出歷史風(fēng)貌區(qū)內(nèi)各類喬木樹(shù)種及低矮植物的有效樹(shù)冠體積。再結(jié)合既有研究中對(duì)不同樹(shù)種、不同月份的單位體積內(nèi)葉片總面積的計(jì)算指標(biāo)[10]，最終計(jì)算得到大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)的總綠量，即葉面積總量(表5)。

因此，大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)總綠量∑n地塊1為64 293m2，總用地面積S0地塊1為46 900m2，得綠色容積率為1.371。

3.2 宏圖上福園小區(qū)的綠量測(cè)度

1)綠地率的測(cè)度。

南京宏圖上福園用地面積S0地塊2、綠地面積∑i地塊2、綠地率Gs地塊2分別為17 857m2，8 571m2，47.99%。

圖2 試驗(yàn)地塊隨時(shí)間變化降溫趨勢(shì)(2016年6月9—11日)

圖3 試驗(yàn)地塊隨時(shí)間變化增濕趨勢(shì)(2016年6月9—11日)

表3 大油坊巷部分種喬木的冠幅-樹(shù)冠體積計(jì)算表

表4 大油坊巷球形灌草藤植物的樹(shù)冠體積計(jì)算表

2)綠色容積率的測(cè)度。

采用與大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)相同的計(jì)算方法，完成上福園小區(qū)內(nèi)19種喬木樹(shù)種的樹(shù)冠體積計(jì)算，灌木、草本和藤本植物的樹(shù)冠總面積計(jì)算及葉面積總量計(jì)算(表6)。

因此，上福園小區(qū)總綠量∑n地塊2為45 169m2，已知的總用地面積S0地塊2為17 857m2，可求得大油坊巷綠色容積率為2.529。

3.3 兩個(gè)試驗(yàn)地塊的溫濕度實(shí)效測(cè)度

針對(duì)2幅試驗(yàn)地塊測(cè)定的降溫率走勢(shì)來(lái)看，可將其歸為單峰值曲線類型(圖2)。2塊試驗(yàn)地塊的綠地溫度走勢(shì)基本一致，其降溫曲線的相關(guān)性可分為3個(gè)階段。9：00—11：00，上福園小區(qū)降溫率領(lǐng)先于大油坊巷，這與大油坊巷高密度的建設(shè)有關(guān)。因缺少?gòu)?fù)合的綠化結(jié)構(gòu)，因而在早期大油坊巷里作為對(duì)照點(diǎn)裸地升溫更快，降溫率更低。11：00—14：00，大油坊巷平均降溫率超越了上福園小區(qū)，此時(shí)間段2塊試驗(yàn)地塊內(nèi)裸地基本已升溫充分，同一時(shí)間點(diǎn)大油坊巷裸地的平均溫度高出上福園1℃，樹(shù)下溫度雖也高于上福園，但降溫率卻已超越。兩者溫度變化在14：00時(shí)達(dá)到最高峰，大油坊巷降溫率達(dá)到4.31%，上福園降溫率達(dá)到3.91%。因天氣變化，14：00—17：00，2塊試驗(yàn)地塊平均降溫率交替下降，但總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。這與裸地比熱容小而散熱快、樹(shù)下小環(huán)境散熱較慢有關(guān)?？傮w來(lái)看，上福園小區(qū)全天的平均降溫率為2.07%，大油坊巷全天的平均降溫率為1.86%。上福園小區(qū)全天平均降溫率為大油坊巷的1.11倍。

針對(duì)2塊試驗(yàn)地塊測(cè)定的增濕率走勢(shì)來(lái)看，也可將其歸為單峰值曲線類型(圖3)。與平均降溫率相同，總體趨勢(shì)相一致，并可分為3個(gè)階段。9：00—11：00，上福園小區(qū)增濕率領(lǐng)先于大油坊巷，這應(yīng)與大油坊巷高密度的建設(shè)和密集的巷道布局有關(guān)。因環(huán)境常年潮濕、通風(fēng)阻滯，因而在早期大油坊巷里作為對(duì)照點(diǎn)裸地濕度降低更慢，試驗(yàn)地塊平均增濕率更低。在11：00—14：00此時(shí)間段大油坊巷裸地與樹(shù)下濕度均低于上福園，而平均增濕率超越了上福園小區(qū)。兩者濕度變化在14：00時(shí)達(dá)到最高峰，大油坊巷增濕率高達(dá)7.76%，上福園增溫率達(dá)到5.79%。在14：00—17：00，2塊試驗(yàn)地塊平均增濕率交替下降，但總體呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。這與南京的氣候有著密切的關(guān)系，14：00后氣溫下降較快，增濕更加迅速?？傮w來(lái)看，上福園小區(qū)全天的平均增濕率為3.09%，大油坊巷全天的平均增濕率為2.76%。上福園小區(qū)全天平均增濕率為大油坊巷的1.12倍。

表5 大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)葉面積總量計(jì)算表

4 結(jié)論與討論

綜合比較2個(gè)試驗(yàn)地塊的綠地率及綠色容積率的測(cè)度結(jié)果(表7)，可以看出以下內(nèi)容。

1)以綠地率為綠量測(cè)度標(biāo)準(zhǔn)，宏圖上福園綠化達(dá)標(biāo)，大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)綠化不達(dá)標(biāo)。宏圖上福園綠地率高出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(老居住區(qū)綠地率≥25%)1.92倍；大油坊巷歷史風(fēng)貌區(qū)綠化率與上福園小區(qū)相差近230倍，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2)以綠色容積率為綠量測(cè)度標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)試驗(yàn)地塊的綠量差距明顯縮小。城市歷史性地區(qū)綠量較二維測(cè)度算法顯著上升，2個(gè)試驗(yàn)地塊的綠量差距由230倍縮小為1.84倍。

3)分析2塊樣地的溫濕度實(shí)效結(jié)果可見(jiàn)，2塊樣地的平均降溫增濕率走勢(shì)及差距相似。上福園小區(qū)全天平均降溫率、平均增濕率僅略高于大油坊巷。

4)結(jié)合以上結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，2塊樣地通過(guò)綠色容積率測(cè)量的綠量差異較綠地率算法更接近溫濕度實(shí)效測(cè)量結(jié)果。探究2種測(cè)算方法結(jié)果差異，其主要原因應(yīng)有2點(diǎn)。一是綠色容積率從三維角度計(jì)算綠量，比二維綠化指標(biāo)更具功能性；二是綠色容積率將被既有測(cè)度算法忽視的垂直綠化、屋頂綠化、陽(yáng)臺(tái)綠化等歷史性地區(qū)特有的綠化方式納入測(cè)度體系，大大增加了城市歷史性地區(qū)綠量的覆蓋范圍，使得測(cè)度結(jié)果更加接近實(shí)際產(chǎn)生生態(tài)效益的真實(shí)綠量情況。

城市歷史性地區(qū)具有獨(dú)特的綠化特征。在對(duì)其進(jìn)行綠化質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)當(dāng)尊重場(chǎng)地本身的特性，用更恰當(dāng)?shù)臏y(cè)度方式評(píng)估其真實(shí)的綠量情況。以綠色容積率為代表的新型綠化指標(biāo)是對(duì)既有綠量測(cè)度體系的有益補(bǔ)充，使其更加適宜城市歷史性地區(qū)的綠化評(píng)估需求。

注：文中圖片均由劉思拍攝或繪制。

表6 南京宏圖上福園小區(qū)葉面積總量計(jì)算表

表7 2種測(cè)度算法結(jié)果比較