赫圖阿拉城冬季外環(huán)境分析與綠化營造策略

王肖宇，姜秋實，姜軍/WANG Xiaoyu, JIANG Qiushi, JIANG Jun

1 引言

赫圖阿拉城位于遼寧省撫順市新賓滿族自治縣永陵鎮(zhèn)，全國重點文物保護單位?！昂請D阿拉”是滿語，漢意為橫崗，即平頂小山崗。赫圖阿拉城是一座擁有400余年歷史的古城，始建于明萬歷二十九年（1601）。明萬歷四十四年（1616）正月初一，努爾哈赤于此“黃衣稱朕”，建立了大金政權(quán)，史稱后金。后金天聰八年（1634），被皇太極尊稱為“天眷興京”。赫圖阿拉城是后金開國的第一都城，也是中國歷史上最后一座山城式都城，更是迄今保存最完善的女真族山城。是后金政治、經(jīng)濟、軍事、文化、外交的中心，被視為清王朝發(fā)祥之地[1]。

東北地區(qū)冬季氣候寒冷，加上冷風(fēng)侵蝕和日照不足，極易造成古建筑損壞。為了更好地保護古建筑，本文通過建立赫圖阿拉城三維計算機模型，運用Ecotect軟件作為研究工具，以永陵鎮(zhèn)冬季氣候條件為出發(fā)點，對城內(nèi)6個古建筑院（圖1）落冬季風(fēng)環(huán)境和日累積太陽輻射量進行了模擬，并進行了結(jié)果分析，提出6個古建筑院落的綠化營造策略。數(shù)值模擬可以為古建筑的保護研究提供直觀和可靠的科學(xué)依據(jù)。

2 永陵鎮(zhèn)冬季氣候條件及氣象資料來源

永陵鎮(zhèn)位于遼寧省東部山區(qū)，屬撫順市新賓滿族自治縣管轄。地埋坐標(biāo)∶東經(jīng)124o41'-125o05'之間，北緯40o31'-41o50'之間。永陵鎮(zhèn)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季的主導(dǎo)風(fēng)向多為東南風(fēng)，冬季的主導(dǎo)風(fēng)向多為西北風(fēng)。季節(jié)性溫差大是我國東北地區(qū)氣候的特點之一，永陵鎮(zhèn)的年平均溫度為4.3oC，7月份最高氣溫可達32oC，1月最冷時氣溫可降至-38oC。永陵鎮(zhèn)氣候的基本特征是：具有寒冷而漫長的冬季，溫暖、濕潤而短促的夏季[2]。東北地區(qū)北臨北半球冬季的寒極——東西伯利亞，冬季強大的冷空氣南下，這里盛行的寒冷干燥的西北風(fēng)，使之成為同緯度各地中最寒冷的地區(qū)，與同緯度的其他地區(qū)相比溫度一般低15oC左右。日照是自然氣候形成的主要因素，也是建筑外部熱環(huán)境的主要因素。太陽輻射對人們的生產(chǎn)和生活具有不可缺少的作用，陽光不僅是重要的能量來源，而且對人們的身心健康有重要影響。因此，赫圖阿拉城冬季外環(huán)境分析就要從兩個方面考慮：一個是冬季主要風(fēng)向和較大風(fēng)速下的風(fēng)環(huán)境，一個是冬季日累積太陽輻射量。

由于永陵鎮(zhèn)缺乏必要的氣象數(shù)據(jù)，在本次模擬中，我們一方面采用與永陵鎮(zhèn)距離相近、氣候相似的沈陽市的典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)CSWD（來源于清華大學(xué)和中國氣象局的數(shù)據(jù)，是國內(nèi)的實測數(shù)據(jù)，包括氣溫、相對濕度、水平面總輻射強度或法向直射輻射強度、水平面散射輻射強度、風(fēng)速、風(fēng)向、云量、降雨量），作為Ecotect軟件對赫圖阿拉城古建筑模擬分析的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)庫[3]，另一方面，我們采用中國氣象局采集的新賓縣2017年全年的逐時氣象數(shù)據(jù)，中國氣象局是從2016年下半年開始采集新賓縣的氣象數(shù)據(jù)(包括氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對濕度、降雨量），作為輔助參考?xì)庀髷?shù)據(jù)。

3 赫圖阿拉城現(xiàn)狀

赫圖阿拉城分內(nèi)外兩城，城垣由土、石、木雜筑而成。內(nèi)城主要建有汗宮大衙門、正白旗衙門、汗王井、關(guān)帝廟、滿族民居、塔克世故居、八旗衙門、協(xié)領(lǐng)衙門、文廟、昭忠祠、劉公祠、啟運書院、城隍廟等一大批古建筑群及遺址。外城主要遺址有駙馬府、鎧甲制造場、弓矢制造場、倉廒區(qū)等。外城外還建有顯佑宮、地藏寺等古建筑。赫圖阿拉城在研究清前史、藝術(shù)、社會、文化、經(jīng)濟等方面具有無可替代的價值。

赫圖阿拉城毀于日俄戰(zhàn)爭，城內(nèi)古建筑遭到了嚴(yán)重的破壞和損毀，加上近4個世紀(jì)的風(fēng)雨洗禮，今僅內(nèi)、外城城墻有部分殘存，城門遺跡尚清晰可辨，其余建筑已蕩然無存。我們今天看到的赫圖阿拉城是我國政府于1999年投資重新復(fù)建的。近年來，政府更是逐年投放資金，對赫圖阿拉城進行管理和修繕，使這座古老的城池逐漸恢復(fù)了歷史原貌。赫圖阿拉城恢復(fù)歷史原貌的建筑共有6處，分別是：汗宮大衙門、塔克世故居、正白旗衙門、文廟、關(guān)帝廟、啟運書院。城內(nèi)的整體景觀較好，保存下來的古榆樹和新鋪的草坪使整座城池顯得既有歷史遺韻又有現(xiàn)代氣息。但6處古建筑院落內(nèi)地面大部分面積都是地磚鋪地，綠化種植數(shù)量明顯不夠，不利于古建筑的保護，尤其不利于抵抗東北地區(qū)冬季嚴(yán)寒天氣對古建筑形成的侵蝕破壞。

1 赫圖阿拉城現(xiàn)狀（攝影：王肖宇，孟津竹）

4 赫圖阿拉城冬季外環(huán)境模擬結(jié)果分析

4.1 模型的建立

本研究運用Ecotect軟件對赫圖阿拉城6處古建筑進行冬季外環(huán)境模擬實驗。首先根據(jù)2016年4—7月項目組成員的前期實地測繪圖紙，在Ecotect軟件中建立汗宮大衙門、塔克世故居、正白旗衙門、文廟、關(guān)帝廟、啟運書院的簡略模型（圖2a-7a）。因為實驗是模擬古建筑外環(huán)境，又考慮將運算量控制在切實可行的范圍內(nèi)，模型僅提取古建筑屋頂、墻面、臺基、院內(nèi)建筑布局和院墻等重要信息，過濾掉門窗、柱子、屋頂起伏和其他較為微觀的建筑信息[4]。

4.2 冬季風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果分析

赫圖阿拉城冬季風(fēng)環(huán)境模擬實驗是運用Ecotect關(guān)于計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）的插件winair4，對赫圖阿拉城冬季最冷的西北風(fēng)風(fēng)環(huán)境予以分析。因為沈陽市典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)CSWD關(guān)于新賓縣風(fēng)速和風(fēng)向的氣象數(shù)據(jù)較少，而且沈陽的地形地貌與新賓縣也有較大差別，不足以反映新賓縣風(fēng)速和風(fēng)向的實際情況，所以氣象資料選用中國氣象局提供的新賓縣氣象站（臺站代碼：54353），提取2017年冬季兩個時間段的西北風(fēng)（2017年1月1日-2017年3月31日、2017年 11月1日-2017 年12 月31日），共942個極大風(fēng)速、極大風(fēng)速的風(fēng)向（角度）的逐時氣象數(shù)據(jù)，借助 SPSS 軟件進行探索性描述分析，探討新賓縣2017年冬季極大風(fēng)速、極大風(fēng)速的風(fēng)向（角度）的平均數(shù)據(jù)。

表1 SPSS探索性統(tǒng)計分析案例處理摘要

表2 SPSS探索性統(tǒng)計分析結(jié)果

在探索性描述分析中，氣象平均數(shù)據(jù)采取中位數(shù)的統(tǒng)計方法（與均值和眾數(shù)大不相同，中位數(shù)是依賴于數(shù)據(jù)的主體部分而不是極值，因此它的值不是過分地受某幾個觀察值的影響）。為避免分析數(shù)據(jù)受到極端值影響，采集數(shù)據(jù)去掉了一些遠(yuǎn)離主體數(shù)據(jù)最大的5%和最小的5%的數(shù)據(jù)極端值，并作了標(biāo)準(zhǔn)誤差分析，獲得了對于分布位置簡單而平穩(wěn)的修正均值。根據(jù)SPSS 軟件探索性描述分析結(jié)果（表1-3），新賓縣2017年冬季極大風(fēng)速的平均氣象數(shù)據(jù)是4.9m/s，極大風(fēng)速的西北風(fēng)風(fēng)向（角度）的平均氣象數(shù)據(jù)是290o。

通過 winair4 風(fēng)環(huán)境的模擬實驗，得出赫圖阿拉城6處古建筑院落內(nèi)冬季風(fēng)環(huán)境圖（圖2b-7b）。在古建筑院落地面的水平面上，外界環(huán)境中西北方向290o的風(fēng)速在4.9m/s的時候，相當(dāng)于3級風(fēng)的水平。實驗結(jié)果分析如下（表4）。

表3 案例（數(shù)據(jù)）極端值

2 汗宮大衙門

3 塔克世故居（2.3圖片來源：王肖宇繪制）

4.3 冬季日照與太陽輻射模擬結(jié)果分析

赫圖阿拉城冬季太陽輻射量模擬實驗，是運用Ecotect軟件的太陽輻射模擬計算模塊，對赫圖阿拉城冬季太陽輻射環(huán)境予以分析，由于新賓縣氣象站缺乏太陽輻射量的氣象數(shù)據(jù)，氣象條件選取與新賓縣太陽輻射量相似的沈陽市的典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)CSWD，冬季11月1日到第二年3月31日，上午8∶00到下午16∶00的日累積太陽輻射量的完整數(shù)據(jù)進行模擬計算，得出赫圖阿拉城6處古建筑院落內(nèi)冬季日累積太陽輻射量數(shù)值圖（圖2c-7c）。

在模擬的結(jié)果中選取院落地面的日累積太陽輻射量數(shù)值來進行分析。太陽輻射量數(shù)值單位MJ/m2d，J是能量焦耳的單位，MJ是能量兆焦的單位；m2是平方米，d是一天的時間，指的就是每天一平方米上接收的太陽輻射量有多少兆焦。實驗結(jié)果分析如下（表5）。

5 綠化營造策略

針對東北地區(qū)冬季的氣候特點，綠化的作用主要體現(xiàn)在抵抗寒風(fēng)和保溫上。古建筑冬季保護的外部環(huán)境綠化營造策略，是要結(jié)合當(dāng)?shù)囟镜臍夂蛱卣饕约爱?dāng)?shù)氐闹参锓N類，充分利用當(dāng)?shù)氐闹参镞M行布局（圖5）。因為當(dāng)?shù)氐闹参飳ψ匀画h(huán)境有適應(yīng)性，因此能起到更好地調(diào)節(jié)氣候的作用。具體的綠化營造策略如下。

（1）加入綠植。在風(fēng)速達到最大值，太陽輻射量數(shù)值最低的院落地面種植樹木，可有效降低風(fēng)速和保溫。綠化可以起到減低氣流速度的作用。當(dāng)氣流通過樹叢時，由于與樹干、樹枝和樹葉產(chǎn)生摩擦，消耗了能量，風(fēng)速隨之銳減。實驗證明，樹高的5～10倍的距離范圍內(nèi)最具有防風(fēng)的效果。在庭院中種植樹木不僅可以在冬季抵擋寒風(fēng)，亦可調(diào)節(jié)古建筑周邊微氣候，并有美化環(huán)境等作用[5]。

（2）對于冬季來說，在風(fēng)速達到最大值的地方布置成排的擋風(fēng)屏障，通過成排的植物和墻體，對于北面的寒風(fēng)進行遮擋。研究表明，風(fēng)速在通過植物時候會迅速減慢，大約能減少大約48%的風(fēng)能，并能提供4倍于樹木高度的擋風(fēng)區(qū)域。

4 正白旗衙門

5 文廟

6 關(guān)帝廟

7 啟運書院（4-7圖片來源：王肖宇繪制）

表4 赫圖阿拉城冬季風(fēng)環(huán)境模擬實驗結(jié)果分析

表5 赫圖阿拉城冬季日累積太陽輻射量模擬實驗結(jié)果分析

（3）喬木和灌木相結(jié)合。在古建筑周邊寒冷地帶布置高大喬木和灌木，較寒冷地帶布置低矮灌木，不遮擋視線。高度不同的灌木和喬木配合可以將低處的氣流偏轉(zhuǎn)吹向遠(yuǎn)離古建筑的上空，這樣利于偏轉(zhuǎn)冬季西北面的寒風(fēng)，可以有效地減小冷空氣對古建筑的影響。

（4）基于太陽輻射來說，在冬季，鋪有草坪的地面溫度則比裸露的地面溫度提高4℃左右。 樹木較多的地方，由于樹木能降低風(fēng)速，減弱冷空氣的入侵，樹木內(nèi)及其背向風(fēng)的一面溫度可高 1～2℃[6]。

（5）永陵鎮(zhèn)處于北溫帶，冬季較長，大部分的喜溫濕氣候的植物在這里不能生長，這里的優(yōu)勢樹種有楊樺類、祚樹類、落葉松、胡桃楸、紅松、槭樹類，以及其他樹種175類之多。由于落葉喬木在冬季落葉，擋風(fēng)能力降低，推薦使用松、柏等常綠喬木。

總之，在研究過程中，運用數(shù)值模擬的方法分析古建筑與院落環(huán)境之間的關(guān)系，通過合理的綠化規(guī)劃、樹種選擇以及科學(xué)的種植手段，綠化古建筑周邊環(huán)境，使植物發(fā)揮特有的生態(tài)功能，可以改善東北地區(qū)冬季氣候?qū)沤ㄖ钠茐?，達到更好地保護古建筑及其歷史環(huán)境的目的。□

8 赫圖阿拉城綠化營造策略（圖片來源：王肖宇繪制）