基于ENVI-met微氣候情景模擬的避暑山莊環(huán)境分析

李舟雅 楊婷 戈曉宇

摘要：以承德避暑山莊為研究對象，根據(jù)周邊2208km2的衛(wèi)星影像分析，應(yīng)用ENVI-met情景模擬方法，對比避暑山莊與周圍環(huán)境的溫度、風(fēng)速、相對濕度，驗(yàn)證避暑山莊基址所在地的環(huán)境優(yōu)越性。以避暑山莊苑景區(qū)為研究范圍，采用ENVI-met情景模擬方法對微氣候環(huán)境分析系統(tǒng)下的情景進(jìn)行模擬，模擬溫度、濕度、風(fēng)速在傳統(tǒng)園林設(shè)計(jì)理法下的變化過程，對比分析建設(shè)前后模式對古典園林微氣候環(huán)境造成的影響，驗(yàn)證避暑山莊在山水理法中的生態(tài)智慧。經(jīng)模擬后發(fā)現(xiàn)，在夏季炎熱天氣下，避暑山莊建成后的低溫區(qū)較建成前有所增加，而高溫區(qū)相對減少，同時(shí)濕度增加，風(fēng)速降低，微風(fēng)得以引導(dǎo)進(jìn)園內(nèi)達(dá)到清涼解暑的功效。

關(guān)鍵詞：古典園林，山水理法，情景模擬，避暑山莊

DOI：10.12169/zgcsly.2019.09.07.0001

河北省承德市的避暑山莊又名熱河行宮，俗稱承德離宮，原是清代皇帝避暑和從事各種政治活動的地方。它始建于公元1703年（康熙42年），建成于1792年（乾隆57年），占地560hm2，分為宮殿區(qū)、湖區(qū)、平原區(qū)和山區(qū)4部分，康熙和乾隆題名的風(fēng)景達(dá)72處之多，是我國現(xiàn)存最宏大的皇家園林[1]。本文從承德避暑山莊建成前與建成后苑景區(qū)微氣候環(huán)境進(jìn)行對比，通過對兩者小氣候差異的分析揭示避暑山莊的“避暑”效應(yīng)，為我國傳統(tǒng)營建智慧提供科學(xué)依據(jù)，為現(xiàn)代風(fēng)景園林微環(huán)境設(shè)計(jì)方法提供參考和依據(jù)。

避暑山莊作為現(xiàn)存最大的皇家園林，始終屹立于中國園林藝術(shù)之林，成為許多學(xué)者的研究對象。張羽新[2]、周為[3]、陳建強(qiáng)[4]對避暑山莊選址的原因和優(yōu)勢以及古典園林選址的立意進(jìn)行了分析;駱玉彬[5]、畢憲明[6]、張婧綺[7]、年玥[8]、王靜宇[9]、韓寶莊[10]對避暑山莊的山水理法、園林空間構(gòu)造等園林藝術(shù)進(jìn)行了分析;王濤濤[11]、吳曉敏[12]等對避暑山莊未建成時(shí)期進(jìn)行了研究和復(fù)原工作，為我們對避暑山莊兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行對比研究提供了素材和依據(jù);周耀[13]、鮑沁星等[14]就園林對微氣候的改善以及對酷暑天氣的調(diào)節(jié)舒緩作用進(jìn)行了研究。

在以上研究中，還沒有運(yùn)用數(shù)據(jù)模擬功能對避暑山莊選址及造園技藝對微氣候的改善作用進(jìn)行驗(yàn)證研究，因此，本文將利用ENVI-met微氣候環(huán)境模擬，從氣溫、風(fēng)速、相對濕度3個(gè)要素人手，對避暑山莊的相地選址、山水理法進(jìn)行驗(yàn)證研究。

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1承德避暑山莊的相地選址

避暑山莊位于河北省承德市武烈河西岸，山莊所在地在燕山山脈東部，周圍山巒起伏，山勢多為西北東南走向，按風(fēng)水學(xué)“尋龍望勢”之說，是為龍脈。園內(nèi)有起伏的山巒、幽靜的山谷、平坦的原野，羅列有大小溪流和湖泊，幾乎包含了全部天然山水的構(gòu)景要素。從氣候方面來說，整個(gè)華北平原處于屬溫帶大陸性季風(fēng)型山地氣候區(qū)，四季分明，夏季炎熱，冬季寒冷。承德位于內(nèi)蒙古高原與華北平原的過渡帶，四面環(huán)山，冬季阻滯了來自蒙古高原寒流的襲擊，溫度明顯高，于同緯度其他地區(qū);夏季又由于有高峻的山峰，茂密的樹木，再加上湖泊水面的調(diào)劑，園內(nèi)夏天的氣溫比承德市區(qū)要低，平均溫度較北京低2C左右，且晝夜溫差較大，是避暑的絕佳之地。

1.2研究方法

利用ENVI-met進(jìn)行微氣候環(huán)境模擬，采用三維非靜體力學(xué)模型，將小尺度微環(huán)境間的相互關(guān)系具象化。該模型由3個(gè)獨(dú)立的子模型以及嵌套網(wǎng)格組成，子模型包括三維主模型、土壤模型以及一維邊界模型。

1）土壤模型。該模型負(fù)責(zé)計(jì)算地表到土地內(nèi)部的熱傳遞過程。一般情況下從下墊面表層到地下1.75m用于統(tǒng)計(jì)土壤濕熱傳導(dǎo);當(dāng)進(jìn)行水體土壤層模擬時(shí)，需根據(jù)不同水體性質(zhì)調(diào)整土壤模型下墊面深度，用以模擬水體成分下的土壤環(huán)境溫濕度變化。

2）植被模型。該模型利用輸入?yún)?shù)模擬植被-大氣-土壤間的交互作用。輸人參數(shù)包括冠層結(jié)構(gòu)（葉面積指數(shù)、根面積指數(shù)、高度等），土壤參數(shù)（土壤各層相對濕度、溫度），氣象參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、相對濕度等），邊界條件和太陽輻射系數(shù);輸出參數(shù)有風(fēng)速、空氣溫度、土壤溫度等[15-18]。

1.3情景設(shè)定

選取承德避暑山莊苑景區(qū)三大重點(diǎn)景觀節(jié)點(diǎn)及其構(gòu)成的微環(huán)境作為建成環(huán)境情景模擬的模型。其中避暑山莊位于中國河北省承德市（40°98'N，117°94'E），2018年最熱日期為8月10日，時(shí)刻為14：00-15：00，溫度為35°C，風(fēng)速為西北風(fēng)4級。植被以喬木油松側(cè)柏柳樹國槐為主，樹高15m，樹冠10m，地被多為均高10cm的冷季型草（表1）。

1.4基于情景模擬的相地選址驗(yàn)證

通過Locaspaceiewer生成帶有高程的等高線（等高距50m），利用Snagit截取帶有等高線與高程的衛(wèi)星地圖并導(dǎo)出為bmp格式，再將bmp圖片導(dǎo)入ENVI-met的Spaces中建模型，模型建完后導(dǎo)人ENVIGuide中設(shè)置參數(shù)，隨后進(jìn)入ENVI-met（64Bit）中模擬，再將所得文件導(dǎo)入LEONARDO（64Bit）得出情景模擬結(jié)果（圖1）。

1.5基于情景模擬下苑景區(qū)微氣候環(huán)境

為深入研究避暑山莊園林設(shè)計(jì)理法對苑景區(qū)微環(huán)境氣候的影響，引入三維小氣候模式ENVI-met對苑景區(qū)的幾個(gè)重要景觀節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。以月色江聲、文津閣、如意州、遠(yuǎn)近泉聲為例[19-20]在實(shí)測的氣象要素、土壤水分、植被結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)上進(jìn)行微氣候環(huán)境分析和研究驗(yàn)證。

由于需要對避暑山莊苑景區(qū)以及其中的3種景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行微氣候環(huán)境分析，以此對傳統(tǒng)園林理法研究提供依據(jù)，分別設(shè)置2組宏觀尺度情景模型（圖1、圖2）和3組微觀尺度情景模型。

1）苑景區(qū)湖區(qū)微環(huán)境模擬。分別對比宏觀情景模擬下，在建成時(shí)期與熱河行宮時(shí)期兩個(gè)不同時(shí)間段，人為造園理法干預(yù)對避暑山莊苑景區(qū)湖區(qū)大氣溫度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向造成的影響（表2）。相同大氣候環(huán)境下，設(shè)置不同比例的植被覆蓋率分別為75%和56%，方網(wǎng)格精度為70mX70mx70m，設(shè)置在不同植被覆蓋率下的水體比例分別為15%和28%。

2）三大景觀區(qū)域微環(huán)境模擬。根據(jù)不同的微環(huán)境結(jié)構(gòu)，將臨水半島的月色江聲區(qū)域（Z1）、四周環(huán)水的如意洲島區(qū)域（Z2），以及山+水+建筑+丘陵的遠(yuǎn)近泉聲（Z3）進(jìn)行比較分析。

2結(jié)果分析

2.1相地選址驗(yàn)證結(jié)果

2.1.1整體環(huán)境氣溫

如圖3所示，在夏季，溫度較高的地區(qū)主要分布于湖岸以及建筑周邊，溫度稍低的地區(qū)主要分布于地勢較高處以及山林茂密的區(qū)域。很明顯，山莊所在基址的溫度明顯低于武烈河河岸及建筑周圍的溫度，避暑山莊平原區(qū)的溫度比武烈河上空低0.95°C，而山地區(qū)則比武烈河上方低1.44°C，這表明避暑山莊的溫度將會明顯低于承德市區(qū)及武烈河上空的溫度，進(jìn)人莊內(nèi)游憩能有效達(dá)到清涼解暑的功效。

2.1.2整體環(huán)境相對濕度

如圖4所示，在夏季，濕度高的地區(qū)主要分布于湖岸周邊與林區(qū)，低濕區(qū)主要分布于建筑區(qū)域以及其周邊。避暑山莊平原區(qū)濕度比武烈河上空高1.70%，比獅子嶺高2.02%，比廣仁嶺和觀塔嶺分別高出0.07%和0.21%;而避暑山莊山地區(qū)則比平原區(qū)還要高出0.24%，并高于除羅漢山以外的其他地區(qū)。這表明，避暑山莊所在基址能較好地緩解蒸發(fā)、增加濕度，擁有較好的濕度環(huán)境，這有利于植物的生長、形成宜人的小氣候，有利于增加人體舒適度、構(gòu)建良好的景觀環(huán)境等。

2.1.3整體風(fēng)速分析

如圖5所示，高風(fēng)區(qū)主要分布于高山區(qū)以及河面上方，而低風(fēng)區(qū)主要分布于山谷地及其周圍。避暑山莊處于谷地一側(cè)，同時(shí)由于西北側(cè)高俊的獅子嶺為其抵擋了西北方的主風(fēng)向，季風(fēng)穿過林下減緩風(fēng)速之后才到達(dá)山莊之中，因此山莊內(nèi)部風(fēng)速緩和舒適。避暑山莊平原區(qū)風(fēng)速（0.25m/s）低于避暑山莊山地區(qū)（0.39m/s）和獅子嶺（0.68m/s）。夏季時(shí)，武烈河所在的山谷猶如天然的導(dǎo)風(fēng)廊道，能較好地散熱通風(fēng)，貼近武烈河的羅漢山風(fēng)速（0.43m/s）高于山脊處的廣仁嶺（0.40m/s）。隨著環(huán)境溫度的上升，相比于吹風(fēng)造成的不適感，由溫度所引起的熱不舒適感漸漸占據(jù)主導(dǎo)作用，人體對氣流的需求感增大[20]，避暑山莊正好能滿足這一要求。這表明避暑山莊的選址既能在冬季減緩風(fēng)速，構(gòu)建舒適的微氣候環(huán)境，又能在夏季地通風(fēng)散熱，達(dá)到清涼解暑的功效。

2.2苑景區(qū)微氣候環(huán)境模擬結(jié)果分析

2.2.1苑景區(qū)湖區(qū)微環(huán)境模擬

微氣候環(huán)境分析結(jié)果表明，避暑山莊的重要景觀節(jié)點(diǎn)及其周邊的相對溫度、土壤水分含量都高于承德市區(qū)平均水平，其風(fēng)速緩和、風(fēng)向平穩(wěn)，植被生長狀況更為良好。驗(yàn)證結(jié)果可通過以下EVNI-met模型數(shù)據(jù)可得。

1）整體環(huán)境溫度變化。從圖6、圖7可知，承德避暑山莊在建成后整體大氣環(huán)境溫度ST平均值比建成前熱河行宮時(shí)期低0.969C，ST最大值出現(xiàn)在下午14：00點(diǎn)，此時(shí)兩個(gè)時(shí)期的空氣環(huán)境溫度相差1.569C，高溫區(qū)占整個(gè)湖區(qū)比例各為61.3%（>30.579C），主要分布湖岸周邊與湖區(qū)內(nèi)部建筑區(qū)域;低溫區(qū)占整個(gè)湖區(qū)比例各為38.7%（<29.389C），主要分布沿湖外的林區(qū)。這些結(jié)果表明在相同大氣候環(huán)境下，建成后的避暑山莊對整個(gè)苑林區(qū)與湖區(qū)空氣溫度的分布和整體平均環(huán)境溫度有顯著影響，其中低溫區(qū)面積增加14.6%整體平均環(huán)境溫度降低1.56°C。

2）整體環(huán)境相對濕度變化。從圖8、圖9可知，承德避暑山莊在建成后整體環(huán)境相對濕度ST平均值比建成前熱河行宮時(shí)期高7.63%。其中建成時(shí)期高濕區(qū)（56.30%）占研究區(qū)總面積的56.1%，主要分布于湖岸周邊與林區(qū)，低濕區(qū)（54.73%）占研究區(qū)總面積的34.5%，主要分布于建筑區(qū)域以及其周邊。相對于熱河行宮時(shí)期，建成后高濕區(qū)面積增加21.3%，低濕區(qū)減少16.7%。這表明建成時(shí)期與熱河行宮時(shí)期不同的植被、建筑、水體占比對相對濕度的分布有較直觀的影響，其中湖區(qū)面積的擴(kuò)大削減了湖區(qū)環(huán)島上大體量建筑對整體環(huán)境相對濕度的影響，起到了增濕降噪的作用。

3）整體風(fēng)速變化。從圖10、圖11可知，承德避暑山莊在建成后整體環(huán)境風(fēng)速ST平均值比建成前熱河行宮時(shí)期低0.22m/s。其中建成時(shí)期高風(fēng)區(qū)（>1.96m/s）占研究區(qū)域總面積的27.6%，主要分布于湖區(qū)及周邊建筑群落附近，而低風(fēng)區(qū)（<1.96m/s）占研究區(qū)域總面積的59.3%，主要.分布在苑景區(qū)林區(qū)。相對于熱河行宮時(shí)期，環(huán)湖以及建筑群落周邊風(fēng)速有明顯增加趨勢，但由于夏季受東南風(fēng)的影響[21]，大范圍季候風(fēng)穿過林區(qū)風(fēng)速減緩，導(dǎo)致林下風(fēng)速緩弱;而湖區(qū)范圍較為開闊，建筑錯(cuò)落分布，導(dǎo)致風(fēng)速增強(qiáng)利于散熱通風(fēng)，達(dá)到避暑之效。

2.2.2三大景觀區(qū)域微環(huán)境模擬

1）月色江聲區(qū)域（Z1）微環(huán)境模擬。月色江聲區(qū)域溫度范圍為29.26C～31.019C，在此條件下，濕度范圍為53.71%～64.13%，同時(shí)風(fēng)速范圍為0.00～2.12m/s。

2）如意洲島區(qū)域（Z2）微環(huán)境模擬。如意洲區(qū)域溫度范圍為28.27C～30.039C，在此條件下濕度范圍為55.02%～66.03%，同時(shí)風(fēng)速范圍為0.02～2.01m/s。

3）遠(yuǎn)近泉聲（Z3）微環(huán)境模擬。遠(yuǎn)近泉聲區(qū)域溫度范圍為29.41C～31.00°C，在此條件下濕度范圍為53.90%～63.91%，同時(shí)風(fēng)速范圍為0.05～1.61m/s。

4）景觀區(qū)域微環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速變化對比分析。對3個(gè)景區(qū)微環(huán)境溫度進(jìn)行綜合分析，通過ENVI-met模擬當(dāng)日環(huán)境后對比可得，最低溫度Z2（28.27°C）<Z1（29.269C）<Z3（29.419C），最高溫度Z2（30.03C）<Z3（31.00C）<Z1（31.019C）。經(jīng)過得到的數(shù)據(jù)對比分析，如意洲（Z2）周邊的平均溫度在這3種環(huán)境中最低，說明四面環(huán)水環(huán)境對降溫降暑有著顯著作用。對3種景觀微環(huán)境濕度進(jìn)行綜合分析，通過ENVI-met模擬當(dāng)日環(huán)境對比可得，最小濕度Z1（53.71%）<Z3（53.90%）<Z2（55.02%），最大濕度Z3（63.91%）<Z1（64.131%）<Z2（66.03%）。由以上數(shù)據(jù)對比分析可得，如意洲（Z2）周邊的平均濕度在這3種環(huán)境中最高，而遠(yuǎn)近泉聲（Z3）次之，說明不僅臨湖環(huán)境對濕度有顯著影響，當(dāng)處于背靠山林，南北夾水的環(huán)境也能對微環(huán)境濕度有增加作用。對3種景觀微環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行綜合分析，通過ENVI-met模擬當(dāng)日環(huán)境對比可得，最小風(fēng)速Z1（0.00m/s）<Z2（0.020m/s）<Z3（0.05m/s），最大風(fēng)速Z3（1.61m/s）<Z2（2.01m/s）<Z1（2.12m/s）。其中月色江聲（Z1）相對風(fēng)速最大，如意洲（Z2）次之，由此可見，當(dāng)一個(gè)方向面對臨湖開敞空間，且無山林與建筑阻擋的環(huán)境下，微環(huán)境通風(fēng)最為良好，對散熱祛暑也有一定的效果。

3結(jié)論

1）對于承德避暑山莊選址而言，通過ENVI-met情景模擬發(fā)現(xiàn)，群山為避暑山莊抵擋了西北方的主風(fēng)向，避免了避暑山莊直接遭受季候風(fēng)的侵襲，武烈河所在的山谷又能起到良好的導(dǎo)風(fēng)作用，在夏季將風(fēng)導(dǎo)人園中，增加避暑山莊園內(nèi)的濕度，降低體感溫度，達(dá)到避暑的目的。經(jīng)總結(jié)可得，后方有群山依靠，前方有河流穿過，且四周有較高山體的選址有利于營造舒適的小氣候環(huán)境。

2）對于承德避暑山莊湖區(qū)而言，通過ENVI-met微環(huán)境氣候（溫度，濕度，風(fēng)速）模擬發(fā)現(xiàn)，建成后的湖區(qū)與熱河行宮時(shí)期相比，降溫增濕通風(fēng)效果更加顯著。同時(shí)將湖區(qū)內(nèi)三大典型微環(huán)境通過ENVI-met進(jìn)行模擬，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，加權(quán)平均可知，使建筑處于一面臨水，且水面積較為開闊，背靠山林的微環(huán)境對降溫、增濕通風(fēng)散熱等避暑條件的提高有顯著作用。

本研究如果能夠有現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)作為輔助驗(yàn)證，數(shù)據(jù)精度會更高，但受條件所限，目前還無法開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測工作。在此之前許多學(xué)者已從避暑山莊相地選址的合理性和規(guī)劃設(shè)計(jì)的理法等角度進(jìn)行研究，本文僅從微氣候的角度對避暑山莊營建過程中的生態(tài)智慧做出分析和驗(yàn)證。避暑山莊建設(shè)的成功是原有地形地貌的保護(hù)與利用、山水格局構(gòu)建、植物景觀營造、傳統(tǒng)建筑營建和園林理法等多層因素共同作用的結(jié)果，微氣候的利用與調(diào)節(jié)只是眾多因素的一部分，希望傳統(tǒng)生態(tài)智慧中微氣候利用和調(diào)節(jié)的方法可以為生態(tài)建設(shè)實(shí)踐提供參考。

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