城市健康步道規(guī)劃的人體運動生理指標探索

徐清浩，崔澤語

（山西大學）

1 引言

熱舒適是指“對熱環(huán)境感到滿意的意識狀態(tài)”?，F(xiàn)階段國內外關于熱舒適的研究多集中于室內環(huán)境，包括建筑內自然通風、人體熱適應性及熱環(huán)境評價指標開發(fā)等方面。室外空間環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)性而導致針對室外空間開展的熱舒適研究相對較少。然而，室外空間卻在人們的日常生活中占有不容小覷的重要地位。研究指出身體活動不足是全球十大死亡危險因素之一，而影響居民室外活動時長的主導因素是溫度等氣候條件。城市室外開放空間作為居民戶外活動的主要場所，良好的空間環(huán)境，尤其是熱環(huán)境，室外環(huán)境由于在時間和空間上均具有動態(tài)性而有別于室內環(huán)境，因此關于室外熱環(huán)境的研究不同于室內熱環(huán)境研究，且研究難度遠高于對室內熱環(huán)境的研究，導致長期以來關于室外熱環(huán)境及熱舒適的研究一直很少。目前與熱舒適相關的研究大多數(shù)還是以辦公類場所為研究對象。在此類場所，絕大多數(shù)的人均處于活動水平較低（靜坐）的狀態(tài)，但實際情況下人們在室內并不總處于靜止狀態(tài)，也不僅僅局限于靜坐這樣的輕度活動，有些人的活動水平達到了中等強度甚至高強度水平。所以在進行熱舒適研究時，如果人的活動水平并非一直保持恒定，就不能照搬前人在安靜狀態(tài)或者進行較低活動水平的研究時所得出的結論，也不能忽視活動水平的不同對熱環(huán)境以及人體熱舒適性的影響。然而，如何將上述的兩個狀態(tài)結合起來，也就是說，研究在室外環(huán)境中人體進行活動時的熱感（熱舒適度）及相關生理指標變化規(guī)律，甚至可以利用數(shù)學算法對兩個方面的數(shù)學模型進行推導，從而預測熱感覺，這便顯得十分有意義了。

2 研究方法

2.1 熱環(huán)境下運動中人體熱感覺產(chǎn)生的生理機制

如圖1 所示，在運動情境下，熱環(huán)境、服裝和運動的共同作用首先引起了人體皮膚溫度和核心溫度的變化。人體的皮膚層和內臟器官中的游離神經(jīng)末梢存在著對溫度變化敏感的溫度感受器，因此可以感覺到皮膚溫度和核心溫度的變化。Strughold 等的研究表明人體冷熱感受器的分布位置不同，且冷點數(shù)目明顯多于熱點，這導致了人體對冷感覺的反應更敏感。

2.2 熱環(huán)境下運動中人體的熱生理反應

在運動情境下，當人體產(chǎn)生的熱量通過蒸發(fā)、輻射、對流、做功等方式還不足以散失出體外時，就會產(chǎn)生熱負荷。Fanger 認為，正是由于人體內熱負荷的存在導致了熱感覺的產(chǎn)生，運動情境下熱負荷通常大于0，即人體產(chǎn)熱量大于散熱量，此時人體會感到偏熱。這也說明，運動中熱感覺是衡量人體熱生理狀態(tài)，預防運動中出現(xiàn)熱生理不良反應的有效指標[7]。當人體熱負荷大于0 時，人體會相應產(chǎn)生一系列生理和病理反應，如圖2 所示。

圖1 熱環(huán)境下運動中人體熱感覺產(chǎn)生的生理機制

2.3 熱環(huán)境下運動中與人體熱感覺相關的生理指標

在新陳代謝率較低時，熱感覺主要與平均皮膚溫度（Tsk）、人體核心溫度以及排汗率這 3 個生理指標具有較強的相關性。因此，在新陳代謝率較高的運動中，熱感覺與這3 個生理指標的相關性值得重點關注。

2.3.1 熱環(huán)境下運動中皮膚溫度、核心溫度與熱感覺的相關性

要了解運動中皮膚溫度與熱感覺的相關性首先要弄清運動中皮膚溫度的變化規(guī)律。楊海蘭對運動過程中皮膚溫度的變化進行了較為詳細的研究。結果表明各點之間在運動中皮膚溫度的變化趨勢存在很大差異，高低強度運動之間也顯著不同[8]。

2.3.2 熱環(huán)境下運動中人體排汗率與熱感覺的相關性

Nielsen 對人體在運動中的出汗率進行了深入的研究，他發(fā)現(xiàn)當固定環(huán)境溫度在不同的運動強度下（540kpm/min-1440kpm/min）運動時，人體的平均皮膚溫度不會發(fā)生改變，此時出汗率與人體核心溫度呈線性正相關，運動強度越大，人體核心溫度越高，人體出汗率相應越高。Nielsen 對太陽下運動中人體熱平衡的研究發(fā)現(xiàn)人體的出汗率與輻射熱交換密切相關[10]。

3 討論

總體來看，運動和熱環(huán)境引起的熱應激會導致人體產(chǎn)生一系列體溫調節(jié)反應，運動中最有可能與熱感覺相關的三個生理指標：皮膚溫度、核心溫度以及排汗率。在運動情境下，人體核心溫度的變化與新陳代謝率密切相關，受熱環(huán)境的影響很小，且有關人體核心溫度與熱感覺之間關系的研究不多；人體皮膚溫度受熱環(huán)境影響很大，但受新陳代謝率的影響甚微，研究已表明運動中皮膚溫度與熱感覺的相關性較安靜狀態(tài)下大幅減弱；排汗率既受到熱環(huán)境的影響也受到運動強度的影響，因此它有效反映了熱環(huán)境與運動中產(chǎn)熱對體溫調節(jié)的綜合影響。

3.1 中國城市健身步道現(xiàn)狀和設計上的不足

中國最早的健身步道設計與建設，出現(xiàn)在20 世紀八、九十年代的香港和臺灣。目前都已形成了各自富有特色的步道體系。但是也暴露出設計上的缺陷。通過筆者長期觀察發(fā)現(xiàn)很多健康步道在夏季利用率不高。健康步道綠道很長，設施也很健全，但是在周末10：00 ～12：00 點的鍛煉時間里沒有健身者。另一方面是健身步道的設計沒能有效地吸引居民參與，造成了綠地景觀健身資源的浪費。這些反映出了健康步道中景觀和植被規(guī)劃的不合理。我們認為應該對步道傍邊的樹的類型、布置、樹冠大小和間距有嚴格的要求。應結合生理指標和運動中熱感和熱舒適性的關系對健康步道旁植被進行合理的計劃。

圖2 熱環(huán)境下運動中人體熱生理反應圖

3.2 將運動中人體熱感覺的研究應用到城市健康步道綠植設計的思路

組成這一研究項目的有三個主要部分。第一部分，在室外環(huán)境當中進行運動中人體生理指標與熱感覺（熱舒適度）關系的研究。在夏季室外環(huán)境下（無樹蔭）安排實驗，將實驗分為運動前，運動中和運動后。試驗中記錄包括皮膚溫度，核心溫度，心率，心率變異性和EDA 等生理指標，并且利用問卷的形式記錄受試者熱感覺。熱舒適度，疲勞度，熱接受度等主觀感覺。利用數(shù)理統(tǒng)計軟件分析在室外熱環(huán)境中，人體熱感覺與生理指標間的關系。第二部分，受試者被安排在不同樹冠覆蓋率的健康步道中（或類似于健康步道的路徑）進行實驗，同時記錄溫度，濕度，風速和太陽輻射。測量不同樹冠覆蓋率下受試者產(chǎn)生疲勞（或出汗）的距離。經(jīng)過數(shù)學統(tǒng)計和計算試圖找出最經(jīng)濟的樹冠覆蓋率。第三部分，利用上述研究成果，結合模擬軟件進一步優(yōu)化健康步道植被規(guī)劃，包括對樹種、樹齡、冠型、冠幅、樹高、樹梢結構、葉密度、葉色、葉質和葉形等進行深入研究和選擇。另外，通過生理指數(shù)與熱感覺之間的關系，可以對健康步道上運動強度進行科學預判，對于體弱者尤其是老年人可以進行運動強度建議或提出預警，這對提高健康步道的使用價值意義重大。

4 結語

描述了目前對于運動中人體熱感研究的現(xiàn)狀，指出與人體熱感覺密切的生理指標。由于運動中的人體熱感與代謝率密切相關，因此將心率和EDA 作為重要指標加入到考察范圍。尋求出利用生理指標及主觀感覺為出發(fā)點來對中國健康步道做出合理規(guī)劃的研究路徑和方法。