城市濱水空間冬季小氣候效應(yīng)研究
——以昆明市撈魚河為例

楊建敏，魏 雯

(昆明理工大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著城市熱島效應(yīng)的不斷加劇，嚴(yán)峻的城市熱環(huán)境與人們對(duì)健康舒適戶外空間需求之間的矛盾日益突出[1-2]。風(fēng)景園林小氣候作為城市氣候調(diào)節(jié)的重要手段，可以改善人們戶外活動(dòng)的舒適度[3]。河道作為城市“藍(lán)帶”的重要組成部分，在城市重返自然、整合景觀、休閑娛樂等方面，發(fā)揮著不可替代的作用[4-7]。濱水空間緊鄰城市河道、湖泊、海洋等水域，具有公共性和開放性，是公眾戶外活動(dòng)中最有活力的區(qū)域，擴(kuò)大了城市水域的生態(tài)效應(yīng)[8]。濱水空間小氣候是否利于人群活動(dòng)，如何調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境、改善濱水戶外環(huán)境是較為重要的議題[9]。

近年來，我國(guó)學(xué)者對(duì)城市濱水空間小氣候的研究日益增多，楊凱等[10]研究表明水體面積是影響小氣候效應(yīng)的重要因素；張琳等[11]探求了濱水帶不同小氣候物理因子與濱水空間風(fēng)景園林設(shè)計(jì)要素之間的影響關(guān)系；劉珂秀等[12]模擬了小氣候環(huán)境，并對(duì)植被和水體等方案布局的熱舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，其理論體系得以初步構(gòu)建。但研究多集中于夏季，關(guān)于冬季濱水帶不同空間對(duì)小氣候因子和人體舒適度影響的研究較少，且冬季濱水空間的利用率不高，往往無法為游客提供舒適的游憩功能，因此開展濱水空間冬季小氣候的研究很有必要。

與其他城市不同的是，昆明夏無酷暑、冬無嚴(yán)寒，是名副其實(shí)的“春城”。昆明市于2020年提出《滇池流域“美麗河道”建設(shè)指導(dǎo)意見》，旨在打造岸坡穩(wěn)定、行洪安全、綠色生態(tài)、景色宜人的32條特色河道，提升戶外活動(dòng)空間景觀，促進(jìn)人與自然和諧相處。其中撈魚河位于呈貢新區(qū)，其建設(shè)具有一定示范作用。因此，本研究以昆明市撈魚河(昆工段)為研究對(duì)象，通過實(shí)地調(diào)研與數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，對(duì)濱水空間冬季小氣候效應(yīng)展開研究，分析人體舒適度與各風(fēng)景園林設(shè)計(jì)要素、小氣候因子的相關(guān)性，提出景觀提升策略，為撈魚河濱水空間景觀優(yōu)化提供依據(jù)，豐富高原湖濱城市濱水空間冬季景觀設(shè)計(jì)的相關(guān)理論。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

昆明位于中國(guó)西南云貴高原中部，南瀕滇池，三面環(huán)山，地貌復(fù)雜，地形上高度差異較大，是典型的低緯高原山地城市。撈魚河發(fā)源于昆明市呈貢區(qū)松茂水庫(kù)，向西南流經(jīng)中莊、下莊、雨花村，在臨近梁王河后往西過大漁村，于土羅村自流進(jìn)入滇池，全長(zhǎng)30.8 km(圖1)。本研究的撈魚河昆工段(24°50′-26°51′N,102°51′-102°52′E)流經(jīng)呈貢大學(xué)城，是周邊學(xué)生和居民活動(dòng)的重要場(chǎng)所。河道冬季水流量較少，濱水景觀可觀賞性不高，整體景觀亟待提升。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，場(chǎng)地長(zhǎng)度最長(zhǎng)約為1.54 km，平均寬度(包括河濱帶)為0.19 km，面積約為26.43 hm2。

圖1 撈魚河走向及研究范圍

1.2 研究方法

1.2.1 樣點(diǎn)的選擇與分布 在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，依據(jù)英美學(xué)派的選樣方式，按照典型選樣的原則，即按主觀的要求在河道濱水空間不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行任意地、不規(guī)則地選樣[13]，最終選取樣點(diǎn)13個(gè)，在研究場(chǎng)地之外空曠的水泥路面選取1個(gè)點(diǎn)作為對(duì)照點(diǎn)，分析對(duì)比場(chǎng)地內(nèi)空間類型的小氣候效應(yīng)(圖2)。

圖2 場(chǎng)地平面圖及樣點(diǎn)分布

1.2.2 天空可視因子計(jì)算 天空可視因子(sky view factor，SVF)是地面某點(diǎn)對(duì)天空的可見程度，是表征城市形態(tài)和空間冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，也是影響室外熱舒適度和城市熱島效應(yīng)的重要因素[14]。SVF是介于0～1的無量綱量，對(duì)于視覺無阻的空曠地區(qū)，其SVF值為1，而對(duì)于天空完全被遮蔽的地方，其SVF值為0。SVF值的計(jì)算參考前人的研究方法[15]，選用視角為 180°的定焦全幅魚眼鏡頭，鏡頭距地?cái)z影高度130 cm，保持水平拍攝冠層圖像，之后用Photoshop進(jìn)行像素化處理，圖中天空可視部分的像素值與整體像素值的比即為樣點(diǎn)的SVF值。將13個(gè)樣點(diǎn)和1個(gè)對(duì)照點(diǎn)根據(jù)不同的SVF分成全遮陰空間(SVF<0.3)、半遮陰空間(0.3≤SVF≤0.85)和無遮陰空間(SVF>0.85)，各測(cè)點(diǎn)分類及具體信息見表1。

表1 測(cè)點(diǎn)分組及基本情況

1.2.3 小氣候因子測(cè)定方法 戶外小氣候物理測(cè)定在2020年的12月27日、2021年1月24日，2月04日，實(shí)測(cè)采集數(shù)據(jù)包括：空氣溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度，具體時(shí)間為，數(shù)據(jù)測(cè)定當(dāng)天天氣晴朗，無風(fēng)(風(fēng)速<2 m/s)，每天測(cè)定時(shí)間8:00-18:00，每2 h 1次。采用DJL-18溫濕度光照度三參數(shù)記錄儀(表2)，在距離地面1.5 m處同步測(cè)定空氣溫度、相對(duì)濕度及光照強(qiáng)度，每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)3次，取平均值。最后將3 d測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終測(cè)定結(jié)果，以消除因數(shù)據(jù)特異性而產(chǎn)生的誤差。

表2 實(shí)測(cè)器材及其參數(shù)

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 將各濱水空間的降溫率和增濕率分別定義為溫度差值和濕度差值與對(duì)照點(diǎn)溫濕度值的比。從而可以對(duì)不同濱水空間景觀空間的降溫增濕作用進(jìn)行有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的分析和比較，計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示[16]；本研究選用《人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)》中提出溫濕指數(shù)(THI)作為評(píng)價(jià)人體熱舒適度主要指標(biāo)[17]，計(jì)算公式見式(3)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 人體熱舒適度等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

dT(%)=(T1-T2)/T1

(1)

dRH(%)=(RH2-RH1)/RH1

(2)

I=Tm-0.55 (1-RHm)(Tm-14.5)

(3)

式中:dT為降溫率(%)；T1為對(duì)照點(diǎn)平均空氣溫度(℃)；T2為樣點(diǎn)平均空氣溫度(℃)；dRH為增濕率(%)；RH1為對(duì)照點(diǎn)平均相對(duì)濕度(%)；RH2為樣點(diǎn)平均相對(duì)濕度(%)。I為溫濕指數(shù)；Tm為樣點(diǎn)在m時(shí)刻的空氣溫度(℃)；RHm為樣點(diǎn)在m時(shí)刻的相對(duì)濕度(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各測(cè)點(diǎn)小氣候因子分析

2.1.1 光照強(qiáng)度日變化分析 從圖3可以看出，不同遮陰類型空間光照強(qiáng)度日動(dòng)態(tài)基本呈單峰分布，半遮陰和全遮陰空間總體平均光照強(qiáng)度遠(yuǎn)低于無遮陰空間且差距不大，最高差值11 153 lx，說明在冬季，相對(duì)于無遮陰空間，當(dāng)SVF≤0.85時(shí)，即可以顯著降低光照強(qiáng)度，阻隔80%以上的直射陽光。常綠喬木遮陰空間受樹干分枝點(diǎn)高低的影響，遮陰效果會(huì)隨太陽高度角的變化而變化，因此在全遮陰空間中(圖4)，所有樣點(diǎn)在14:00-16:00太陽西斜時(shí)光照強(qiáng)度達(dá)到峰值，半遮陰空間(圖5)中樣點(diǎn)9、樣點(diǎn)11則不受分枝高度的影響。在無遮陰空間中(圖6)，樣點(diǎn)12的光照強(qiáng)度值一直低于平均值，表明有少數(shù)落葉喬木枝條遮擋的空間，雖幾乎等同于無遮陰狀態(tài)，但依然能降低光照強(qiáng)度。樣點(diǎn)7在14:00-16:00的光照強(qiáng)度顯著低于上一時(shí)間段，差值高達(dá)50 629 lx，表明高度在1.3 m的灌木在14:00之后能夠遮擋部分陽光。

圖3 各空間平均光照強(qiáng)度

圖4 全遮陰光照強(qiáng)度日變化

圖5 半遮陰光照強(qiáng)度日變化

圖6 無遮陰光照強(qiáng)度日變化

2.1.2 空氣溫度日變化分析 從各個(gè)空間類型的平均空氣溫度來看(圖7)，無遮陰空間的平均空氣溫度始終相對(duì)于全遮陰和半遮陰空間較高，最大差值分別為2.26、1.44 ℃，表明遮陰狀況對(duì)空氣溫度有間接影響：在冬季，太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，一定的遮陰能夠顯著降低太陽輻射強(qiáng)度，增強(qiáng)蒸騰作用，進(jìn)而影響空氣溫度。全遮陰空間(圖8)在14:00-16:00樣點(diǎn)5的溫度明顯低于其他樣點(diǎn)，且樣點(diǎn)1、樣點(diǎn)4和樣點(diǎn)6更接近于水體，表明在全遮陰冠層中植物對(duì)溫度的影響效應(yīng)高于水體，群落越豐富、越穩(wěn)定的空間降溫效果越好。半遮陰(圖9)測(cè)點(diǎn)中樣點(diǎn)11在14:00之前溫度明顯高于其他點(diǎn)，說明單一的落葉喬木林降溫作用較差。無遮陰空間(圖10)中樣點(diǎn)13 的溫度明顯低于其他各點(diǎn)，在12:00-14:00與樣點(diǎn)12的差值最大，為1.97 ℃，說明大面積的水體在一定程度上可以降低周邊的溫度。

圖7 各空間平均溫度

圖8 全遮陰空氣溫度日變化

圖9 半遮陰空氣溫度日變化

圖10 無遮陰空氣溫度日變化

2.1.3 相對(duì)濕度日變化分析 由圖11可以看出，相對(duì)濕度隨著時(shí)間的增加而降低，其變化受光照強(qiáng)度及空氣溫度的直接或間接影響，與空氣溫度緊密相關(guān)且成反比。相對(duì)濕度平均值基本呈現(xiàn)為全遮陰空間>半遮陰空間>無遮陰空間。表明SVF越高，植物蒸騰作用越好，相對(duì)濕度越低。全遮陰空間(圖12)各樣點(diǎn)間差值不大，樣點(diǎn)6在8:00-10:00的濕度最高，表明樟樹林的增濕效果最好；半遮陰樣點(diǎn)(圖13)中樣點(diǎn)2與樣點(diǎn)11差值明顯，最大差值為9.10%；無遮陰樣點(diǎn)(圖14)中樣點(diǎn)13的空氣濕度較其他樣點(diǎn)較高，且與樣點(diǎn)12的差值最大，為7.03%，說明水體能夠提升空氣濕度。

圖11 各空間平均相對(duì)濕度

圖12 全遮陰相對(duì)濕度日變化

圖13 半遮陰相對(duì)濕度日變化

圖14 無遮陰相對(duì)濕度日變化

2.2 降溫率和增濕率分析

由表4可以看出，3種類型的空間與對(duì)照點(diǎn)相比都有著一定程度的降溫增濕作用，其中全遮陰空間的降溫率和增濕率明顯高于無遮陰空間，最大降溫率為12.59%，增濕率為11.06%，差異最大值分別為10.15%、8.12%，與半遮陰空間的降溫率的差異不大，但增濕率明顯較高，差值最大為8.50%。同類型樣點(diǎn)內(nèi)部的降溫率和增濕率均存在一定差異，其中降溫率差異最大的為樣點(diǎn)13和樣點(diǎn)3，日均降溫率相差7.01%，增濕率差異最大的為樣點(diǎn)2和樣點(diǎn)11，差值為5.04%。結(jié)果表明：與對(duì)照點(diǎn)相比全遮陰空間降溫增濕的作用最好，半遮陰空間次之，無遮陰空間最差。當(dāng)SVF>0.85時(shí)，水體有明顯的降溫增濕作用；當(dāng)0.3≤SVF≤0.85時(shí)，植物群落結(jié)構(gòu)越豐富的空間降溫增濕作用越好；當(dāng)SVF<0.3時(shí)，植物的降溫增濕效應(yīng)高于水體。

表4 各測(cè)點(diǎn)空氣溫度與相對(duì)濕度比較

2.3 人體舒適度分析

對(duì)比各遮陰空間平均舒適度及各測(cè)點(diǎn)舒適度日變化(圖15-圖18)，結(jié)果顯示在寒冷的冬季，無遮陰空間最為舒適，內(nèi)部所有樣點(diǎn)舒適度基本呈現(xiàn)先逐漸上升，14:00-16:00達(dá)到峰值，之后緩慢下降的趨勢(shì)。所有樣點(diǎn)皆在8:00-10:00處于“寒冷”狀態(tài)，人體感到很不舒適，10:00-12:00處于“冷”狀態(tài)，人體冷的程度降低，不舒適的感覺減輕，12:00之后除了全遮陰空間12:00-14:00仍感到冷，其余空間都感到舒適，16:00-18:00各空間舒適度值有所下降，但人仍然處于舒適的狀態(tài)，整體濱水空間的舒適性較好。

圖15 平均舒適度日變化

圖16 全遮陰舒適度日變化

圖17 半遮陰舒適度日變化

圖18 無遮陰舒適度日變化

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析各測(cè)點(diǎn)的THI值與各景觀設(shè)計(jì)要素及小氣候因子間的相關(guān)性(表5)，結(jié)果表明，冬季人體舒適度與SVF、空氣溫度和光照強(qiáng)度和呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度、降溫率、增濕率呈顯著負(fù)相關(guān)，與跟水體的距離無明顯相關(guān)關(guān)系，結(jié)合其他變量之間的相關(guān)性可以看出，在寒冷的冬季，隨著SVF值的增加，光照強(qiáng)度、空氣溫度也隨之增加，降溫率和增濕率下降，使得人體舒適度逐漸上升。

表5 THI值與各景觀設(shè)計(jì)要素及小氣候因子之間的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究通過對(duì)全遮陰、半遮陰、無遮陰3種不同遮陰類型下13個(gè)測(cè)點(diǎn)和1個(gè)對(duì)照點(diǎn)各小氣候因子的實(shí)地測(cè)量和結(jié)果分析，得到以下結(jié)論。

光照強(qiáng)度是影響戶外小氣候環(huán)境的重要因素，對(duì)于冬季濱水空間舒適度的營(yíng)造至關(guān)重要。相對(duì)于無遮陰的空間，全遮陰與半遮陰空間整體差異不大，當(dāng)SVF≤0.85，即可阻隔空間內(nèi)80%以上的太陽光照。對(duì)于冬季，有一定陽光照射，溫濕度適宜的無遮陰和半遮陰空間更受歡迎。

在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)全遮陰及植物群落結(jié)構(gòu)豐富的濱水綠地的降溫增濕效果顯著高于其他遮陰類型的濱水綠地，植物在降溫增濕和調(diào)節(jié)人體舒適度上有著顯著作用，植物群落降溫增濕效果喬灌草>喬木林>喬灌相間>灌草結(jié)合>草坪，因此遮陰材料的選擇和植物配置方式尤為重要。

水體對(duì)于人體舒適性的影響不顯著，但對(duì)周邊環(huán)境可以起到一定的降溫增濕作用。在冬季景觀營(yíng)造中可設(shè)計(jì)類型多樣的濱水空間，并將生態(tài)技術(shù)與鄉(xiāng)土景觀相融合，結(jié)合濱水設(shè)計(jì)多樣化的駁岸處理形式，在營(yíng)造豐富生態(tài)景觀的同時(shí)最大可能地提高親水性。

3.2 討論

合理設(shè)計(jì)不同遮陰類型的濱水空間，打造多樣化的戶外活動(dòng)場(chǎng)所。在昆明濱水景觀設(shè)計(jì)中，可將空間的SVF值降至0.85～0.3，部分可降至0。采用高度更高、枝葉更繁茂的植被，如云南樟(Cinnamomumglanduliferum)、滇樸和櫸樹(Zelkovaserrata)等，在太陽輻射強(qiáng)時(shí)能有效地遮陰降溫，從而緩解周邊的熱島效應(yīng)。

對(duì)于遮陰材料，首選落葉與常綠喬木相搭配，從而增加透光率，其中落葉喬木優(yōu)先選用黃連木、滇楸(Catalpafargesii)、復(fù)羽葉欒樹(Koelreuteriabipinnata)、楓香(Liquidambarformosana)和藍(lán)花楹(Jacarandamimosifolia)等，常綠喬木以香樟、山玉蘭(Lirianthedelavayi)、香葉樹(Linderacommunis)、滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)、球花石楠(Photiniaglomerata)等鄉(xiāng)土樹種為佳。其次可選擇麻櫟(Quercusacutissima)、滇潤(rùn)楠(Machilusyunnanensis)、云南櫻花(Prunuscerasoides)等分支點(diǎn)高的喬木或冠層稀疏的觀花灌木紫玉蘭(Yulanialiliiflora)、滇合歡(Albiziakalkora)，觀葉小喬木紅葉雞爪槭(Acerpalmatum)等。對(duì)于植物的配置方式，大面積的草坪在冬季具有良好的舒適性，喬草結(jié)構(gòu)的空間也較受歡迎。對(duì)于喬灌草結(jié)構(gòu)和常綠喬木林可適當(dāng)增加植物的種植間距，并且注意SVF不要超過0.85，避免全遮陰的常綠喬木密林，如香樟、雪松林。同時(shí)結(jié)合不同區(qū)域配置不同的植物，做到風(fēng)貌統(tǒng)一又各具特色。

河道以自然駁岸為優(yōu)，臨水上層喬木以垂柳、水杉、池杉(Taxodiumdistichumvar.imbricatum)為主，可適當(dāng)增大種植間距，留出河道觀賞面。下層灌木以低矮草花地被為主，如波斯菊(Cosmosbipinnatus)、鼠尾草(Salviajaponica)、春羽(Philodendronselloum)、文殊蘭(Crinumasiaticumvar.sinicum)和麥冬(Ophiopogonjaponicus)等，打開景觀視線。臨河可增加云南黃素馨(Jasminummesnyi)、迎春花(Jasminumnudiflorum)和金絲桃(Hypericummonogynum)等灌木，保障游人安全性。河畔淺水中可種植花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)、水蔥(Schoenoplectustabernaemontani)和梭魚草(Pontederiacordata)等挺水草本植物，增強(qiáng)濱水景觀效果。