齊羚 馬梓烜 張雨洋 劉加根

1 研究背景

傳統(tǒng)村落保護(hù)工作重點(diǎn)之一是保護(hù)村落天人合一的山水格局?？刂拼迓洵h(huán)境質(zhì)量的最基本策略是符合傳統(tǒng)風(fēng)水模式的擇址和山水格局營造。目前傳統(tǒng)村落的開發(fā)與保護(hù)研究，主要集中在對村落定性的價(jià)值研究、評價(jià)和保護(hù)、旅游開發(fā)、村落空間形態(tài)與布局，以及以建筑單體為對象的定性與定量結(jié)合的研究[1]。

1水峪村內(nèi)部山水格局Interior mountain-water pattern of Shuiyu village

2水峪村選址的風(fēng)水觀Geomantic view of Shuiyu village site selection

3 實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)定位圖Location map of experimental measurement points

國外對于微氣候及舒適度的研究開展始于20世紀(jì)70年代，研究成果廣泛而深入[2-3]。中國從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行相關(guān)研究。林波榮對園林構(gòu)成和空間元素特征與室外環(huán)境熱舒適調(diào)控機(jī)理進(jìn)行定量化研究[4]。清華大學(xué)建筑學(xué)院對北京市典型區(qū)域微氣候設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)導(dǎo)則開展研究[5]。董靚等對氣候適應(yīng)性規(guī)劃設(shè)計(jì)和氣候舒適度評價(jià)方面做了大量的研究工作，提出適應(yīng)降水、風(fēng)、日照、氣溫等氣候因子的設(shè)計(jì)策略[6-7]。孟慶林長期從事城市微氣候研究，建立微氣候多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺[8]。由劉濱誼主持，同濟(jì)大學(xué)與西安建筑科技大學(xué)合作的課題“城市宜居環(huán)境風(fēng)景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論和方法研究”從理論、方法、技術(shù)及案例調(diào)查驗(yàn)證4個(gè)方面展開[9]。劉暉主持研究探索生境營造的適宜性設(shè)計(jì)方法[10]。熊瑤等初步嘗試通過研究微氣候在近地面的狀態(tài)與古典園林空間布局的關(guān)系，定性并定量地解讀江南私家造園的空間營造理法[11]。近年國內(nèi)外對于微氣候適應(yīng)性的研究工作成果顯著且多集中在城市[12-13]，而運(yùn)用數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)比較和模型建構(gòu)等定性、定量結(jié)合的分析方法對傳統(tǒng)村落中觀層面的山水格局與微氣候適應(yīng)性分析和設(shè)計(jì)策略進(jìn)行的研究較少。

本課題以京津冀地區(qū)傳統(tǒng)村落山水格局的微氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)機(jī)理研究為核心，對長期以來積累的理想景觀格局的主觀感受和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定量性的科學(xué)驗(yàn)證。課題組針對京津冀4批中國傳統(tǒng)村落和3個(gè)重點(diǎn)村落開展為期1年多研究。現(xiàn)階段正在開展的工作內(nèi)容包括2部分：1）編制4批、京津冀169個(gè)傳統(tǒng)村落的山水格局特征[14-16]分類圖譜，建立山水格局檔案；2）北京房山區(qū)水峪村、河北井陘縣呂家村、天津薊州西井峪村3個(gè)重點(diǎn)案例村落的氣象站安裝和春夏冬三季節(jié)微氣候調(diào)研與數(shù)值模擬及研究分析。本文是房山區(qū)南窖鄉(xiāng)水峪村春、夏、冬季數(shù)據(jù)采集以及數(shù)值模擬的初步研究成果。

2 研究對象

2.1 研究對象范圍界定

村落環(huán)境包括村落外部環(huán)境的山、水、林的組合空間；內(nèi)部環(huán)境的巷道、節(jié)點(diǎn)空間；單體民居的庭院3個(gè)層次[17]。本文研究對象為水峪村外部環(huán)境空間和部分與山水相關(guān)的內(nèi)部環(huán)境節(jié)點(diǎn)。

2.2 水峪村概況

水峪村位于北京市房山區(qū)南窖鄉(xiāng)北溝。村莊沿一條西北、東南向的溝巖分布，形成于水峪溝，以水為軸，向水而建。

水峪村山水環(huán)境具有“背山臨水，環(huán)山聚氣”的特點(diǎn)，符合藏風(fēng)聚氣，負(fù)陰抱陽的風(fēng)水觀。北部中窖梁為天然屏障，風(fēng)水中曰“屏”，使水峪村北高南低。南坡嶺低矮平緩，東面紗帽山山形似烏紗帽，西面山形似王位。北部高大山體阻擋了冬季的西北風(fēng)，南坡低緩加之溝谷、水系引入了南風(fēng)，整體通風(fēng)環(huán)境良好（圖1）。東村保存了明清時(shí)期村落格局、街巷肌理呈陰陽八卦格局，坤位為長嶺坨（賞月丘），乾位為大槐樹，以臨水小路為村落主軸線（圖2）。

3 研究方法

3.1 實(shí)地觀測法

課題研究方法包括文獻(xiàn)研究、實(shí)地測量、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬及分析。本文主要從實(shí)地測量及數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬及分析兩種方法進(jìn)行闡述。實(shí)地觀測法通過在距地面約1.5m高度采用儀器對實(shí)際研究對象進(jìn)行觀測，獲得局地氣候數(shù)據(jù)，直觀地反映局地風(fēng)、熱、濕環(huán)境狀況。對實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)的空氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向、相對濕度、輻射溫度等氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。整理總結(jié)移動氣象站的全年24h測量數(shù)據(jù)和3個(gè)季節(jié)單日測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)。

3.1.1 測試儀器

實(shí)驗(yàn)儀器有：手持式熱敏感風(fēng)速儀（德國TESTO405-V1）、黑球溫度自記儀（北京天建華儀HQZY-1）、溫濕度自記儀（北京天建華儀WSZY-1）、移動氣象站（中科正奇ZK-YD66個(gè)傳感器太陽能供電）。實(shí)地測量由于條件所限，選取收集3個(gè)季節(jié)各1個(gè)測量日，10個(gè)空間觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)，測量日期為2017年3月11日、2017年7月5日、2018年1月13日。以上數(shù)據(jù)參考中國氣象網(wǎng)北京地區(qū)數(shù)據(jù)和小型氣象站數(shù)據(jù)，作為后期模型的輸入?yún)?shù)。

春季在研究區(qū)域內(nèi)布置測點(diǎn)18個(gè)，東西村各9個(gè)，分別在上午和下午2個(gè)時(shí)段進(jìn)行觀測。夏季和冬季進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，在研究區(qū)內(nèi)布置測點(diǎn)10個(gè)（圖3，表1）。測點(diǎn)選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、山水環(huán)境特征及均勻布點(diǎn)的原則，同時(shí)考慮下墊面、建筑物、植被等影響因素。

3.1.2 測試方法

2017年3月10—11日，課題組完成了移動氣象站安裝工作，并進(jìn)行固定點(diǎn)24h觀測，通過信息平臺進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。實(shí)地測量中風(fēng)速儀風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度自記儀、黑球自記儀及移動氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)記錄頻率均為：10min/次。溫濕度儀探頭以錫箔紙包裹，放置在距離地面約1.2m高度處，以避免陽光直射。風(fēng)速儀距離地面約1.5m，旋轉(zhuǎn)360度記錄風(fēng)速最大值及瞬時(shí)風(fēng)向。

表1 實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)信息及山水格局分類表Tab. 1 Experimental observation points and classification of mountain-water pattern

3.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬是通過建模，使用Ecotect及Phoenics等軟件將理論分析應(yīng)用于模型計(jì)算。對同一模型進(jìn)行多次模擬計(jì)算、核對校準(zhǔn)，獲得參數(shù)數(shù)據(jù)，并對后續(xù)的參數(shù)化模型建構(gòu)和規(guī)劃設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與評價(jià)

4.1.1 水峪村與北京市區(qū)微氣候?qū)Ρ?/p>

通過水峪村與北京氣象站的測量數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，由于水峪村具有良好的山水格局環(huán)境，一年四季的平均溫度均略低于北京市區(qū)，濕度較高，風(fēng)速適宜（表2）。

4.1.2 溫度

1）地形因素是影響溫度的最關(guān)鍵因素。在不受風(fēng)速影響的前提下，空間開敞性越高則溫度越高。在3個(gè)季節(jié)的4組數(shù)據(jù)中，山頂、開闊地帶的溫度較高。春夏兩季，開敞度較大的點(diǎn)溫度升高快，平均溫度較高。

2）空間形態(tài)相近的測點(diǎn)溫度變化趨勢相近，平均溫度較為接近。春季上午測點(diǎn)中，空間形態(tài)相近的A2、A3、A9這3個(gè)測點(diǎn)平均溫度也接近。此3個(gè)測點(diǎn)均處于水峪村東南向的溝谷中，空間開合度相近，3個(gè)測點(diǎn)的變化趨勢也較為接近（圖4）。

3）風(fēng)速對溫度影響強(qiáng)度在春夏兩季遠(yuǎn)低于日照，僅限于對溫度波動幅度的影響。春季上午10：10前后，A6、A1這兩點(diǎn)風(fēng)速較高，造成此兩點(diǎn)的溫度上升減緩。夏季同樣出現(xiàn)了此現(xiàn)象，但總體趨勢仍無變化。冬季出現(xiàn)風(fēng)速過大改變溫度變化趨勢的情況。冬季A、B、C 這3個(gè)測點(diǎn)的溫度波動高于其他各點(diǎn)，位于山體制高點(diǎn)，風(fēng)速較大；村內(nèi)各點(diǎn)受風(fēng)速影響較小，溫度波動幅度較?。▓D4）。

表2 水峪村與北京市區(qū)對比Tab. 2 Comparison between Shuiyu Village and Beijing urban areas

4 水峪村實(shí)測溫度分析Analysis of measured temperature of Shuiyu Village

5 水峪村實(shí)測濕度分析Analysis of measured humidity of Shuiyu Village

4）小結(jié)。

對場地內(nèi)溫度的優(yōu)化，應(yīng)從使用空間擇址入手，選擇空間開合度較大的南向坡面，并充分考慮冬季背風(fēng)和得熱面積需要，保證北側(cè)有山體或高大植被抵擋寒風(fēng)及充分日照。4.1.3 濕度

1）空間開敞程度影響測點(diǎn)日照、通風(fēng)和濕度，并與測點(diǎn)濕度基本呈負(fù)相關(guān)。且通過對夏季的對比發(fā)現(xiàn)，在空間開合度相近的情況下，日照的影響強(qiáng)于風(fēng)速的影響（圖5）。

2）測點(diǎn)植被的茂盛程度與濕度波動情況成負(fù)相關(guān)。但在村落內(nèi)測點(diǎn)植被情況往往與下墊面情況相關(guān)，因而此結(jié)論需要進(jìn)一步進(jìn)行修正。

3）夏季各測點(diǎn)濕度受到降雨影響。其中3號點(diǎn)由于位于村落的核心區(qū)域，周邊建筑物、植物密集，較利于雨水的吸收，濕度上升較慢。

4）小結(jié)。

測點(diǎn)濕度的影響因素包括測點(diǎn)空間開敞程度和植被覆蓋情況。選擇開敞的地形進(jìn)行建造活動，并結(jié)合植物配置可有效地提升濕度舒適性。

4.1.4 風(fēng)速

在風(fēng)向上，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過與其不平行的山谷或街巷時(shí)，其風(fēng)向會發(fā)生變化。村落內(nèi)部實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)的風(fēng)向基本上平行于其空間走向?？臻g開敞的山頂處風(fēng)向則更加多變。在風(fēng)速上，對風(fēng)速產(chǎn)生影響的主要有空間開敞程度、建筑密度和溝谷方向，有如下結(jié)論：

1）空間開敞程度對測點(diǎn)風(fēng)速的影響最大。

以2、3號測點(diǎn)為例，兩點(diǎn)的海拔、下墊面等情況基本相似，但由于3號測點(diǎn)位于南北、東西溝谷交點(diǎn)，周邊無較高山體，2號測點(diǎn)在南側(cè)有高山遮擋，空間開敞度較低，造成了2號測點(diǎn)在3季的平均風(fēng)速遠(yuǎn)低于3號測點(diǎn)。

2）平均風(fēng)速與建筑密度呈負(fù)相關(guān)。

水峪村春季測量當(dāng)日的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，在北側(cè)迎風(fēng)面建筑密度較低的B1、B2、B6 這3個(gè)測點(diǎn)風(fēng)速最高；周邊建筑較為密集的B4、B5、B8這3個(gè)測點(diǎn)則風(fēng)速相對都較低。

3）溝谷方向?qū)εc其平行或接近平行的風(fēng)有增大風(fēng)速的作用，對與其垂直的風(fēng)有減弱風(fēng)速的作用。

以冬季測量結(jié)果為例，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速受地形影響明顯。南北向開敞的各點(diǎn)風(fēng)速較高，例如1號、3號、7號、A、B、C這 6個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)速相對較高，它們在南北向上一般至少有一個(gè)開口，而其他點(diǎn)的風(fēng)速明顯較低（圖6）。

4）海拔對風(fēng)速的影響相對明顯。位于山頂?shù)臏y點(diǎn)風(fēng)速比位于村落內(nèi)部的6號測點(diǎn)風(fēng)速高。此外，在夏季、冬季，B點(diǎn)是海拔最高點(diǎn)，風(fēng)速比A、C兩點(diǎn)更高。

4.2 山水格局與微氣候關(guān)系

對實(shí)地測量點(diǎn)數(shù)據(jù)依據(jù)空間開合度及南側(cè)山體影響程度，從大到小進(jìn)行排序，使用線性趨勢線及擬合優(yōu)度（R2）對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。通過R2確定各指標(biāo)的影響力大?。▓D7、8）。

空間開合度對冬季溫度、濕度、風(fēng)速及夏季風(fēng)速的影響較大。南側(cè)山體對風(fēng)速的影響也較為明顯。夏冬兩季風(fēng)速與空間開合度呈正相關(guān)，與南側(cè)山體影響程度呈負(fù)相關(guān)。冬季溫度隨空間開合度與南側(cè)山體影響程度呈負(fù)相關(guān)。通過數(shù)據(jù)整理，驗(yàn)證了4.1部分對山水格局的分析。

6水峪村實(shí)測風(fēng)速分析Analysis of measured wind speed of Shuiyu Village

7空間開合度與微氣候關(guān)系Relationship between spatial openness and microclimate

8 南側(cè)山體與微氣候關(guān)系Relationship between the southern mountain and microclimate

4.3 舒適度分析

采用董靚博士的WGBT [WBGT=（0.828 8Ta+0.061 3Tmr+0.007 377 5R+13.829 7RH-8.728 4）V-0.055 1]指標(biāo)對夏季數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果（圖9）。

1）空間較為開敞的測點(diǎn)WBGT指標(biāo)較高，例如5號、A、C這3個(gè)測點(diǎn)分別位于村落中部開敞山坡和南北兩側(cè)山頂，造成了測點(diǎn)夏季日照強(qiáng)烈，升溫迅速，WBGT數(shù)值較高。位于山谷中的2號、3號這2個(gè)測點(diǎn)的WBGT數(shù)值受到山體影響總體較低。

2）WBGT指標(biāo)受日照影響較強(qiáng)。以3號測點(diǎn)為例，在上午10：30前，受到山體、建筑影響，日照較弱，WBGT指標(biāo)較低。10：30后，日照強(qiáng)度突變，溫度等數(shù)據(jù)也發(fā)生突變。

4.4 數(shù)值模擬分析

對村落的風(fēng)速、風(fēng)向等指標(biāo)的模擬我們采用了Phoenics軟件進(jìn)行了風(fēng)環(huán)境模擬（圖10），采用Ecotect對村落輻射得熱進(jìn)行分析，從而得到山水格局與太陽輻射、熱環(huán)境的關(guān)系（圖11）。

4.4.1 風(fēng)環(huán)境模擬

1）水峪村內(nèi)部基本上遵循了向陽背風(fēng)的原則。迎風(fēng)面風(fēng)速大，背風(fēng)面風(fēng)速弱，適宜人類聚落。東村選址在山的背風(fēng)面，處于兩山的小溝谷中。入口兩側(cè)為南山和北山山脈埡口，兩側(cè)山脈坡度大。西北側(cè)山峰阻擋西北風(fēng)侵襲，南山東西兩側(cè)谷口導(dǎo)入南風(fēng)。

2）西村和新村處于三山所夾峙的南北向大溝谷中，西村在山谷中依山就勢而建，谷地東南向開口利于夏季通風(fēng)，受山谷風(fēng)影響大，西面的山體減弱西北方向來的寒風(fēng)，調(diào)節(jié)了冬季的小氣候環(huán)境。但同時(shí)由于東南向?yàn)闇瞎?，出現(xiàn)了一部分風(fēng)速較低的區(qū)域。東村各點(diǎn)則風(fēng)速相對均衡，處于2.2～2.6m/s之間。依據(jù)Beaufort指數(shù)定義，處于微風(fēng)（1.79m/s）至和風(fēng)（3.58m/s）之間，是人居環(huán)境最為適宜的風(fēng)環(huán)境。

3）當(dāng)空氣由開闊地區(qū)進(jìn)入山地峽谷時(shí)，氣流的橫截面積減小，氣流加速前進(jìn)，從而形成強(qiáng)風(fēng)，如圖10山口處。

4.4.2 日照模擬

9 水峪村夏季W(wǎng)BGT指標(biāo)分析Analysis of WBGT index in summer of Shuiyu Village

10 水峪村風(fēng)環(huán)境模擬Wind environment simulation of Shuiyu Village

11 日照得熱模擬Simulation of sunlight heat gain in Shuiyu Village

山體山坡各處溫度與南向投影面積成正相關(guān)。如在實(shí)測點(diǎn)中A5、A7兩點(diǎn)由于向陽面開闊，溫度為各點(diǎn)中最高。另外山谷愈深、口面愈小，日出的時(shí)間越晚，每天的日照時(shí)間越短。如A4點(diǎn)處于山谷最深處，山體遮擋嚴(yán)重，在9：30前無日照，溫度持續(xù)下降。山體的位置和布局對區(qū)域內(nèi)日照情況影響較大，日照對場所內(nèi)溫度影響最為強(qiáng)烈（圖11）。

西村和新村所在谷地為南北向，山體分別在聚落的東面和西面。越接近山谷的底部，日照時(shí)間越短。新村西側(cè)山體較高，故在下午影響西村的日照環(huán)境。

東村為東西谷向，南坡中部坡度為村落主體部分，有效延長了村落接受的日照時(shí)間。北山中部為緩坡和東西向山谷，為農(nóng)業(yè)梯田，使得村落北部的山體留出日曬和開闊空間，處于相對開闊山谷內(nèi)，有利于爭取太陽輻射。

4.5 小結(jié)

1）對比各點(diǎn)的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果，山水格局對風(fēng)產(chǎn)生較大影響。風(fēng)速與峽谷在以風(fēng)向?yàn)榉ň€的垂直面上開敞程度有關(guān)，開敞程度較高的點(diǎn)一般風(fēng)速較大，開敞程度較低的點(diǎn)一般風(fēng)速較小。

2）通過對輻射得熱進(jìn)行模擬并加以分析可以發(fā)現(xiàn)：山體朝向及山體坡度對場地的熱輻射情況具有極大影響。

3）綜合分析日照及風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)水峪村環(huán)境在春、夏、冬三季均適宜居住。其中東村（古村落區(qū)域）的各項(xiàng)模擬指標(biāo)相對于西村和新村也展現(xiàn)了較為明顯的優(yōu)勢。春、冬兩季東村的風(fēng)速相對較小，夏季風(fēng)速相對較大；春季東村日照強(qiáng)度居中，夏季則有更多區(qū)域處于較為背陰區(qū)域。

通過分析整理，將山水環(huán)境與微氣候進(jìn)行了對應(yīng)（表3）。

5 結(jié)論與討論

古人運(yùn)用中國傳統(tǒng)風(fēng)水理論智慧，精心選擇村落、城市等聚落的基址，為居住者提供了良好的微氣候舒適度。我們通過微氣候環(huán)境實(shí)測和模擬，驗(yàn)證了水峪村山水格局在微氣候各指標(biāo)方面具有趨利避害的生態(tài)智慧。其選址充分考慮當(dāng)?shù)刈匀坏匦蔚孛埠蜌夂蛱卣鞯挠绊?，因地制宜布局，形成小氣候系統(tǒng)自循環(huán)的圍合地形空間形態(tài)。同時(shí)，對村落內(nèi)部環(huán)境的研究也發(fā)現(xiàn)不同山水格局和微氣候特征的對應(yīng)關(guān)系及舒適度情況，這將在后續(xù)工作中進(jìn)一步深入完善，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制性的形態(tài)參數(shù)、形態(tài)參數(shù)的圖譜表達(dá)技術(shù)和設(shè)計(jì)新流程，以及基于微氣候適應(yīng)性的山水格局優(yōu)化方案等關(guān)鍵科學(xué)問題研究，從定量與定性雙重角度，探求基于微氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的京津冀傳統(tǒng)村落山水格局的規(guī)律和方法。

表3 山水環(huán)境與微氣候?qū)?yīng)表Tab. 3 Correspondence between landscape environment and microclimate

注釋：

表2數(shù)據(jù)來自：中國氣象網(wǎng)http://www.zkzqyun.com/zkzqWeb/Home/Index，水峪村移動氣象站觀測數(shù)據(jù)；表3引用自齊羚，馬梓烜，郭雨萌，等《基于微氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的天津市薊州區(qū)西井峪村山水格局分析》；其余圖片、表格為作者自繪。