李舟雅 寧琪雯 王雨涵 戈曉宇

1 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院 河北保定 071000

隨著城市的發(fā)展, 城市熱島效應(yīng)越發(fā)顯著,對城市生態(tài)環(huán)境、 居民健康等造成了很大的影響。許多專家學(xué)者指出城市綠地、 城市森林等綠色基礎(chǔ)設(shè)施是緩解熱島效應(yīng)的關(guān)鍵因素[1-5]。 已有的研究多側(cè)重于城市綠色空間對熱島的緩解、 城市降溫增濕的作用及其產(chǎn)生的冷島效應(yīng), 而以規(guī)劃設(shè)計方法為主要內(nèi)容的研究卻較少。 本文以秦皇島海濱國家森林公園的規(guī)劃設(shè)計為例, 運用ENVI-met 微氣候模擬軟件為輔助工具, 探究和總結(jié)以場地外部熱島效應(yīng)緩解和場地內(nèi)部舒適度調(diào)節(jié)為目標(biāo)的“冷島型” 城市森林空間環(huán)境營建方法,為城市森林公園的設(shè)計提供參考。

1 研究地概況及研究方法

秦皇島海濱森林公園位于河北省秦皇島市海港區(qū), 總面積為108.7 hm2, 周邊為秦皇島海濱旅游區(qū)與北戴河度假區(qū), 具有豐富的旅游資源： 東側(cè)緊鄰濱海大道, 南北側(cè)有各大火車、 汽車站,西側(cè)靠近秦皇島市政府與大面積居民區(qū)相接。

針對場地周邊熱島效應(yīng)緩解的研究數(shù)據(jù)主要選取2013 年5 月30 日和2018 年4 月26 日的Landsat8 OLI/TIRS 遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源, 用ENVI5.1 對其進(jìn)行大氣校正和熱輻射定標(biāo), 并用相應(yīng)波段進(jìn)行地表溫度反演計算, 以此分析研究區(qū)域的熱島分布情況。 場地內(nèi)部舒適度調(diào)節(jié)的研究數(shù)據(jù)來源于對秦皇島海濱森林公園的實地調(diào)研,其數(shù)據(jù)主要包括相關(guān)氣候條件和場地的土壤、 水文條件。 通過微氣候模擬軟件ENVI-met 對場地周邊以及場地內(nèi)部微氣候條件進(jìn)行可視化模擬,參考模擬結(jié)果合理選取適宜場地位置進(jìn)行森林活動空間環(huán)境的營建。

2 場地周邊城區(qū)熱島效應(yīng)緩解設(shè)計方法

2.1 場地周邊熱環(huán)境分析及模型校核

已有研究表明, 綠地的冷島效應(yīng)主要體現(xiàn)為通過植被的遮蔭作用及葉片的蒸騰作用調(diào)整局部溫濕度和增加空氣流速, 從而達(dá)到緩解城市熱島的目的。 因一年中溫度較高的時期主要集中于夏季, 故冷島效應(yīng)對于夏季的調(diào)控價值比其他時間段會更大。 秦皇島每年最佳旅游觀光時間為每年的5—9 月[6], 該時間段處于秦皇島全年溫度較高的范圍, 故夏季時的熱感比其他時間來說更為明顯, 因此本文選取夏季作為主要研究時間。

本研究從地理空間數(shù)據(jù)云中選取秦皇島海港區(qū)2013 年5 月30 日02 ∶43 ∶27 和2018 年4 月26日02 ∶40 ∶30 成像的Landsat 8 OLI/TIRS 遙感圖像, 將兩幅遙感圖像導(dǎo)入ENVI5.1 進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正處理, 并選用大氣校正法對研究區(qū)域進(jìn)行地表溫度反演。 結(jié)果顯示, 2013—2018 年,研究區(qū)域周邊城市的地表溫度有較明顯的變化,表現(xiàn)在地表溫度相對升高和高溫區(qū)面積有所擴(kuò)大,由此推斷出研究區(qū)域周邊的城市環(huán)境存在一定程度的熱島現(xiàn)象。

圖1 2013 年5 月30 日模型溫度模擬

圖2 2018 年4 月26 日模型溫度模擬

本研究使用ENVI-met 軟件對開發(fā)前場地周邊區(qū)域溫度狀況進(jìn)行了模擬, 模擬時間分別為2013 年5 月30 日的02 ∶59 ∶59 和2018 年4 月26日的02 ∶59 ∶59, 與兩幅Landsat 8 遙感影像成像時間接近以驗證本次研究模型的正確性。 模擬結(jié)果如圖1 和圖2 所示: 研究區(qū)域內(nèi)部及周邊的溫度分布與溫度反演圖像相似, 在溫度反演圖像中研究區(qū)域中的溫度普遍為19.8 ℃～20 ℃, 模型模擬的溫度約18 ℃, 兩者溫度相差1 ℃～2 ℃, 模擬結(jié)果與反演值存在些許誤差, 誤差為5%。 總體來說本研究所建模型具有一定的正確性和參考性,可指導(dǎo)本次研究的進(jìn)行。

2.2 “冷島型” 城市森林設(shè)計策略

1) “冷源” 空間的識別。 秦皇島海濱森林公園毗鄰渤海, 由于植被和水體的特性使其溫度比周邊城區(qū)低, 從地表溫度反演中可以判斷, 海洋是秦皇島市天然的“冷源”。

2) 通風(fēng)廊道的建立。 基于上述的場地優(yōu)勢,設(shè)計人員通過構(gòu)建與秦皇島市夏季主導(dǎo)風(fēng)向平行的通風(fēng)廊道提升空間的通透度, 以緩解周邊城區(qū)的熱島效應(yīng)。 由前期調(diào)研可知, 秦皇島市夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)： 由于公園毗鄰渤海, 且渤海位于公園的東南方位, 可以考慮從宏觀上構(gòu)建一條從海洋到城市的通風(fēng)廊道, 利用公園中的復(fù)層、地被栽植或者水體形成風(fēng)廊, 將海洋、 森林公園、城市道路等要素聯(lián)系起來, 通過廊道將海洋和公園的新鮮空氣順著盛行風(fēng)方向?qū)L(fēng)吹進(jìn)建筑密集的城市內(nèi)部, 從而有效降低城市內(nèi)部溫度。

3) 通風(fēng)廊道的尺度確定。 研究表明, 城市主要通風(fēng)廊道寬度需達(dá)到100 ～150 m, 長度最小須達(dá)到1 000 m： 次要廊道的寬度需不小于50 m,長度最小要達(dá)到500 m 才會有比較理想的通風(fēng)效果[7-8]。 故本項目將通風(fēng)廊道寬度定為120 m, 由此可以將森林公園的布局結(jié)構(gòu)確定下來。

2.3 場地周邊模擬結(jié)果與分析

本研究使用的ENVI-met 模擬軟件采用三維非靜體力學(xué)模型, 該模型由3 個獨立的子模型及嵌套網(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[9]。 構(gòu)建該環(huán)境模擬體系需要的數(shù)據(jù)有區(qū)位經(jīng)緯度位置, 最近3 年最高溫日期和在該日到達(dá)最高溫度的時刻、 風(fēng)速、 植被覆蓋情況等。

土壤模型負(fù)責(zé)計算地表到土地內(nèi)部的熱傳遞過程。 一般情況下從下墊面表層到地下1.75 m 用于統(tǒng)計土壤濕熱傳導(dǎo), 當(dāng)進(jìn)行水體土壤層模擬時,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。 根據(jù)所掌握的地勘報告, 場地內(nèi)的土層結(jié)構(gòu)主要為填土、 粉質(zhì)黏土以及砂質(zhì)黏土等。

植被模型利用輸入?yún)?shù)模擬植被—大氣—土壤間的交互作用。 植被模型來源于種植設(shè)計施工圖, 輸入?yún)?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) 和太陽輻射系數(shù)等： 輸出參數(shù)有風(fēng)速、 空氣溫度、 土壤溫度等[10-11]。

通過前期調(diào)研可以獲得的數(shù)據(jù)為: 秦皇島市近3 年夏季平均氣溫達(dá)25 ℃～32 ℃, 風(fēng)向為東南風(fēng)： 開園時長為10 ∶00—18 ∶00。 相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 ENVI-met 參數(shù)設(shè)置

通過對公園所在區(qū)域的環(huán)境溫度進(jìn)行模擬,可將該區(qū)域大致劃分為3 大溫度分區(qū), 如圖3 所示。 相較Ⅱ、 Ⅲ兩個區(qū)域, 公園所在I 區(qū)域的平均溫度范圍最低, 為21.66 ℃～22.10 ℃。 位于城市區(qū)域的Ⅱ、 Ⅲ區(qū)與Ⅰ區(qū)域的交界處有明顯的溫差變化(0 ℃～5 ℃), 表明森林公園本身對于降低周邊區(qū)域溫度有一定積極作用。

根據(jù)森林公園所在區(qū)域的環(huán)境濕度模擬圖像也可將該區(qū)域劃分為3 大濕度分區(qū), 如圖4 所示。與Ⅱ、 Ⅲ兩個區(qū)域相比, 森林公園所在Ⅰ區(qū)域平均含濕量范圍最高, 為9.23 ～9.69 g/kg, 數(shù)值平均高出0～2 g/kg, 表明森林公園對于周邊城市居住區(qū)和商業(yè)區(qū)有較為明顯的增濕作用。

森林公園所在區(qū)域的風(fēng)速因子模擬結(jié)果如圖5 所示, 根據(jù)模擬結(jié)果可將該區(qū)域大致劃分3 大風(fēng)速分區(qū)。 公園所在I 區(qū)域因臨海而平均風(fēng)速最高, 為1.11 ～1.56 m/s, 比其他兩區(qū)域高出0 ～1.2 m/s。 由模擬結(jié)果可知, 森林公園和城市相鄰區(qū)域形成了兩處明顯的通風(fēng)廊道, 說明森林公園為促進(jìn)周邊城市區(qū)域空氣流通、 提高清潔氧氣交換頻率提供了良好的通風(fēng)環(huán)境。

3 場地內(nèi)部舒適度調(diào)節(jié)設(shè)計方法

3.1 場地內(nèi)部環(huán)境舒適度概述

1) 場地內(nèi)部現(xiàn)狀舒適度情況。 根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果, 研究區(qū)域內(nèi)局部建成了初具規(guī)模的公園形式, 但大部分場地為之前營建的防護(hù)林, 場地內(nèi)部水體分散, 景觀性和舒適性較差, 故需對其景觀風(fēng)貌進(jìn)行改善以提升舒適感。

圖3 區(qū)域環(huán)境溫度模擬

圖4 區(qū)域環(huán)境濕度模擬

圖5 區(qū)域環(huán)境風(fēng)速模擬

2) 人體舒適度評價方法。 常見的人體舒適度指標(biāo)有美國氣象局的Thorn 于1959 年提出的不舒適指數(shù)(DI)[12]、 美國學(xué)者Gagge 提出的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)、 生理等效溫度(PET)[13]等。 因不舒適指數(shù)涉及的變量只有空氣溫度和空氣相對濕度兩個因素, 比其他評價指標(biāo)更為快捷, 故本研究采用不舒適指數(shù)作為對比標(biāo)準(zhǔn)。 其計算公式為:

式(1) 中,T為空氣溫度(℃),RH為空氣相對濕度(%)。 一般DI值越高, 人體的不舒適感越強(qiáng)烈。 具體的不舒適等級劃分如表2[14]。

表2 不舒適等級劃分

3.2 場地內(nèi)部空間的設(shè)計方法

1) 對現(xiàn)有水體進(jìn)行梳理整合。 有研究表明,水體對公園環(huán)境有較好的增溫降濕、 提高局部風(fēng)速的作用[15]。 通過對場地現(xiàn)狀水體進(jìn)行梳理, 將原有水系范圍進(jìn)行適當(dāng)拓展、 整合與連接以形成完整體系, 并對水岸線形態(tài)進(jìn)行豐富, 在提升觀感的同時將水體對微氣候環(huán)境的影響范圍擴(kuò)大,可極大提高人在環(huán)境中的良好感受。

2) 用植被和地形強(qiáng)化邊界。 通過對公園地形的梳理、 局部微地形營造以及利用植物進(jìn)行圍合等方法, 在森林公園與外部環(huán)境交界處形成隔離,將城市和交通活動所產(chǎn)生的污染和噪音隔離在外,也可以有效提升人在森林公園中的體感舒適度。在樹種選擇方面, 可優(yōu)先選擇具有殺菌、 有較強(qiáng)吸附性或過濾性的鄉(xiāng)土樹種。

3) 由環(huán)境因子確定活動空間。 設(shè)計人員根據(jù)相關(guān)規(guī)范及相關(guān)軟件對研究區(qū)域內(nèi)的各項指標(biāo)進(jìn)行初步評價, 綜合選出微氣候環(huán)境較好、 建設(shè)適宜度較高的場地作為園區(qū)道路或活動場地： 對于不適合建設(shè)的區(qū)域則通過補(bǔ)植鄉(xiāng)土植物等其他方式以創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。 此外, 活動場地沿著水邊布置活動空間也能極大地提高人體的舒適感。

3.3 場地內(nèi)部模擬結(jié)果與分析

3.3.1 開發(fā)前模擬結(jié)果

開發(fā)前公園內(nèi)部整體環(huán)境溫度約19.44 ℃～20.27 ℃, 其中森林濕地區(qū)溫度最低, 越靠近外部交通道與城區(qū)的溫度會明顯上升。 全園相對濕度范圍59.4% ～65.09%, 大多數(shù)區(qū)域集中在60.44%～63.54%, 其中靠近林區(qū)海濱邊緣的區(qū)域相對濕度最高, 靠近城區(qū)或植被覆蓋度低的區(qū)域濕度最低。 場地內(nèi)大多數(shù)區(qū)域風(fēng)速較為平緩, 數(shù)值約0.65 ～1.35 m/s, 而邊界區(qū)域靠近海濱, 其風(fēng)速受海風(fēng)影響, 數(shù)值大于1.35 m/s。

運用公式(1) 計算得出開發(fā)前場地的不適指數(shù)為18.98, 表明場地自然基底較好。 通過將環(huán)境因子綜合疊加, 可將森林公園內(nèi)部劃分為3大環(huán)境適宜度分區(qū)(圖6), 其中適宜度Ⅰ、 Ⅱ區(qū)微氣候環(huán)境較好, 設(shè)計時應(yīng)充分利用有較好自然因素的空間進(jìn)行場地營造, 并對微環(huán)境條件欠佳的區(qū)域進(jìn)行合理提升。

圖6 開發(fā)前綜合環(huán)境因子分析

3.3.2 開發(fā)后模擬及對比驗證

開發(fā)后場地模擬結(jié)果如圖7 至圖9 所示。 開發(fā)后場地內(nèi)部的溫度范圍在17.42 ℃～18.98 ℃,比開發(fā)前降低了2 ℃～3 ℃, 降溫效果明顯： 場地濕度范圍為57.83 ～65.47%RH, 比開發(fā)前平均濕度明顯提升： 開發(fā)后場地內(nèi)部形成明顯通風(fēng)廊道, 其風(fēng)速范圍為0.05 ～1.60 m/s, 通風(fēng)廊道最大風(fēng)速增加, 同時場地內(nèi)部有較多空氣循環(huán)良好的局部空間, 可給游人較舒適的感受。

由模擬結(jié)果對比分析可知, 在對場地進(jìn)行改造提升后, 適宜度Ⅰ、 Ⅱ區(qū)區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大。地形和水環(huán)境經(jīng)過梳理后能有效提高人體舒適度, 綜合提升了森林環(huán)境質(zhì)量, 具體如圖10 所示。 通過公式(1) 計算得到開發(fā)后場地的不適指數(shù)DI 降低至16.17, 表明研究區(qū)域舒適度有所提高。

圖7 開發(fā)前后環(huán)境溫度對比分析

圖8 開發(fā)前后環(huán)境濕度對比分析

圖9 開發(fā)前后環(huán)境風(fēng)速對比分析

圖10 開發(fā)前后適宜度區(qū)域分布對比

4 結(jié)論

本文通過對秦皇島海濱森林公園周邊和內(nèi)部的各種環(huán)境因素進(jìn)行分析, 提出了基于夏季時節(jié)緩解周邊城區(qū)熱島效應(yīng)和調(diào)節(jié)場地內(nèi)部人體舒適度的城市森林設(shè)計策略: 1) 城市森林設(shè)計應(yīng)從宏觀上把控布局, 根據(jù)當(dāng)?shù)叵募臼⑿酗L(fēng)向、 “冷源” 所處位置綜合考慮, 構(gòu)建順應(yīng)城市夏季主導(dǎo)風(fēng)向, 與城市內(nèi)部環(huán)境、 城市綠地、 城市道路相關(guān)聯(lián)的通風(fēng)廊道, 通過風(fēng)廊引進(jìn)的風(fēng)使城市的溫度得以控制, 從而緩解城市的熱島效應(yīng)。 2) 可以從梳理現(xiàn)狀水體、 營造城市森林邊界以及根據(jù)環(huán)境因子選擇活動空間3 方面入手提升森林公園內(nèi)部人體舒適度。 水體和森林合理搭配可起到優(yōu)化環(huán)境、 降溫增濕的效果： 城市森林邊界的營造和處理可采用豎向設(shè)計和植被圍合來實現(xiàn)與城市外界的隔離, 有效提升場地內(nèi)部舒適度： 選擇有較好通風(fēng)、 降溫增濕作用的空間作為道路或活動空間會使舒適度的提升事半功倍。

文章利用ENVI-met 軟件對公園開發(fā)前、 后對城市熱島以及人體舒適度調(diào)節(jié)的情況進(jìn)行了模擬對比, 為城市森林建設(shè)規(guī)劃提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。 由模擬結(jié)果可知, 開發(fā)后的秦皇島海濱森林公園對緩解城市熱島效應(yīng)和提高人體舒適度方面具有一定的作用, 但由于當(dāng)前情況限制, 本研究未能取得現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 僅采用遙感影像進(jìn)行模型校核, 所得結(jié)果精確度有所欠缺,希望在未來的研究中能夠加以完善。