蔣 毅

徐 峰

熊 鷹

劉之欣

趙立華

室外空間的各種景觀設(shè)計(jì)要素對(duì)空間微氣候分布具有重要的影響，國(guó)外的研究[1-2]很早就發(fā)現(xiàn)室外空間的熱環(huán)境水平和使用率之間存在很大的相關(guān)性，熱環(huán)境影響人群使用空間的頻次和時(shí)間。近十幾年來針對(duì)熱舒適影響室外空間使用狀況的定量研究[3-11]逐漸增多，這些研究探討了不同室外景觀空間人群的熱舒適區(qū)域，指出空間微氣候特征是影響使用者使用和評(píng)價(jià)的室外空間的重要因素?；诓煌O(shè)計(jì)手法的熱環(huán)境效果來指導(dǎo)室外空間景觀設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以使熱舒適指標(biāo)值滿足人群的舒適需求，提高使用率和降低熱安全風(fēng)險(xiǎn)。

濕熱地區(qū)地處中國(guó)東南部，漫長(zhǎng)的炎熱季高溫高濕，人群室外出行和活動(dòng)需求受到熱氣候的嚴(yán)重影響，因此熱環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究在該地區(qū)展開[12-14]，室外熱舒適領(lǐng)域也逐漸受到學(xué)者關(guān)注。相關(guān)文獻(xiàn)研究指出，濕熱地區(qū)人群室外活動(dòng)偏好遮陰良好的弱太陽輻射空間，各微氣候要素中，太陽輻射跟空間利用率的相關(guān)性最大，炎熱季天空角系數(shù)越大，空間熱不舒適時(shí)間越長(zhǎng)[7-9]。慢行道在設(shè)計(jì)時(shí)較多考慮空間尺度及景觀，目前尚無相關(guān)熱環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可參照，熱環(huán)境設(shè)計(jì)的缺失導(dǎo)致了熱不舒適，降低了民眾的綠色出行意愿，違背了鼓勵(lì)綠色出行的設(shè)計(jì)初衷。研究顯示，基于景觀設(shè)計(jì)手法對(duì)微氣候因素進(jìn)行有計(jì)劃的調(diào)節(jié)，可以提高室外空間熱環(huán)境品質(zhì)和減輕熱島效應(yīng)帶來的不利影響，提升空間的使用質(zhì)量[15-17]。因此，本文開展了針對(duì)步行和騎行2類人群的慢行道熱舒適研究，以期通過景觀綠化要素的配置改善空間熱舒適，構(gòu)建以“遮陰率-熱環(huán)境-熱期望”的慢行道微氣候環(huán)境的評(píng)價(jià)策略，為優(yōu)化改善提供依據(jù)。

1 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

遮陰率[18](SAR)指標(biāo)定義為未到達(dá)路面的累計(jì)太陽直射輻射量與總的太陽輻射量的比值，其數(shù)值是由魚眼相機(jī)拍攝照片輸入Hemisfer[19]軟件處理計(jì)算后得到，大小主要受喬木的冠型、冠層深度、葉面積指數(shù)、樹木間距影響。

作為濕熱地區(qū)的典型城市“花都”廣州，慢行道綠化樹種類繁多，常見冠幅較大、冠層深度較深、葉面積指數(shù)較高的行道樹有杧果(Mangifera indica)、細(xì)葉榕(Ficus microcarpa)、人面子(Dracontomelon duperreanum)、紅花羊蹄甲(Bauhinia blakeana)、白玉蘭(Magnolia denudata)等，這類喬木成蔭效果較好，如果密集布置，可形成連續(xù)的遮陰帶，SAR在0.7以上。選取此類慢行道為第一類研究對(duì)象，命名為“全遮陰慢行道”。

常見樹冠較小，或冠層深度較淺、葉面積指數(shù)也相對(duì)較小的行道樹有大王椰子樹(Roystonea regia)、窿緣桉(Eucalyptus exserta)、白千層(Melaleuca leucadendron)等，這些樹種在慢行道兩側(cè)，可形成點(diǎn)狀遮陰，SAR為0.3～0.7。選取此類慢行道為第二類研究對(duì)象，命名為“部分遮陰慢行道”。

當(dāng)慢行道及周邊空間沒有進(jìn)行景觀綠化設(shè)計(jì)，或有做景觀綠化設(shè)計(jì)但行道樹離慢行道距離較遠(yuǎn)、起不到路面遮陰時(shí)，大量太陽輻射照射到路面上，SAR在0.3以下。選取此類慢行道為第三類研究對(duì)象，命名為“無遮陰慢行道”。3類研究對(duì)象如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇

1.2 數(shù)據(jù)實(shí)地采集

以實(shí)地微氣候參數(shù)觀測(cè)和問卷發(fā)放的方法采集各類遮陰慢行道的熱環(huán)境及人群熱舒適數(shù)據(jù)，采集的微氣候參數(shù)包括太陽輻射G(由HD3201.1太陽輻射儀測(cè)得)、空氣溫度Ta(由BOBO Pro V2 U23溫濕度自記錄儀測(cè)得)、相對(duì)濕度RH(由BOBO Pro V2 U23溫濕度自記錄儀測(cè)得)、風(fēng)速Va(由HD32.3熱指數(shù)儀測(cè)得)和黑球溫度Tg(由HD32.3熱指數(shù)儀測(cè)得)。相關(guān)儀器及取樣間隔參考ISO 7726(1998)的有關(guān)規(guī)定，測(cè)點(diǎn)布置在離地1.5m高處，HOBO的測(cè)試探頭做防輻射處理。微氣候數(shù)據(jù)采集的目的是用來計(jì)算慢行道空間的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET＊)分布，進(jìn)而結(jié)合熱舒適問卷調(diào)研評(píng)價(jià)人群的熱舒適特征，其中風(fēng)速采用每3min的平均值用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)于11月初的晴朗日開展，時(shí)間段選取為白天慢行道的主要活動(dòng)時(shí)間9：00—18：00，被調(diào)研對(duì)象為在各遮陰慢行道中活動(dòng)的市民，調(diào)查內(nèi)容主要包括性別、年齡、身高、體重、活動(dòng)狀態(tài)(步行或騎行)、持續(xù)時(shí)間、穿著、熱感覺的感受、熱舒適度的評(píng)價(jià)、熱接受程度和微氣候參數(shù)(太陽輻射、空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速)的接受度及期望等。熱感覺數(shù)據(jù)的收集采用九度評(píng)價(jià)標(biāo)尺，熱舒適數(shù)據(jù)的收集采用四度評(píng)價(jià)標(biāo)尺，熱接受數(shù)據(jù)的收集采用四度評(píng)價(jià)標(biāo)尺，在人群填寫問卷時(shí)，工作人員會(huì)在旁邊進(jìn)行必要的解釋以保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精確反映人群當(dāng)下的熱舒適感受。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 問卷采集信息

共收集到問卷771份，其中男性樣本417份，女性樣本355份。另外，步行人群樣本562份，結(jié)果顯示步行人群平均花費(fèi)在慢行道中的時(shí)間為18.8min；騎行者樣本209份，騎行人群花費(fèi)在慢行道中的時(shí)間為16.5min?；ㄙM(fèi)時(shí)間超過2h以上的調(diào)查對(duì)象中，95%以上為年齡段在50歲以上的中老年人，這部分人群在13：00后會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間在慢行道散步或騎行鍛煉身體，持續(xù)到18：00左右。

2.2 各遮陰慢行空間熱環(huán)境特征

2.2.1 熱感覺(TSV)特征

根據(jù)問卷調(diào)研結(jié)果，在不同遮陰率的慢行道中，2類活動(dòng)人群的熱感覺差異較大，如圖2所示。

圖2 各遮陰慢行道人群熱感覺特征圖2-1 步行人群圖2-2 騎行人群

可以看出，步行人群的熱感覺隨著SAR的下降變化很大。全遮陰慢行道中“中性”選項(xiàng)最多(45%)；部分遮陰慢行道中“微暖”選項(xiàng)最多(32%)；到無遮陰慢行道，熱感覺“熱”選項(xiàng)最多(31%)。

而騎行人群在各遮陰空間熱感覺的變化率較為緩和，隨著遮陰率的變化，最多投票的選項(xiàng)只是從全遮陰慢行道的“中性”變化至無遮陰慢行道的“微暖”?？梢?，步行人群對(duì)慢行道遮陰率變化較敏感，需求更大的遮陰率，相對(duì)于騎行道，人行步道宜設(shè)置更多的喬木景觀形成遮陰。2.2.2 熱舒適(TCV)特征

人群的熱舒適投票分布如圖3、4所示，步行人群的“舒適”比例在全遮陰和部分遮陰慢行道相差不大，但當(dāng)SAR＜0.3時(shí)，“稍有不適”占到了最高比例。騎行人群在3種遮陰率慢行道中都是“舒適”選項(xiàng)最高，但隨著遮陰率的減小“舒適”比例逐漸下降。可得出遮陰率相同的慢行道中，騎行人群的熱舒適狀況好于步行人群，且步行人群對(duì)空間遮陰需求更高，人行步道的SAR不要小于0.3。

圖3 各遮陰慢行道人群熱舒適特征圖3-1 步行人群圖3-2 騎行人群

圖4 2類人群熱舒適特征比較

2.2.3 熱感覺與熱舒適的相關(guān)性特征

步行人群在全遮陰、部分遮陰和無遮陰慢行道的熱感覺和熱舒適之間都是二次項(xiàng)的關(guān)系(表1，圖5)。關(guān)系圖中軸線的x坐標(biāo)值可表征人群處于熱舒適最佳狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱感覺值。

表1 人群熱舒適與熱感覺相關(guān)性信息

圖5 人群的熱舒適與熱感覺相關(guān)性關(guān)系圖5-1 步行人群圖5-2 騎行人群

在全遮陰慢行道，步行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近微涼(-1)的區(qū)域，騎行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近涼(-2)的區(qū)域。

在部分遮陰空間，步行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近涼(-2)的區(qū)域，騎行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近微涼(-1)的區(qū)域。

在無遮陰空間，步行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近涼(-2)的區(qū)域，騎行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近微涼(-1)的區(qū)域。

同樣可以看出，慢行道中步行人群和騎行人群熱舒適最佳時(shí)對(duì)應(yīng)的熱感覺區(qū)域并不一致，在騎行道和人行步道的熱環(huán)境設(shè)計(jì)中應(yīng)分開考慮。

2.2.4 人群不舒適因素分析

對(duì)慢行道各微氣候因素中引發(fā)人群熱不舒適的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有利于利用景觀設(shè)計(jì)手法調(diào)節(jié)微氣候，避免引發(fā)人群熱不舒適。引起慢行道人群不舒適因素如圖6所示?？梢钥闯?，有高達(dá)71.5%的步行人群和74.1%的騎行人群希望調(diào)節(jié)微氣候參數(shù)，各因素中，引發(fā)人群不舒適的主要是太陽輻射(G)和氣溫(Ta)，其次是風(fēng)速和空氣濕度。由調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人群處于“不舒適”和“非常不舒適”狀態(tài)時(shí)，有85.7%的比例對(duì)風(fēng)速或空氣濕度因素不滿意，希望得到改變。

圖6 慢行道人群不舒適微氣候因素統(tǒng)計(jì)

2.3 熱舒適的定量評(píng)價(jià)

在保證炎熱季慢行道喬木遮陰需求的同時(shí)，怎么兼顧冬季人群對(duì)日照的需求呢？本研究將采用SET＊指標(biāo)對(duì)該季節(jié)慢行道人群的中性熱感覺區(qū)間、熱舒適區(qū)間和熱期望區(qū)間開展定量研究，給出人群各熱舒適指標(biāo)的具體數(shù)值區(qū)間，以期探索獲得全年熱舒適最大化的研究方法。定量研究的過程如下：

1)首先計(jì)算調(diào)研時(shí)間段內(nèi)慢行道的SET＊分布；

2)將SET＊分布輸入SPSS軟件，以1℃的間隔分組；

3)根據(jù)調(diào)研問卷結(jié)果統(tǒng)計(jì)每個(gè)SET＊分組內(nèi)步行人群和騎行人群的熱感覺(TSV)均值，并提取樣本數(shù)；

4)對(duì)SET＊及組內(nèi)熱感覺(TSV)均值進(jìn)行回歸分析，基于每個(gè)分組樣本數(shù)獲取標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET＊和熱感覺(TSV)之間的相關(guān)性關(guān)系式及擬合度(R2)。

2.3.1 中性SET＊和舒適的SET＊范圍

基于以上研究過程設(shè)計(jì)獲得2類人群中性SET＊范圍如圖7和表2所示。

表2 TSV與SET＊相關(guān)性表達(dá)式

由圖7可以看出，關(guān)系式擬合度(R2)較好，對(duì)應(yīng)步行人群和騎行人群分別是0.739和0.799。慢行道中步行人群的熱感覺每變化一個(gè)單位，對(duì)應(yīng)SET＊的跨度為4.6；騎行人群的熱感覺每變化一個(gè)單位，對(duì)應(yīng)SET＊的跨度為5.3，步行人群對(duì)慢行道SET＊變化更敏感。人群的熱感覺從中性到暖的SET＊值區(qū)間，步行人群和騎行人群分別為18.6～29.1和21.6～30.7℃，步行人群中性熱感覺和暖熱感覺對(duì)應(yīng)的SET＊值都更低。

2類人群的舒適SET＊范圍如圖8和表3所示。可以看出，關(guān)系式擬合度(R2)較好，對(duì)應(yīng)步行人群和騎行人群分別是0.758和0.711。對(duì)于慢行道熱環(huán)境的SET＊分布，數(shù)值越小時(shí)，2類人群都會(huì)覺得更舒適(正線性關(guān)系)。步行人群的熱舒適每變化一個(gè)單位，對(duì)應(yīng)SET＊的跨度為12.5；騎行人群的熱舒適每變化一個(gè)單位，對(duì)應(yīng)SET＊的跨度為20。說明在慢行道SET＊的變化范圍內(nèi)，步行人群的熱不舒適變化是大于騎行人群的，當(dāng)慢行道的SET＊達(dá)到31.4℃時(shí)，行人甚至出現(xiàn)了熱不舒適的情況。

表3 TCV與SET＊相關(guān)性表達(dá)式

可以看出，慢行道需保證適當(dāng)?shù)恼陉?，通過行道樹的合理配置，營(yíng)造出人群熱舒適的熱環(huán)境范圍。為防止出現(xiàn)過熱及熱不舒適的狀況，慢行道遮陰率同樣不要小于0.3，否則會(huì)出現(xiàn)人群熱感覺過熱及熱不舒適現(xiàn)象。

2.3.2 慢行道人群熱期望特征

室外熱環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為出行人群創(chuàng)造優(yōu)美且舒適的熱環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)宜居城市建設(shè)，鼓勵(lì)居民綠色出行。不同遮陰率的行道樹遮陰形成了不同熱環(huán)境水平的空間，為量化人群對(duì)室外空間熱環(huán)境的熱期望特征，營(yíng)造符合人群熱期望的慢行道空間遮陰環(huán)境，本文以接受率90%標(biāo)準(zhǔn)來表征人群的熱期望特征，即：如果該空間的熱環(huán)境為90%以上的人群接受，則表示該空間的熱環(huán)境滿足人群對(duì)慢行道環(huán)境的熱期望。為此，本文設(shè)計(jì)了如下分析過程：

1)將SET＊分布輸入SPSS軟件，以1℃的間隔分組；

2)根據(jù)熱接受投票的分布統(tǒng)計(jì)每個(gè)SET＊分組內(nèi)熱接受百分率，并提取樣本數(shù)；

3)采用SPSS軟件對(duì)SET＊分布及熱接受百分率(URV)進(jìn)行回歸分析，基于每個(gè)分組樣本數(shù)獲取SET＊和URV之間的相關(guān)性關(guān)系式及擬合度(R2)。樣本數(shù)不超過10個(gè)的組不參與回歸分析。

分析結(jié)果如圖9和表4所示。關(guān)系式擬合度(R2)步行人群和騎行人群分別是0.544和0.940。造成2類人群擬合度(R2)相差較大的原因是：被調(diào)研步行人群著裝差異較大，以至于相同SET＊分布時(shí)人群的熱期望比較不一致。而騎行人群的著裝較一致，熱期望也較接近。對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算可得出：滿足步行人群90%熱接受率的SET＊值的范圍是小于等于25.8℃，騎行人群達(dá)到90%熱接受率所對(duì)應(yīng)的SET＊值的范圍是小于等于27.6℃，如表7、8所示。因此，對(duì)該季節(jié)步行道進(jìn)行行道樹遮陰配置時(shí)，營(yíng)造出的空間熱環(huán)境SET＊值應(yīng)不超過25.8℃，而騎行道空間SET＊值應(yīng)不超過27.6℃?？梢钥闯?，騎行人群對(duì)慢行道SET＊分布的熱期望比步行人群更寬。

表4 URV與SET＊相關(guān)性表達(dá)式和熱期望范圍

圖7 慢行道人群熱感覺和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度關(guān)系圖7-1 步行人群圖7-2 騎行人群

圖8 慢行道人群熱舒適和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度關(guān)系圖8-1 步行人群圖8-2 騎行人群

圖9 慢行道人群熱接受率和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度關(guān)系圖9-1 步行人群圖9-2 騎行人群

3 熱環(huán)境評(píng)價(jià)討論

城市慢行道，包括綠道、城市公園設(shè)計(jì)的初衷是鼓勵(lì)和引導(dǎo)人群綠色出行和休閑健身，因此營(yíng)造良好的慢行道熱環(huán)境，以保證人群出行和健身的熱安全及熱舒適十分重要。景觀行道樹的設(shè)計(jì)是熱環(huán)境最大的影響因素，采用ENVImet 4.0等熱環(huán)境分析軟件，根據(jù)室外空間的喬灌草及鋪裝設(shè)計(jì)進(jìn)行建模計(jì)算，得到場(chǎng)地的微氣候分布，輸入到RayMan軟件計(jì)算得到場(chǎng)地的可視化SET＊分布，判斷空間的熱環(huán)境是否在人群室外出行的熱舒適中性區(qū)域、舒適區(qū)域和熱期望區(qū)域，可以用來評(píng)價(jià)室外空間的熱環(huán)境是否在人群的舒適范圍，也可以評(píng)價(jià)新建設(shè)計(jì)方案是否合理。以廣州市一處實(shí)際室外場(chǎng)地為例，采用ENVI-met 4.0進(jìn)行建模，分析使用人群為步行人群時(shí)，空間的熱環(huán)境狀況，采用RayMan輸出SET＊可視化分布。場(chǎng)地鋪裝為普通水泥地面，無灌木帶，場(chǎng)地南北側(cè)行道的遮陰樹主要為羊蹄甲，空地上種植了草皮和點(diǎn)植了灌木；場(chǎng)地東西側(cè)行道的遮陰樹靠里一側(cè)是羊蹄甲，靠外一側(cè)是白玉蘭，空地上同樣種植了草皮和點(diǎn)植了灌木。行道樹的葉面積指數(shù)、樹高、冠幅和枝下高參考課題組對(duì)該區(qū)域及附近區(qū)域羊蹄甲及白玉蘭的測(cè)試值[20]，間距由本實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得?？紤]本研究旨在探索一種對(duì)實(shí)際場(chǎng)地?zé)岘h(huán)境的評(píng)價(jià)方法，因此本次建模的喬木模型相同樹種各參數(shù)值均采用測(cè)試值的均值，簡(jiǎn)化了建模過程，樹形采用圓柱形，各參數(shù)取值如表5所示。

表5 場(chǎng)地行道樹參數(shù)取值

在模擬結(jié)果中，輸出一天中15：00慢行道1.5m高處SET＊可視化分布現(xiàn)狀如圖10所示。根據(jù)2.3.2節(jié)結(jié)論，即步行人群熱期望范圍SET＊宜小于等于25.8℃，計(jì)算得出區(qū)域內(nèi)滿足步行人群熱舒適出行的區(qū)域面積比例為46.3%。

圖10 場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)有效溫度分布狀況

4 結(jié)論

慢行道的景觀綠化采用不同的行道樹時(shí)，慢行道的遮陰率不同，步行人群和騎行人群的熱感覺變化不完全一致，遮陰率改變了慢行道的微氣候，步行人群對(duì)這種變化較為敏感，熱不舒適變化高于騎行人群，對(duì)遮陰率的需求高于騎行人群。本文采用SET＊指標(biāo)結(jié)合SPSS軟件的回歸分析方法對(duì)慢行道的熱舒適進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，得出了影響人群的微氣候因素偏好、熱舒適區(qū)域及出行的熱期望，構(gòu)建了以“遮陰率－熱環(huán)境－熱期望”的慢行道微氣候環(huán)境評(píng)價(jià)策略。使用者的熱期望指標(biāo)可以用來評(píng)價(jià)已建成室外空間的熱環(huán)境是否在人群的舒適范圍內(nèi)，也可用來評(píng)價(jià)新建設(shè)計(jì)方案是否合理。

注：文中圖片均由蔣毅拍攝或繪制。