文/安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 解衛(wèi)東 顧康康 常鑫悅 胡鑫康

0 引言

隨著城市化進程加快，我國城市建成區(qū)環(huán)境、下墊面性質(zhì)發(fā)生巨變，自然景觀被城市物質(zhì)空間形態(tài)改變，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)加劇，同時改變了城市微氣候[1]。城市綠化作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，包括綠色屋頂、墻體和公園等，通過蒸騰吸熱、遮蔭降溫等一系列過程影響城市熱環(huán)境，但城市綠化面積有限，如何提高其生態(tài)效益成為亟待解決的問題。

居住是城市的主要功能之一，住區(qū)外部微環(huán)境作為城市空間的組成部分，是人們戶外活動的重要空間載體。近年來，針對住區(qū)綠化設(shè)計對熱環(huán)境的影響，已有學(xué)者對植被結(jié)構(gòu)、景觀格局、綠地率、喬木覆蓋率、平面布局形式等進行了相關(guān)研究[2-4]。人體熱舒適度是指人體對所處環(huán)境感到舒適程度的主客觀評價，受溫度、濕度、風(fēng)速和日照等氣象因子和人體代謝、穿衣熱阻等綜合影響。目前，雖然對住區(qū)熱舒適性評價方面的研究成果頗豐，但大多采用問卷調(diào)查與微氣候現(xiàn)場實測的方法。對于復(fù)雜住區(qū)尺度熱舒適度，數(shù)值模擬具有更高的精細化特征，并能定量分析綠化設(shè)計對城市住區(qū)熱舒適性的影響。

鑒于此，研究利用小尺度城市微氣候模擬軟件ENVI-met對合肥市某典型高層住區(qū)進行建模，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)驗證模型精度，在此基礎(chǔ)上對研究區(qū)室外熱舒適性進行數(shù)值模擬，分析不同喬木種植密度、樹種及排列布局方式對室外熱舒適性的影響，并提出改善高層住區(qū)熱舒適性的綠化優(yōu)化策略。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

以合肥市盛世隴門小區(qū)為研究對象，該小區(qū)總占地面積3.64hm2，容積率3.0，綠地覆蓋率約45%，住宅建筑均為18層以上的高層建筑，是典型的具有較高綠地率的高層住區(qū)。小區(qū)建設(shè)用地形狀規(guī)整，建筑采用行列式布局，主要綠化形式為集中綠地和道路綠地，植物配置以喬木為主，組團式種植，灌木較少，便于構(gòu)建本研究模型。

1.2 現(xiàn)場實測方案

測試指標(biāo)包括微氣候要素指標(biāo)中的氣溫、相對濕度、風(fēng)速。Kestrel 5500具有精度高、性能強的特點，故采用Kestrel 5500風(fēng)速氣象儀直接測定距地面1.4m處各數(shù)據(jù)。選擇2020年8月30日進行實測，測試時間為8：00-18：00，每隔15min進行數(shù)據(jù)記錄?？紤]居住區(qū)內(nèi)建筑組合的不同位置及下墊面差異，測點1位于小區(qū)外圍綠帶，下墊面為草地；測點2，3選擇在住宅間開敞綠地，下墊面分別為硬質(zhì)鋪裝和草地。同時對居住區(qū)內(nèi)植物類型和種植情況進行實地調(diào)研。

1.3 ENVI-met微氣候模擬

1.3.1 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

ENVI-met是一款城市微氣候模擬軟件，其特點是可對微氣候影響因素進行綜合性考慮，并具有較完整的植物模塊，能較好地模擬植物和熱環(huán)境的關(guān)系。為使模型更接近于真實場景，研究模擬范圍包含研究區(qū)域外圍的城市道路，并在模型外圍增設(shè)寬度為10m的空白緩沖帶。將研究區(qū)的平面圖作為底圖，結(jié)合下墊面信息建立較精確的三維模型。

表1 ENVI-met模型基本參數(shù)

1.3.2 試驗情景設(shè)置

利用Albero組件建立三維植物模型（見表2），根據(jù)實地樹種調(diào)查，以香樟作為初始情景樹種（Q0），采用組團式排列方式，共188棵，喬木密度為202m2/棵，葉面積密度1.1m2/m3，樹高9m，葉片反射率0.18，冠幅7m×7m。在此基礎(chǔ)上，分別建立喬木密度、喬木樹種、喬木布局方式共3組模擬情景，并建立無喬木情景作為各模擬情景的對照情景。

表2 模擬情景植物屬性

1）喬木密度組 情景1～3（Q1～Q3）與初始情景相比有相同的樹種，但樹木種植密度更高。

2）喬木樹種組 將初始基礎(chǔ)情景中居住區(qū)原有的香樟分別替換為白蠟、梧桐和國槐，作為情景4～6（Q4～Q6）。

3）喬木布局方式組 情景7～9（Q7～Q9）與初始情景相比有相同的樹種和等量的樹木，但采用等間距、聚集和隨機排列3種不同的樹木布局方式。

1.3.3 熱舒適度指標(biāo)

熱環(huán)境因子包括氣溫、相對濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度。氣溫是人體熱舒適度最常見的指標(biāo)，其本身并不能成為一個準(zhǔn)確的指標(biāo)。因此，本研究的熱舒適度指標(biāo)采用生理等效溫度（PET）[5]，各模擬情景的PET值利用Bio-met軟件進行計算輸出，參數(shù)設(shè)置為默認國際通用標(biāo)準(zhǔn)。通常說來，PET值在18～23℃的范圍內(nèi)表示熱舒適性比較好。

十年樹木，百年樹人，教育是一項百年大計，對一個國家和民族復(fù)興和發(fā)展具有重要的意義和作用。隨著時代的發(fā)展和社會的進步，英語越來越受到人們的重視。學(xué)好英語已經(jīng)不再是外交官與國家領(lǐng)導(dǎo)人的責(zé)任，更加是學(xué)生的重要課程，是新一代學(xué)生不可推卸的重任。目前，我國急缺高質(zhì)量的英語人才，這對學(xué)生與英語教師提出了更加嚴格的要求。城鄉(xiāng)小學(xué)生的實際英語水平卻相差甚遠，主要有教材版本不同、教學(xué)安排不合理、教師教學(xué)方法以及城鄉(xiāng)小學(xué)生家長的重視等原因。

2 模擬結(jié)果分析

由監(jiān)測點的誤差分析結(jié)果可知，氣溫和相對濕度的RMSE分別為0.984℃，3.3%，氣溫和相對濕度模擬值與實測值間的偏差均較小，在誤差范圍內(nèi)；氣溫和相對濕度的MAPE分別為2.6%，4.3%，氣溫的實測值與模擬值差別較小，模擬效果較好，而相對濕度的實測值與模擬值差別稍大，模擬效果相對一般。

2.1 喬木種植密度對人體熱舒適度的影響

2.1.1 熱環(huán)境氣象因子

對比無喬木情景發(fā)現(xiàn)，隨著研究區(qū)喬木種植密度增加，氣溫、風(fēng)速和平均輻射溫度降低，相對濕度升高。從逐時變化來看，喬木密度組各模擬情景與無喬木情景、初始情景溫濕度變化規(guī)律一致，僅在量值上存在差異。樹木遮蔭是影響平均輻射溫度的重要因素，與無喬木情景相比，Q1～Q4全天平均輻射溫度平均值差值分別為5.216，6.465，7.624，8.347℃。此外，增加喬木種植密度會影響局部通風(fēng)效率，削弱風(fēng)速。

2.1.2 熱舒適性指標(biāo)（PET）

不同喬木密度情景PET均值（1.4m高度處）變化如圖1所示，與無喬木情景相比，不同喬木種植密度分別降低全天PET平均值2.928，3.689，4.406，4.859℃。在17：00時，達到PET降幅最大值，降幅為3.714～6.033℃；8：00時，PET降幅最小，為1.915～2.423℃。選取8：00時對喬木種植密度降低PET的效果進行空間分布分析，Q0～Q3模擬結(jié)果均出現(xiàn)部分區(qū)域PET值升高的現(xiàn)象，主要分布于有建筑陰影遮擋且喬木集中的區(qū)域，約占研究區(qū)面積的45%，與初始場景Q0相比，隨著喬木種植密度的增加，這些區(qū)域平均PET分別增加0.044，0.084，0.104℃。在9：00時，也出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象，但PET升高區(qū)域縮小。

圖1 喬木密度組各情景PET模擬值對比

在炎熱天氣下，喬木通過樹冠遮蔭和自身蒸騰對溫濕度、平均輻射溫度的調(diào)節(jié)作用明顯，雖然會對風(fēng)速產(chǎn)生一定影響，但增加喬木種植密度對提高人體舒適度仍起著積極作用，這與以往研究結(jié)果一致。每增加相同數(shù)量的樹木，其降低熱舒適性指標(biāo)數(shù)值的效果會減弱，喬木覆蓋率并非越高越好，過高會對場地局部散熱產(chǎn)生阻礙作用，因此選擇適當(dāng)?shù)膯棠痉N植密度更有利于熱舒適度的改善。在8：00相對濕度較高、太陽輻射較弱時刻，在建筑背陽面種植集中的喬木會導(dǎo)致產(chǎn)生一定范圍的高濕區(qū)域，同時樹冠使平均風(fēng)速降低，造成人體熱舒適度降低，增加喬木種植密度引起該區(qū)域熱舒適度指標(biāo)PET升高值增加。

2.2 喬木樹種對人體熱舒適度的影響

2.2.1 熱環(huán)境氣象因子

在夏季日間，樹木高度較高、冠幅較大的梧桐（Q5）和葉片反射率較高的國槐（Q6）可實現(xiàn)較好的降溫增濕效果，Q5，Q6全天溫度平均值差值分別為0.383，0.531℃，相對濕度平均值差值分別為2.464%，2.202%。葉面積密度較低的白蠟（Q4）與香樟（Q0）的降溫增濕效果較差，逐時溫濕度差值變化幾乎一致。

各樹種情景與無喬木情景相比，平均輻射溫度與風(fēng)速均有所降低。4類樹種中梧桐（Q5）平均輻射溫度降幅最大，國槐（Q6）次之。白蠟由于葉面積密度低，枝葉較稀疏，冠層內(nèi)部的通風(fēng)率高，對場地平均風(fēng)速的影響最小，全天風(fēng)速平均值差值僅為0.002m/s。

2.2.2 熱舒適性指標(biāo)（PET）

如圖2所示，各樹種情景全天PET平均值差值（與無喬木情景相比）大小關(guān)系為梧桐（7.293℃）＞國槐（6.129℃）＞白蠟（3.364℃）＞香樟（2.928℃）。喬木的樹高及冠幅能有效影響遮蔭面積，高葉片反射率的喬木對太陽輻射的吸收和反射作用更強，因此梧桐和國槐為人體熱舒適度提供了更好的優(yōu)化效果，PET最大降幅均出現(xiàn)在17：00時。香樟相較于白蠟有更高的葉面積密度，雖具有更強的優(yōu)化樹下熱舒適性的能力，但白蠟由于對風(fēng)速影響小，對場地整體熱舒適性的優(yōu)化效果更好。在17：00時，分析空間分布得出各情景PET降低明顯的區(qū)域與喬木種植的空間位置相對應(yīng)，PET增加較大的為梧桐（Q5）和國槐（Q6），梧桐和國槐情景在17：00時PET降低≥9℃的區(qū)域分別占研究區(qū)的39.47%，34.85%。

圖2 喬木樹種組各情景PET模擬值對比

2.3 喬木排列布局方式對人體熱舒適度的影響

2.3.1 熱環(huán)境氣象因子

在喬木配置相同、布局形式不同情景中，等間距式布局的降溫增濕效果最佳，其次為隨機式、組團式布局，降溫增濕效果最差為聚集式布局。在降低平均輻射溫度效應(yīng)方面，同樣是等間距式＞隨機式＞組團式＞聚集式。此外，4種喬木布局形式對風(fēng)速的影響差異性較小。

2.3.2 熱舒適性指標(biāo)（PET）

不同喬木布局方式對場地?zé)崾孢m性的改善效果具有較顯著差異，具體表現(xiàn)為等間距式＞隨機式＞組團式＞聚集式（見圖3）。以太陽輻射較強的13：00時進行空間分析，喬木等間距布置對熱舒適性改善效果在空間上最佳，聚集布置最差，研究區(qū)內(nèi)PET降低≥7℃的區(qū)域占比分別為17.68%，6.91%。根據(jù)PET等級劃分來看，與無喬木情景相比，等間距布局與隨機布局在觀測時間內(nèi)的PET均值所代表的人體感知狀態(tài)由酷熱轉(zhuǎn)為炎熱，但是其他2種喬木布局形式呈現(xiàn)相同的熱應(yīng)激水平。等間距、隨機布局中的喬木分別為單株平均分布和隨機分布，植物產(chǎn)生的遮蔭面積較大，場地PET降低效果更明顯；喬木的聚集式布局和組團式布局造成植物的陰影互相重疊導(dǎo)致遮蔭效果減弱，從而對場地PET的降低效果減弱。

圖3 喬木布局方式組各情景PET模擬值對比

3 結(jié)語

為優(yōu)化城市住區(qū)夏季室外熱舒適性，針對喬木種植，借助ENVI-met模擬了喬木不同種植密度、樹種及排列布局方式下對熱舒適度的調(diào)節(jié)作用。通過模擬結(jié)果對比分析，得出以下結(jié)論。

1）通過增加喬木種植密度可有效優(yōu)化高層住區(qū)外部公共空間熱舒適性，增加喬木密度會降低風(fēng)速，對優(yōu)化整體熱舒適性作用減弱。增加喬木種植對熱舒適性的改善效果有限，且必然導(dǎo)致可活動區(qū)域面積減小，喬木密度增加一定要適量。另外，早晨濕度較高時段，在場地背陽面喬木集中區(qū)域出現(xiàn)PET升高現(xiàn)象，因此，在住區(qū)喬木種植時應(yīng)秉持科學(xué)與適度原則。

2）不同喬木樹種和喬木排列布局方式對室外人體熱舒適度調(diào)節(jié)作用存在差異，為提升住區(qū)夏季室外環(huán)境質(zhì)量，提供樹蔭區(qū)域是關(guān)鍵，應(yīng)合理開展種植設(shè)計，優(yōu)先選擇較高且冠幅較大的喬木，布局時避免樹木集中造成遮蔭重疊。

目前研究仍存在很多不足，在住區(qū)景觀設(shè)計中，喬木還存在更多樹種與排列布局方式選擇的可能性，同時在不同季節(jié)喬木對熱舒適性的影響存在一定的差異，仍需進一步研究。