尹莉媛,王 巖,2*,董琪偉,孫立新

(1.天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院,天津 300384;2.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國家重點實驗室,陜西 西安 710055;3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013)

國家“十四五”旅游業(yè)發(fā)展規(guī)劃任務(wù)推選出首批國家級旅游休閑街區(qū),楊柳青古鎮(zhèn)成功入選[1],西青區(qū)委、區(qū)政府對古鎮(zhèn)的保護(hù)利用高度重視,致力打造可持續(xù)發(fā)展的大運河閃亮“明珠”。但是,楊柳青古鎮(zhèn)水岸空間環(huán)境的形成機理和主要影響因素的作用機制尚不明確,因此有必要對古鎮(zhèn)水岸空間環(huán)境開展深入研究。

國外在20世紀(jì)60年代,伴隨著全球工業(yè)轉(zhuǎn)移和消費主義興起,許多城市重新發(fā)現(xiàn)了水岸空間的價值,水岸區(qū)域的更新率先在北美興起,隨后蔓延至全球[2]。早期水岸空間的研究主要涉及空間規(guī)劃、社會影響等方面,形成了較為豐富的研究成果。隨著城鎮(zhèn)化快速推進(jìn),高品質(zhì)人居環(huán)境營造成為社會關(guān)注的焦點,水岸空間熱環(huán)境在城市微氣候?qū)用娴玫搅烁鼮樯钊氲陌l(fā)展?，F(xiàn)階段的研究集中于水體對城市熱島的緩解作用[3],其調(diào)節(jié)效果受風(fēng)向和城市空間形態(tài)的影響比較顯著。

我國早在20世紀(jì)50年代就開始了大運河的修復(fù)與整治[4],從20世紀(jì)90年代,梁白泉、羅哲文、鄭孝燮等大力推動了大運河的申遺[5]進(jìn)程以來,大運河水岸環(huán)境相關(guān)研究成果大量涌現(xiàn)[6]。大運河申遺成功后,附屬空間的可持續(xù)發(fā)展成為研究主流,國內(nèi)學(xué)者開始進(jìn)一步探索適用于我國發(fā)展需求的水岸空間規(guī)劃思路和研究體系[7]。近年來,水岸空間熱環(huán)境的研究更為精細(xì)化,比如有研究評估了濱水距離對熱環(huán)境的影響程度[8],并運用軟件模擬了多種因素的作用機理[9],其中水體形式、綠化組合和沿岸建筑對水岸空間環(huán)境的影響尤為突出。

目前,水岸熱環(huán)境研究主要從以下方面展開:(1)河流形態(tài)、面積等自身屬性差異;(2)各類氣象參數(shù)對熱環(huán)境的影響;(3)空間要素對熱環(huán)境的影響等。既往成果為本研究奠定了良好的理論基礎(chǔ),也為古鎮(zhèn)水岸空間熱環(huán)境特性分析提供了研究方法的參考[10]。然而目前針對水綠耦合作用機制的研究尚在起步階段,熱環(huán)境參數(shù)相互影響程度還需深入量化,以大運河為主體的水岸空間更新方案也有待完善。本研究基于以上問題,通過現(xiàn)場實測,對楊柳青古鎮(zhèn)水岸空間熱環(huán)境主要參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)強度的定量分析,進(jìn)一步揭示太陽輻射、下墊面類型、空間圍合形式、水體布局及植被組合方式等多個影響因素對古鎮(zhèn)水岸空間的耦合作用規(guī)律,針對發(fā)現(xiàn)的問題提出相應(yīng)優(yōu)化對策,為大運河沿岸高質(zhì)量人居環(huán)境營造提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究概況

1.1 古鎮(zhèn)區(qū)位及水系分布

天津的水系發(fā)達(dá),子牙河、南運河、北運河在三岔河口交匯(圖1),其中南運河是隋代永濟(jì)渠的下游段、元代京杭大運河的重要組成部分,河道蜿蜒曲折,彎道明顯,在天津西青段分為四個部分:中北鎮(zhèn)區(qū)域、辛口鎮(zhèn)區(qū)域、西營門街區(qū)域和楊柳青鎮(zhèn)區(qū)域(圖2)。楊柳青古鎮(zhèn)因其獨特的歷史文化、自然風(fēng)貌,帶動了當(dāng)?shù)匚穆卯a(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,成為別具特色的旅游休閑勝地[11],也是底蘊深厚的中國歷史文化名鎮(zhèn)[12]。當(dāng)?shù)卣源蛟煳穆卯a(chǎn)業(yè)聚集區(qū)為抓手將運河各段進(jìn)行有機連接(圖3),其中南運河流經(jīng)楊柳青鎮(zhèn)御河道部分是最為重要的核心區(qū)域。

圖1 天津市及西青區(qū)內(nèi)河域分布

圖2 南運河西青區(qū)流域分段劃分

圖3 南運河流域規(guī)劃目標(biāo)分析圖

楊柳青鎮(zhèn)是天津市西青區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,京滬鐵路、津靜公路等重要交通干線穿境而過。氣候特征屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)性氣候,夏季炎熱,伴有高溫和集中降雨,冬季嚴(yán)寒,干燥且降雪較少,四季分明,年平均溫度12.3 ℃,其中7月最熱,平均氣溫達(dá)26.0 ℃;1月最冷,平均氣溫-4.0 ℃,年平均降水量550～680 mm,夏季約占全年降水量的80%[13]。楊柳青古鎮(zhèn)與運河之間的水岸空間是我國傳統(tǒng)古鎮(zhèn)街區(qū)體系中,最為常見、最為典型的街區(qū)形式,具有較強的研究代表性,尤其是建成環(huán)境的優(yōu)劣直接影響使用人群的體驗舒適度[14-15]。

1.2 古鎮(zhèn)水岸空間基本情況

通過前期調(diào)研,選取位于南運河與楊柳青古鎮(zhèn)街區(qū)商鋪之間,東西90 m,南北33 m的范圍作為測點布置區(qū)域,該區(qū)域在空間元素組成上自北向南依次為沿街商鋪、景區(qū)內(nèi)道路、植被綠化、休憩涼亭、開闊廣場和沿河小道等,具備不同要素對環(huán)境影響程度對比的條件,適宜進(jìn)行典型水岸空間熱環(huán)境特性研究[16]。

現(xiàn)場實測點布置于運河北岸的依據(jù),首先是因為天津的夏季主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)偏東南,測試區(qū)位于下風(fēng)向,與水體耦合作用后對北岸的影響較為顯著;其次,運河北岸為楊柳青古鎮(zhèn)休閑街區(qū),較規(guī)劃建設(shè)中的南岸(元寶島公園),已具備建成環(huán)境,且利用率更高。

2 研究方法

2.1 測試變量及儀器

運用控制變量的測量方法[17],比較楊柳青古鎮(zhèn)水岸空間熱環(huán)境各主要影響因素的差異性,包括太陽輻射、水體、植被綠化、建筑物等,同時也對有無遮陽、空間圍合度等進(jìn)行測試對比分析。現(xiàn)場實測物理環(huán)境參數(shù)具體包括空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和輻射溫度等,以上參數(shù)需要使用溫濕度測量儀、黑球溫度計、葉輪式風(fēng)速儀、紅外熱像儀、激光測距儀等,測試儀器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 主要儀器性能及參數(shù)表

2.2 測試方法

根據(jù)唐鳴放等[18]已證明準(zhǔn)確有效的測試方法,對楊柳青水岸空間在太陽輻射下的氣溫、濕度、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行實測的方案如下:

在古鎮(zhèn)水岸公共空間選取最具代表性的8個測點(表2、圖4),測點選擇考慮到各變量產(chǎn)生的不同影響,同時還需避開臨街商鋪空調(diào)等熱源的影響[19],測試場景如圖5所示。測試于2022年6月進(jìn)行,測試期間天氣狀況良好,具備北方夏季高溫低濕的特征,南運河水量充沛,沿岸街區(qū)人流相較古鎮(zhèn)街道更多,測試條件較為理想,每日進(jìn)行定點定時晝間連續(xù)實測。

表2 水岸空間測點特征信息表

圖4 水岸空間全測點平面布置分布

圖5 水岸空間各測點實景

3 熱環(huán)境測試結(jié)果與分析

3.1 測試期內(nèi)水岸空間整體溫濕度變化

實測期間,楊柳青古鎮(zhèn)水岸空間戶外平均溫度30.44 ℃,在25.90 ℃～35.40 ℃間波動。表3以平均偏差值及方差分析統(tǒng)計了8個測點的溫濕度變化幅度,結(jié)合圖6(a)可知,4個無遮陽測點的平均變化幅度大于有遮陽測點,溫濕度波動均較為明顯,且不同測點間溫濕度差異較大,尤其是相對濕度的變化趨勢分界明顯;圖6(b)的4個有遮陽測點平均偏差值顯示其起伏程度較有遮陽測點要小,變化趨勢較平緩。測試期的最高氣溫出現(xiàn)在13:00左右,最低氣溫出現(xiàn)在9:00左右,戶外相對濕度為36.90%～71.70%,平均值為55.15%。從整體數(shù)據(jù)看,各測點環(huán)境參數(shù)差異性較大,各項影響因素的作用效果較明顯,特別是遮陽措施。

表3 溫濕度變化幅度統(tǒng)計表

圖6 水岸空間各測點溫濕度實測結(jié)果

3.2 各測點空氣溫度測試結(jié)果分析

圖7(a)顯示各測點逐時空氣溫度測試結(jié)果,8個測點的溫度隨太陽輻射強度變化呈現(xiàn)上升快,下降慢的趨勢,14:00—16:00之間空氣溫度較高,最高溫度約35.40 ℃,16:00之后溫度逐漸下降。

圖7 全測點空氣溫度實測結(jié)果

(1)結(jié)合圖7(b)對各組數(shù)據(jù)極值和均值的統(tǒng)計,無遮陽各測點中,測點1平均溫度最高且變化幅度最大,而測點2、3、4溫度變化趨勢基本保持一致。因此,在太陽直射條件下,其他變量對空氣溫

度產(chǎn)生的影響較小,下墊面類型作為主要影響變量,使得測點1、3、4的空氣溫度仍有較大差異。其中測點4的下墊面是草地,蓄熱性最弱,再加上土壤和植被的蒸發(fā)散熱,使空間平均空氣溫度最低;測點1的下墊面為淺灰色透水磚,蓄熱性較好,在太陽直射條件下升溫較快,周邊空氣溫度最高;而測點3處于木制鋪裝地面上,其蓄熱性低于透水磚,同時也具備一定吸水性,因此,測點3的平均空氣溫度及振幅都介于測點1、4之間。可見,太陽直射條件下,下墊面對水岸空間熱環(huán)境的影響較強。

(2)有遮陽措施的測點平均溫度比無遮陽條件下降低近1 ℃。由于連廊和附近圍合墻體所形成的建筑風(fēng)場等因素的影響[20],即便是有遮陽的各測點仍然存在小幅度溫度差,其中圍合程度較高的測點5比相對開闊的測點6的降溫效果更明顯。因此,空間圍合度越高,形成的陰影越多,有利于夏季防熱。

(3)把有無遮陽作為變量進(jìn)行對比分析,紅外熱像測試結(jié)果顯示測點2、8地面表面溫度差高達(dá)20.10 ℃(圖8)。無遮陽(測點1、3)空氣溫度明顯高于有遮陽(測點5、8),最高溫度的差值在2.50 ℃～3.70 ℃,說明太陽輻射對水岸空間的熱環(huán)境影響最顯著。

圖8 有無遮陽測點的紅外熱像測試結(jié)果

3.3 各測點相對濕度測試結(jié)果分析

由圖9(a)可知,水岸空間相對濕度變化先下降后上升,整體變化曲線較為平緩,14:00—15:00相對濕度較低,圖9(b)顯示,最低相對濕度為36.90%,太陽直射條件下,測點2、3相對濕度較高,其中更靠近水體的測點3的相對濕度呈現(xiàn)測試期間的最高值71.70%,而測點1、4離水體較遠(yuǎn),相對濕度沒有受到明顯的影響。下墊面類型相同的測點5和6,主要差異在于周邊植被組合不同,測點6周邊是灌木+草地的組合方式,而測點5、7、8的周圍均為喬木,特別是在午后顯示出植被組合較明顯的影響差異。因此,在水岸空間中高大喬木發(fā)揮了遮陽、蒸發(fā)降溫的作用[21]。

圖9 全測點相對濕度實測結(jié)果

對比分析有無遮陽條件的空氣相對濕度,有遮陽測點的平均相對濕度明顯較高,平均濕度差距達(dá)到6.88%。同時由于圍合的走廊,墻體及屋頂?shù)冉ㄖ锏恼诒巫饔?測點7的空氣流速在0～0.80 m/s之間,而較為開闊測點2、3的空氣流速最大值達(dá)到4.10 m/s。因此,空間圍合度對相對濕度的作用也較為明顯。

在無遮陽條件下,測點4的濕度數(shù)據(jù)較低且偏離較明顯,原因如下:(1)溫度和風(fēng)速均對濕度產(chǎn)生直接影響[22]。(2)測點4小路兩邊豐富的綠化組合形成了自然景觀風(fēng)道[23]。(3)天津市夏季盛行風(fēng)向多為南風(fēng)(東南、西南),測點4面朝南向的運河,入風(fēng)口開敞,形成的風(fēng)道通風(fēng)效果良好[24],使該處相對濕度下降較為顯著。

3.4 各測點平均輻射溫度測試結(jié)果分析

除了空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速之外,平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature,MRT)指標(biāo)[25]能夠反應(yīng)戶外熱環(huán)境對人體舒適的影響程度。MRT是基于空氣溫度、黑球溫度等數(shù)據(jù),綜合考慮戶外復(fù)雜輻射和風(fēng)環(huán)境計算出的復(fù)合性熱環(huán)境指標(biāo),因此,本文選用MRT指標(biāo)評價室外熱環(huán)境質(zhì)量。

MRT根據(jù)式 (1)[26]計算得出,其中Ta為空氣溫度,Tg為黑球溫度,v為風(fēng)速,εg為黑球的吸收系數(shù)(取0.95),diamg為黑球直徑(取0.05 m)。根據(jù)TC/K型黑球溫度計數(shù)據(jù),計算得出各測點逐時平均輻射溫度。

(Tg-Ta)]0.25-273.15

(1)

通過分析有無遮陽測點的平均輻射溫度(圖10),可以發(fā)現(xiàn)兩個測點的MRT曲線變化趨勢有較大差異。測點7由于有遮陽措施(走廊),受太陽輻射干擾程度較小,其MRT水平整體不高,變化也較為平緩;測點3(廣場)隨太陽輻射的增強,在14:00左右達(dá)到峰值72.30 ℃,15:00后,隨著太陽輻射的減弱,MRT迅速回落,可以看出太陽輻射對開闊地帶的熱環(huán)境起到了主導(dǎo)作用,人體熱舒適感較差。因此,遮陽措施是古鎮(zhèn)水岸空間熱環(huán)境營造的重要影響因素。

圖10 有無遮陽測點的平均輻射溫度測試結(jié)果

3.5 各測點環(huán)境參數(shù)相關(guān)性分析

為進(jìn)一步明確各測點環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性,將同一測點的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,殘差平方和(RSS)越小,模型預(yù)測值越準(zhǔn)確,擬合程度越高[27]。

擬合分析結(jié)果(表4、圖11)顯示,水岸空間相對濕度變化與溫度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。無遮陽條件下RSS均值大于有遮陽條件,R2均值小于有遮陽4個測點均值,溫濕度變化散點大致排列在一條直線附近,整體雖然呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系,但4個測點的散點分布與擬合線偏離稍大,數(shù)據(jù)也顯示其自由度較高,說明數(shù)據(jù)擬合程度低于有遮陽測點,且古鎮(zhèn)水岸空間在夏季受太陽輻射影響劇烈,同時4條擬合線的斜率也有所不同,說明溫濕度相關(guān)性的變化快慢也略有差異,尤其是溫度較低時,濕度差異越大,伴隨溫度逐漸升高,差異也逐漸減小。

表4 溫濕度擬合參數(shù)統(tǒng)計分析表

圖11 水岸空間全測點溫濕度擬合分析結(jié)果

有遮陽的4個測點的溫濕度擬合分析結(jié)果中,散點與擬合線聯(lián)系非常緊密,都分布在距擬合線偏離值較小的位置及擬合線上,雖然在高溫區(qū)個別值偏離較大,但整體擬合度較高,其較高的R2和皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)絕對值也驗證了此結(jié)果。在無太陽直射的條件下,4個測點的變化趨勢基本保持一致,在圖中呈現(xiàn)出斜率近似的4條擬合結(jié)果。

夏季古鎮(zhèn)水岸空間在有無遮陽條件下的對比擬合分析結(jié)果顯示,在低溫度區(qū),有無遮陽措施的差異性較大,隨著溫度升高,兩條擬合線逐漸趨同,由于測點3、6均為靠近運河水體的測點,說明在低溫區(qū)水體的作用效果較明顯,而在高溫區(qū)水體的作用效果逐漸減弱。

4 古鎮(zhèn)水岸空間熱環(huán)境優(yōu)化提升策略

基于現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)的問題,從水岸空間利用、建筑布局設(shè)計和水綠增益效應(yīng)三方面提出優(yōu)化策略,提升水岸空間熱環(huán)境質(zhì)量。

一是提高南運河水體景觀降溫增濕效應(yīng)。通過構(gòu)建兩面以上的臨水建筑,并設(shè)計出挑平臺來提高水岸空間駁岸長度,增加其親水性;再對駁岸進(jìn)行生態(tài)化和景觀改造[28],利用沿江道路、平臺、設(shè)施的建設(shè)激活水岸空間,形成連續(xù)的生態(tài)臨水界面。

二是控制濱水建筑的密度及圍合程度。選擇開敞的、點陣式布局的低密度建筑或構(gòu)筑物,結(jié)合綠化與水體等因素降低太陽輻射、避免風(fēng)障、強化通風(fēng)效果,形成較好的濱水空間環(huán)境。

三是實現(xiàn)“藍(lán)綠空間”水綠增益效應(yīng),調(diào)節(jié)空間微氣候。結(jié)合寒冷地區(qū)氣候特征,貫徹落實城市更新政策,構(gòu)建運河-綠化-建筑的新生態(tài)體系,在構(gòu)建駁岸景觀環(huán)境的同時兼顧運河及兩岸生態(tài)修復(fù)。

5 結(jié)論

1)通過實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,太陽輻射是影響楊柳青古鎮(zhèn)水岸空間熱舒適的最重要因素,有遮陽措施情況下,空氣溫度降低2.50 ℃～3.70 ℃。

2)影響夏季古鎮(zhèn)水岸空間熱環(huán)境、熱舒適的關(guān)鍵參數(shù)是平均輻射溫度MRT,午時MRT大幅增加是導(dǎo)致水岸環(huán)境舒適度下降的主要原因。

3)水體、綠化組合、建筑、廣場這四類景觀要素中,綠化組合和建筑陰影的降溫效果最好,但水體對周圍環(huán)境的微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)也較明顯。