基于ENVI-met微氣候情景模擬的避暑山莊環(huán)境分析

李舟雅 楊婷 戈曉宇

摘要：以承德避暑山莊為研究對象，根據(jù)周邊2208km2的衛(wèi)星影像分析，應(yīng)用ENVI-met情景模擬方法，對比避暑山莊與周圍環(huán)境的溫度、風(fēng)速、相對濕度，驗證避暑山莊基址所在地的環(huán)境優(yōu)越性。以避暑山莊苑景區(qū)為研究范圍，采用ENVI-met情景模擬方法對微氣候環(huán)境分析系統(tǒng)下的情景進行模擬，模擬溫度、濕度、風(fēng)速在傳統(tǒng)園林設(shè)計理法下的變化過程，對比分析建設(shè)前后模式對古典園林微氣候環(huán)境造成的影響，驗證避暑山莊在山水理法中的生態(tài)智慧。經(jīng)模擬后發(fā)現(xiàn)，在夏季炎熱天氣下，避暑山莊建成后的低溫區(qū)較建成前有所增加，而高溫區(qū)相對減少，同時濕度增加，風(fēng)速降低，微風(fēng)得以引導(dǎo)進園內(nèi)達到清涼解暑的功效。

關(guān)鍵詞：古典園林，山水理法，情景模擬，避暑山莊

DOI：10.12169/zgcsly.2019.09.07.0001

河北省承德市的避暑山莊又名熱河行宮，俗稱承德離宮，原是清代皇帝避暑和從事各種政治活動的地方。它始建于公元1703年（康熙42年），建成于1792年（乾隆57年），占地560hm2，分為宮殿區(qū)、湖區(qū)、平原區(qū)和山區(qū)4部分，康熙和乾隆題名的風(fēng)景達72處之多，是我國現(xiàn)存最宏大的皇家園林[1]。本文從承德避暑山莊建成前與建成后苑景區(qū)微氣候環(huán)境進行對比，通過對兩者小氣候差異的分析揭示避暑山莊的“避暑”效應(yīng)，為我國傳統(tǒng)營建智慧提供科學(xué)依據(jù)，為現(xiàn)代風(fēng)景園林微環(huán)境設(shè)計方法提供參考和依據(jù)。

避暑山莊作為現(xiàn)存最大的皇家園林，始終屹立于中國園林藝術(shù)之林，成為許多學(xué)者的研究對象。張羽新[2]、周為[3]、陳建強[4]對避暑山莊選址的原因和優(yōu)勢以及古典園林選址的立意進行了分析;駱玉彬[5]、畢憲明[6]、張婧綺[7]、年玥[8]、王靜宇[9]、韓寶莊[10]對避暑山莊的山水理法、園林空間構(gòu)造等園林藝術(shù)進行了分析;王濤濤[11]、吳曉敏[12]等對避暑山莊未建成時期進行了研究和復(fù)原工作，為我們對避暑山莊兩個時期進行對比研究提供了素材和依據(jù);周耀[13]、鮑沁星等[14]就園林對微氣候的改善以及對酷暑天氣的調(diào)節(jié)舒緩作用進行了研究。

在以上研究中，還沒有運用數(shù)據(jù)模擬功能對避暑山莊選址及造園技藝對微氣候的改善作用進行驗證研究，因此，本文將利用ENVI-met微氣候環(huán)境模擬，從氣溫、風(fēng)速、相對濕度3個要素人手，對避暑山莊的相地選址、山水理法進行驗證研究。

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1承德避暑山莊的相地選址

避暑山莊位于河北省承德市武烈河西岸，山莊所在地在燕山山脈東部，周圍山巒起伏，山勢多為西北東南走向，按風(fēng)水學(xué)“尋龍望勢”之說，是為龍脈。園內(nèi)有起伏的山巒、幽靜的山谷、平坦的原野，羅列有大小溪流和湖泊，幾乎包含了全部天然山水的構(gòu)景要素。從氣候方面來說，整個華北平原處于屬溫帶大陸性季風(fēng)型山地氣候區(qū)，四季分明，夏季炎熱，冬季寒冷。承德位于內(nèi)蒙古高原與華北平原的過渡帶，四面環(huán)山，冬季阻滯了來自蒙古高原寒流的襲擊，溫度明顯高，于同緯度其他地區(qū);夏季又由于有高峻的山峰，茂密的樹木，再加上湖泊水面的調(diào)劑，園內(nèi)夏天的氣溫比承德市區(qū)要低，平均溫度較北京低2C左右，且晝夜溫差較大，是避暑的絕佳之地。

1.2研究方法

利用ENVI-met進行微氣候環(huán)境模擬，采用三維非靜體力學(xué)模型，將小尺度微環(huán)境間的相互關(guān)系具象化。該模型由3個獨立的子模型以及嵌套網(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。

1）土壤模型。該模型負責(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1.75m用于統(tǒng)計土壤濕熱傳導(dǎo);當(dāng)進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。

2）植被模型。該模型利用輸入?yún)?shù)模擬植被-大氣-土壤間的交互作用。輸人參數(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），邊界條件和太陽輻射系數(shù);輸出參數(shù)有風(fēng)速、空氣溫度、土壤溫度等[15-18]。

1.3情景設(shè)定

選取承德避暑山莊苑景區(qū)三大重點景觀節(jié)點及其構(gòu)成的微環(huán)境作為建成環(huán)境情景模擬的模型。其中避暑山莊位于中國河北省承德市（40°98'N，117°94'E），2018年最熱日期為8月10日，時刻為14：00-15：00，溫度為35°C，風(fēng)速為西北風(fēng)4級。植被以喬木油松側(cè)柏柳樹國槐為主，樹高15m，樹冠10m，地被多為均高10cm的冷季型草（表1）。

1.4基于情景模擬的相地選址驗證

通過Locaspaceiewer生成帶有高程的等高線（等高距50m），利用Snagit截取帶有等高線與高程的衛(wèi)星地圖并導(dǎo)出為bmp格式，再將bmp圖片導(dǎo)入ENVI-met的Spaces中建模型，模型建完后導(dǎo)人ENVIGuide中設(shè)置參數(shù)，隨后進入ENVI-met（64Bit）中模擬，再將所得文件導(dǎo)入LEONARDO（64Bit）得出情景模擬結(jié)果（圖1）。

1.5基于情景模擬下苑景區(qū)微氣候環(huán)境

為深入研究避暑山莊園林設(shè)計理法對苑景區(qū)微環(huán)境氣候的影響，引入三維小氣候模式ENVI-met對苑景區(qū)的幾個重要景觀節(jié)點進行模擬。以月色江聲、文津閣、如意州、遠近泉聲為例[19-20]在實測的氣象要素、土壤水分、植被結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)上進行微氣候環(huán)境分析和研究驗證。

由于需要對避暑山莊苑景區(qū)以及其中的3種景觀結(jié)構(gòu)進行微氣候環(huán)境分析，以此對傳統(tǒng)園林理法研究提供依據(jù)，分別設(shè)置2組宏觀尺度情景模型（圖1、圖2）和3組微觀尺度情景模型。

1）苑景區(qū)湖區(qū)微環(huán)境模擬。分別對比宏觀情景模擬下，在建成時期與熱河行宮時期兩個不同時間段，人為造園理法干預(yù)對避暑山莊苑景區(qū)湖區(qū)大氣溫度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向造成的影響（表2）。相同大氣候環(huán)境下，設(shè)置不同比例的植被覆蓋率分別為75%和56%，方網(wǎng)格精度為70mX70mx70m，設(shè)置在不同植被覆蓋率下的水體比例分別為15%和28%。

2）三大景觀區(qū)域微環(huán)境模擬。根據(jù)不同的微環(huán)境結(jié)構(gòu)，將臨水半島的月色江聲區(qū)域（Z1）、四周環(huán)水的如意洲島區(qū)域（Z2），以及山+水+建筑+丘陵的遠近泉聲（Z3）進行比較分析。

2結(jié)果分析

2.1相地選址驗證結(jié)果

2.1.1整體環(huán)境氣溫

如圖3所示，在夏季，溫度較高的地區(qū)主要分布于湖岸以及建筑周邊，溫度稍低的地區(qū)主要分布于地勢較高處以及山林茂密的區(qū)域。很明顯，山莊所在基址的溫度明顯低于武烈河河岸及建筑周圍的溫度，避暑山莊平原區(qū)的溫度比武烈河上空低0.95°C，而山地區(qū)則比武烈河上方低1.44°C，這表明避暑山莊的溫度將會明顯低于承德市區(qū)及武烈河上空的溫度，進人莊內(nèi)游憩能有效達到清涼解暑的功效。

2.1.2整體環(huán)境相對濕度

如圖4所示，在夏季，濕度高的地區(qū)主要分布于湖岸周邊與林區(qū)，低濕區(qū)主要分布于建筑區(qū)域以及其周邊。避暑山莊平原區(qū)濕度比武烈河上空高1.70%，比獅子嶺高2.02%，比廣仁嶺和觀塔嶺分別高出0.07%和0.21%;而避暑山莊山地區(qū)則比平原區(qū)還要高出0.24%，并高于除羅漢山以外的其他地區(qū)。這表明，避暑山莊所在基址能較好地緩解蒸發(fā)、增加濕度，擁有較好的濕度環(huán)境，這有利于植物的生長、形成宜人的小氣候，有利于增加人體舒適度、構(gòu)建良好的景觀環(huán)境等。

2.1.3整體風(fēng)速分析

如圖5所示，高風(fēng)區(qū)主要分布于高山區(qū)以及河面上方，而低風(fēng)區(qū)主要分布于山谷地及其周圍。避暑山莊處于谷地一側(cè)，同時由于西北側(cè)高俊的獅子嶺為其抵擋了西北方的主風(fēng)向，季風(fēng)穿過林下減緩風(fēng)速之后才到達山莊之中，因此山莊內(nèi)部風(fēng)速緩和舒適。避暑山莊平原區(qū)風(fēng)速（0.25m/s）低于避暑山莊山地區(qū)（0.39m/s）和獅子嶺（0.68m/s）。夏季時，武烈河所在的山谷猶如天然的導(dǎo)風(fēng)廊道，能較好地散熱通風(fēng)，貼近武烈河的羅漢山風(fēng)速（0.43m/s）高于山脊處的廣仁嶺（0.40m/s）。隨著環(huán)境溫度的上升，相比于吹風(fēng)造成的不適感，由溫度所引起的熱不舒適感漸漸占據(jù)主導(dǎo)作用，人體對氣流的需求感增大[20]，避暑山莊正好能滿足這一要求。這表明避暑山莊的選址既能在冬季減緩風(fēng)速，構(gòu)建舒適的微氣候環(huán)境，又能在夏季地通風(fēng)散熱，達到清涼解暑的功效。

2.2苑景區(qū)微氣候環(huán)境模擬結(jié)果分析

2.2.1苑景區(qū)湖區(qū)微環(huán)境模擬

微氣候環(huán)境分析結(jié)果表明，避暑山莊的重要景觀節(jié)點及其周邊的相對溫度、土壤水分含量都高于承德市區(qū)平均水平，其風(fēng)速緩和、風(fēng)向平穩(wěn)，植被生長狀況更為良好。驗證結(jié)果可通過以下EVNI-met模型數(shù)據(jù)可得。

1）整體環(huán)境溫度變化。從圖6、圖7可知，承德避暑山莊在建成后整體大氣環(huán)境溫度ST平均值比建成前熱河行宮時期低0.969C，ST最大值出現(xiàn)在下午14：00點，此時兩個時期的空氣環(huán)境溫度相差1.569C，高溫區(qū)占整個湖區(qū)比例各為61.3%（>30.579C），主要分布湖岸周邊與湖區(qū)內(nèi)部建筑區(qū)域;低溫區(qū)占整個湖區(qū)比例各為38.7%（<29.389C），主要分布沿湖外的林區(qū)。這些結(jié)果表明在相同大氣候環(huán)境下，建成后的避暑山莊對整個苑林區(qū)與湖區(qū)空氣溫度的分布和整體平均環(huán)境溫度有顯著影響，其中低溫區(qū)面積增加14.6%整體平均環(huán)境溫度降低1.56°C。

2）整體環(huán)境相對濕度變化。從圖8、圖9可知，承德避暑山莊在建成后整體環(huán)境相對濕度ST平均值比建成前熱河行宮時期高7.63%。其中建成時期高濕區(qū)（56.30%）占研究區(qū)總面積的56.1%，主要分布于湖岸周邊與林區(qū)，低濕區(qū)（54.73%）占研究區(qū)總面積的34.5%，主要分布于建筑區(qū)域以及其周邊。相對于熱河行宮時期，建成后高濕區(qū)面積增加21.3%，低濕區(qū)減少16.7%。這表明建成時期與熱河行宮時期不同的植被、建筑、水體占比對相對濕度的分布有較直觀的影響，其中湖區(qū)面積的擴大削減了湖區(qū)環(huán)島上大體量建筑對整體環(huán)境相對濕度的影響，起到了增濕降噪的作用。

3）整體風(fēng)速變化。從圖10、圖11可知，承德避暑山莊在建成后整體環(huán)境風(fēng)速ST平均值比建成前熱河行宮時期低0.22m/s。其中建成時期高風(fēng)區(qū)（>1.96m/s）占研究區(qū)域總面積的27.6%，主要分布于湖區(qū)及周邊建筑群落附近，而低風(fēng)區(qū)（<1.96m/s）占研究區(qū)域總面積的59.3%，主要.分布在苑景區(qū)林區(qū)。相對于熱河行宮時期，環(huán)湖以及建筑群落周邊風(fēng)速有明顯增加趨勢，但由于夏季受東南風(fēng)的影響[21]，大范圍季候風(fēng)穿過林區(qū)風(fēng)速減緩，導(dǎo)致林下風(fēng)速緩弱;而湖區(qū)范圍較為開闊，建筑錯落分布，導(dǎo)致風(fēng)速增強利于散熱通風(fēng)，達到避暑之效。

2.2.2三大景觀區(qū)域微環(huán)境模擬

1）月色江聲區(qū)域（Z1）微環(huán)境模擬。月色江聲區(qū)域溫度范圍為29.26C～31.019C，在此條件下，濕度范圍為53.71%～64.13%，同時風(fēng)速范圍為0.00～2.12m/s。

2）如意洲島區(qū)域（Z2）微環(huán)境模擬。如意洲區(qū)域溫度范圍為28.27C～30.039C，在此條件下濕度范圍為55.02%～66.03%，同時風(fēng)速范圍為0.02～2.01m/s。

3）遠近泉聲（Z3）微環(huán)境模擬。遠近泉聲區(qū)域溫度范圍為29.41C～31.00°C，在此條件下濕度范圍為53.90%～63.91%，同時風(fēng)速范圍為0.05～1.61m/s。

4）景觀區(qū)域微環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速變化對比分析。對3個景區(qū)微環(huán)境溫度進行綜合分析，通過ENVI-met模擬當(dāng)日環(huán)境后對比可得，最低溫度Z2（28.27°C）<Z1（29.269C）<Z3（29.419C），最高溫度Z2（30.03C）<Z3（31.00C）<Z1（31.019C）。經(jīng)過得到的數(shù)據(jù)對比分析，如意洲（Z2）周邊的平均溫度在這3種環(huán)境中最低，說明四面環(huán)水環(huán)境對降溫降暑有著顯著作用。對3種景觀微環(huán)境濕度進行綜合分析，通過ENVI-met模擬當(dāng)日環(huán)境對比可得，最小濕度Z1（53.71%）<Z3（53.90%）<Z2（55.02%），最大濕度Z3（63.91%）<Z1（64.131%）<Z2（66.03%）。由以上數(shù)據(jù)對比分析可得，如意洲（Z2）周邊的平均濕度在這3種環(huán)境中最高，而遠近泉聲（Z3）次之，說明不僅臨湖環(huán)境對濕度有顯著影響，當(dāng)處于背靠山林，南北夾水的環(huán)境也能對微環(huán)境濕度有增加作用。對3種景觀微環(huán)境風(fēng)速進行綜合分析，通過ENVI-met模擬當(dāng)日環(huán)境對比可得，最小風(fēng)速Z1（0.00m/s）<Z2（0.020m/s）<Z3（0.05m/s），最大風(fēng)速Z3（1.61m/s）<Z2（2.01m/s）<Z1（2.12m/s）。其中月色江聲（Z1）相對風(fēng)速最大，如意洲（Z2）次之，由此可見，當(dāng)一個方向面對臨湖開敞空間，且無山林與建筑阻擋的環(huán)境下，微環(huán)境通風(fēng)最為良好，對散熱祛暑也有一定的效果。

3結(jié)論

1）對于承德避暑山莊選址而言，通過ENVI-met情景模擬發(fā)現(xiàn)，群山為避暑山莊抵擋了西北方的主風(fēng)向，避免了避暑山莊直接遭受季候風(fēng)的侵襲，武烈河所在的山谷又能起到良好的導(dǎo)風(fēng)作用，在夏季將風(fēng)導(dǎo)人園中，增加避暑山莊園內(nèi)的濕度，降低體感溫度，達到避暑的目的。經(jīng)總結(jié)可得，后方有群山依靠，前方有河流穿過，且四周有較高山體的選址有利于營造舒適的小氣候環(huán)境。

2）對于承德避暑山莊湖區(qū)而言，通過ENVI-met微環(huán)境氣候（溫度，濕度，風(fēng)速）模擬發(fā)現(xiàn)，建成后的湖區(qū)與熱河行宮時期相比，降溫增濕通風(fēng)效果更加顯著。同時將湖區(qū)內(nèi)三大典型微環(huán)境通過ENVI-met進行模擬，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，加權(quán)平均可知，使建筑處于一面臨水，且水面積較為開闊，背靠山林的微環(huán)境對降溫、增濕通風(fēng)散熱等避暑條件的提高有顯著作用。

本研究如果能夠有現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為輔助驗證，數(shù)據(jù)精度會更高，但受條件所限，目前還無法開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測工作。在此之前許多學(xué)者已從避暑山莊相地選址的合理性和規(guī)劃設(shè)計的理法等角度進行研究，本文僅從微氣候的角度對避暑山莊營建過程中的生態(tài)智慧做出分析和驗證。避暑山莊建設(shè)的成功是原有地形地貌的保護與利用、山水格局構(gòu)建、植物景觀營造、傳統(tǒng)建筑營建和園林理法等多層因素共同作用的結(jié)果，微氣候的利用與調(diào)節(jié)只是眾多因素的一部分，希望傳統(tǒng)生態(tài)智慧中微氣候利用和調(diào)節(jié)的方法可以為生態(tài)建設(shè)實踐提供參考。

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