福州高架橋下植物景觀空間微氣候舒適度評(píng)價(jià)

劉燕珍 陳 琳 許志敏 林 濤 陳安麗 何 侃 丁國(guó)昌

福建農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)園林學(xué)院 福州 350002

高架橋下空間作為城市公共空間的一部分，是人和車使用頻率較高的城市場(chǎng)所之一[1]。研究橋下空間的微氣候舒適度，可為城市居民塑造舒適的橋下活動(dòng)場(chǎng)所[2]，提升橋下環(huán)境品質(zhì)。目前關(guān)于高架橋橋下空間的研究在空間利用、空間景觀、植物造景方面較多[3-6]。Andreas Savvides[7]從城市規(guī)劃與項(xiàng)目概況出發(fā)論述了交通空間與其他城市功能結(jié)合的歷史和發(fā)展；黃啟堂[8]以層次分析法建立福州高架橋空間景觀評(píng)價(jià)的AHP模型；殷利華[9]通過研究高架橋?qū)蜿幘G地自然采光的影響以及橋下植物的光合特性，總結(jié)橋陰綠地自然光環(huán)境分布規(guī)律并提出基于光環(huán)境的橋陰綠地景觀營(yíng)建策略。目前關(guān)于高架橋方面的微氣候舒適度研究較少，僅有張志軒[10]通過測(cè)量熱濕環(huán)境數(shù)據(jù)分析武漢市不同區(qū)域4個(gè)典型的高架橋，并提出橋下空間環(huán)境改善的措施。

本次實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地為福州市。福州是是典型的河口盆地，處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏熱冬暖；年平均氣溫18℃～22℃，最冷月1—2月，平均氣溫6℃～10℃，最熱月7—8月，平均氣溫33℃～37℃。因此，選取福州作為研究對(duì)象具有重要意義。本文主要通過對(duì)福州市橋下空間微氣候因子 (太陽輻射強(qiáng)度、空氣溫度、環(huán)境平均輻射溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速)的實(shí)地測(cè)量，采用兩種舒適性指標(biāo)分析不同植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)橋下空間微氣候舒適度的影響，得出橋下植物景觀空間舒適性指標(biāo)的適宜性，為福州市高架橋橋下植物景觀空間的熱舒適環(huán)境提供評(píng)判依據(jù)。4座高架橋分別為五里亭立交橋、永豐樞紐、雙湖高架橋、橘園洲大橋建新互通。

1 研究對(duì)象

本研究以福州市市區(qū)的高架橋下空間為數(shù)據(jù)收集樣本，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年6月3—6日連續(xù)4天的晴朗天氣日，選取的對(duì)象是復(fù)合型的高架橋[11]。樣本選取依據(jù)為蘆原義信 《外部空間設(shè)計(jì)》中提到的寬高比大于1的空間較開敞空闊，適宜人的戶外活動(dòng)[12]。基于對(duì)福州市高架橋的走訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)福州高架橋橋下空間多為純植物綠化，且以交通通行為主，無法作為活動(dòng)場(chǎng)所，最終篩選具有植物與硬質(zhì)鋪裝結(jié)合、互通式立體交叉布局、橋下寬高比大于1且擁有活動(dòng)空間的4座高架橋作為研究對(duì)象。4座高架橋分別為五里亭立交橋、永豐樞紐、雙湖高架橋、橘園洲大橋建新互通。

論文選取喬灌草、喬灌、喬草、灌草、草5種不同的橋下植物配置類型，測(cè)試物理環(huán)境數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)，沿綠地中的樣地對(duì)角線設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，以樣地中心為原點(diǎn)，每5 m為一點(diǎn)到綠地邊緣設(shè)點(diǎn)；并設(shè)一個(gè)無綠地對(duì)照觀測(cè)點(diǎn) (表1)。

表1 測(cè)點(diǎn)說明

2 研究方法

2.1 微氣候舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選取常用的兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)研究植物景觀對(duì)橋下空間熱舒適度的影響。

2.1.1 WBGT指標(biāo)

WBGT指標(biāo)初衷是為減少美國(guó)軍隊(duì)?wèi)敉庥?xùn)練的熱傷亡事故而提出[13]的，其在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性。本文擬采用董靚博士提出的WBGT平衡式計(jì)算微氣候舒適度值[14]。指標(biāo)以不大于30為普遍舒適值，計(jì)算公式如下:

WBGT＝(0.8288Ta＋0.0613Tmr＋0.007377SR＋13.8297RH-8.7284)V-0.0551

上式中:Ta為空氣溫度(℃)；Tmr為環(huán)境平均輻射溫度(℃)；V為風(fēng)速(m·s-1)；SR為太陽輻射強(qiáng)度(w·m-2)；RH為相對(duì)濕度(%)。

2.1.2 S指標(biāo) (綜合舒適度指數(shù))

S指標(biāo)選用陸鼎煌提出的 “綜合舒適度指數(shù)”評(píng)價(jià)，指標(biāo)以不大于6.95為人體舒適指數(shù)，計(jì)算公式如下[15]:

上式中:T為空氣溫度 (℃)；RH為相對(duì)濕度 (%)；V為風(fēng)速 (m·s-1)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

儀器的選用與精度:NK-5400手持綜合氣象儀，風(fēng)速 (風(fēng)速精度±3%，分辨率0.1 m·s-1)；空氣溫度 (精度±0.5%，分辨率0.1℃)；環(huán)境輻射平均溫度 (精度±0.5%，分辨率0.1℃)；相對(duì)濕度 (精度±2%，分辨率0.1%RH)；太陽輻射強(qiáng)度測(cè)定采用TES-1333太陽輻射儀 (精度±5%，分辨率0.1 w·m-2)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試高度為1.5 m，與成人頭和頸部的高度接近[16]，每間隔一個(gè)小時(shí)測(cè)定，每10 min記錄1次，連續(xù)測(cè)定3次取平均值，測(cè)試時(shí)間為8∶00—18∶00。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 微氣候舒適度因子變化

3.1.1 熱環(huán)境

1)太陽輻射強(qiáng)度。圖1顯示，兩種遮蔭類型的測(cè)點(diǎn)空間太陽輻射強(qiáng)度總體變化趨勢(shì)類似，都隨著時(shí)間變化先升后降，但差異性較大，橋下全遮蔭點(diǎn) (測(cè)點(diǎn)W1、J1、S1)一天當(dāng)中最高強(qiáng)度僅在13∶00達(dá)到26.5 w·m-2左右，且始終處于低強(qiáng)度，差距不大；而橋下半遮蔭最高強(qiáng)度在13∶00已接近250 w·m-2，變化幅度較大。這說明炎熱的天氣，橋下全遮蔭空間能阻隔大部分的直射陽光，能顯著降低太陽輻射；而在半遮蔭空間中，喬木的植物類型 (測(cè)點(diǎn)W1、J1)受枝干分枝點(diǎn)高的影響，較草、灌草的植物類型 (測(cè)點(diǎn)S1)遮蔭效果明顯，能顯著降低太陽直射。

圖1 各測(cè)點(diǎn)太陽輻射強(qiáng)度注:W1、J1、S1為全遮蔭測(cè)點(diǎn)；W2、J2、 W3、S2、Y1為半遮蔭測(cè)點(diǎn)。

2)空氣溫度。圖2顯示，兩種遮蔭類型的空間測(cè)點(diǎn)差距較小，全遮蔭與半遮蔭空氣溫度幾乎同步變化，在8∶00—10∶00空氣溫度基本一致，在11∶00—18∶00出現(xiàn)小范圍的差異，差值大約在4℃左右。全遮蔭下受植物群落類型變化不明顯，僅在最高熱時(shí)段12∶00—14∶00，喬灌植物類型較喬草、草的植物群落低1℃左右；半遮蔭下各測(cè)點(diǎn)空氣溫度變化趨勢(shì)較一致，在12∶00—14∶00空氣溫度達(dá)到峰值，僅J2測(cè)點(diǎn)受太陽西斜時(shí)的影響較大，在16∶00出現(xiàn)波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)Y1的空氣溫度均高于其他測(cè)點(diǎn)，表明草地的群落 (測(cè)點(diǎn)Y1)無喬木遮擋，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，太陽直射范圍增大，空氣溫度迅速上升。

圖2 各測(cè)點(diǎn)空氣溫度

3)環(huán)境平均輻射溫度。環(huán)境平均輻射溫度標(biāo)志輻射熱環(huán)境中人或物體受輻射熱和對(duì)流熱綜合作用時(shí)，以溫度表示出來的實(shí)際感覺溫度，是一個(gè)綜合的溫度。整體來看，環(huán)境平均輻射溫度的變化與空氣溫度變化趨勢(shì)較一致，各測(cè)點(diǎn)中每個(gè)時(shí)段的環(huán)境平均輻射溫度均比空氣溫度高出約0.2℃～1.5℃左右 (圖3)。

圖3 各測(cè)點(diǎn)環(huán)境平均輻射溫度

3.1.2 濕環(huán)境

相對(duì)濕度的變化受太陽輻射及空氣溫度的直接或間接影響，與空氣溫度呈相反的變化趨勢(shì)。圖4顯示，全遮蔭測(cè)點(diǎn)中W1、J1相對(duì)濕度較S1大，在8∶00—11∶00差距較小，在最熱時(shí)段12∶00—15∶00差值逐漸增大，最大差值約30%左右，表明喬灌 (測(cè)點(diǎn)W1)、喬草 (測(cè)點(diǎn)J1)植物群落結(jié)構(gòu)層次豐富，喬木樹種高大繁茂，綠化量大，相對(duì)濕度始終偏高；半遮蔭測(cè)點(diǎn)中變化差異較小，全天中喬灌草 (測(cè)點(diǎn)W2)、喬灌 (測(cè)點(diǎn)J2)、灌草 (測(cè)點(diǎn)W3)植物群落幾乎沒有差異，喬草 (測(cè)點(diǎn)S2)、草地 (測(cè)點(diǎn)Y1)植物類型在14∶00—18∶00與前者相差較大，差值在16%左右。以上表明，隨著太陽輻射的減弱、空氣溫度的下降，相對(duì)濕度逐漸增大，但受植物群落的影響，綠化量大、郁閉度高的植物群落相對(duì)濕度維持在一個(gè)較高的數(shù)值，波動(dòng)幅度較綠量小、單一的群落結(jié)構(gòu)要小。

圖4 各測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度

3.1.3風(fēng)環(huán)境

圖5顯示，全遮蔭與半遮蔭空間的風(fēng)速差距不大，兩種空間在早上8∶00—10∶00變化幾乎相同，只有較弱的風(fēng)速，有的甚至接近無風(fēng)狀態(tài)，在下午14∶00—18∶00風(fēng)速逐漸增大，最大風(fēng)速達(dá)到1.5 m·s-1。整體來看，風(fēng)速的變化與群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性較弱，受季節(jié)性大氣候的影響較大。

圖5 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

3.1.4 兩種指標(biāo)日變化特征

圖6、圖7顯示兩種指標(biāo)的熱舒適度日變化趨勢(shì)基本一致，先上升后下降，但在16∶00—17∶00會(huì)有小高峰出現(xiàn)，這是由于太陽西斜，各測(cè)點(diǎn)接受陽光直射，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高值。全遮蔭空間指標(biāo)值普遍都比半遮蔭空間低，表明全遮蔭點(diǎn)舒適度優(yōu)于半遮蔭點(diǎn)。

圖6 各測(cè)點(diǎn)WBGT指標(biāo)

圖7 各測(cè)點(diǎn)S指標(biāo)

就WBGT指標(biāo)而言，全遮蔭空間在8∶00—9∶00以及18∶00處于舒適水平，其他時(shí)間段都處于 “熱”及 “炎熱”的狀態(tài)；半遮蔭空間所有測(cè)點(diǎn)全天幾乎都處于 “熱”及 “炎熱”狀態(tài)。全遮蔭點(diǎn)舒適值喬灌 (測(cè)點(diǎn)W1)＞喬草 (測(cè)點(diǎn)J1)＞草地 (測(cè)點(diǎn)S1)；在圖2中氣溫排序卻相反，表明植物群落結(jié)構(gòu)越豐富，降溫效果越好。但測(cè)點(diǎn)的舒適度水平還與風(fēng)速相關(guān)，由圖5可知，測(cè)點(diǎn)S1的風(fēng)速普遍比W1、J1的風(fēng)速高，說明在炎熱的天氣，一定的吹風(fēng)感會(huì)削弱人的不適，使WBGT指標(biāo)值減小，舒適感增加；半遮蔭測(cè)點(diǎn)指標(biāo)值差異不大，僅Y1(草地)比其他群落值稍高些，這與群落結(jié)構(gòu)單一有關(guān)。

以S指數(shù)的舒適水平衡量，各測(cè)點(diǎn)間全天的變化趨勢(shì)較WBGT指標(biāo)差值更大，其中半遮蔭測(cè)點(diǎn)舒適指數(shù)從高到低依次為草地 (測(cè)點(diǎn)S1)＞喬草 (測(cè)點(diǎn)J1)＞喬灌 (測(cè)點(diǎn)W1)，全遮蔭測(cè)點(diǎn)舒適指數(shù)從高到低依次為草地 (測(cè)點(diǎn)Y1)＞喬草(測(cè)點(diǎn)S2) ＞灌草 (測(cè)點(diǎn)W3)，喬灌 (測(cè)點(diǎn)J2)，喬灌草 (測(cè)點(diǎn)W2)，表明植物群落結(jié)構(gòu)越豐富，舒適度值越好。

3.2 兩種指標(biāo)與微氣候因子的相關(guān)性分析

采用SPSS 25處理數(shù)據(jù)，運(yùn)用典型相關(guān)分析法分析不同指標(biāo)評(píng)價(jià)的高架橋下植物景觀空間微氣候因子之間的關(guān)系。不同指標(biāo)評(píng)價(jià)的舒適度提取綜合變量V，微氣候因子提取綜合變量W。兩組典型變量的相關(guān)系數(shù)都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P＜0.05)，但第一對(duì)典型變量的相關(guān)系數(shù)0.995較大，比較充分地說明熱舒適性指標(biāo)和微氣候因子之間的關(guān)系，所以只取第一對(duì)典型相關(guān)變量。

計(jì)算第一對(duì)典型相關(guān)變量V1和W1的典型相關(guān)系數(shù)，得出第一對(duì)典型相關(guān)變量:

V1＝＋0.027X1＋0.982X2

W1＝-0.004Y1＋0.785Y2＋0.122Y3-0.148Y4-0.086Y5

在V1的2個(gè)原始變量中，X2(S)的權(quán)數(shù)遠(yuǎn)高于WBGT指標(biāo) (X1)，表明S指標(biāo)對(duì)V1的影響較大。在W1的5個(gè)原始變量中，空氣溫度(Y2)、環(huán)境平均輻射溫度 (Y3)、相對(duì)濕度(Y4)的權(quán)數(shù)較高，表明空氣溫度 (Y2)、環(huán)境平均輻射溫度 (Y3)、相對(duì)濕度 (Y4)這3種微氣候因子對(duì)W1的影響較大。

如表2所示，從舒適指標(biāo)的角度看，WBGT和S這兩種指標(biāo)與太陽輻射強(qiáng)度 (Y1)、空氣溫度 (Y2)、環(huán)境平均輻射溫度 (Y3)均正相關(guān)，其中S(X2)與空氣溫度 (Y2)、環(huán)境平均輻射溫度 (Y3)的相關(guān)性大于WBGT指標(biāo) (X1)；兩種指標(biāo)與相對(duì)濕度 (Y4)、風(fēng)速 (Y5)均負(fù)相關(guān)，其中S(X2)與相對(duì)濕度 (Y4)相關(guān)性大于WBGT指標(biāo) (X1)。從微氣候因子的角度看，太陽輻射強(qiáng)度 (Y1)、空氣溫度 (Y2)、環(huán)境平均輻射溫度 (Y3)和各舒適指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均相對(duì)較大且為正數(shù)，說明空氣溫度是舒適性正相關(guān)性最強(qiáng)的微氣候因子；相對(duì)濕度 (Y4)、風(fēng)速(Y5)和各舒適指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)數(shù)，說明相對(duì)濕度是與舒適性負(fù)相關(guān)最強(qiáng)的微氣候因子。

表2 不同指標(biāo)與微氣候因子的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

植物景觀能有效地調(diào)節(jié)橋下空間的溫濕度，改善場(chǎng)地的熱舒適度。同等條件下，喬灌草、喬灌類的植物群落較灌草、草地的群落降溫增濕效果顯著，調(diào)節(jié)溫度差值在1℃～2℃，濕度差值在16%左右。建議在橋下空間高度及場(chǎng)地允許范圍內(nèi)，盡可能用喬灌草的植物配置，有效降低溫度，減緩高溫帶來的不適感。

夏季，植物在降溫增濕的同時(shí)也會(huì)對(duì)場(chǎng)地中的風(fēng)速起到緩沖作用，喬灌、喬草植物群落的全天風(fēng)速低于草地；風(fēng)速與人體舒適度的相關(guān)性最弱，但適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速能降低熱值，帶來涼意。全天中，下午的風(fēng)速較早上大，同等溫度的情況下，舒適值在下午多風(fēng)的時(shí)間段有顯著地降低趨勢(shì)。建議在橋下空間進(jìn)行植物配置時(shí)設(shè)計(jì)一些通風(fēng)廊道促進(jìn)風(fēng)速流動(dòng)，提高人體的舒適度感受。

從對(duì)夏季舒適度改善效果看，全遮蔭測(cè)點(diǎn)對(duì)微氣候舒適度的調(diào)節(jié)優(yōu)于半遮蔭測(cè)點(diǎn)。這是由于全遮蔭的測(cè)點(diǎn)空間阻隔了大部分的太陽直射，太陽輻射強(qiáng)度相對(duì)較低，氣溫前者較后者低1℃～2℃；在同等條件下，冠幅大、樹高的喬木植物類型可以較好地改善夏季戶外熱舒適度。

從不同舒適性指標(biāo)與微氣候因子的相關(guān)性分析可知，舒適性指標(biāo)與太陽輻射強(qiáng)度、空氣溫度、環(huán)境平均輻射溫度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；S指標(biāo) (綜合舒適度指數(shù))是較好的舒適性指標(biāo)。

本研究主要針對(duì)不同舒適性指標(biāo)評(píng)價(jià)下的福州橋下植物景觀空間微氣候舒適度進(jìn)行研究，仍存在不足之處，如研究對(duì)象未涵蓋福州高架橋的全部空間類型，也未考慮橋體走向的差異對(duì)植物景觀空間的影響，未來會(huì)進(jìn)一步完善。