基于ENVI-met 情景模擬的“冷島型”城市森林設計方法?

李舟雅 寧琪雯 王雨涵 戈曉宇

1 北京林業大學園林學院 北京 100083

2 河北農業大學園林與旅游學院 河北保定 071000

隨著城市的發展, 城市熱島效應越發顯著,對城市生態環境、 居民健康等造成了很大的影響。許多專家學者指出城市綠地、 城市森林等綠色基礎設施是緩解熱島效應的關鍵因素[1-5]。 已有的研究多側重于城市綠色空間對熱島的緩解、 城市降溫增濕的作用及其產生的冷島效應, 而以規劃設計方法為主要內容的研究卻較少。 本文以秦皇島海濱國家森林公園的規劃設計為例, 運用ENVI-met 微氣候模擬軟件為輔助工具, 探究和總結以場地外部熱島效應緩解和場地內部舒適度調節為目標的“冷島型” 城市森林空間環境營建方法,為城市森林公園的設計提供參考。

1 研究地概況及研究方法

秦皇島海濱森林公園位于河北省秦皇島市海港區, 總面積為108.7 hm2, 周邊為秦皇島海濱旅游區與北戴河度假區, 具有豐富的旅游資源： 東側緊鄰濱海大道, 南北側有各大火車、 汽車站,西側靠近秦皇島市政府與大面積居民區相接。

針對場地周邊熱島效應緩解的研究數據主要選取2013 年5 月30 日和2018 年4 月26 日的Landsat8 OLI/TIRS 遙感影像為基礎數據源, 用ENVI5.1 對其進行大氣校正和熱輻射定標, 并用相應波段進行地表溫度反演計算, 以此分析研究區域的熱島分布情況。 場地內部舒適度調節的研究數據來源于對秦皇島海濱森林公園的實地調研,其數據主要包括相關氣候條件和場地的土壤、 水文條件。 通過微氣候模擬軟件ENVI-met 對場地周邊以及場地內部微氣候條件進行可視化模擬,參考模擬結果合理選取適宜場地位置進行森林活動空間環境的營建。

2 場地周邊城區熱島效應緩解設計方法

2.1 場地周邊熱環境分析及模型校核

已有研究表明, 綠地的冷島效應主要體現為通過植被的遮蔭作用及葉片的蒸騰作用調整局部溫濕度和增加空氣流速, 從而達到緩解城市熱島的目的。 因一年中溫度較高的時期主要集中于夏季, 故冷島效應對于夏季的調控價值比其他時間段會更大。 秦皇島每年最佳旅游觀光時間為每年的5—9 月[6], 該時間段處于秦皇島全年溫度較高的范圍, 故夏季時的熱感比其他時間來說更為明顯, 因此本文選取夏季作為主要研究時間。

本研究從地理空間數據云中選取秦皇島海港區2013 年5 月30 日02 ∶43 ∶27 和2018 年4 月26日02 ∶40 ∶30 成像的Landsat 8 OLI/TIRS 遙感圖像, 將兩幅遙感圖像導入ENVI5.1 進行輻射定標和大氣校正處理, 并選用大氣校正法對研究區域進行地表溫度反演。 結果顯示, 2013—2018 年,研究區域周邊城市的地表溫度有較明顯的變化,表現在地表溫度相對升高和高溫區面積有所擴大,由此推斷出研究區域周邊的城市環境存在一定程度的熱島現象。

圖1 2013 年5 月30 日模型溫度模擬

圖2 2018 年4 月26 日模型溫度模擬

本研究使用ENVI-met 軟件對開發前場地周邊區域溫度狀況進行了模擬, 模擬時間分別為2013 年5 月30 日的02 ∶59 ∶59 和2018 年4 月26日的02 ∶59 ∶59, 與兩幅Landsat 8 遙感影像成像時間接近以驗證本次研究模型的正確性。 模擬結果如圖1 和圖2 所示: 研究區域內部及周邊的溫度分布與溫度反演圖像相似, 在溫度反演圖像中研究區域中的溫度普遍為19.8 ℃～20 ℃, 模型模擬的溫度約18 ℃, 兩者溫度相差1 ℃～2 ℃, 模擬結果與反演值存在些許誤差, 誤差為5%。 總體來說本研究所建模型具有一定的正確性和參考性,可指導本次研究的進行。

2.2 “冷島型” 城市森林設計策略

1) “冷源” 空間的識別。 秦皇島海濱森林公園毗鄰渤海, 由于植被和水體的特性使其溫度比周邊城區低, 從地表溫度反演中可以判斷, 海洋是秦皇島市天然的“冷源”。

2) 通風廊道的建立。 基于上述的場地優勢,設計人員通過構建與秦皇島市夏季主導風向平行的通風廊道提升空間的通透度, 以緩解周邊城區的熱島效應。 由前期調研可知, 秦皇島市夏季主導風向為東南風： 由于公園毗鄰渤海, 且渤海位于公園的東南方位, 可以考慮從宏觀上構建一條從海洋到城市的通風廊道, 利用公園中的復層、地被栽植或者水體形成風廊, 將海洋、 森林公園、城市道路等要素聯系起來, 通過廊道將海洋和公園的新鮮空氣順著盛行風方向將風吹進建筑密集的城市內部, 從而有效降低城市內部溫度。

3) 通風廊道的尺度確定。 研究表明, 城市主要通風廊道寬度需達到100 ～150 m, 長度最小須達到1 000 m： 次要廊道的寬度需不小于50 m,長度最小要達到500 m 才會有比較理想的通風效果[7-8]。 故本項目將通風廊道寬度定為120 m, 由此可以將森林公園的布局結構確定下來。

2.3 場地周邊模擬結果與分析

本研究使用的ENVI-met 模擬軟件采用三維非靜體力學模型, 該模型由3 個獨立的子模型及嵌套網格組成, 子模型包括三維主模型、 土壤模型以及一維邊界模型[9]。 構建該環境模擬體系需要的數據有區位經緯度位置, 最近3 年最高溫日期和在該日到達最高溫度的時刻、 風速、 植被覆蓋情況等。

土壤模型負責計算地表到土地內部的熱傳遞過程。 一般情況下從下墊面表層到地下1.75 m 用于統計土壤濕熱傳導, 當進行水體土壤層模擬時,需根據不同水體性質調整土壤模型下墊面深度,用以模擬水體成分下的土壤環境溫濕度變化。 根據所掌握的地勘報告, 場地內的土層結構主要為填土、 粉質黏土以及砂質黏土等。

植被模型利用輸入參數模擬植被—大氣—土壤間的交互作用。 植被模型來源于種植設計施工圖, 輸入參數包括冠層結構(葉面積指數、 根面積指數、 高度等), 土壤參數(土壤各層相對濕度、 溫度), 氣象參數(風速、 風向、 大氣溫度、相對濕度等) 和太陽輻射系數等： 輸出參數有風速、 空氣溫度、 土壤溫度等[10-11]。

通過前期調研可以獲得的數據為: 秦皇島市近3 年夏季平均氣溫達25 ℃～32 ℃, 風向為東南風： 開園時長為10 ∶00—18 ∶00。 相關參數設置如表1。

表1 ENVI-met 參數設置

通過對公園所在區域的環境溫度進行模擬,可將該區域大致劃分為3 大溫度分區, 如圖3 所示。 相較Ⅱ、 Ⅲ兩個區域, 公園所在I 區域的平均溫度范圍最低, 為21.66 ℃～22.10 ℃。 位于城市區域的Ⅱ、 Ⅲ區與Ⅰ區域的交界處有明顯的溫差變化(0 ℃～5 ℃), 表明森林公園本身對于降低周邊區域溫度有一定積極作用。

根據森林公園所在區域的環境濕度模擬圖像也可將該區域劃分為3 大濕度分區, 如圖4 所示。與Ⅱ、 Ⅲ兩個區域相比, 森林公園所在Ⅰ區域平均含濕量范圍最高, 為9.23 ～9.69 g/kg, 數值平均高出0～2 g/kg, 表明森林公園對于周邊城市居住區和商業區有較為明顯的增濕作用。

森林公園所在區域的風速因子模擬結果如圖5 所示, 根據模擬結果可將該區域大致劃分3 大風速分區。 公園所在I 區域因臨海而平均風速最高, 為1.11 ～1.56 m/s, 比其他兩區域高出0 ～1.2 m/s。 由模擬結果可知, 森林公園和城市相鄰區域形成了兩處明顯的通風廊道, 說明森林公園為促進周邊城市區域空氣流通、 提高清潔氧氣交換頻率提供了良好的通風環境。

3 場地內部舒適度調節設計方法

3.1 場地內部環境舒適度概述

1) 場地內部現狀舒適度情況。 根據前期調研結果, 研究區域內局部建成了初具規模的公園形式, 但大部分場地為之前營建的防護林, 場地內部水體分散, 景觀性和舒適性較差, 故需對其景觀風貌進行改善以提升舒適感。

圖3 區域環境溫度模擬

圖4 區域環境濕度模擬

圖5 區域環境風速模擬

2) 人體舒適度評價方法。 常見的人體舒適度指標有美國氣象局的Thorn 于1959 年提出的不舒適指數(DI)[12]、 美國學者Gagge 提出的標準有效溫度(SET)、 生理等效溫度(PET)[13]等。 因不舒適指數涉及的變量只有空氣溫度和空氣相對濕度兩個因素, 比其他評價指標更為快捷, 故本研究采用不舒適指數作為對比標準。 其計算公式為:

式(1) 中,T為空氣溫度(℃),RH為空氣相對濕度(%)。 一般DI值越高, 人體的不舒適感越強烈。 具體的不舒適等級劃分如表2[14]。

表2 不舒適等級劃分

3.2 場地內部空間的設計方法

1) 對現有水體進行梳理整合。 有研究表明,水體對公園環境有較好的增溫降濕、 提高局部風速的作用[15]。 通過對場地現狀水體進行梳理, 將原有水系范圍進行適當拓展、 整合與連接以形成完整體系, 并對水岸線形態進行豐富, 在提升觀感的同時將水體對微氣候環境的影響范圍擴大,可極大提高人在環境中的良好感受。

2) 用植被和地形強化邊界。 通過對公園地形的梳理、 局部微地形營造以及利用植物進行圍合等方法, 在森林公園與外部環境交界處形成隔離,將城市和交通活動所產生的污染和噪音隔離在外,也可以有效提升人在森林公園中的體感舒適度。在樹種選擇方面, 可優先選擇具有殺菌、 有較強吸附性或過濾性的鄉土樹種。

3) 由環境因子確定活動空間。 設計人員根據相關規范及相關軟件對研究區域內的各項指標進行初步評價, 綜合選出微氣候環境較好、 建設適宜度較高的場地作為園區道路或活動場地： 對于不適合建設的區域則通過補植鄉土植物等其他方式以創造良好的生態環境。 此外, 活動場地沿著水邊布置活動空間也能極大地提高人體的舒適感。

3.3 場地內部模擬結果與分析

3.3.1 開發前模擬結果

開發前公園內部整體環境溫度約19.44 ℃～20.27 ℃, 其中森林濕地區溫度最低, 越靠近外部交通道與城區的溫度會明顯上升。 全園相對濕度范圍59.4% ～65.09%, 大多數區域集中在60.44%～63.54%, 其中靠近林區海濱邊緣的區域相對濕度最高, 靠近城區或植被覆蓋度低的區域濕度最低。 場地內大多數區域風速較為平緩, 數值約0.65 ～1.35 m/s, 而邊界區域靠近海濱, 其風速受海風影響, 數值大于1.35 m/s。

運用公式(1) 計算得出開發前場地的不適指數為18.98, 表明場地自然基底較好。 通過將環境因子綜合疊加, 可將森林公園內部劃分為3大環境適宜度分區(圖6), 其中適宜度Ⅰ、 Ⅱ區微氣候環境較好, 設計時應充分利用有較好自然因素的空間進行場地營造, 并對微環境條件欠佳的區域進行合理提升。

圖6 開發前綜合環境因子分析

3.3.2 開發后模擬及對比驗證

開發后場地模擬結果如圖7 至圖9 所示。 開發后場地內部的溫度范圍在17.42 ℃～18.98 ℃,比開發前降低了2 ℃～3 ℃, 降溫效果明顯： 場地濕度范圍為57.83 ～65.47%RH, 比開發前平均濕度明顯提升： 開發后場地內部形成明顯通風廊道, 其風速范圍為0.05 ～1.60 m/s, 通風廊道最大風速增加, 同時場地內部有較多空氣循環良好的局部空間, 可給游人較舒適的感受。

由模擬結果對比分析可知, 在對場地進行改造提升后, 適宜度Ⅰ、 Ⅱ區區域范圍明顯擴大。地形和水環境經過梳理后能有效提高人體舒適度, 綜合提升了森林環境質量, 具體如圖10 所示。 通過公式(1) 計算得到開發后場地的不適指數DI 降低至16.17, 表明研究區域舒適度有所提高。

圖7 開發前后環境溫度對比分析

圖8 開發前后環境濕度對比分析

圖9 開發前后環境風速對比分析

圖10 開發前后適宜度區域分布對比

4 結論

本文通過對秦皇島海濱森林公園周邊和內部的各種環境因素進行分析, 提出了基于夏季時節緩解周邊城區熱島效應和調節場地內部人體舒適度的城市森林設計策略: 1) 城市森林設計應從宏觀上把控布局, 根據當地夏季盛行風向、 “冷源” 所處位置綜合考慮, 構建順應城市夏季主導風向, 與城市內部環境、 城市綠地、 城市道路相關聯的通風廊道, 通過風廊引進的風使城市的溫度得以控制, 從而緩解城市的熱島效應。 2) 可以從梳理現狀水體、 營造城市森林邊界以及根據環境因子選擇活動空間3 方面入手提升森林公園內部人體舒適度。 水體和森林合理搭配可起到優化環境、 降溫增濕的效果： 城市森林邊界的營造和處理可采用豎向設計和植被圍合來實現與城市外界的隔離, 有效提升場地內部舒適度： 選擇有較好通風、 降溫增濕作用的空間作為道路或活動空間會使舒適度的提升事半功倍。

文章利用ENVI-met 軟件對公園開發前、 后對城市熱島以及人體舒適度調節的情況進行了模擬對比, 為城市森林建設規劃提供理論依據和實踐經驗。 由模擬結果可知, 開發后的秦皇島海濱森林公園對緩解城市熱島效應和提高人體舒適度方面具有一定的作用, 但由于當前情況限制, 本研究未能取得現場實測數據進行對比, 僅采用遙感影像進行模型校核, 所得結果精確度有所欠缺,希望在未來的研究中能夠加以完善。