喬木布局方式對(duì)合肥市老舊小區(qū)廣場(chǎng)熱舒適度的影響探究

文／陳宇迪 曹海嬰 袁中文

引言

目前大量老舊住區(qū)改造以建筑立面改造和道路、停車設(shè)施修補(bǔ)為主，較少關(guān)注住區(qū)綠地改造。研究表明，城市中的植物，特別是喬木，可以改善溫度、濕度，保持水土，釋氧固氮，可以多方面提高居住區(qū)熱舒適度[1-3]。文章以此為基礎(chǔ)，研究不同的喬木布局方式對(duì)夏季合肥老舊住區(qū)廣場(chǎng)微氣候的影響，為老舊小區(qū)綠化的改造提供理論支持。

1 研究方法

筆者通過(guò)對(duì)合肥老舊住區(qū)建筑、綠地布局方式進(jìn)行調(diào)研，并且從中提取出合肥老舊住區(qū)典型布局平面和綠化布局方式，通過(guò)遙感影像分析方法和實(shí)地調(diào)查方式對(duì)老舊住區(qū)綠化覆蓋率進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)SPSS 對(duì)綠化率進(jìn)行聚類分析，得出合肥老舊住區(qū)典型景觀喬木覆蓋率。以此為研究基礎(chǔ)通過(guò)ENVI-met 去模擬不同布局方式對(duì)住區(qū)溫度、風(fēng)速、濕度、熱舒適度的影響進(jìn)行分析，從而研究不同住區(qū)廣場(chǎng)布局方式對(duì)住區(qū)微氣候的影響。

2 基礎(chǔ)研究

2.1 建筑布局方式

筆者調(diào)研合肥市44 個(gè)老舊小區(qū)的現(xiàn)狀，從住區(qū)規(guī)模上來(lái)看，44 個(gè)老舊小區(qū)中4 個(gè)小區(qū)屬于5 分鐘生活圈居住區(qū)，其中一個(gè)小區(qū)僅有52 戶居民，規(guī)模遠(yuǎn)不及居住街坊規(guī)模，另有39 個(gè)小區(qū)屬于居住街坊規(guī)模。由此可知，老舊小區(qū)中居住街坊規(guī)模住區(qū)占絕大多數(shù)。

從建筑布局形式來(lái)看，44 個(gè)小區(qū)中，6 個(gè)為混合式，38 個(gè)為行列式，由此得出，行列式是合肥老舊小區(qū)主要的布局形式，所以本研究選擇具有典型行列式建筑布局且屬于居住街坊規(guī)模的蜀山新村部分區(qū)域作為微氣候的研究對(duì)象。

2.2 廣場(chǎng)景觀喬木布局方式

通過(guò)對(duì)老舊小區(qū)建筑布局形式的調(diào)研和合肥住區(qū)發(fā)展史的研讀發(fā)現(xiàn)，80 年代前的老舊小區(qū)平面如表1左圖所示，該平面中，住宅布局是均質(zhì)的、有秩序的排列，住區(qū)中并沒有公共綠地，只有宅間綠地。

表1 老舊小區(qū)建筑典型布局形式（表格來(lái)源：作者自繪）

第二種布局模式是80 年代以后的行列式，類似于郵電新村小區(qū)的平面圖，該布局綠化主要由公共綠地和宅旁綠地組成，從綠化布局來(lái)看，宅旁綠地和80 年代的布局形式相同，公共綠地的布局形式通過(guò)對(duì)大量老舊小區(qū)的公共綠地中喬木布局形式的調(diào)研得出。通過(guò)對(duì)44 個(gè)住區(qū)的公共綠地喬木布局形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出30 個(gè)住區(qū)不包含公共綠地，其他19 個(gè)含有公共綠地的小區(qū)中有6 個(gè)集中式、5 個(gè)圍合式、5 個(gè)圍合集中式、3 個(gè)均勻式，具體布局方式如表2 所示。

表2 老舊小區(qū)綠化布局形式分類（表格來(lái)源：作者自繪自攝）

2.3 綠化率

《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定新建居住區(qū)綠地率不得低于30%，舊居住區(qū)改造不低于25%[4]。而老舊小區(qū)由于建造時(shí)間久遠(yuǎn)，且住區(qū)沒有專業(yè)物業(yè)管理，導(dǎo)致老舊小區(qū)的綠化率、綠化結(jié)構(gòu)、綠化質(zhì)量參差不齊。

為了研究不同布局方式對(duì)老舊住區(qū)微氣候的影響，筆者通過(guò)對(duì)合肥市遙感影像圖的提取分析以及實(shí)地調(diào)研等方式對(duì)合肥市66 個(gè)小區(qū)的綠化進(jìn)行調(diào)研分析，筆者在GIS 軟件上用GCS-WGS-1984 坐標(biāo)系進(jìn)行小區(qū)綠化和小區(qū)邊界的繪制，然后轉(zhuǎn)到平面坐標(biāo)系中進(jìn)行小區(qū)綠地和小區(qū)面積的計(jì)算，整理出合肥市老舊小區(qū)景觀喬木綠化覆蓋率分布現(xiàn)狀。

然后通過(guò)SPSS 軟件對(duì)喬木綠化覆蓋率進(jìn)行K-means 均值聚類，通過(guò)多次聚類結(jié)合直方圖發(fā)現(xiàn)設(shè)置分類數(shù)為3 較為合理，聚類結(jié)果顯示：合肥市老舊小區(qū)的喬木綠化覆蓋率第一聚類有33 個(gè)個(gè)案，聚類中心為28.9%；第二聚類有24 個(gè)個(gè)案，聚集中心為40.49%；第三聚類有9 個(gè)個(gè)案，聚類中心為55.31%。

老舊住區(qū)綠化覆蓋率多數(shù)處在30%左右，所以本文以30%作為樣本模型綠化覆蓋率取值，去研究廣場(chǎng)不同布局方式對(duì)老舊住區(qū)微氣候的影響。

3 軟件設(shè)置

ENVI-met 是由三維模型和一維大氣邊界層模型組成的預(yù)測(cè)非靜水模型，它能夠再現(xiàn)城市及住區(qū)的微氣候，考慮到植被、空氣和鋪裝面的相互作用。王振、陳卓倫等學(xué)者對(duì)軟件模擬的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，秦文翠、張偉岳、小智等學(xué)者運(yùn)用該軟件對(duì)城市熱環(huán)境進(jìn)行了模擬研究。

3.1 老舊小區(qū)典型平面圖

取蜀山新村部分平面圖作為研究對(duì)象，1、2、3、5、6、7 棟的東西長(zhǎng)30m，南北長(zhǎng)10m，層高六層18m。南北向樓間距為14m，東西向樓間距為9m，廣場(chǎng)面積為18m×24m。4 棟東西長(zhǎng)18m，南北長(zhǎng)10m。

3.2 樹木的設(shè)置

喬木的原型取自槐樹，槐樹一般冠幅在4.7m，高度為7.6m，冠層高為3.2m。葉面積指數(shù)為0.9m2。喬木的設(shè)置采用envvi-met 軟件中Albero 對(duì)喬木進(jìn)行建模，喬木的冠幅為4×4m，高度為8m，冠層高為4m，葉面積指數(shù)為0.9/m2。樹葉短波透光率為0.1。樹葉的短波反射率為0.12。葉重為100g/m2。

3.3 計(jì)算域和網(wǎng)格大小設(shè)置

計(jì)算域的尺寸為100m×62m×72m。該區(qū)域劃分為50×31×36 個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格分辨率為2×2×2m。最下面一層網(wǎng)格會(huì)被均勻分成五份，每份為0.4m。三個(gè)網(wǎng)格的高度為1.4m，這里把1.4m 的高度設(shè)為行人感受溫度和風(fēng)速的高度。為了提高模型的穩(wěn)定性，在模型四個(gè)方向分別向外增加了一個(gè)網(wǎng)格。

對(duì)每種情況，ENVI-met 運(yùn)行24 小時(shí)。夏季從2019 年6 月25 日早上7 點(diǎn)開始至2019年6 月26 日早上7 點(diǎn)結(jié)束。模擬參數(shù)設(shè)計(jì)如下，10m 高處風(fēng)速為3m/s,風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，平均風(fēng)速為2.2m/s,地面粗糙度取0.1，最高溫度為30℃，最低溫度為21℃，2 米處相對(duì)濕度為65%。

4 研究結(jié)果

4.1 喬木布局方式

模擬空間分為巷道空間和廣場(chǎng)空間，巷道空間采用相同的兩棵喬木連植的方式，廣場(chǎng)空間根據(jù)2 棵、3 棵喬木連植，以及橫向、縱向排列一共分為如下12 種布局方式，其中1-4 為圍合式、4-8 為圍合集中式，9-11 為集中式布局、12 為均勻式（圖1）。

圖1 喬木布局方式（圖片來(lái)源：作者自繪）

4.2 對(duì)溫度的影響

通過(guò)對(duì)12 張溫度分析圖之間對(duì)比得出不同的布局方式對(duì)溫度的影響較小，總體來(lái)說(shuō)圍合式、集中式夏季溫度較高，均勻式和圍合集中式溫度較低，由此可以發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)木奂瘑棠究梢越档蛷V場(chǎng)的溫度，但是喬木過(guò)度集中溫度反而會(huì)升高。

4.3 對(duì)風(fēng)速的影響

合肥夏季盛行東南風(fēng)，在廣場(chǎng)的東北角易導(dǎo)致空氣的滯留，風(fēng)速降低。下圖為不同布局方式對(duì)應(yīng)的風(fēng)速布局（圖2—圖4），由此可看出，四種布局方式在廣場(chǎng)的東北角均形成了大面積的低風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速僅為0.26m/s。圍合式布局（圖1）廣場(chǎng)在東北角、東南角形成了低風(fēng)速區(qū)。圍合集中式（圖2）由于中部喬木栽植密集，導(dǎo)致中部風(fēng)速的急劇下降。集中式（圖4-9、10、11）低風(fēng)速區(qū)主要分布在廣場(chǎng)的東北和東南角。均勻式樹木均勻地分布在廣場(chǎng)中，形成了嚴(yán)密的擋風(fēng)林，所以均勻式（圖4-12）的低風(fēng)速面積最大。

圖2 圍合式布局風(fēng)速分布圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖3 圍合集中式布局風(fēng)速分布圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖4 集中式和均勻式布局風(fēng)速分布圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

由以上對(duì)比可以得出，夏季廣場(chǎng)喬木采用均勻式布局風(fēng)速最低，集中圍合式次之，集中式和圍合式風(fēng)速最大。

4.4 對(duì)濕度的影響

通過(guò)圖1 和圖2 的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著喬木布局方式由圍合式向圍合集中式靠攏，空氣濕度會(huì)增加。整體上來(lái)看集中式的相對(duì)濕度最低，均勻式和集中式大致相同。

4.5 對(duì)熱舒適度的影響

通過(guò)圍合式的四種布局方式PMV 數(shù)值分布圖（圖5）、圍合集中式的四種布局方式PMV數(shù)值分布圖（圖6），集中式和均勻式布局方式PMV 數(shù)值分布圖（圖7）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)圍合式、圍合集中式整體熱舒適度相同，細(xì)致對(duì)比之下，在喬木的布局方式由圍合式變成圍合集中式的過(guò)程中，熱舒適度均發(fā)生了降低。研究得出，在綠化率相同的情況下，夏季住區(qū)廣場(chǎng)采用圍合式布局的熱舒適度優(yōu)于圍合集中式。

圖5 圍合式布局風(fēng)速分布圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖6 圍合集中式布局風(fēng)速分布圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖7 集中式和均勻式布局風(fēng)速分布圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

9、10、11 為集中式布局，12 為均勻式布局。由圍合式、圍合集中式與均勻式對(duì)比，可明顯看出，廣場(chǎng)南邊粉色面積最大，PMV 大約在1.4，屬于暖的范疇。研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于圍合式和圍合集中式，均勻式夏季的熱舒適較差，成片厚實(shí)的樹林大大阻礙了廣場(chǎng)空氣的流通，降低了夏季熱舒適度。

由圍合式、圍合集中式與集中式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，集中式圖中大紅色所占面積較大，不僅巷道空間熱舒適度有所提升，廣場(chǎng)西北角和廣場(chǎng)中部紅色（PMV 為1-1.14）區(qū)域明顯增加，且廣場(chǎng)南面粉色（1.27-1.4）區(qū)域明顯降低。由此得出，集中式熱舒適度最好。

結(jié)語(yǔ)

由以上實(shí)驗(yàn)可以看出，不同的布局方式對(duì)居住風(fēng)速影響較大，溫度次之，濕度最小。圍合式集中式、均勻式有利于住區(qū)廣場(chǎng)的降溫，但是同時(shí)具有較強(qiáng)的消減風(fēng)速的效果。集中式、圍合式有利于廣場(chǎng)的通風(fēng)，降溫效果較為遜色，但是整體的熱舒適度較好。不同的居住區(qū)可以根據(jù)各自的需求去選擇相應(yīng)的廣場(chǎng)布局方式。