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基于微气候调节的居住小区水景设计研究进展

作者:未知

  摘要:指出了水体景观在居住小区的微气候调节中起重要作用,对国内外学者的研究成果和研究方法进行了归纳分析,发现针对居住小区水景微气候效益的模拟研究较多,实测研究成果较少。同时从风景园林角度出发,探讨了影响居住小区微气候的水体景观设计要点,发现针对水体面积和分布状态已有一定研究,缺乏对各设计要点的综合考虑。为此,提出了今后居住小区水景微气候调节设计的研究策略和建议。
  关键词:风景园林;居住小区;水体景观;微气候
  中图分类号:TU986
  文献标识码:A
  文章编号:1674-9944(2019)17-0154-04
  1 引言
  进入20世纪以来,随着城市飞速发展,城市规模逐渐扩大,城市化、工业化迅猛发展,使得城市空气温度上升、相对湿度下降等气候问题随之而来。根据2018年12月1日实施的《城市居住区规划没汁标准》(GB50180 -2018)中对居住环境的明确规定:居住区规划设计应结合温度、湿度等微气候条件,采取可行有效地措施改善居住区微气候条件,减少不利因素对居住环境的影响。居住小区的室外活动场所是居民日常生活的重要公共活动空间,生活环境的舒适程度直接影响着人们的身体健康、工作效率以及生活质量,因此居住小区微气候问题已经成为学者们研究的重点。
  景观营造可以在一定程度上改善周围气候环境,水体景观要素对微气候的影响不可或缺。本文对国内外居住小区水体景观对微气候的影响研究成果现状进行了总结,整理各个研究方法的优缺点,总结其存在的问题,为进一步研究提供了理论依据和参考。
  2 国内外研究现状
  2.1 国内研究现状
  我国住区的水景营造设计历史悠久,备受设计师们喜爱。追溯我国居住小区水体景观的发展历程,首先从古典园林理水方面来看,在中国古代的园林营造中理水始终很受注重,从先秦时期开始,古人就开始了对理水的探索,并逐渐进步发展,为后人积累了许多理水的宝贵经验,形成了如今的人工水体景观营造形式。当下景观营造不仅从美学的角度出发,更从气候环境条件角度考虑。
  2.1.1 国内城市水体对微气候的影响研究现状
  国内学者针对城市中水体对微气候的影响已有了一定的研究。王浩[1]于1989年对水体对气候的影响进行数值研究,建立参数化方案,得出水体对下风岸的温湿度影响幅度较大,并且其对晴天的调节作用好于阴天。杨凯等[2]于2003年对上海市城市水体周边环境温湿度及风速进行实测,得出水体面积和水体周边建筑布局是影响微气候调节的重要因素,喷泉等人工水体亦可对微气候起调节作用,水在夏季对微气候的改善程度优于在冬季。李书严等[3]于2007年对城市中水体的微气候效应进行研究,针对北京市2处靠近水体和5处远离水体的气象站数据进行整理分析,同时进行数值模拟分析,得出水体的面积大小和布局情况是影响微气候的重点,影响效应随水体面积的增大而变强,多块集中布局的水体对微气候调节效果显著。齐静静等[4]于2009年对哈尔滨市松花江沿岸地段进行实测数据分析,实测结果表明河流对城市有良好的降温效果,其在晴朗天气对微气候的改善效果优于阴雨天气。陈宏等[5]于2010年采用实测和数值解析模拟方法,运用WRF模式进行气候模拟分析,提出城市水体面积增大对气候有调节作用,城市规划时应保护水体资源,还应重点考虑滨水街区的空间形态设计。轩春怡[6]于2010年对北京市城市水体进行观测、遥感技术分析和数值模拟,提出水体与绿化相结合、分散式水体布局、多块密集分布的小水面对大气环境有显著影响。吴芳芳等[7]于2011年运用Kestrel4000便携式气象仪,通过对北京北护城河两岸的温湿度实测比较,将临近河岸的观测点与1OOOm远处的对照点比较,发现城市河道能有效改善局部空间温湿度,提高人体舒适度,提出在城市水岸的设计时应充分结合周边土地环境和河岸结构,提高水体对周围空间的微气候调節效应。蒋志祥等[8]于2011年针对城市水体对热湿气候影响进行动态模拟研究,得出增加城市水体面积有利于热湿气候调节,并且水体对空气温度的降温效果在白天优于在夜问。薛思寒等[9]于2014年运用ENVI- met软件对广东余荫山房进行微气候模拟,结果表明,为有效改善微气候,应在庭院设计时加强理水,营造绿植和水体相搭配的景观活动空间。刘滨谊等[10]于2014年在城市滨水带环境小气候与空间断面关系研究中,以上海苏州河滨水带为例,运用Watchdog小型气象站,通过对各测点的空气温度、相对湿度、平均风速和太阳辐射度进行数据实测与分析,得出滨水带空间处优先选择冠幅面积大的乔小,河岸植被采用乔-草结构既营造阴凉空间又利于河道通风,河道断面空间减少硬质铺装、增多坡地更利于滨水带小气候调节。张丛[11]于2016年针对水体在休闲广场的布局展开软件模拟研究,以南京市城市广场水体景观作为研究对象,得出增大水体面积、适当分散布局、位于上风向有利于夏季城市休闲广场的微气候调节,冬季调节效果较弱。宋丹然[12]于2018年对上海市河流的微气候影响效应进行软件模拟,得出加强河岸生态管理有利于河道对城市空间的微气候环境调节。吕鸣杨等[13]于2018年对杭州市太子湾公园进行实测,得出小型水体影响微气候效益易受其他因素影响,在大型湖水处较密集的植物配置会影响水面对风速的提升,因此湖边景观空间设计时应合理布置植物位置、密度和面积。
  2.1.2 国内居住小区水景对微气候的影响研究现状
  针对居住小区的水景微气候调节效益研究中,2010年张新春对沈阳市居住区热环境进行研究[14],采用数值模拟建立数学模型,得出水体可提高居民室外活动环境舒适性,水体位于南侧即主导风向上风向对居住区热环境舒适调节较好。2013年周浩超对广州市居住区水景对局部空问气候调节进行研究[15],采用流体力学软件进行数值模拟实验,得出水体白天降温夜间保温,对周围20m内的舒适度有调节作用,下方向建筑空间湿度较大,分散布局对微气候改善效果较好。2014年陆婉明等对华南地区夏季居住小区局部地域气候调节进行研究[16],采用流体力学方法进行温湿度及风速模拟,得出水体对气候的调节随着距水面高度增大而减小。2015年张仁龙对哈尔滨居住小区水体配置对室外微气候的影响进行研究[17],先对你好荷兰小区进行实测,同时对该住区进行软件数值模拟,验证模拟实验的可行性,最终采用软件模拟的方法,分别对集中式、分散式和边流式3种住区水体配置进行模块化模拟实验,得出集中式配置对住区室外局部空间微气候调节十分有效,最佳配置方向为夏季主导风上风方向,分散式配置有利于住区室外微气候整体均衡调节,分散程度的不同对住区微气候影响无明显差异,边流式配置中与主导风向垂直配置对居住小区整体微气候调节最佳。2016年王可睿对广州居住小区景观水体对室外热环境的影响进行研究[18],采用现场实测和软件数值模拟相结合的方法,对岭南山畔和江南新苑两个居住小区进行实测和模拟,得出水体能在一定程度上降低水面上方温度,但管理不善的干涸水池由于表面材质吸热升温大,会导致周围气温上升,傍晚水体周围降温效果好于密不透风的凉亭和树荫下,水景与树荫相结合时调节气温效果最佳,相同面积水体景观集中布局对热环境的影响优于分散布局。   2.2国外研究现状
  国外对于居民住宅区水体景观的设计也早有研究。如18世纪初期的俄罗斯的圣彼得堡夏宫对水景观的处理就十分精美,这是古代著名的皇家宫殿之一,最开始由俄罗斯建筑师设计,后由法国和意大利建筑师修整扩建,由于是皇家的居住区域,水体景观规模也较其他住区大,水景营造主要采用了静态的规则式水池和动态的喷泉、跌水。美国设计师罗斯玛·麦克里里著作的《水景园》[19]、英国设计师保罗·库帕著作的《新技术庭院》[20]等阐述了庭院水景设计应注重其景观形式、创意内容、水景管理和牛态设计等方面。随全球化变暖加剧,微气候适应性水景设计也成为设计时学者们研究的重点。
  对于微气候的研究方面,国外学者研究起步较早,早在1971年南兹博格(Landsburg)在针对人居环境建设[21]中的建筑气候研究中提出关于微气候的定义,指出下垫面上部分一定区域内的气候环境即为微气候,并表示微气候受下垫面影响。阿兰·米诺( Alan W.Meerow)和罗博特·杰克(Robert J.Black)于1991年也指出了微气候的相关含义[22],并表示微气候具有地域性和可调节性。Nishimura等[23]于1998年对舒适型城市的微气象展开研究,得出公园中的水体景观设施可有效调节公园局部空间的微环境,在最炎热的夏季可使人体感受层温度低于底边温度20℃。Badrinath Naga-rajan等[24]于2004年采用数值模拟的方法针对小流域Mac Kenzie河流对大气热量和大气含水量的影响进行研究,研究表明,由于河水白天蒸发吸热对其上方及周边空间大气层的温湿度有较高影响。Kazuro Mom-mii[25]于2008年对位于日本南部池田市水深125 m的湖水进行热量预算研究,建立了湖水与大气交换的热模型,对1981~2005年的湖水对上方气候影响的热量交换进行模拟估算,与实测结果吻合度较好,对不同月份湖水蓄热值进行对比分析。
  3水景对微气候影响的研究方法
  3.1 实测研究
  3.1.1 实验仪器选择
  在测试仪器选择时多选川Kestrel系列便携式气象仪、美国Watchdog小型气象站、BES系列温湿度采集记录器、CAWS系列自动观测器,此类气象站对空气温度的测试精度为0.5~1℃,相对湿度测试精度为3%,风速精度为3%~5%,仪器整体灵敏度较高,携带方便。
  3.1.2观测点选择与测试方法
  学者们在水体对微气候影响研究上,观测点测试高度均选择人体感应舒适度平均身高度1.5 m处。刘滨谊等选择7~8月中的3d,从8:00-18:00每10 min进行1次数据记录,对滨河区域相近地形不同植被空间和相近植被不同地形空间共9个观测点展开测试。吕鸣杨等选择8月中的3 d,从8:oo~18:00每1 h进行1次数据记录,对临近水体和无水体共18个测试点展开观测。杨凯等选择春季、夏季和冬季3个季节进行温湿度检测,观测点在每个季节均观测1 d,从9:00 -18:00每30 min进行1次数据记录,对6处水体周边空间分别选择4个观测点进行测试。李书严等丁2005年1~9月,每2 min自动测试1次,观测点选择2处靠近水体和5处远离水体的站点。吴芳芳等从5~10月每个月各选择连续3 d,从8:00~18:00每1 h进行1次数据记录.对河岸南北两侧分别选取4各观测点和4各对照点进行温湿度实测。
  3.1.3 实测研究简析
  对研究场地进行现场实测,获得第一手现场微气候凶子数据,是景观设计研究者常用和青睐的实验研究方法。该方法可以较为准确的对观测当天的测试点进行所需微气候因子数据记录,掌握第一手资料,使相关分析更具有真实性和可靠性,为结论提供真实依据。
  测试仪器选择上,学者多采用便携式温湿度、风速记录仪等小型气象站,不同测试仪器的测试范围和精确度等略有差异,但对测试效果无显著差异。
  测试方法上,首先学者们会根据水体景观形式以及周边环境空间进行观测点选取,同时通常会设立无水对照点进行对比。测试周期可分为短期观测和长期观测两种。由于研究水景所处地域环境不同,存在季节性差异,短期观测的一般为针对城市夏季展开的微气候影响研究实测,测试周期通常为连续3 d或夏季最热的2个月,意在探索城市一年中最高溫阶段水景对周边空问气候的调节作用;长期观测是较为稳定的连续性观测,测试周期通常会涉及各个季节,通过长期观测可进行微气候影响的季节对比研究。
  3.2模拟研究
  3.2.1 模拟软件选择
  景观的微气候效益研究中常用的模拟软件有EN-VI- met三维立体空间微气候模拟软件和CFD系列计算流体动力学软件。ENVI - met是由德国MichaelBruse研究开发的三维微气候模拟软件,在景观微气候研究者中应用较广泛,该软件具有较好的稳定性和准确性,各项气候指标较为全面,能够建立建筑、植被和不同下垫面的基础模型;CFD系列包括FLUENT、CFX、PHOENICS、STAR- CD等,此类软件存针对气流的影响变化模拟较详细,对空间温湿度的模拟操作较复杂,准确性较低,对空问的风环境模拟研究较丰富准确。
  3.2.2模拟方法
  随着计算机的普及与发展,数值模拟是研究微气候的义一重要方式。软件模拟可以展现区域性气候指数变化情况,模拟出不同下垫面如水体、绿地对局部气候的影响幅度。模拟研究方法呵分为实地模拟研究和模块模拟研究两种。学者们可将测试地块同时进行现场实测和模拟验证,将两种研究方法进行比较,得出更有说服力的结论,如王可睿针对广州越秀小区示范区水体景观进行研究,在FNVI- met软件中建立与实测场地相同的模型进行气象模拟实验;有些学者通过自定义模型进行模块化模拟研究,对水体在居住个区中存在的面积、布局进行单元模块模拟,如张仁龙将水景模拟为矩形模块,把水景在居住小区中的面积大小分为3%、6%、9%、12%四种占比,研究不同面积比例对徽气候的影响,同时对相同面积不同布局位置水体进行模拟研究。   3. 2.3 模拟研究简析
  数值模拟是研究室外空间微气候常用的方法,与实测相比,可进行向定义建模,模拟现实场地尚未建设的设计形式所带来的微气候影响效益,达到效益预测效果;同时此方法可更快速进行较长时间段的模拟与预测,便丁研究人员对场地微气候的全天掌控。软件选择中,ENVI-met 三维模拟软件能建立所需水体等景观模型,能较为全面地模拟温湿度、风速等微气候因子,相较其他模拟软件更适合水体景观微气候影响研究者运用。
  4 影响居住小区微气候的水体景观设计要点
  综合考虑水景在居住小区中的规划设计,归纳出影响微气候的以下四大要点。
  (1)布局方位。布局方位是设计水景时首要考虑的因素,在居住小区的公共绿地空间中,常见的水景布局方位有中心布局和中轴线布局等,水体所处位置不同对居住小区整体的微气候和水景周围活动空间的微气候影响都存在差异。
  (2)水体面积。面积大小是没计水景时必须考虑的凶素,水体面积增大有利于周围环境空间的降温增湿,同时大面积水体可引导风向,提高风速改善风环境,适当面积既可有效改善居住小区整体气候环境,又能避免微气候调节机制浪费。
  (3)水体类型。水景营造形式随地域不同产生地域性差异,综合而言可将居住小区中水体景观类型分静态水体和动态水体两大类。其中静态水体包括自然式水池和规则式水池,动态水体主要为以喷水形式塑造的水景,分为水池喷泉和雕塑喷泉,部分居住小区还会考虑跌水景观设计。流动的水体会增大与空气的接触面以及水分蒸发效果,不同动态的水景对微气候影响有所不同。
  (4)分布状态。水景在居住小区中从分布状态看可归纳为集中式分布和分散式分布两大类,不同分布状态的水体周围公共活动空间不同,公共空间的微气候舒适性直接影响居民的生活质量,面积相同分布状态不同对居住小区局部空间的微气候效益不同,因此如何合理分布住区水体景观也是设计们应考虑的重点。
  5 结论与展望
  随着社会发展,生活水平逐渐提高,住区景观已然成为人们关注的重点,各园林要素中水体景观备受居民青眯,塑造水景不仅可以吸引居民,成为居民在公共空间的聚焦对象,还具有降温增势能力,营造气候舒适的空间环境,因此在居住小区水景设计时更需要从微气候调节角度考虑。以上梳理了学者们针对水体微气候效益的研究,梳理表明无论是从城市角度还是从居住小区角度看,水体对周围空间气候调节的作用都不容忽视。针对居住小区的水体景观而言,学者们多采用数值模拟的研究方法,通过与实测相结合的实地模拟验证以及模块化模拟不同的水体面积、方位和分布状态,此种方法可以从气象技术的角度展现不同模块化水体的优缺点差异,缺乏从景观设计的角度考虑模块建立问题;同时学者们对大量的现场实测方法采用较少,进行实测研究时多采用对单一居住小区进行温湿度、风速的检测,单独分析某个居住小区水景的微气候调节效益,结果缺乏普遍性。因此对此类研究有待加强和继续开展的方面有:
  (1)加强针对性。微气候的研究具有地域性限制,不同城市的水景文化不同,导致水景设计存在差异,研究时要加强地域性针对研究,使结论可以更有效应用。
  (2)增大实测范围。进行实测研究时,应采用控制变量法,对同一城市区域具有典型水景设计特点的居住小区进行对照测试。
  (3)增强设计思想研究。应从景观设计的角度进行具体分析,与水景设计要点相结合,综合考虑各水景设计要点对居住小区微气候调节作用中的影响差异。
  以上梳理学者们的研究成果和方法,综合整理可学习借鉴之处以及缺乏考虑有待研究的方面,为今后有关微气候调节作用下的居住小区水景设计提供研究方向参考。
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  收稿日期:2019-10-14
  作者简介:韩羽佳(1995-),女,硕士研究生,主要从事风景园林规划与设计研究工作。
  通讯作者:李文(1971-),女,博士,副教授,现主要从事风景园林规划与设计、绿地系统规划研究工作。
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