基于微气候适应性设计的天津市蓟州区西井峪村山水格局分析

2018-07-19马梓烜郭雨萌刘加根宋志生

中国园林 2018年2期

齐羚马梓烜郭雨萌刘加根宋志生

1 研究背景

1.1 研究意义与课题缘起

传统村落保护的一项工作重点是村落最基本的天人合一的山水格局。对村落环境质量控制的最基本策略是择址和传统风水模式所形成的山水格局。目前传统村落的开发与保护研究，主要集中在定性的价值研究、评价体系、旅游开发、村落空间形态与布局，以及以建筑单体为对象的定性与定量结合的研究[1-2]。近年国内外对于微气候适应性的研究工作成果显著[3-13]，且多集中在城市，而运用数值模拟、数据比较和模型建构等定性、定量结合的分析方法，对传统村落中观层面的山水格局与微气候适应性分析和设计策略进行的研究较少。

针对京津冀协同发展中城乡统筹工作面临的生态特性保护和改善微气候的迫切需求、传统村落的过度开发和保护误区所带来的理想山水格局破坏的问题以及传统村落微气候多因子和山水营造特性耦合关系及预测控制方法的研究欠缺的问题，本论文于2017年开展了基础调查研究工作。

1.2 研究目标与研究内容

1.2.1 课题研究目标与内容

本课题以传统村落山水格局的微气候适应性设计机理研究为核心，以微气候指标体系的建立、计算机数值模拟和微气候综合分析方法为基础，系统研究京津冀传统村落的山水格局特征类型、山水格局和微气候的耦合关系及适应性设计机理、控制性的形态参数、形态参数的图谱表达技术和设计新流程以及基于微气候适应性的山水格局优化方案等关键科学问题，并以京津冀传统村落典型案例进行了理论验证和应用，从而提出一套基于微气候适应性设计的综合分析和设计优化方案，成果具有广泛应用性，为京津冀地区人居环境改善提供理论和技术支撑，最终达到人居环境可持续发展的目的。对长期以来理想景观格局的主观感受和设计经验进行定量性的科学验证(图1)。

1.2.2 本文研究目标与内容

本阶段研究目标是研究山水格局的“形”与微气候的“数”之间的“理”，即两者之间的规律。以京津冀3个典型村落为对象，通过实地观测和数值模拟相结合的实验方法，研究层次包括2个方面：将村落与城市作外部比较的村落选址理想格局验证，及村落内部微观布局差异比较。研究工作包括三大板块，A模块的山水格局形态研究和环境特征分析和类型研究，B模块的风热分析(实测与模拟相结合)，基于B模块分析基础上的C模块舒适度评价，最后研究总结A模块与C模块之间的规律(图2)。

本文重点是对已完成的西井峪村春季和夏季数据采集和春季、夏季、冬季数值模拟的初步研究成果总结和讨论。

现阶段正在开展的工作内容包括两部分：1)编制京津冀4批中国传统村落共计169个村落(其中北京21个，天津3个，河北145个)的山水格局特征分类图谱。对其山水特征[14-15]从选址、功能、规模、形态、山水比例关系、山水组合方式、空间布局及围合形式、坡度坡向等方面进行分类研究并总结特征类型，建立山水格局档案，有利于研究的系统性；2)北京房山区水峪村、天津蓟州区西井峪村、河北井陉县吕家村3个重点典型案例村落的气象站安装和典型季节微气候调研与数值模拟及研究分析工作。

图1 课题技术路线图

图2-1 研究目标分析

图2-2 研究层次分析

图2-3 工作板块分析

2 研究对象

2.1 研究对象范围界定

对传统村落微气候系统的研究层次性较强。地形形态、人为空间等对村落微气候都有影响。山体地形对气流采光的影响带来温度、湿度、风速、风向的变化。村落环境包括村落外部环境的山、水、林的组合空间；内部环境的巷道、节点空间；单体民居的庭院3个层次[16]。本文研究对象为西井峪村外部环境空间和部分与山水相关的内部环境节点。

2.2 西井峪村概况

西井峪村位于天津市北部，地处蓟州区渔阳镇君府山背后，距蓟州城区2.5km。此区域属于我国第一个国家级地质剖面自然保护区——中上元古界地质剖面自然保护区。西井峪村核心村落面积约13.4hm2，是一处典型的北方塞内山村。

2.3 西井峪村气候环境

西井峪村平均海拔约220m，属于北方干燥交替性气候，夏季高温多雨，冬季低温干燥。春秋时间较短，全年降水集中于夏季。春秋两季时间较短，冬季雨雪稀少，多大风天气。参照天津市气候分析图可得知，西井峪地区需要采暖的总时间可达全年的65%，冬季12月至来年2月需要依靠传统采暖或者主动式太阳能结合以解决被动式太阳能采暖不能解决的室内采暖问题。被动式太阳能采暖集中于4、5月和10月。夏季6—8月份可通过自然通风、建筑蓄热方法解决夏季降温的需求。

2.4 西井峪村山水环境

西井峪村的井字形地貌十分突出，村落东、西、南、北各有一条沟谷，其中北侧、西侧沟谷为断崖，是西井村与外界的天然边界。整体村落坐北朝南，沿等高线布局，基本符合环山聚气的传统山水理论，前有府君山次峰(案山)，后有饽饽山(祖山)及北部山体，东侧有府君山主峰(青龙)，西有小岭子(白虎)，体现了藏风聚气、负阴抱阳的风水观。村落整体位于山坡上，地势较高，有利于防洪排涝，体现了古人对村落选址的科学性(图3)。

3 研究方法

课题研究方法包括文献研究方法、观测分析方法、数据分析方法、模拟分析方法和模型分析方法。本文主要从实地观测法和数值模拟法2个实验手段进行阐述。

3.1 实地观测法

实地观测法通过在近地面(距地面约1.5m)对实际研究对象进行观测，由测点获得直接的局地气候数据，能够直观地反映局地风、热、湿环境状况。对实验测点的空气温度、风速风向、相对湿度、辐射温度等气候数据进行分析。整理总结了固定式小型气象站的全年24h测量数据和3个季节单日测点的测量数据。

3.1.1 测试仪器

实验选取仪器有：移动气象站(中科正奇ZK-YD6A，6个传感器，太阳能供电)、手持式热敏感风速仪(德国TESTO405-V1)、温湿度自记仪(北京天建华仪WSZY-1)、黑球温度自记仪(北京天建华仪HQZY-1)。据以上仪器实测数据并参考中国气象网天津区数据和小型气象站数据，作为后期模型的输入参数。春季测量日期为2017年5月13日，夏季测量日期为2017年7月5日(因实验条件所限，每个季节只选取一日进行10个测点观测，结合小型气象站固定点24h全年观测，与数值模拟进行比对验证)。

3.1.2 测试点布置

在西井峪村内，根据实验条件、山水环境特征、高度坡向及均匀布点的原则，同时考虑不同下垫面性质，在研究区内布置测点10个(图4)。具体来说测点选择包括了4种地形类型：山顶、山坡、山谷、平地，其中也包含了形成西井峪村井字形山水格局的3条沟谷、4个地形最高点、1处平地、2处不同方向悬崖，充分考虑了整体的山水格局、建筑物、植被等影响因素。场地环境信息来自实地调研，并在上午、下午各选取4个点观测黑球温度(表1)。

3.1.3 测试方法

2017年5月12—13日，课题组完成了小型气象站安装工作，并进行固定点24h观测，通过信息平台进行监控和数据采集。目前已采集5—11月的数据与天津市标准气象站所测数据进行对比，并和实测资料一起，通过采用国内外较为常用的误差平方根值RMSE和平均绝对百分比误差MAPE两种指标对数值模型进行模拟精度评价，验证了数值模拟的可靠性(因篇幅所限，在此文中不作过程阐述)。2次实测数据记录频率为：风速仪风速风向10min/次，温湿度自记仪和黑球自记仪5min/次，移动气象站10min/次。风速仪设置在距离地面约1.6m高度处，采取旋转360度对最大值进行读数，并采用手机罗盘确定风向。为避免阳光直射，温湿度仪探头以锡箔纸包裹，放置在距离地面约1.2m高度处。

3.2 数值模拟法

数值模拟是通过建立对象的数字模型、计算模型，将理论分析应用于模型计算，并以此探究计算区域内动力学、热力学情况的方法。在结合实地观测法对数值模拟可靠性进行比对评价后，采用数值模拟法进行进一步分析，可以解决测点数量的局限性，在人力、财力及时间资源上有极大程度的节约，从而提高工作效率。在构建软件模型后，可以对同一模型进行多次模拟计算、核对校准，从而获得大量参数数据，对后续的参数化模型建构和规划设计方法研究有极大帮助。课题组通过CAD、Sketch up建立西井峪村三维模型，经Rhino修改后导入Phoenics和Ecotect软件平台进行模拟计算，在模型建立过程中，尽可能保留了模型的地形细节。

4 实验结果与分析

4.1 实测结果与评价(图5)

4.1.1 西井峪村与天津市微气候对比

通过小型气象站收集的数据比对分析，将村落与城市作外部比较以验证村落选址的理想格局，良好的外部山水环境为西井峪村微气候环境更加宜人的主要原因(表2)。

图3 西井峪村山水格局示意图

图4 西井峪测点定位图

4.1.2 温度

1)在春季温度测量结果中，在个别点经历了8：50前的短暂降温后，西井峪村各测点在8：30—13：00基本均处于升温状态，在11：30左右达到最高温度，D点上升速度最慢平均温度也最低。

2)各测点平均温度情况为：B＜D＜C＜5＜1≈4＜E＜3＜2＜A。在春季，空间开合度、空间布局对温度有较大影响，1号、4号两点的温度变化曲线与平均温度都十分接近,两点均在东西向封闭状态南北向开敞，且具有接近的开敞尺度，可见相近的山水格局可能造成地区内热环境的接近。沟谷类型的1、2号点，1号点位于南北向沟谷中，2号点位于东西向沟谷中。由于春秋两季的测量时段均集中于14：00之前，主要测得的结果为上午日照升温区间，因此南北向沟谷的1号点在春秋两季平均温度均低于2号点。可见山体遮挡除影响区位总体辐射得热之外，对气温变化情况也有巨大的影响。南北向的沟谷，上午受到山体遮挡将减慢温度上升速率；东西向沟谷内则温度上升较快。2号点位于东西向沟谷中；3号点位于村落东西坡向最高点，两点在、东侧均为开敞空地，建筑、植物对其影响较小，因而两点受太阳辐射情况较为类似，此两点平均温度接近，温度变化曲线相似，在夏季此两点也出现了类似的温度变化趋势。但3号点由于位于村落西侧的沟谷处悬崖处，受峡谷风等因素影响，造成温度多数情况下比2号点更低。

3)2、3 、5号测点数据温差、方差表明，在测点东侧有较高山体或南侧有较高山体的情况下，测点温度变化幅度较大，以5号点为例，在9：00之前由于山体遮挡，造成了日照不足，温度上升缓慢的情况；在10：00后，温度升高较快，因此温度方差、温差较大。

4)在夏季的测量结果中，各点在经历了短暂的升温过程后，基本处于相对稳定的温度范围，在12：20之后，各点出现了陡崖式的升温，这与夏季正午日照十分强烈有很密切的关系。从平均温度来看，各点平均温度排序为：5＜D＜1＜E＜C＜3＜2＜A＜B＜4。5、1、E三点在测点东侧均有山体阻挡上午日照，使得此三点上午至中午温度较低。下垫面对温度的影响也十分强烈。

5)小结。

(1)夏季西井峪村内气温略低于天津市区，是更为宜居的小气候环境。

(2)通过2、3，1、4两组测点比对，验证了空间开合度与空间开敞方向共同对测点的温度产生影响。

(3)沟谷方向影响日照进而影响谷内各点的温度变化趋势，在上午主要体现为南北向沟谷谷内温度较慢，东西向沟谷内温度上升较快。

(4)南侧山体影响某一时段日照，进而造成局部温度波动较大，出现陡崖式升降温。

4.1.3 湿度

1)春季测量中，各测点在8：30—13：00基本为下降趋势，其中5号点下降最快，B点下降最慢。其余各点的下降速度和最低湿度均基本相近。各点当日平均湿度情况为：A＜5＜3＜E＜2＜4＜1＜C＜D＜B。春季各点湿度较均匀。

2)1号点在东侧有山体，遮挡8：00—10：00日照，10：00前湿度较高，10：00后湿度陡降。测点南侧的山体在早晨不遮挡阳光，在临近中午时测点产生阴影，使测点湿度先降后升(2号点)。

3)测点在不受山体遮挡影响时，其湿度会出现先降后升的趋势，A、B、C、D四点均位于山顶，都出现了这一现象。笔者认为出现这种趋势的原因在于日照对湿度影响存在2个阶段。第一个阶段中，受日照影响，空气、植被中的水蒸气快速逸散，造成各点位湿度的陡然下降；第二个阶段，随日照逐步加强，温度升高，土壤中的水分开始蒸发，造成第二阶段湿度的上升。

表1 实验测点信息表及山水格局分类

表2 西井峪村和天津市区对比

4)夏季测量结果中，各点的湿度变化情况更为分散，可看出各点在夏季受到山水格局影响更为明显。夏季各测点平均湿度情况为4＜B＜A＜C＜3＜E＜1＜D＜2＜5。对比1、4两点可发现，在近似空间格局的前提下，周边植被情况可能对湿度产生较大影响。1号点周边存在较多灌木；4号点周边植被较少。1号点比4号点平均湿度高8.5%，可见周遭植被越多，测点湿度越大。春季的平均湿度情况也支持这一结论。

5)小结。

(1)在不受山体影响的山顶会出现湿度先降后升的趋势，这是由于日照对湿度影响存在2个阶段，原因如上文所述。

(2)山水格局影响日照从而影响湿度，海拔越高影响时间越长。

(3)植被具有保持水汽的作用，植被较丰富的区域，一般湿度也较高。4.1.4 风环境

1)通过对春季各测点风速与地形的对应关系研究，发现各测点的风速情况波动较大，但受地形影响明显。特别是沟谷对风速的影响尤为强烈。在西侧沟谷附近的3号点和E点，由于海拔差异，使得处于高处的3号点平均风速是低处E点的2倍以上，最大风速是E点的3倍以上。可知风速受到海拔高度的影响明显。此外3号点位于南侧横向沟谷与西侧沟谷入口交汇处，受2个谷风影响。

2)春夏季实测风向基本与春夏季的主导风向相近，但各点风向受到地形影响，各不相同。在东西向的谷地类型中，2、3两点的主导风向均为西风，其他各点则主要为北风或西北风。2、3号点位于东西向沟谷中，因而西北风在山谷的影响下转为了西风，3号点位于西北风进风口，受到峡谷风影响风速大大增强。但在夏季由于主导风向转为南风，使得垂直于风向的3号点风速锐减。

3)对比各点平均风速，D点、3号点的风速最高，因此两点所处环境均在西侧完全开敞，且无植被、建筑物等增加地表摩擦系数。但结合3号点、D点的风速曲线、各时段风向分析，发现3号点在西风条件下风速更高，D点在各风向条件下均有较大风速。对比3、D两点的风速差、方差，出现了对风速差、方差的放大效应，使得风速的波动程度较大。

4)夏季测量结果各点风速相对稳定。从整体来看，山顶各点(A、B、C、D)风速相对较高。村落内部各点风速相对较低(3、4、5)，2号点位于平行于主导风向的沟谷中，风速较大且波动明显。

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5)从平均风速来分析，A点平均风速最高值与B点平均风速接近。对山顶各点进行分析发现，在主导风向(东风)来风区域的A、B两点比C、D两点风速更高。说明在经过A、B两点的山峰后，风力被削弱，可见在宏观层面上风速也受到地形的影响。

6)对比春夏两季4号点与1号点，两点空间构成基本相同，但4号点周边为单层建筑，1号点周边为较高山体，1号点平均风速比4号点低50%左右，在空间构成相近时，遮挡物高度对风速的影响较大，且遮挡物越高，对风速的降低越明显。

7)通过对各点风速、风向及山水格局进行对比发现，风向与山水格局相互作用影响测点风速。春季天津地区主导风向为西北风，受到村落内地形影响后，风向在1、2两点分别转为西风、北风，同时1号点风速显著小于2号点。

8)小结。

沟谷对风速的影响较大，且平行风向的沟谷会显著的放大风速，但垂直向沟谷则会削弱风向。沟谷与山顶的风速接近，但山顶风速、风向分布更加均匀。风速受海拔高度和空间开合度影响显著(表3)。

4.2 数据模拟分析

在对村落进行微气候研究的过程中，我们采用了Phoenics与Ecotect软件平台对村落进行风环境模拟和太阳辐射模拟，作为对实测数据难以覆盖全年、全时段问题的补充，并弥补测点数量的局限性，使得评价分析更具普遍性。

4.2.1 风环境模拟

本次入流边界条件采用距西井峪村仅3.1km的蓟州文昌路气象站的数据，参考小型气象站数据，选取2017年立春至立夏，立夏至秋分，2016年立冬至立春3个时段的平均风速为边界条件(图6、7)。

西井峪村在春季有一定防风的需要，东南部小范围开敞的情况保证了2～3m/s的自然通风，也阻挡了过大风速。村外的区域中，入村公路处形成了较明显的峡谷风区域，府君山西北侧形成了一处不利于疏散内部空气污染的静风区，饽饽山背后形成了一处风速较高的区域，以上3处区域被排除出村落范围。

在夏季，东南向的沟谷将东南风引入村落，在村落中营造了3～4m/s的舒适风区，西井峪村的选址基本上避开了夏季较为闷热的府君山南部山脚，院落多集中于饽饽山周边的迎风区。西井峪村在夏季的通风、排污降温均依赖于府君山主次峰沟谷。村落西部的开敞区域也与村落内部自东向西的坡地共同对村落内部的风环境产生了较好的影响。

冬季村落主要需要适度降低风速，以降低村落的采暖成本，但仍需要一定量的微风形成自然通风，将采暖、生活等产生的废气排走，西井峪村整体位于2～3m/s的微风区。西部、北部的高地与东南方位的沟谷使得村落在居住保暖和废气疏散方面实现了较好的平衡。

图5-1 西井峪村春季温度曲线图

图5-2 西井峪村春季温度分析图

图5-3 西井峪村夏季温度曲线图

图5-4 西井峪村夏季温度分析图

图5-5 西井峪村春季湿度曲线图

图5-6 西井峪村春季湿度分析图

图5-7 西井峪村夏季湿度曲线图

图5-8 西井峪村夏季湿度分析图

图5-9 西井峪村春季风速曲线图

图5-10 西井峪村春季风速分析图

图5-11 西井峪村夏季风速曲线图

图5-12 西井峪村夏季风速分析图

村落范围内的5、4、Q三点位于村落范围内，此三点具有风速相对稳定、风速夏高冬低、无静风区域三大特征，可见在村落范围内的风环境较好。同时由于村落处于井字形的特殊地理环境中心，春夏两季风向发生了较大偏转，由东南风转为东风。风向改变后与村落街巷的布局基本平行，依据实测结果所得的结论，平行于风向的建筑、山体可增大风速。因此夏季村落内的风环境应相对宜人。冬季风向基本未发生偏转，仍为西北风，进入村落范围后会因村落内下垫面粗糙程度增加风速逐步降低，进一步起到防风、保温的作用。

1、2两点的山谷方向不同，1号点垂直于春、夏、冬三季的主导风向，2号点垂直于三季的主导风向，因而在3个季节中，2号点风速均小于1号点。山谷方向对风速的影响较大。垂直于主导风向的山谷中甚至可能形成静风区，不利于村落废气的排出。但此现象受到风向的影响较大，在特殊情况下可能出现与模拟情况相悖的情况。

3、5、E三点均为东向缓坡依靠型山水格局，但此三点的具体位置各有不同。在春夏两季5、E两点均为山坡坡脚，山体阻挡了东南方向的主导风向，风速较低。冬季此两点风速不受山体影响，均处于较高水平。3号点位于山坡坡顶，3个季节的风速特征与5、E两点的规律略有不同，此点的风速特点与村落内部的风速特点相近，春季风速适中，夏季风速较大，冬季风速较低。

数值模拟验证了西井峪村的村落布局不仅降低了村落在夏季降温、冬季保温的成本，同时也兼顾了通风、排污、采光、防捞等因素，体现了我国古人环境营造的智慧。

4.2.2 日照模拟

通过对辐射得热进行模拟并加以分析可以发现：总体为向阳面温度较高，背阴面温度较低，且受到坡度影响较大。当背阴处坡度小于模拟时间段太阳最低高度时，辐射得热会略低于向阳面。当背阴处坡度大于太阳最低高度时，则辐射得热差值将更为明显。结合前文实测评价，太阳辐射不仅改变了区域内各点的温度，也对湿度有较大影响(图7、8)。

此外，山顶与陡崖分别为日照得热的极高点与极低点。山顶无遮蔽物影响，且往往有较平坦的平台，利于接受太阳辐射，陡崖特别是西侧、北侧陡崖会形成日照极低的区域。山谷的西侧、北侧往往日照较低，在山谷地形处尤为明显。过于陡峭的向阳面(南、东南、西南)也会因日光入射角度形成日照不足区域。

4.3 总结

对比各点的风环境模拟结果，山水格局会对风产生较大影响。在沟谷区域易形成峡谷风，风速过强；在山体背风处风速较弱，甚至可能形成少量静风区，两者都不利于作为居住点。因此通过模拟西井峪村的村落布局对风环境的影响，发现合适的山水格局和村落布局可使得村落有更好的微气候特别是较好的风环境。

通过对辐射得热进行模拟并加以分析可以发现：总体为向阳面温度较高，背阴面温度较低。此情况受到坡度影响较大。当背阴处坡度小于模拟时间段太阳最低高度时，辐射得热会略低于向阳面。当背阴处坡度大于太阳最低高度时，则辐射得热差值将更为明显。结合实地调研结果，太阳辐射不仅改变了区域内各点的温度，也对湿度有较大影响。

气温作为人体感知外界环境的最重要因素，同时受到风速、太阳辐射2个方面的共同影响。通过对太阳辐射和风环境综合分析可以得知，无论是南北向沟谷还是东西向沟谷均不利于温度的保持，因此沟谷实际上并不利于人类居住；山顶也因夏季暴晒，冬季多风，不适于定居；南向缓坡最为理想。

5 结论

古人通过对自然地形的实地勘探和分析，观察山的走势与高低变化、主从关系，寻求阴阳五行之中生发之气的凝聚点。这个凝聚区域就是人们所希冀的理想居住环环境。本文通过微气候环境实测和数值模拟分析，验证了西井峪村理想山水格局的选址和村落内部不同山水格局类型区域的微气候特点。环山型的山水地形格局能够阻挡隔离大气候系统的不利气候因素(如过大的风速)的进入，并保证了村落的通风换气，形成了小气候系统自循环的地形空间形态(表4)。

本文是对西井峪村目前实测和模拟成果的初步总结，主要是A、B板块研究内容，其他研究将在后续工作中进一步深入完善，包括山水格局类型与微气候舒适度综合评价及两者之间的规律。作为大课题的第一阶段工作，后续还将在此基础上进行控制性的形态参数、形态参数的图谱表达技术和设计新流程以及基于微气候适应性的山水格局优化方案等关键科学问题研究，从定量与定性双重角度，探求基于微气候适应性设计的京津冀传统村落山水格局生态智慧的规律、理论、方法与技术。

注：文中图片均由作者绘制。

项目负责人：齐羚

主要参与人：马梓烜、刘加根、宋志生、李敏

参与课题基础调查的成员：郭雨萌、张雨洋、崔岳晨、徐博伟、谢卓城、刘冉倩、刘静羽、唐璇、张君宇、崔星雨、韦佳星、李子璇、马景、秦嘉岳、王雨婷、赵越