基于微气候适应性设计的京西南窖乡水峪村山水格局研究

2018-12-05齐羚马梓烜张雨洋刘加根

风景园林 2018年10期

齐羚马梓烜张雨洋刘加根

1 研究背景

传统村落保护工作重点之一是保护村落天人合一的山水格局。控制村落环境质量的最基本策略是符合传统风水模式的择址和山水格局营造。目前传统村落的开发与保护研究，主要集中在对村落定性的价值研究、评价和保护、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]。

1水峪村内部山水格局Interior mountain-water pattern of Shuiyu village

2水峪村选址的风水观Geomantic view of Shuiyu village site selection

3 实验测点定位图Location map of experimental measurement points

国外对于微气候及舒适度的研究开展始于20世纪70年代，研究成果广泛而深入[2-3]。中国从20世纪90年代开始进行相关研究。林波荣对园林构成和空间元素特征与室外环境热舒适调控机理进行定量化研究[4]。清华大学建筑学院对北京市典型区域微气候设计优化技术导则开展研究[5]。董靓等对气候适应性规划设计和气候舒适度评价方面做了大量的研究工作，提出适应降水、风、日照、气温等气候因子的设计策略[6-7]。孟庆林长期从事城市微气候研究，建立微气候多参数综合动态环境模拟系统实验平台[8]。由刘滨谊主持，同济大学与西安建筑科技大学合作的课题“城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究”从理论、方法、技术及案例调查验证4个方面展开[9]。刘晖主持研究探索生境营造的适宜性设计方法[10]。熊瑶等初步尝试通过研究微气候在近地面的状态与古典园林空间布局的关系，定性并定量地解读江南私家造园的空间营造理法[11]。近年国内外对于微气候适应性的研究工作成果显著且多集中在城市[12-13]，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。

本课题以京津冀地区传统村落山水格局的微气候适应性设计机理研究为核心，对长期以来积累的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。课题组针对京津冀4批中国传统村落和3个重点村落开展为期1年多研究。现阶段正在开展的工作内容包括2部分：1）编制4批、京津冀169个传统村落的山水格局特征[14-16]分类图谱，建立山水格局档案；2）北京房山区水峪村、河北井陉县吕家村、天津蓟州西井峪村3个重点案例村落的气象站安装和春夏冬三季节微气候调研与数值模拟及研究分析。本文是房山区南窖乡水峪村春、夏、冬季数据采集以及数值模拟的初步研究成果。

2 研究对象

2.1 研究对象范围界定

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[17]。本文研究对象为水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 水峪村概况

水峪村位于北京市房山区南窖乡北沟。村庄沿一条西北、东南向的沟岩分布，形成于水峪沟，以水为轴，向水而建。

水峪村山水环境具有“背山临水，环山聚气”的特点，符合藏风聚气，负阴抱阳的风水观。北部中窖梁为天然屏障，风水中曰“屏”，使水峪村北高南低。南坡岭低矮平缓，东面纱帽山山形似乌纱帽，西面山形似王位。北部高大山体阻挡了冬季的西北风，南坡低缓加之沟谷、水系引入了南风，整体通风环境良好（图1）。东村保存了明清时期村落格局、街巷肌理呈阴阳八卦格局，坤位为长岭坨（赏月丘），乾位为大槐树，以临水小路为村落主轴线（图2）。

3 研究方法

3.1 实地观测法

课题研究方法包括文献研究、实地测量、数据分析、数值模拟及分析。本文主要从实地测量及数据分析、数值模拟及分析两种方法进行阐述。实地观测法通过在距地面约1.5m高度采用仪器对实际研究对象进行观测，获得局地气候数据，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。整理总结移动气象站的全年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

实验仪器有：手持式热敏感风速仪（德国TESTO405-V1）、黑球温度自记仪（北京天建华仪HQZY-1）、温湿度自记仪（北京天建华仪WSZY-1）、移动气象站（中科正奇ZK-YD66个传感器太阳能供电）。实地测量由于条件所限，选取收集3个季节各1个测量日，10个空间观测点数据，测量日期为2017年3月11日、2017年7月5日、2018年1月13日。以上数据参考中国气象网北京地区数据和小型气象站数据，作为后期模型的输入参数。

春季在研究区域内布置测点18个，东西村各9个，分别在上午和下午2个时段进行观测。夏季和冬季进行了优化调整，在研究区内布置测点10个（图3，表1）。测点选择根据实验条件、山水环境特征及均匀布点的原则，同时考虑下垫面、建筑物、植被等影响因素。

3.1.2 测试方法

2017年3月10—11日，课题组完成了移动气象站安装工作，并进行固定点24h观测，通过信息平台进行监控和数据采集。实地测量中风速仪风速风向、温湿度自记仪、黑球自记仪及移动气象站实测数据记录频率均为：10min/次。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，以避免阳光直射。风速仪距离地面约1.5m，旋转360度记录风速最大值及瞬时风向。

表1 实验测点信息及山水格局分类表Tab. 1 Experimental observation points and classification of mountain-water pattern

3.2 数值模拟法

数值模拟是通过建模，使用Ecotect及Phoenics等软件将理论分析应用于模型计算。对同一模型进行多次模拟计算、核对校准，获得参数数据，并对后续的参数化模型建构和规划设计方法研究进行数据支撑。

4 实验结果与分析

4.1 实验测量结果与评价

4.1.1 水峪村与北京市区微气候对比

通过水峪村与北京气象站的测量数据对比发现，由于水峪村具有良好的山水格局环境，一年四季的平均温度均略低于北京市区，湿度较高，风速适宜（表2）。

4.1.2 温度

1）地形因素是影响温度的最关键因素。在不受风速影响的前提下，空间开敞性越高则温度越高。在3个季节的4组数据中，山顶、开阔地带的温度较高。春夏两季，开敞度较大的点温度升高快，平均温度较高。

2）空间形态相近的测点温度变化趋势相近，平均温度较为接近。春季上午测点中，空间形态相近的A2、A3、A9这3个测点平均温度也接近。此3个测点均处于水峪村东南向的沟谷中，空间开合度相近，3个测点的变化趋势也较为接近（图4）。

3）风速对温度影响强度在春夏两季远低于日照，仅限于对温度波动幅度的影响。春季上午10：10前后，A6、A1这两点风速较高，造成此两点的温度上升减缓。夏季同样出现了此现象，但总体趋势仍无变化。冬季出现风速过大改变温度变化趋势的情况。冬季A、B、C 这3个测点的温度波动高于其他各点，位于山体制高点，风速较大；村内各点受风速影响较小，温度波动幅度较小（图4）。

表2 水峪村与北京市区对比Tab. 2 Comparison between Shuiyu Village and Beijing urban areas

4 水峪村实测温度分析Analysis of measured temperature of Shuiyu Village

5 水峪村实测湿度分析Analysis of measured humidity of Shuiyu Village

4）小结。

对场地内温度的优化，应从使用空间择址入手，选择空间开合度较大的南向坡面，并充分考虑冬季背风和得热面积需要，保证北侧有山体或高大植被抵挡寒风及充分日照。4.1.3 湿度

1）空间开敞程度影响测点日照、通风和湿度，并与测点湿度基本呈负相关。且通过对夏季的对比发现，在空间开合度相近的情况下，日照的影响强于风速的影响（图5）。

2）测点植被的茂盛程度与湿度波动情况成负相关。但在村落内测点植被情况往往与下垫面情况相关，因而此结论需要进一步进行修正。

3）夏季各测点湿度受到降雨影响。其中3号点由于位于村落的核心区域，周边建筑物、植物密集，较利于雨水的吸收，湿度上升较慢。

4）小结。

测点湿度的影响因素包括测点空间开敞程度和植被覆盖情况。选择开敞的地形进行建造活动，并结合植物配置可有效地提升湿度舒适性。

4.1.4 风速

在风向上，当风经过与其不平行的山谷或街巷时，其风向会发生变化。村落内部实验测点的风向基本上平行于其空间走向。空间开敞的山顶处风向则更加多变。在风速上，对风速产生影响的主要有空间开敞程度、建筑密度和沟谷方向，有如下结论：

1）空间开敞程度对测点风速的影响最大。

以2、3号测点为例，两点的海拔、下垫面等情况基本相似，但由于3号测点位于南北、东西沟谷交点，周边无较高山体，2号测点在南侧有高山遮挡，空间开敞度较低，造成了2号测点在3季的平均风速远低于3号测点。

2）平均风速与建筑密度呈负相关。

水峪村春季测量当日的主导风向为北风，在北侧迎风面建筑密度较低的B1、B2、B6 这3个测点风速最高；周边建筑较为密集的B4、B5、B8这3个测点则风速相对都较低。

3）沟谷方向对与其平行或接近平行的风有增大风速的作用，对与其垂直的风有减弱风速的作用。

以冬季测量结果为例，风向稳定，风速受地形影响明显。南北向开敞的各点风速较高，例如1号、3号、7号、A、B、C这 6个测点的风速相对较高，它们在南北向上一般至少有一个开口，而其他点的风速明显较低（图6）。

4）海拔对风速的影响相对明显。位于山顶的测点风速比位于村落内部的6号测点风速高。此外，在夏季、冬季，B点是海拔最高点，风速比A、C两点更高。

4.2 山水格局与微气候关系

对实地测量点数据依据空间开合度及南侧山体影响程度，从大到小进行排序，使用线性趋势线及拟合优度（R²）对数据进行整理。通过R²确定各指标的影响力大小（图7、8）。

空间开合度对冬季温度、湿度、风速及夏季风速的影响较大。南侧山体对风速的影响也较为明显。夏冬两季风速与空间开合度呈正相关，与南侧山体影响程度呈负相关。冬季温度随空间开合度与南侧山体影响程度呈负相关。通过数据整理，验证了4.1部分对山水格局的分析。

6水峪村实测风速分析Analysis of measured wind speed of Shuiyu Village

7空间开合度与微气候关系Relationship between spatial openness and microclimate

8 南侧山体与微气候关系Relationship between the southern mountain and microclimate

4.3 舒适度分析

采用董靓博士的WGBT [WBGT=（0.828 8Ta+0.061 3Tmr+0.007 377 5R+13.829 7RH-8.728 4）V-0.055 1]指标对夏季数据进行初步分析发现如下结果（图9）。

1）空间较为开敞的测点WBGT指标较高，例如5号、A、C这3个测点分别位于村落中部开敞山坡和南北两侧山顶，造成了测点夏季日照强烈，升温迅速，WBGT数值较高。位于山谷中的2号、3号这2个测点的WBGT数值受到山体影响总体较低。

2）WBGT指标受日照影响较强。以3号测点为例，在上午10：30前，受到山体、建筑影响，日照较弱，WBGT指标较低。10：30后，日照强度突变，温度等数据也发生突变。

4.4 数值模拟分析

对村落的风速、风向等指标的模拟我们采用了Phoenics软件进行了风环境模拟（图10），采用Ecotect对村落辐射得热进行分析，从而得到山水格局与太阳辐射、热环境的关系（图11）。

4.4.1 风环境模拟

1）水峪村内部基本上遵循了向阳背风的原则。迎风面风速大，背风面风速弱，适宜人类聚落。东村选址在山的背风面，处于两山的小沟谷中。入口两侧为南山和北山山脉垭口，两侧山脉坡度大。西北侧山峰阻挡西北风侵袭，南山东西两侧谷口导入南风。

2）西村和新村处于三山所夹峙的南北向大沟谷中，西村在山谷中依山就势而建，谷地东南向开口利于夏季通风，受山谷风影响大，西面的山体减弱西北方向来的寒风，调节了冬季的小气候环境。但同时由于东南向为沟谷，出现了一部分风速较低的区域。东村各点则风速相对均衡，处于2.2～2.6m/s之间。依据Beaufort指数定义，处于微风（1.79m/s）至和风（3.58m/s）之间，是人居环境最为适宜的风环境。

3）当空气由开阔地区进入山地峡谷时，气流的横截面积减小，气流加速前进，从而形成强风，如图10山口处。

4.4.2 日照模拟

9 水峪村夏季WBGT指标分析Analysis of WBGT index in summer of Shuiyu Village

10 水峪村风环境模拟Wind environment simulation of Shuiyu Village

11 日照得热模拟Simulation of sunlight heat gain in Shuiyu Village

山体山坡各处温度与南向投影面积成正相关。如在实测点中A5、A7两点由于向阳面开阔，温度为各点中最高。另外山谷愈深、口面愈小，日出的时间越晚，每天的日照时间越短。如A4点处于山谷最深处，山体遮挡严重，在9：30前无日照，温度持续下降。山体的位置和布局对区域内日照情况影响较大，日照对场所内温度影响最为强烈（图11）。

西村和新村所在谷地为南北向，山体分别在聚落的东面和西面。越接近山谷的底部，日照时间越短。新村西侧山体较高，故在下午影响西村的日照环境。

东村为东西谷向，南坡中部坡度为村落主体部分，有效延长了村落接受的日照时间。北山中部为缓坡和东西向山谷，为农业梯田，使得村落北部的山体留出日晒和开阔空间，处于相对开阔山谷内，有利于争取太阳辐射。

4.5 小结

1）对比各点的风环境模拟结果，山水格局对风产生较大影响。风速与峡谷在以风向为法线的垂直面上开敞程度有关，开敞程度较高的点一般风速较大，开敞程度较低的点一般风速较小。

2）通过对辐射得热进行模拟并加以分析可以发现：山体朝向及山体坡度对场地的热辐射情况具有极大影响。

3）综合分析日照及风环境数值模拟，研究发现水峪村环境在春、夏、冬三季均适宜居住。其中东村（古村落区域）的各项模拟指标相对于西村和新村也展现了较为明显的优势。春、冬两季东村的风速相对较小，夏季风速相对较大；春季东村日照强度居中，夏季则有更多区域处于较为背阴区域。

通过分析整理，将山水环境与微气候进行了对应（表3）。

5 结论与讨论

古人运用中国传统风水理论智慧，精心选择村落、城市等聚落的基址，为居住者提供了良好的微气候舒适度。我们通过微气候环境实测和模拟，验证了水峪村山水格局在微气候各指标方面具有趋利避害的生态智慧。其选址充分考虑当地自然地形地貌和气候特征的影响，因地制宜布局，形成小气候系统自循环的围合地形空间形态。同时，对村落内部环境的研究也发现不同山水格局和微气候特征的对应关系及舒适度情况，这将在后续工作中进一步深入完善，并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的规律和方法。