西咸新区海绵城市人体舒适度评价
2019-02-14周德宏邓朝显牛乐田
周德宏，刘 帆，邓朝显，刘 艳，牛乐田，王 薇
(1.咸阳市气象局，陕西咸阳 712000； 2.陕西省西咸新区沣西新城开发建设(集团)有限公司，陕西西咸新区 710000)
近年来，随着城市化进程的加快，城市用水量逐年增加，城市干旱缺水态势加剧，北方城市旱季缺水尤为突出。与水资源总量短缺、分布不均的状况相伴，汛期内涝问题越来越突出，城市“看海”屡见不鲜。为了转变城市发展的旧观念，探索新型城市发展模式，2013年起，西咸新区沣西新城因地制宜地探索实践海绵城市建设。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水等，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生。总体来说，海绵城市有两大功效，即防治城市内涝以及雨水收集利用。
随着人们对生活环境质量要求的不断提高，人居气候舒适性的研究显得尤为重要。国内外学者对城市气候舒适性的研究颇多，应用较多的是综合了气温、湿度、风速、日照等要素的气候舒适度指数[1-4]，大多集中在气候旅游资源评价和区域人居环境的气候适宜性分析[5-9]。针对西咸新区人居气候舒适性评价研究的非常鲜见。西咸新区沣西新城海绵城市(简称西咸新区海绵城市)建设进程中，城市下垫面类型从裸地到吸水地面，产业结构调整、转型和升级，城市人居环境也发生了变化，进而重布了人口分布。利用西安和西咸新区海绵城市2012—2017年的气象资料，对比分析两个区域的人体舒适度指数，综合评价海绵城市的人体舒适度，为区域人口发展、能耗调控等提供了一定的指导意义。
1 资料和方法
1.1 研究区概况
2015年1月19日，根据习近平总书记关于“加强海绵城市建设”的讲话精神和中央经济工作会议要求，财政部、住房城乡建设部、水利部下发通知，决定开展中央财政支持海绵城市建设试点工作。西咸新区积极实践海绵城市建设模式，确定沣西新城核心区作为建设试点，建设“组团布局、大开大合”的现代田园城市，通过生态海绵保育绿色本底、湿地海绵修复河湖水系、城市海绵建设都市绿网等全方位实现海绵城市建设效果。
西咸新区沣西新城位于西安与咸阳两市之间，总规划面积143.17 km2，其中建设用地64 km2，非建设用地79 km2。该区域属于半干旱、半湿润大陆性季风气候，四季冷暖干湿分明，年平均气温13.6 ℃，年降水量520～600 mm，降雨集中，6—9月降雨量占全年的61%，年均日照时数2 055 h。
1.2 数据来源
采用2012—2017年西安站气象观测资料和沣西新城内的3个自动气象监测站(钓台、大王、马王)的逐日气温、降水量、平均风速、日照时数和相对湿度等数据(见图1)。3个自动气象监测站各要素的平均值代表西咸新区海绵城市的数据。为了确保研究结果的准确性，对个别缺失或不合理的气象数据采用内插法计算补充或纠正。数据来源于陕西省气象局。
图1 研究区气象站点的分布
1.3 研究方法
选取温湿指数ITH(temperature humidity index)、风效指数K(index of wind effect)和体感温度Te(apparent temperature)来描述人体舒适度，通过对三种指标的计算来评价西咸新区海绵城市人居环境舒适度。
1.3.1 温湿指数ITH温湿指数ITH也称有效温度，是指人们对环境温度和湿度的感知程度[10]，反映不同温度和湿度情况下人体感到舒适的程度，也是目前研究中最常见的一种评价指标[11]。计算公式为
ITH=1.8T-0.55(1-HR)(1.8T-26)+32，
(1)
式中，T为环境温度(℃)；HR为相对湿度(%)。公式中未考虑太阳直接照射的作用，因此只能表示人们在阴影环境下的感觉指标。
1.3.2 风效指数K风效指数K是指人体皮肤在不同气温和风速组合下对冷暖风效的感受，既考虑体表的散热，也考虑了太阳辐射后人体的增热，它反映体表与周围环境之间的热交换，即体表单位面积的热交换律(正值为吸热，负值为散热)[12]。其计算公式为
(2)
式中，T为环境温度(℃)，v为环境风速(m/s)，S为日照时数(h/d)。
1.3.3 体感温度Te体感温度Te是指在考虑了环境温度、湿度和风速等因素综合影响后，人们感受到的温度，它能定量表示人对冷热的感受，也是人体舒适度的评价指标[13]。其计算公式为
(3)
式中，T为环境温度(℃)，v为环境风速(m/s)，HR为相对湿度(%)。
1.3.4 人体舒适度划分标准 参考文献[9]，本研究将基于温湿指数和风效指数的人体舒适度评价标准分为9个等级。ITH、K分级和对应的人体舒适度等级划分标准见表1(各指数取整数值)。
2 结果分析
2.1 舒适度时间变化
图2为西咸新区海绵城市和西安的温湿指数ITH和风效指数K的月变化图，可以看出，两者的温湿指数ITH和风效指数K的月变化趋势一致，均呈现单峰型分布。7月以前，ITH和K均随气温的上升而上升，7月之后随着气温的下降而下降。
表1 温湿指数和风效指数的划分标准
从单一指标看，当温湿指数ITH在55～69时，人体感觉舒适。结合图2，西咸新区海绵城市和西安的体感舒适的月份为5—6月和9—10月；6—8月体感由舒适变为热；11月开始至次年3月由舒适变为冷。而根据风效指数K，K在-599～-300时人体感觉舒适，体感舒适的月份为3—4月和10—11月。综合考虑ITH和K，两个地区在10月均属于人居环境舒适区。
对比分析西咸新区海绵城市和西安的温湿指数ITH和风效指数K，两者各月的ITH基本重合；虽然K各月的变化趋势一致，但在冬季(11—2月)相差较大，尤其是1月和2月。为了进一步研究西咸新区海绵城市和西安的人体舒适度差异的原因，对比分析两个地区的月平均气温、相对湿度、平均风速和日照时数等气象要素发现，两个地区的气温和平均风速相差不大(图略)，主要差异体现在相对湿度和日照时数上(图3)。西咸新区海绵城市各月的相对湿度均明显高于西安，且春、秋、冬季比夏季明显。西咸新区海绵城市4月和9月日照时数略低于西安，其余各月均大于西安，尤其是冬季，其中10月、12月、1月和2月西咸新区海绵城市比西安月日照时数分别高出14.4%、12.0%、13.6%和10.8%。
图2 西咸新区海绵城市和西安的温湿指数ITH和风效指数K的月变化
图3 西咸新区海绵城市和西安的月平均相对湿度和日照时数对比图
2.2 体感温度Te
根据公式(3)计算西咸新区海绵城市和西安的逐日体感温度Te，确定两个地区各月的舒适等级，统计出基于Te两个地区人们不同感觉程度年平均日数(表3)。结果发现，西咸新区海绵城市全年感觉舒适日共有193 d，西安共有187 d，都主要集中在3—5月和9—11月，这个结果与温湿指数ITH和风效指数K的分析结果一致。西咸新区海绵城市全年有78 d为高温不舒适日，西安有81 d，都主要集中在6—8月；西咸新区海绵城市全年有95 d寒冷不舒适日，西安有97 d，主要集中在11—12月和1—2月。相对于西安，西咸新区海绵城市的人体舒适度更高，夏季高温不舒适日数和冬季寒冷不舒适日数均比西安少。
表3 基于Te的西咸新区海绵城市和西安不同舒适度等级日数
2.3 舒适期及特征分析
根据ITH和K两个指数等级划分标准(表1)，利用文献[14]方法确定西咸新区海绵城市各月综合人体舒适程度。结果表明，西咸新区海绵城市人体舒适期长度为9个月，人体感觉非常舒适的时期在4月和10月，感觉很舒适的时期为5月、9月和11月；不舒适期有3个月，集中在1月、7—8月(最冷和最热月)。
西咸新区海绵城市舒适期集中于春秋两季，即属于春秋舒适型气候，夏季雨热同期，冬季无严寒，全年舒适日达到193 d左右，适宜度较高。舒适期年内分布呈“M”型，3—5月、9—11月属于舒适期。4月和10月最舒适，气温、湿度适中，日照充足，风速较小；5月、9月、11月舒适度次之。夏季(6—8月)高压控制、云量稀少、日照强烈、持续高温，室外人体感觉闷热或炎热，但西咸新区海绵城市通过多种手段建设现代田园城市，缓解热岛效应，提高舒适度；冬季气温低、风速较大，室外人体感觉较冷，舒适度较低，但海绵城市冬季供暖，室内舒适度相对较好，具有优良的宜居性。
3 结论
选取温湿指数(ITH)、风效指数(K)和体感温度(Te)3个指标，对比分析了西咸新区海绵城市和西安的人体舒适度变化，研究结果如下。
(1)西咸新区海绵城市和西安的温湿指数ITH和风效指数K月变化均呈单峰型分布，7月之前ITH和K均随时间上升，7月之后随之下降。两个城市的温湿指数ITH和风效指数K月变化趋势基本一致，但体感舒适的月份有所偏差，ITH指标显示体感舒适的月份为3—4月和10—11月；K指标结果显示体感舒适月份为5—6月和9—10月，主要是由于两个地区的相对湿度和日照时数差异较大。
(2)海绵城市全年的清凉舒适日有193 d，西安有187 d，都主要集中在3—5月和9—11月。海绵城市全年有78 d左右为高温不舒适日，都主要集中在6—8月；有95 d为寒冷不舒适日，主要集中在11—12月和1—2月。相对于西安，海绵城市的人体舒适度更高，夏季高温不舒适日数和冬季寒冷不舒适日数均比西安少。
(3)海绵城市人居环境气候舒适期长度为9个月，集中于春秋两季，即属于春秋舒适型气候，舒适期年内分布呈“M”型，季节明显。人体感觉非常舒适的时期在4月和10月，感觉很舒适的时期为5月、9月和11月；不舒适期长度为3个月，集中在1月、7—8月。
(4)由于本研究只考虑了气温对海绵城市气候舒适度影响的初步结果，今后在分析海绵城市气候舒适度时除了考虑气温外，还应引进考虑风速、湿度、太阳辐射、气压对人体舒适度影响的指标，从而提高模型的精确性。
