基于ENVI-met 情景模拟的“冷岛型”城市森林设计方法∗

李舟雅 宁琪雯 王雨涵 戈晓宇

1 北京林业大学园林学院 北京 100083

2 河北农业大学园林与旅游学院 河北保定 071000

随着城市的发展, 城市热岛效应越发显著,对城市生态环境、 居民健康等造成了很大的影响。许多专家学者指出城市绿地、 城市森林等绿色基础设施是缓解热岛效应的关键因素[1-5]。 已有的研究多侧重于城市绿色空间对热岛的缓解、 城市降温增湿的作用及其产生的冷岛效应, 而以规划设计方法为主要内容的研究却较少。 本文以秦皇岛海滨国家森林公园的规划设计为例, 运用ENVI-met 微气候模拟软件为辅助工具, 探究和总结以场地外部热岛效应缓解和场地内部舒适度调节为目标的“冷岛型” 城市森林空间环境营建方法,为城市森林公园的设计提供参考。

1 研究地概况及研究方法

秦皇岛海滨森林公园位于河北省秦皇岛市海港区, 总面积为108.7 hm2, 周边为秦皇岛海滨旅游区与北戴河度假区, 具有丰富的旅游资源： 东侧紧邻滨海大道, 南北侧有各大火车、 汽车站,西侧靠近秦皇岛市政府与大面积居民区相接。

针对场地周边热岛效应缓解的研究数据主要选取2013 年5 月30 日和2018 年4 月26 日的Landsat8 OLI/TIRS 遥感影像为基础数据源, 用ENVI5.1 对其进行大气校正和热辐射定标, 并用相应波段进行地表温度反演计算, 以此分析研究区域的热岛分布情况。 场地内部舒适度调节的研究数据来源于对秦皇岛海滨森林公园的实地调研,其数据主要包括相关气候条件和场地的土壤、 水文条件。 通过微气候模拟软件ENVI-met 对场地周边以及场地内部微气候条件进行可视化模拟,参考模拟结果合理选取适宜场地位置进行森林活动空间环境的营建。

2 场地周边城区热岛效应缓解设计方法

2.1 场地周边热环境分析及模型校核

已有研究表明, 绿地的冷岛效应主要体现为通过植被的遮荫作用及叶片的蒸腾作用调整局部温湿度和增加空气流速, 从而达到缓解城市热岛的目的。 因一年中温度较高的时期主要集中于夏季, 故冷岛效应对于夏季的调控价值比其他时间段会更大。 秦皇岛每年最佳旅游观光时间为每年的5—9 月[6], 该时间段处于秦皇岛全年温度较高的范围, 故夏季时的热感比其他时间来说更为明显, 因此本文选取夏季作为主要研究时间。

本研究从地理空间数据云中选取秦皇岛海港区2013 年5 月30 日02 ∶43 ∶27 和2018 年4 月26日02 ∶40 ∶30 成像的Landsat 8 OLI/TIRS 遥感图像, 将两幅遥感图像导入ENVI5.1 进行辐射定标和大气校正处理, 并选用大气校正法对研究区域进行地表温度反演。 结果显示, 2013—2018 年,研究区域周边城市的地表温度有较明显的变化,表现在地表温度相对升高和高温区面积有所扩大,由此推断出研究区域周边的城市环境存在一定程度的热岛现象。

图1 2013 年5 月30 日模型温度模拟

图2 2018 年4 月26 日模型温度模拟

本研究使用ENVI-met 软件对开发前场地周边区域温度状况进行了模拟, 模拟时间分别为2013 年5 月30 日的02 ∶59 ∶59 和2018 年4 月26日的02 ∶59 ∶59, 与两幅Landsat 8 遥感影像成像时间接近以验证本次研究模型的正确性。 模拟结果如图1 和图2 所示: 研究区域内部及周边的温度分布与温度反演图像相似, 在温度反演图像中研究区域中的温度普遍为19.8 ℃～20 ℃, 模型模拟的温度约18 ℃, 两者温度相差1 ℃～2 ℃, 模拟结果与反演值存在些许误差, 误差为5%。 总体来说本研究所建模型具有一定的正确性和参考性,可指导本次研究的进行。

2.2 “冷岛型” 城市森林设计策略

1) “冷源” 空间的识别。 秦皇岛海滨森林公园毗邻渤海, 由于植被和水体的特性使其温度比周边城区低, 从地表温度反演中可以判断, 海洋是秦皇岛市天然的“冷源”。

2) 通风廊道的建立。 基于上述的场地优势,设计人员通过构建与秦皇岛市夏季主导风向平行的通风廊道提升空间的通透度, 以缓解周边城区的热岛效应。 由前期调研可知, 秦皇岛市夏季主导风向为东南风： 由于公园毗邻渤海, 且渤海位于公园的东南方位, 可以考虑从宏观上构建一条从海洋到城市的通风廊道, 利用公园中的复层、地被栽植或者水体形成风廊, 将海洋、 森林公园、城市道路等要素联系起来, 通过廊道将海洋和公园的新鲜空气顺着盛行风方向将风吹进建筑密集的城市内部, 从而有效降低城市内部温度。

3) 通风廊道的尺度确定。 研究表明, 城市主要通风廊道宽度需达到100 ～150 m, 长度最小须达到1 000 m： 次要廊道的宽度需不小于50 m,长度最小要达到500 m 才会有比较理想的通风效果[7-8]。 故本项目将通风廊道宽度定为120 m, 由此可以将森林公园的布局结构确定下来。

2.3 场地周边模拟结果与分析

本研究使用的ENVI-met 模拟软件采用三维非静体力学模型, 该模型由3 个独立的子模型及嵌套网格组成, 子模型包括三维主模型、 土壤模型以及一维边界模型[9]。 构建该环境模拟体系需要的数据有区位经纬度位置, 最近3 年最高温日期和在该日到达最高温度的时刻、 风速、 植被覆盖情况等。

土壤模型负责计算地表到土地内部的热传递过程。 一般情况下从下垫面表层到地下1.75 m 用于统计土壤湿热传导, 当进行水体土壤层模拟时,需根据不同水体性质调整土壤模型下垫面深度,用以模拟水体成分下的土壤环境温湿度变化。 根据所掌握的地勘报告, 场地内的土层结构主要为填土、 粉质黏土以及砂质黏土等。

植被模型利用输入参数模拟植被—大气—土壤间的交互作用。 植被模型来源于种植设计施工图, 输入参数包括冠层结构(叶面积指数、 根面积指数、 高度等), 土壤参数(土壤各层相对湿度、 温度), 气象参数(风速、 风向、 大气温度、相对湿度等) 和太阳辐射系数等： 输出参数有风速、 空气温度、 土壤温度等[10-11]。

通过前期调研可以获得的数据为: 秦皇岛市近3 年夏季平均气温达25 ℃～32 ℃, 风向为东南风： 开园时长为10 ∶00—18 ∶00。 相关参数设置如表1。

表1 ENVI-met 参数设置

通过对公园所在区域的环境温度进行模拟,可将该区域大致划分为3 大温度分区, 如图3 所示。 相较Ⅱ、 Ⅲ两个区域, 公园所在I 区域的平均温度范围最低, 为21.66 ℃～22.10 ℃。 位于城市区域的Ⅱ、 Ⅲ区与Ⅰ区域的交界处有明显的温差变化(0 ℃～5 ℃), 表明森林公园本身对于降低周边区域温度有一定积极作用。

根据森林公园所在区域的环境湿度模拟图像也可将该区域划分为3 大湿度分区, 如图4 所示。与Ⅱ、 Ⅲ两个区域相比, 森林公园所在Ⅰ区域平均含湿量范围最高, 为9.23 ～9.69 g/kg, 数值平均高出0～2 g/kg, 表明森林公园对于周边城市居住区和商业区有较为明显的增湿作用。

森林公园所在区域的风速因子模拟结果如图5 所示, 根据模拟结果可将该区域大致划分3 大风速分区。 公园所在I 区域因临海而平均风速最高, 为1.11 ～1.56 m/s, 比其他两区域高出0 ～1.2 m/s。 由模拟结果可知, 森林公园和城市相邻区域形成了两处明显的通风廊道, 说明森林公园为促进周边城市区域空气流通、 提高清洁氧气交换频率提供了良好的通风环境。

3 场地内部舒适度调节设计方法

3.1 场地内部环境舒适度概述

1) 场地内部现状舒适度情况。 根据前期调研结果, 研究区域内局部建成了初具规模的公园形式, 但大部分场地为之前营建的防护林, 场地内部水体分散, 景观性和舒适性较差, 故需对其景观风貌进行改善以提升舒适感。

图3 区域环境温度模拟

图4 区域环境湿度模拟

图5 区域环境风速模拟

2) 人体舒适度评价方法。 常见的人体舒适度指标有美国气象局的Thorn 于1959 年提出的不舒适指数(DI)[12]、 美国学者Gagge 提出的标准有效温度(SET)、 生理等效温度(PET)[13]等。 因不舒适指数涉及的变量只有空气温度和空气相对湿度两个因素, 比其他评价指标更为快捷, 故本研究采用不舒适指数作为对比标准。 其计算公式为:

式(1) 中,T为空气温度(℃),RH为空气相对湿度(%)。 一般DI值越高, 人体的不舒适感越强烈。 具体的不舒适等级划分如表2[14]。

表2 不舒适等级划分

3.2 场地内部空间的设计方法

1) 对现有水体进行梳理整合。 有研究表明,水体对公园环境有较好的增温降湿、 提高局部风速的作用[15]。 通过对场地现状水体进行梳理, 将原有水系范围进行适当拓展、 整合与连接以形成完整体系, 并对水岸线形态进行丰富, 在提升观感的同时将水体对微气候环境的影响范围扩大,可极大提高人在环境中的良好感受。

2) 用植被和地形强化边界。 通过对公园地形的梳理、 局部微地形营造以及利用植物进行围合等方法, 在森林公园与外部环境交界处形成隔离,将城市和交通活动所产生的污染和噪音隔离在外,也可以有效提升人在森林公园中的体感舒适度。在树种选择方面, 可优先选择具有杀菌、 有较强吸附性或过滤性的乡土树种。

3) 由环境因子确定活动空间。 设计人员根据相关规范及相关软件对研究区域内的各项指标进行初步评价, 综合选出微气候环境较好、 建设适宜度较高的场地作为园区道路或活动场地： 对于不适合建设的区域则通过补植乡土植物等其他方式以创造良好的生态环境。 此外, 活动场地沿着水边布置活动空间也能极大地提高人体的舒适感。

3.3 场地内部模拟结果与分析

3.3.1 开发前模拟结果

开发前公园内部整体环境温度约19.44 ℃～20.27 ℃, 其中森林湿地区温度最低, 越靠近外部交通道与城区的温度会明显上升。 全园相对湿度范围59.4% ～65.09%, 大多数区域集中在60.44%～63.54%, 其中靠近林区海滨边缘的区域相对湿度最高, 靠近城区或植被覆盖度低的区域湿度最低。 场地内大多数区域风速较为平缓, 数值约0.65 ～1.35 m/s, 而边界区域靠近海滨, 其风速受海风影响, 数值大于1.35 m/s。

运用公式(1) 计算得出开发前场地的不适指数为18.98, 表明场地自然基底较好。 通过将环境因子综合叠加, 可将森林公园内部划分为3大环境适宜度分区(图6), 其中适宜度Ⅰ、 Ⅱ区微气候环境较好, 设计时应充分利用有较好自然因素的空间进行场地营造, 并对微环境条件欠佳的区域进行合理提升。

图6 开发前综合环境因子分析

3.3.2 开发后模拟及对比验证

开发后场地模拟结果如图7 至图9 所示。 开发后场地内部的温度范围在17.42 ℃～18.98 ℃,比开发前降低了2 ℃～3 ℃, 降温效果明显： 场地湿度范围为57.83 ～65.47%RH, 比开发前平均湿度明显提升： 开发后场地内部形成明显通风廊道, 其风速范围为0.05 ～1.60 m/s, 通风廊道最大风速增加, 同时场地内部有较多空气循环良好的局部空间, 可给游人较舒适的感受。

由模拟结果对比分析可知, 在对场地进行改造提升后, 适宜度Ⅰ、 Ⅱ区区域范围明显扩大。地形和水环境经过梳理后能有效提高人体舒适度, 综合提升了森林环境质量, 具体如图10 所示。 通过公式(1) 计算得到开发后场地的不适指数DI 降低至16.17, 表明研究区域舒适度有所提高。

图7 开发前后环境温度对比分析

图8 开发前后环境湿度对比分析

图9 开发前后环境风速对比分析

图10 开发前后适宜度区域分布对比

4 结论

本文通过对秦皇岛海滨森林公园周边和内部的各种环境因素进行分析, 提出了基于夏季时节缓解周边城区热岛效应和调节场地内部人体舒适度的城市森林设计策略: 1) 城市森林设计应从宏观上把控布局, 根据当地夏季盛行风向、 “冷源” 所处位置综合考虑, 构建顺应城市夏季主导风向, 与城市内部环境、 城市绿地、 城市道路相关联的通风廊道, 通过风廊引进的风使城市的温度得以控制, 从而缓解城市的热岛效应。 2) 可以从梳理现状水体、 营造城市森林边界以及根据环境因子选择活动空间3 方面入手提升森林公园内部人体舒适度。 水体和森林合理搭配可起到优化环境、 降温增湿的效果： 城市森林边界的营造和处理可采用竖向设计和植被围合来实现与城市外界的隔离, 有效提升场地内部舒适度： 选择有较好通风、 降温增湿作用的空间作为道路或活动空间会使舒适度的提升事半功倍。

文章利用ENVI-met 软件对公园开发前、 后对城市热岛以及人体舒适度调节的情况进行了模拟对比, 为城市森林建设规划提供理论依据和实践经验。 由模拟结果可知, 开发后的秦皇岛海滨森林公园对缓解城市热岛效应和提高人体舒适度方面具有一定的作用, 但由于当前情况限制, 本研究未能取得现场实测数据进行对比, 仅采用遥感影像进行模型校核, 所得结果精确度有所欠缺,希望在未来的研究中能够加以完善。