城市街道景观构型对人体热舒适性的影响研究——以洛阳地区为例

葛霄汉,王燕飞,史雅君,顾子暔,孙 杰

(1.河南科技大学 土木建筑学院,河南 洛阳 471000;2.河南科技大学 土木建筑学院河南生态与智慧人居环境营造工程技术中心,河南 洛阳 471000)

城市街道占据超过四分之一的城市用地面积,是城市空间的重要组成部分。它既承担了交通运输的任务,又为城市居民提供公共活动的场所[1]。街道热物理环境的提升可以增强城市活力。对街道热舒适性进行研究可为道路改造或新建道路的设计提供理论指导,具有一定的研究意义。

国内外对景观绿化街道的热舒适性进行了一些研究。蒋毅[2]研究了街谷尺度下室外慢行空间的植物冠幅、间距以及高度方面对热舒适度的影响;刘滨谊等[3-4]梳理了街道中植被覆盖、乔木树冠与密度对小气候的影响及悬铃木行道树垂直降温效应;Boukhabla Moufida[5]研究了绿化对温度、风速、太阳辐射的影响;帅林茹等[6]研究了街谷尺度下乔木排布密度及乔灌草不同的种植结构对热舒适度的影响。目前针对街道景观布局形式对微气候的研究较少。本文对街道横断面的乔木组合形式进行景观构型定性研究,得出乔木组合形式与街道微气候及人体热舒适度的关系,为街道景观设计提出建议。

1 研究概况

1.1 研究方法与研究对象的确定

1.1.1 研究方法

目前国内外对街道热环境的研究主要有实测和模拟两种方法。实测方法的优势在于数据准确性更高,缺点是测量环境复杂导致难以对单一变量进行控制。模拟方法的优势在于可以对更大范围的样本进行单一变量研究,缺点是忽略了实测环境的复杂性。在模拟软件的选择上,ENVI-met软件已在多次研究中被证实其具有可靠性和有效性,本文选用该软件进行研究。

1.1.2 研究对象

(1)乔木是影响热环境的主要变量,因此本文对乔木组合形式进行单一变量研究并进行模拟分析。(2)东西向街道热环境工况明显劣于南北向街道[7]。(3)通过实地调研得出城市街道中横断面为三板四带的街道占比最多。基于以上结论,本文选取东西向三板四带道路作为典型代表进行研究。

1.2 热舒适性评价指标的选取

热舒适性指标可以直观反映人对当前热物理环境的主观感受。目前常用热舒适性评价指数有经验性指数与机理性指数,其中机理性指数以肌体热交换为核心,有更扎实的科学基础且涉及更多参数。Blazejczyk[8]研究表明,机理性指数中的通用热气候指数(UTCI)对热舒适度评价更为准确,且对外界环境轻度改变表现适应性更佳。因此本文选取UTCI作为热舒适性评价指标。

1.3 ENVI-met模型及边界条件设定

1.3.1 边界条件设定

本研究的选址位于河南省洛阳市(东经111.8′～112.59′,北纬33.35′～35.05′之间),洛阳市地处夏热冬冷地区与寒冷地区交界处。夏季日均最高温31 ℃,日均最低温19 ℃[9]。洛阳市的城市道路具有历史连续性且建设完善,适宜进行研究。本文选取北京时间7月9日作为典型夏季气象日,于河南科技大学土木建筑学院气象站(简称气象站)收集边界条件数据(见表1),并建立实测模型加以检验,证明软件模拟的准确性。

表1 边界条件参数

1.3.2 模型精度验证

选取洛阳市涧西区联盟路西段为典型研究对象(见图1),将锦州阳光气象科技有限责任公司的PC-5型气象环境监测仪布置于不同点位1.4 m高度处,收集当时当地环境温度、相对湿度等数据(见图2),并利用RMSE均方根误差及MAPE平均绝对百分比误差两种指标进行数据对比。

图1 联盟路区位图

图2 实测点位图

联盟路的模拟温度、湿度与实测温度、湿度如图3、图4及表2所示。所有观测点的气温均方根误差值最大1.57,平均绝对百分比误差值最大1.2%,均小于日间气温平均值的10%;所有观测点的湿度均方根误差值最大3.58,平均绝对百分比误差值最大1.6%,均小于日间相对湿度平均值的10%。由此得出结论:ENVI-met在街谷尺度下的模拟具有准确性。

图3 联盟路模拟/实测温度

图4 联盟路模拟/实测湿度

表2 研究区各测点气象要素实测值与模拟值均方根与平均百分比误差

1.4 模拟工况

1.4.1 景观构型选取

对研究地区常见行道树的高度、种植间距等景观要素进行实地调查,得到相关参数如表3所示。

表3 研究地区常见行道树统计表

根据已有研究与现状分析,本文将乔木分为大型乔木(高度20～30 m)、中型乔木(高度12～20 m)、小型乔木(高度7～12 m)。选取洛阳行道树的典型树种悬铃木进行理想模型建立。其中大乔采用24.95 m高度的悬铃木,中乔采用18.58 m高度的悬铃木,小乔采用11.39 m高度的悬铃木,种植间距均为8 m。为表述方便,下文图表中均以大乔、中乔、小乔代表大型乔木、中型乔木、小型乔木。按照三段论逻辑推演,将三板四带道路有效景观构型总结为表4[10]。表4中将街道两侧乔木较高、中间乔木较低的景观构型概括为U型;将街道两侧乔木较低、中间乔木较高的景观构型概括为N型;将街道两侧与中间乔木高度相同的景观构型概括为水平型。

表4 三板四带道路有效景观构型组成形式

1.4.2 ENVI-met模型参数设置

在ENVI-met软件中将模型的网格数量设置为267×163,分辨率为dx×dy=2 m×2 m。在垂直方向上,需要保证模型最大高度超过建筑物最大高度的一倍以上,因此在垂直方向上设置45个格网,dz=4 m。模拟时间自2022年7月9日0:00开始,模拟时长为20 h,结果输出间隔为60 min。

将240 m×60 m街道模型作为典型街道,并设置6个模拟测点。其中点1、点2置于道路北侧人行道;点3置于道路北侧非机动车道;点4置于道路南侧非机动车道;点5、点6置于道路南侧人行道(见图5)。这样可以分析不同景观构型对道路南北两侧行人的热舒适性影响。

图5 测点分布图

2 模拟结果数据分析

根据全天模拟结果分析得知UTCI的最高值出现于15:00。因此选取15:00数据作为典型恶劣工况进行研究。

由不同构型的UTCI加权平均值得出U3>S2>U2>U1>N1>S1。不同测点的UTCI值如图6所示。不同构型的UTCI加权平均值如图7所示。在U型构型中大乔+中乔+中乔+大乔组合对人体热舒适度提升最大;在水平构型中大乔+大乔+大乔+大乔组合对人体热舒适度提升最大。

图6 不同测点UTCI值分布图

图7 不同构型UTCI加权平均值

取各个构型的最优组合方式进行比较。日间最高温时刻1.4 m高度UTCI水平分布如图8所示。结合各点位UTCI及图8进行分析,可以看出街道南侧整体的UTCI值低于街道北侧。受太阳辐射的影响,U2与U3的UTCI值在点3处出现波峰,分别达到43.33 ℃和43.87 ℃。N1、S2与U3的UTCI值在点6处急剧上升,分别达到44.93 ℃、45.10 ℃、45.17 ℃。说明乔木遮阴对提升人体热舒适度起决定性的作用。

图8 日间最高温时刻1.4 m高度UTCI水平分布图

对图6、图7及图8进行综合分析,可以得出在U、N两种构型中,U型构型对人行道的遮阴效果更好,N型对自行车道的遮阴效果更好。若街道宽度更窄,则N型构型就可以为人行道提供足够遮阴,且对人体热舒适性提升优于U型。U型构型在街道宽度更宽的情况下对人行道人体热舒适性提升优于N型构型,但对自行车道的热舒适性提升效果无论在何种情况下都不及N型构型。

3 结论

本研究表明街道乔木景观构型对人体热舒适度有较大影响,具体如下:(1)乔木的遮阴效果对人体热舒适度起到了决定性作用。(2)东西向街道中水平构型大乔+大乔+大乔+大乔组合对人行道人体热舒适性提升最大。(3)在道路宽度较窄的街道,N型中乔+大乔+大乔+中乔组合对人行道人体热舒适性提升优于U型,在道路宽度较宽的街道则相反。(4)无论何种构型情况下,东西向街道南侧人体热舒适度均优于北侧。因此,在满足街道景观效果的前提下,道路宽度较宽的情况下对景观构型的选择顺序应为:水平构型大乔+大乔+大乔+大乔>U型大乔+中乔+中乔+大乔>N型中乔+大乔+大乔+中乔。道路宽度较窄的情况下对景观构型的选择顺序应为:水平构型大乔+大乔+大乔+大乔>N型中乔+大乔+大乔+中乔>U型大乔+中乔+中乔+大乔。