杨柳青古镇水岸空间夏季热环境特性研究

尹莉媛,王 岩,2*,董琪伟,孙立新

(1.天津城建大学 建筑学院,天津 300384;2.西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室,陕西 西安 710055;3.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013)

国家“十四五”旅游业发展规划任务推选出首批国家级旅游休闲街区,杨柳青古镇成功入选[1],西青区委、区政府对古镇的保护利用高度重视,致力打造可持续发展的大运河闪亮“明珠”。但是,杨柳青古镇水岸空间环境的形成机理和主要影响因素的作用机制尚不明确,因此有必要对古镇水岸空间环境开展深入研究。

国外在20世纪60年代,伴随着全球工业转移和消费主义兴起,许多城市重新发现了水岸空间的价值,水岸区域的更新率先在北美兴起,随后蔓延至全球[2]。早期水岸空间的研究主要涉及空间规划、社会影响等方面,形成了较为丰富的研究成果。随着城镇化快速推进,高品质人居环境营造成为社会关注的焦点,水岸空间热环境在城市微气候层面得到了更为深入的发展。现阶段的研究集中于水体对城市热岛的缓解作用[3],其调节效果受风向和城市空间形态的影响比较显著。

我国早在20世纪50年代就开始了大运河的修复与整治[4],从20世纪90年代,梁白泉、罗哲文、郑孝燮等大力推动了大运河的申遗[5]进程以来,大运河水岸环境相关研究成果大量涌现[6]。大运河申遗成功后,附属空间的可持续发展成为研究主流,国内学者开始进一步探索适用于我国发展需求的水岸空间规划思路和研究体系[7]。近年来,水岸空间热环境的研究更为精细化,比如有研究评估了滨水距离对热环境的影响程度[8],并运用软件模拟了多种因素的作用机理[9],其中水体形式、绿化组合和沿岸建筑对水岸空间环境的影响尤为突出。

目前,水岸热环境研究主要从以下方面展开:(1)河流形态、面积等自身属性差异;(2)各类气象参数对热环境的影响;(3)空间要素对热环境的影响等。既往成果为本研究奠定了良好的理论基础,也为古镇水岸空间热环境特性分析提供了研究方法的参考[10]。然而目前针对水绿耦合作用机制的研究尚在起步阶段,热环境参数相互影响程度还需深入量化,以大运河为主体的水岸空间更新方案也有待完善。本研究基于以上问题,通过现场实测,对杨柳青古镇水岸空间热环境主要参数进行关联强度的定量分析,进一步揭示太阳辐射、下垫面类型、空间围合形式、水体布局及植被组合方式等多个影响因素对古镇水岸空间的耦合作用规律,针对发现的问题提出相应优化对策,为大运河沿岸高质量人居环境营造提供科学依据。

1 研究概况

1.1 古镇区位及水系分布

天津的水系发达,子牙河、南运河、北运河在三岔河口交汇(图1),其中南运河是隋代永济渠的下游段、元代京杭大运河的重要组成部分,河道蜿蜒曲折,弯道明显,在天津西青段分为四个部分:中北镇区域、辛口镇区域、西营门街区域和杨柳青镇区域(图2)。杨柳青古镇因其独特的历史文化、自然风貌,带动了当地文旅产业的蓬勃发展,成为别具特色的旅游休闲胜地[11],也是底蕴深厚的中国历史文化名镇[12]。当地政府以打造文旅产业聚集区为抓手将运河各段进行有机连接(图3),其中南运河流经杨柳青镇御河道部分是最为重要的核心区域。

图1 天津市及西青区内河域分布

图2 南运河西青区流域分段划分

图3 南运河流域规划目标分析图

杨柳青镇是天津市西青区的政治、经济、文化中心,京沪铁路、津静公路等重要交通干线穿境而过。气候特征属于暖温带半湿润大陆季风性气候,夏季炎热,伴有高温和集中降雨,冬季严寒,干燥且降雪较少,四季分明,年平均温度12.3 ℃,其中7月最热,平均气温达26.0 ℃;1月最冷,平均气温-4.0 ℃,年平均降水量550～680 mm,夏季约占全年降水量的80%[13]。杨柳青古镇与运河之间的水岸空间是我国传统古镇街区体系中,最为常见、最为典型的街区形式,具有较强的研究代表性,尤其是建成环境的优劣直接影响使用人群的体验舒适度[14-15]。

1.2 古镇水岸空间基本情况

通过前期调研,选取位于南运河与杨柳青古镇街区商铺之间,东西90 m,南北33 m的范围作为测点布置区域,该区域在空间元素组成上自北向南依次为沿街商铺、景区内道路、植被绿化、休憩凉亭、开阔广场和沿河小道等,具备不同要素对环境影响程度对比的条件,适宜进行典型水岸空间热环境特性研究[16]。

现场实测点布置于运河北岸的依据,首先是因为天津的夏季主导风向为南风偏东南,测试区位于下风向,与水体耦合作用后对北岸的影响较为显著;其次,运河北岸为杨柳青古镇休闲街区,较规划建设中的南岸(元宝岛公园),已具备建成环境,且利用率更高。

2 研究方法

2.1 测试变量及仪器

运用控制变量的测量方法[17],比较杨柳青古镇水岸空间热环境各主要影响因素的差异性,包括太阳辐射、水体、植被绿化、建筑物等,同时也对有无遮阳、空间围合度等进行测试对比分析。现场实测物理环境参数具体包括空气温度、相对湿度、风速和辐射温度等,以上参数需要使用温湿度测量仪、黑球温度计、叶轮式风速仪、红外热像仪、激光测距仪等,测试仪器的性能参数如表1所示。

表1 主要仪器性能及参数表

2.2 测试方法

根据唐鸣放等[18]已证明准确有效的测试方法,对杨柳青水岸空间在太阳辐射下的气温、湿度、风速等参数进行实测的方案如下:

在古镇水岸公共空间选取最具代表性的8个测点(表2、图4),测点选择考虑到各变量产生的不同影响,同时还需避开临街商铺空调等热源的影响[19],测试场景如图5所示。测试于2022年6月进行,测试期间天气状况良好,具备北方夏季高温低湿的特征,南运河水量充沛,沿岸街区人流相较古镇街道更多,测试条件较为理想,每日进行定点定时昼间连续实测。

表2 水岸空间测点特征信息表

图4 水岸空间全测点平面布置分布

图5 水岸空间各测点实景

3 热环境测试结果与分析

3.1 测试期内水岸空间整体温湿度变化

实测期间,杨柳青古镇水岸空间户外平均温度30.44 ℃,在25.90 ℃～35.40 ℃间波动。表3以平均偏差值及方差分析统计了8个测点的温湿度变化幅度,结合图6(a)可知,4个无遮阳测点的平均变化幅度大于有遮阳测点,温湿度波动均较为明显,且不同测点间温湿度差异较大,尤其是相对湿度的变化趋势分界明显;图6(b)的4个有遮阳测点平均偏差值显示其起伏程度较有遮阳测点要小,变化趋势较平缓。测试期的最高气温出现在13:00左右,最低气温出现在9:00左右,户外相对湿度为36.90%～71.70%,平均值为55.15%。从整体数据看,各测点环境参数差异性较大,各项影响因素的作用效果较明显,特别是遮阳措施。

表3 温湿度变化幅度统计表

图6 水岸空间各测点温湿度实测结果

3.2 各测点空气温度测试结果分析

图7(a)显示各测点逐时空气温度测试结果,8个测点的温度随太阳辐射强度变化呈现上升快,下降慢的趋势,14:00—16:00之间空气温度较高,最高温度约35.40 ℃,16:00之后温度逐渐下降。

图7 全测点空气温度实测结果

(1)结合图7(b)对各组数据极值和均值的统计,无遮阳各测点中,测点1平均温度最高且变化幅度最大,而测点2、3、4温度变化趋势基本保持一致。因此,在太阳直射条件下,其他变量对空气温

度产生的影响较小,下垫面类型作为主要影响变量,使得测点1、3、4的空气温度仍有较大差异。其中测点4的下垫面是草地,蓄热性最弱,再加上土壤和植被的蒸发散热,使空间平均空气温度最低;测点1的下垫面为浅灰色透水砖,蓄热性较好,在太阳直射条件下升温较快,周边空气温度最高;而测点3处于木制铺装地面上,其蓄热性低于透水砖,同时也具备一定吸水性,因此,测点3的平均空气温度及振幅都介于测点1、4之间。可见,太阳直射条件下,下垫面对水岸空间热环境的影响较强。

(2)有遮阳措施的测点平均温度比无遮阳条件下降低近1 ℃。由于连廊和附近围合墙体所形成的建筑风场等因素的影响[20],即便是有遮阳的各测点仍然存在小幅度温度差,其中围合程度较高的测点5比相对开阔的测点6的降温效果更明显。因此,空间围合度越高,形成的阴影越多,有利于夏季防热。

(3)把有无遮阳作为变量进行对比分析,红外热像测试结果显示测点2、8地面表面温度差高达20.10 ℃(图8)。无遮阳(测点1、3)空气温度明显高于有遮阳(测点5、8),最高温度的差值在2.50 ℃～3.70 ℃,说明太阳辐射对水岸空间的热环境影响最显著。

图8 有无遮阳测点的红外热像测试结果

3.3 各测点相对湿度测试结果分析

由图9(a)可知,水岸空间相对湿度变化先下降后上升,整体变化曲线较为平缓,14:00—15:00相对湿度较低,图9(b)显示,最低相对湿度为36.90%,太阳直射条件下,测点2、3相对湿度较高,其中更靠近水体的测点3的相对湿度呈现测试期间的最高值71.70%,而测点1、4离水体较远,相对湿度没有受到明显的影响。下垫面类型相同的测点5和6,主要差异在于周边植被组合不同,测点6周边是灌木+草地的组合方式,而测点5、7、8的周围均为乔木,特别是在午后显示出植被组合较明显的影响差异。因此,在水岸空间中高大乔木发挥了遮阳、蒸发降温的作用[21]。

图9 全测点相对湿度实测结果

对比分析有无遮阳条件的空气相对湿度,有遮阳测点的平均相对湿度明显较高,平均湿度差距达到6.88%。同时由于围合的走廊,墙体及屋顶等建筑物的遮蔽作用,测点7的空气流速在0～0.80 m/s之间,而较为开阔测点2、3的空气流速最大值达到4.10 m/s。因此,空间围合度对相对湿度的作用也较为明显。

在无遮阳条件下,测点4的湿度数据较低且偏离较明显,原因如下:(1)温度和风速均对湿度产生直接影响[22]。(2)测点4小路两边丰富的绿化组合形成了自然景观风道[23]。(3)天津市夏季盛行风向多为南风(东南、西南),测点4面朝南向的运河,入风口开敞,形成的风道通风效果良好[24],使该处相对湿度下降较为显著。

3.4 各测点平均辐射温度测试结果分析

除了空气温度、相对湿度、风速之外,平均辐射温度(Mean Radiant Temperature,MRT)指标[25]能够反应户外热环境对人体舒适的影响程度。MRT是基于空气温度、黑球温度等数据,综合考虑户外复杂辐射和风环境计算出的复合性热环境指标,因此,本文选用MRT指标评价室外热环境质量。

MRT根据式 (1)[26]计算得出,其中Ta为空气温度,Tg为黑球温度,v为风速,εg为黑球的吸收系数(取0.95),diamg为黑球直径(取0.05 m)。根据TC/K型黑球温度计数据,计算得出各测点逐时平均辐射温度。

(Tg-Ta)]0.25-273.15

(1)

通过分析有无遮阳测点的平均辐射温度(图10),可以发现两个测点的MRT曲线变化趋势有较大差异。测点7由于有遮阳措施(走廊),受太阳辐射干扰程度较小,其MRT水平整体不高,变化也较为平缓;测点3(广场)随太阳辐射的增强,在14:00左右达到峰值72.30 ℃,15:00后,随着太阳辐射的减弱,MRT迅速回落,可以看出太阳辐射对开阔地带的热环境起到了主导作用,人体热舒适感较差。因此,遮阳措施是古镇水岸空间热环境营造的重要影响因素。

图10 有无遮阳测点的平均辐射温度测试结果

3.5 各测点环境参数相关性分析

为进一步明确各测点环境参数之间的相关性,将同一测点的温湿度数据进行线性拟合,残差平方和(RSS)越小,模型预测值越准确,拟合程度越高[27]。

拟合分析结果(表4、图11)显示,水岸空间相对湿度变化与温度变化呈负相关关系。无遮阳条件下RSS均值大于有遮阳条件,R2均值小于有遮阳4个测点均值,温湿度变化散点大致排列在一条直线附近,整体虽然呈现出明显的线性关系,但4个测点的散点分布与拟合线偏离稍大,数据也显示其自由度较高,说明数据拟合程度低于有遮阳测点,且古镇水岸空间在夏季受太阳辐射影响剧烈,同时4条拟合线的斜率也有所不同,说明温湿度相关性的变化快慢也略有差异,尤其是温度较低时,湿度差异越大,伴随温度逐渐升高,差异也逐渐减小。

表4 温湿度拟合参数统计分析表

图11 水岸空间全测点温湿度拟合分析结果

有遮阳的4个测点的温湿度拟合分析结果中,散点与拟合线联系非常紧密,都分布在距拟合线偏离值较小的位置及拟合线上,虽然在高温区个别值偏离较大,但整体拟合度较高,其较高的R2和皮尔逊积矩相关系数绝对值也验证了此结果。在无太阳直射的条件下,4个测点的变化趋势基本保持一致,在图中呈现出斜率近似的4条拟合结果。

夏季古镇水岸空间在有无遮阳条件下的对比拟合分析结果显示,在低温度区,有无遮阳措施的差异性较大,随着温度升高,两条拟合线逐渐趋同,由于测点3、6均为靠近运河水体的测点,说明在低温区水体的作用效果较明显,而在高温区水体的作用效果逐渐减弱。

4 古镇水岸空间热环境优化提升策略

基于现场实测发现的问题,从水岸空间利用、建筑布局设计和水绿增益效应三方面提出优化策略,提升水岸空间热环境质量。

一是提高南运河水体景观降温增湿效应。通过构建两面以上的临水建筑,并设计出挑平台来提高水岸空间驳岸长度,增加其亲水性;再对驳岸进行生态化和景观改造[28],利用沿江道路、平台、设施的建设激活水岸空间,形成连续的生态临水界面。

二是控制滨水建筑的密度及围合程度。选择开敞的、点阵式布局的低密度建筑或构筑物,结合绿化与水体等因素降低太阳辐射、避免风障、强化通风效果,形成较好的滨水空间环境。

三是实现“蓝绿空间”水绿增益效应,调节空间微气候。结合寒冷地区气候特征,贯彻落实城市更新政策,构建运河-绿化-建筑的新生态体系,在构建驳岸景观环境的同时兼顾运河及两岸生态修复。

5 结论

1)通过实测数据的统计分析,太阳辐射是影响杨柳青古镇水岸空间热舒适的最重要因素,有遮阳措施情况下,空气温度降低2.50 ℃～3.70 ℃。

2)影响夏季古镇水岸空间热环境、热舒适的关键参数是平均辐射温度MRT,午时MRT大幅增加是导致水岸环境舒适度下降的主要原因。

3)水体、绿化组合、建筑、广场这四类景观要素中,绿化组合和建筑阴影的降温效果最好,但水体对周围环境的微气候调节效应也较明显。