氣候適應(yīng)性視角下的河道空間城市設(shè)計評價和策略研究
——以廣州市荔枝灣涌改造一期工程為例

張雅妮 殷 實 肖毅強 ZHANG Yani, YIN Shi, XIAO Yiqiang

0 引 言

我國南方大量城市因水而生，密布的河道承載了千百年豐富的記憶和歷史變遷，對河道地區(qū)的優(yōu)化改造已成為快速城市化和城市更新的手段，同時，它也是提升城市人居環(huán)境與社會多元價值的重要方法。隨著近年來城市物理環(huán)境問題如城市熱島問題日益凸顯，以及河道空間的混合化集約化發(fā)展趨勢，人口數(shù)量將會劇增，并將伴隨更為豐富的人類活動，如何最大化利用河道空間在密集的城區(qū)中發(fā)揮微氣候的調(diào)節(jié)作用亟待被關(guān)注，本研究基于人體舒適度，探討提升空間設(shè)計評價的方法和策略，結(jié)合氣候適應(yīng)性目標，在城市設(shè)計方法上進行更深入的研究，探索城市濱水空間對人居環(huán)境與微氣候的重要性[1]。

圖1 荔枝灣涌一期區(qū)位示意圖Fig.1 location map of Lizhi Bay Refine Project (Phase I)

結(jié)合大量學(xué)者對河道空間的研究和探討，河道空間對城市微氣候的影響和改變主要有以下幾點原因：一、河道本身對氣候的改變作用：帶狀濱水空間是城市重要的通風廊道，濱水帶與河流構(gòu)成的“水—綠”復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠緩解城市熱島效應(yīng)，對城市小氣候起著重要的調(diào)節(jié)作用[2]。水體作為下墊面，有較大的比熱容，白天在日照下升溫較慢，可以對周邊環(huán)境形成較好的降溫效果。二、河道帶來城市尺度的改變：河道的存在改變了密集城區(qū)的街區(qū)尺度和空間形式，抽空了密集的城市肌理，加強了風的對流和綠化的散熱作用，起到了改善環(huán)境和調(diào)節(jié)氣候的作用。目前，現(xiàn)有研究證實水體對城市環(huán)境有降溫增濕作用，周邊的小氣候與水體的面積、布局等因素密切相關(guān)[3]。三、沿河道公共空間帶來的氣候改變：河道沿線布置了點狀或帶狀的多類型公共空間，其空間和植被將帶來疏風散熱的作用，緩解城市熱島效應(yīng)[4]。

針對目前大量南方地區(qū)河道空間城市設(shè)計和實際建設(shè)中存在的河道與城市宏觀生態(tài)格局以及大型開敞空間銜接不足、濱水空間與城市失聯(lián)[5]、空間界面引導(dǎo)作用不佳導(dǎo)致風的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮不足、植物配置不合理以及下墊面處理方式欠妥等情況，目前國內(nèi)外大量學(xué)者主要對城市濱水帶作為通風道及其對熱島的緩解作用等進行了研究[6-8]，部分涉及對相關(guān)要素與綠色基礎(chǔ)設(shè)施等方面的研究[9-14]，由于以上研究主要集中在河道水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化、氣候應(yīng)對機制以及對定性設(shè)計理念的探討，缺乏針對可廣泛被城市設(shè)計實踐所運用的方法和策略的探討，本文將在此基礎(chǔ)上結(jié)合實測，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，分析微氣候?qū)Ρ葦?shù)據(jù)和結(jié)論，以期為將來類似地區(qū)提供可參考的評價體系和城市設(shè)計方法。

圖2 一期改造后總平面Fig.2 the master plan of Phase I after transformation

1 研究案例概況

廣州是位于珠三角地區(qū)的典型濕熱氣候城市，高溫高濕的特點顯著，密如蛛網(wǎng)的珠江與其支流形成著名的“六脈皆通?！钡某鞘凶匀凰W(wǎng)格局。自20世紀80年代起，在城市化浪潮的席卷下，城區(qū)歷史河道污染嚴重，多被迫覆蓋成路，從此廣州城水道縱橫的城市特征不復(fù)存在。隨著近年來生態(tài)文明建設(shè)目標的確立，政府開展了規(guī)模宏大的中心城區(qū)河涌整治工作，重建具有嶺南風情的中心城區(qū)河涌濱水景觀環(huán)境[15]。

在此背景下，廣州市政府于2010年亞運會前后對荔枝灣涌進行了濱水改造工程。本文所研究的一期工程位于荔灣湖—逢源大街歷史文化街區(qū)內(nèi)，即原荔枝灣路及其周邊6.5 hm2的范圍（圖1）。通過對原荔枝灣路下被覆蓋的歷史河涌進行揭蓋復(fù)涌，以及水環(huán)境整治、污水系統(tǒng)改造、歷史街區(qū)保護更新等手段，使其恢復(fù)了昔日“一灣溪水綠，兩岸荔枝紅”的美麗景象（圖2-3）。該片區(qū)緊鄰荔灣湖，用地功能混雜，以居住、歷史街區(qū)以及小商業(yè)為主，街區(qū)建筑密度極高，街巷狹窄，建筑形體對通風廊道的遮擋嚴重，湖面與周邊街區(qū)通風不暢，街區(qū)內(nèi)部風熱環(huán)境效果較差。未來在珠三角區(qū)域還將有大量類似的河道周邊地區(qū)的修復(fù)和改造工程。本文以荔枝灣涌改造前、后的狀況為分析對象，探討相應(yīng)的評價體系和城市設(shè)計方法。

圖3 荔枝灣涌改造后的照片F(xiàn)ig.3 the photo of Lizhi Bay Refine Project after transformation

2 研究模型建立

2.1 指標與方法

為了實現(xiàn)對不同模擬環(huán)境的數(shù)據(jù)進行有效比較和直觀判斷，本文采用了對比風環(huán)境及人體熱舒適溫度的方法對熱環(huán)境進行綜合性評價，選用由霍庇（H?ppe）在慕尼黑人體熱量平衡模型（Munich energy balance model for individuals，MEMI）的基礎(chǔ)上提出生理等效溫度PET（physiological equivalent temperature）[16]，其定義為在某一室內(nèi)或戶外環(huán)境中，人體皮膚溫度和體內(nèi)溫度達到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對應(yīng)的氣溫。該指標不僅充分考慮了主要的氣象參數(shù)、人為活動與衣著，還包括了人的個體的參數(shù)對舒適度的影響，并且皮膚溫度等均由模型計算獲得[17]。

圖4 研究思路與框架Fig.4 the research thinking and framework

圖5 分析模型示意圖（改造后）Fig.5 the schematic diagram of analytical model (after transformation)

研究過程包括以下3個階段（圖4）：一、對荔枝灣涌改造后現(xiàn)狀進行現(xiàn)場氣候?qū)崪y，將實測的結(jié)果與微氣候模擬軟件ENVI-MET進行校驗，并設(shè)置軟件的邊界條件；二、對改造后的現(xiàn)狀與改造前的狀況分別進行風環(huán)境和人體舒適度PET的模擬實驗對比；三、進行總結(jié)性分析并得出設(shè)計方法與策略，并結(jié)合分析結(jié)果提出優(yōu)化策略與改造建議，最后進行優(yōu)化方案的校驗。

2.2 實測與校驗

研究團隊于2017年7月30日進行氣候?qū)崪y實驗，在荔枝灣涌周邊布置多個測量點（距地1.5 m），記錄從8:00—20:00的數(shù)據(jù)，其中包括空氣溫度（Ta）、黑球溫度（Tg）、相對濕度（RH）與風速（V），同時在附近街區(qū)的建筑屋頂（距地約15m）設(shè)置小型氣象站，額外記錄全球水平太陽輻射（W）及風向（D）等數(shù)據(jù)。

2.3 模型設(shè)計

微氣候模擬選用ENVI-MET軟件進行，該軟件計算基于CFD模型，便于同時實現(xiàn)風熱耦合計算以及熱環(huán)境的分析與比較，從而達到分析比較方案與提出設(shè)計策略的目的。模型區(qū)域大小為650 m×600 m，網(wǎng)格大小設(shè)計為5 m×5 m×3 m。通過調(diào)整模擬的邊界條件，將所得到的實測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較校驗，得到了能夠較為真實地反映環(huán)境的軟件邊界條件（圖5、表1）[18]。

表1 模擬數(shù)據(jù)邊界條件Tab.1 boundary conditions

3.3 分析框架設(shè)計

對河道空間與周邊環(huán)境進行篩選和判定，按照荔枝灣河道（原荔灣路）及其開敞空間、東西向巷道、南北向主街的結(jié)構(gòu)選取3種類型合計9個觀測點，分別為：河道沿線開敞空間的A1點、A2點、A3點，巷道沿線的B1點、B2點、B3點，以及主街沿線的C1點、C2點、C3點。為了方便分析河道周邊的模擬結(jié)果，將河道沿線劃分成8個區(qū)段，編號分別為1—8段，最終建立空間模型示意圖（圖6-7）。

圖6 三類觀測點分布示意圖Fig.6 the distribution chart of three types of observation points

圖7 改造前后空間模型1—8段示意圖Fig.7 the schematic diagram of optimized model from 1-8 parts

3 模擬結(jié)論分析

3.1 風環(huán)境模擬結(jié)果分析

采用從荔灣湖面方向吹來的315°實測風向作為實驗?zāi)M風向，從改造前的風環(huán)境結(jié)果來看，原荔灣路的連續(xù)建筑界面阻斷了湖面來風，僅有2號段內(nèi)由于街道導(dǎo)風的原因，相對風速較大，達到0.32 m/s以上。巷道內(nèi)多處風環(huán)境交叉，通風環(huán)境不佳，風速多在0～0.36 m/s以內(nèi)。改造后的河道沿線的1、4、6段由于建筑界面被打開，局部風環(huán)境被改善，風速達到約0.9 m/s以上。但即使濱水界面被打開，大部分區(qū)段由于受到植被的拖拽作用，河道沿線風速有所減緩，并且由于街巷較為狹窄，內(nèi)部主街和東西向巷道的風環(huán)境與改造前相比，變化甚微（圖8）。

圖8 12點風環(huán)境對比Fig.8 the comparison of wind environment in 12 o’clock

圖9 人體舒適度對比Fig.9 the comparison of body comfort

3.2 人體PET結(jié)果分析

人體PET模擬分析結(jié)果如圖9所示。

3.2.1 河道

從人體舒適度PET的早上10:00—16:00分時段的模擬結(jié)果來看，改造拆除了河道沿線內(nèi)的部分建筑，也營造出了多個公共開敞活動空間，但由于河道周邊的天空角系數(shù)（SVF）加大，太陽輻射增加，即使大部分區(qū)域雖然風環(huán)境有較大改善，但從模擬結(jié)果看，1—8號區(qū)段大部分PET值升高，如測點A1、A2、A3測點因為相較改造前減少了建筑的遮擋，輻射有所增加，熱環(huán)境并沒有得到改善。由于改造后缺少必要的遮陽設(shè)施，人體熱舒適并沒有得到提升，人體舒適溫度大部分高于改造前的溫度，使得河道沿線的PET溫度增高，最終導(dǎo)致濱水區(qū)域的熱環(huán)境反而差于改造前。只有北部廣場1—2號區(qū)段，由于風環(huán)境得到較大改善，在增加河道空間的同時開辟了綠地，PET值明顯下降。

3.2.2 巷道

B1測點周邊的改造力度較大，在B1南側(cè)建了一個廣場，廣場有植被覆蓋，但在B1區(qū)域沒有形成有效的遮陽，導(dǎo)致B1的PET溫度上升，平均PET值從原來的35 ℃左右升高至接近40 ℃，而其他兩個測點的PET只有較小的變化，其平均溫度也與改造前基本一致。

3.2.3 主街

主街的測點受到了濱水區(qū)域改造的影響，該區(qū)域測點的平均PET均有較小幅度下降。盡管主街各點在逐時PET比較中，改造后的PET最大值均比原狀高，而最小值均比原狀低，可認為是河道界面的變化為區(qū)域創(chuàng)造了更好的風環(huán)境，使得局部的城市熱島效應(yīng)有所緩解。

3.3 初步結(jié)論

由此可見：一、河道與周邊城市宏觀生態(tài)環(huán)境的空間聯(lián)系是設(shè)計中需要首先考慮的結(jié)構(gòu)性問題，這會對河道沿線以風環(huán)境為主的微氣候的改善起決定性作用；二、河道的開辟及沿河空間的改造僅僅對兩側(cè)的風、熱環(huán)境有較大影響，對密集城區(qū)內(nèi)部街巷的微氣候影響甚微，而河道自身的植被布置、空間形態(tài)等變化所帶來的熱輻射變化對微氣候?qū)⑵饹Q定性作用；三、沿河道的公共空間將成為河道優(yōu)化建設(shè)完成后風環(huán)境和人體舒適度變化與改善力度較大的區(qū)域，需要在公共空間的設(shè)計方面加強對微氣候改善應(yīng)對機制的研究和討論。

4 策略與建議

4.1 建立氣候適應(yīng)性評價比較機制的必要性

城市河道作為整個城市微氣候環(huán)境中重要的資源及環(huán)境載體，從上文的模擬過程中可以看到，改造后不同區(qū)段、不同位置由于設(shè)計手法不同，河道對微氣候的改善作用有較大差異，處理不當甚至會出現(xiàn)局部空間的人體舒適度在改造后反而有所下降的現(xiàn)象。在南方地區(qū)高濕高熱高輻射的背景下，在河道空間的設(shè)計之初有必要結(jié)合實測，利用模擬建立評價比較機制，總體研究河道空間與城市生態(tài)格局、街巷尺度、城市界面等之間的關(guān)系，分析水面、綠化、街道等要素對城市微氣候的影響機制，最后結(jié)合常用的圖底關(guān)系分析、標志物分析等城市設(shè)計手法進行相互校驗，并將其作為方案設(shè)計比選的決策性內(nèi)容之一，以便實現(xiàn)河道對周邊微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的最大化。

4.2 構(gòu)建 “水—綠—空間”共構(gòu)的河道城市設(shè)計策略

常規(guī)的濱水空間城市設(shè)計核心要素包括以下幾個方面：延續(xù)性、適配性、親水性、自然性、審美性等[19]。在此基礎(chǔ)上，針對河道空間的特點疊加氣候適應(yīng)性要素，將其延伸為關(guān)注城市生態(tài)格局的延續(xù)、空間格局的適配性、親水空間的設(shè)計布置、氣候適應(yīng)性材料的應(yīng)用等諸多方面，從而構(gòu)建“水—綠—空間”共構(gòu)的河道城市設(shè)計策略，具體包含以下幾個方面。

4.2.1 空間策略：打造順應(yīng)區(qū)域主導(dǎo)風向的“點—線—面”的空間關(guān)系

從本案例的實測和模擬研究中可以看到，僅通過增加河道水面面積與打通濱水界面建筑的方式，由于植物的拖拽作用與缺乏建筑遮陰等原因，對風熱環(huán)境的改善效果不佳。應(yīng)構(gòu)建適應(yīng)性濱水空間設(shè)計模式，首先盡量開放河道附近的城市空間界面，引導(dǎo)來自大型生態(tài)空間的主導(dǎo)風進入河道空間，實現(xiàn)對城市微氣候的調(diào)節(jié)作用；其次，考慮水面主要風向與開敞空間、街巷的對接和耦合關(guān)系，在有條件的情況下，最好耦合兩者之間的角度關(guān)系和區(qū)位，增加風速，強化散熱效應(yīng)。針對密集的改造型街區(qū)，如本案荔枝灣所在的老城區(qū)，宜沿河道布局多個點狀公共開放空間，盡量耦合開敞空間比例形式與實際主要風向之間的關(guān)系；針對新區(qū)建設(shè)，應(yīng)使建筑迎風面垂直于夏季盛行風，前排建筑宜采用點群式、前后錯列等方式，構(gòu)建合理的空間體系。

4.2.2 節(jié)點策略：加強沿河公共空間通風散熱的處理手法

沿河道的公共空間是河道城市設(shè)計中微氣候差異較大的區(qū)域，即采用不同設(shè)計手法出現(xiàn)的微氣候結(jié)果差異較大。建設(shè)完成后大量的人流將匯集于此，因此在沿河道的公共空間微觀設(shè)計上要關(guān)注遮陰、散熱、通風方法的綜合應(yīng)用，在滿足集散空間的情況下，在場地立體設(shè)計、建筑設(shè)計、景觀設(shè)計等方面，加強散熱防輻射的策略和措施，如設(shè)置熱緩沖帶、運用遮陽體系、改善場地通風、被動蒸發(fā)降溫等微氣候優(yōu)化策略和措施，保證公共空間優(yōu)良的風熱環(huán)境。

4.2.3 綠化策略：采用最大化喬木覆蓋郁閉度的種植策略

4.2.3.1 策略

實驗結(jié)果表明，原荔枝灣路上高大喬木以及沿線建筑遮陰對人體舒適度有顯著影響，河道周邊建立喬—灌—草組成的合理復(fù)層種植結(jié)構(gòu)（即通過喬—灌—草合理搭配提高單位面積的綠量）[20]是南方地區(qū)濱水帶小氣候適應(yīng)性城市設(shè)計的關(guān)鍵，其中要以最大化喬木覆蓋郁閉度為核心策略。

一般來說，從降溫作用來看，喬—草與喬—灌—草結(jié)構(gòu)優(yōu)于單一的喬木；從減少太陽輻射來看，喬木綠量是最關(guān)鍵的影響因素。在南方濕熱高輻射地區(qū)，高大喬木有較好的改造微氣候的作用，這往往是在大量的實際建設(shè)中被忽視的問題。在實際城市設(shè)計中，應(yīng)在硬質(zhì)鋪地與道路空間能滿足基本的集散需求的情況下，盡量在休閑空間和場所最大化布置喬木。特別是在舊城區(qū)城市設(shè)計中，要盡量將現(xiàn)狀和新增的喬木的分布和數(shù)量作為河道空間城市設(shè)計的重要要素之一，并將其納入設(shè)計之初的微氣候比較和模擬中。

4.2.3.2 優(yōu)化建議

基于以上分析結(jié)論，在改造后的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上進行優(yōu)化方案設(shè)計，嘗試用增加高大喬木的方式，以多點簇團式沿岸布置相結(jié)合的綠化結(jié)構(gòu)，在寬度達到6 m以上的街巷空間與多個小型廣場空間增加直徑為6 m以上的喬木，并沿河道兩岸沿線種植喬木，再次進行風環(huán)境模擬和人體PET值模擬（圖10）。

4.2.3.3 驗證與結(jié)論

從優(yōu)化后的風環(huán)境模擬結(jié)果來看，由于植物的增加，河道區(qū)域的風速有所減緩，但對于東西巷道及南北主街的風環(huán)境沒有明顯的影響，河道周邊風環(huán)境分布較為均勻，平均風速大約為0.7 m/s左右。從各點的PET變化來看，優(yōu)化方案后絕大多數(shù)測點的平均PET比現(xiàn)狀及原狀的平均PET有所降低，最大的差值溫度達到了3～4 ℃，如A2和B3兩個測點，只有少數(shù)測點的平均PET略有升高（僅主街上的測點C2、C3，但變化不大）。在逐時PET的變化方面，所有測點的PET極值均小于現(xiàn)狀與原狀，尤其是濱水區(qū)域的測點，A2測點的優(yōu)化方案與現(xiàn)狀的PET極值差距甚至達到了12 ℃（圖11）。

由此可以認為，增加必要的綠化特別是喬木作為主要遮陽措施，對于高濕高熱的南方地區(qū)微氣候有直接的調(diào)節(jié)作用，能相對有效地改善沿河道空間的熱舒適度，改善河道空間的城市微氣候。

圖10 優(yōu)化方案以及風環(huán)境模擬Fig.10 the optimization scheme of wind environment simulation

圖11 不同工況下的逐時PET以及平均PET對比（B為原狀，C為現(xiàn)狀，R為優(yōu)化方案）Fig.11 the comparison of successive time PET and average PET in different working conditions

5 結(jié) 語

城市寶貴的河道空間對于城市微氣候的調(diào)節(jié)作用不可忽視，本文通過場地實測與計算機模擬相結(jié)合的方式，首次從風、熱環(huán)境以及人體舒適度的角度，嘗試尋找和反思當前以廣州地區(qū)為代表的南方城市河道空間城市設(shè)計和改造中存在的問題，初步構(gòu)建河道空間氣候適應(yīng)性城市設(shè)計評價機制和設(shè)計框架，后續(xù)研究將以此為基礎(chǔ)，進一步系統(tǒng)分析河道空間城市設(shè)計關(guān)鍵性設(shè)計要素影響人體舒適度的數(shù)據(jù)模型，進而構(gòu)建可被常態(tài)化使用的氣候適應(yīng)性城市設(shè)計方法和策略，為城市建設(shè)的生態(tài)和諧目標做出貢獻。

感謝天河二號超級計算機與廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院荔枝灣改造工程項目組

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圖片來源：

圖1-3：廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院荔枝灣涌改造項目組提供

圖4-11：作者繪制

表1：作者繪制