河谷氣候影響下的生態城市形態淺析
——以重慶市奉節縣整體城市設計為例

蕭 樂 XIAO Le

0 引 言

中國古代哲學提出過“天人合一”的最高理想，法國哲學家孟德斯鳩（Baron de Montesquieu）也曾經說過“氣候王國才是一切王國的第一位”[1]；歷史上，大到城市規劃，小到民居布置，《易·系辭》中提出的“象天法地”思想都長期指導著國人的建設實踐。由此可見“空間形態”與“氣候環境”之間有著非常緊密的聯系和相互作用。而在現代社會城市設計的研究和實踐當中，由于建筑技術和民用科技的興起，人類對氣候的適應和改造能力越來越強大，因此對氣候與城市之間的關注往往僅限于城市改造后的微氣候改善，亦或是局部建筑的城市氣候環境利用，帶有一定的局限性。

圖1 地形風的形成Fig.1 formation of the terrain wind

關于城市氣候與城市形態之間作用關系的研究，往往涉及多個相關學科。其中多數是以觀測、實驗為基礎，進行數量化研究的城市氣候學的研究。這在聚落地理學、風水學、建筑氣候環境控制學、城市生態學、城市地理學、城市災害學中，也對相關理論有些闡述[2-3]。在城市設計學科領域，主要能在具體的實踐案例中看到相關介紹，其中多數又以平原大城市為研究對象。而對于廣袤的山地城市形態與氣候之間的關系，尚鮮有涉及。本研究嘗試利用以往的研究成果，對局地氣候復雜的山地小城鎮進行生態城市設計研究。

目前的生態城市規劃通常很重視山體、水系、綠化等自然環境的保護和利用，在設計中更注重加強對物質形態環境的建設，而對城市所處的氣候環境多有懈怠。事實上氣候環境對城市生態的影響是不容小覷的，可以說環境氣候是城市生態的基石?，F代城市規劃中已經逐漸開始重視氣候的影響，但以平原城市或者大城市試點為多，實際上氣候因素疊加、局地氣候復雜的山地小城鎮在氣候與生態的關聯性上體現更大，城市形態與局地氣候的相互影響效果也更為明顯。探討和研究此類課題，對我們這個擁有大量山地小城鎮的國家具有重要意義。

上古歌謠《南風歌》中曾唱到“南風之熏兮，可以解吾民之慍兮；南風之時兮，可以阜吾民之財兮！”在城市規劃中，充分地順應局地氣候，利用局地氣候，才可以留住青山綠水，真正建設出生態小城鎮，創造出“金山銀山”。

1 重慶市奉節縣局地氣候分析

1.1 奉節縣地形及氣候現狀

奉節縣位于重慶市東部，全縣域屬四川盆地東部山地地貌，境內山地面積占總面積的88.3%，其中海拔1 000 m以上山體占80.01%，最高海拔2 123 m。山地地貌對局地氣候有明顯影響，地形起伏與山脈走向可使風向發生變化。山谷能夠迫使氣流沿谷而吹的趨勢，山體有能夠使氣流彎曲繞流和穿越的作用[4]。

奉節境內長江干流41.5 km，另有梅溪河、大溪河、石筍河、草堂河、朱衣河等多條河流。

從奉節縣地形來看，在自然氣候中風的要素影響較小的前提下，夏季如何利用局地氣候引導空氣流通就成為了判斷城市建設是否宜居的一個重要條件。奉節的自然地貌為河谷地形，同時存在山谷與水系兩種地形條件，因此局地氣候是山谷影響力與水系影響力的疊加。從對城市空間形態影響最大的通風因素來看，主要分為地形風與水陸風兩種[5]。

1.2 奉節規劃范圍局地氣候研究

1.2.1 地形風氣候分析

奉節城區依山而建，氣流經過山地時，受地形阻礙而改變了運行方向和速度，加上不同太陽輻射導致不同的溫度變化，可以形成不同的局地環流（山坡風和山谷風）（圖1）。同時，奉節地區氣候自然狀態下大氣環流較微弱，“水陸風”相對明顯。白天的時候風從水體吹向陸地，夜間則相反，從陸地吹向水體。山地城市中夏季水陸風強度最大的是夏熱冬冷型城市[6]（圖2）。

圖2 水陸風示意圖Fig.1 schematic diagram of water and land wind

由地形分析可知，規劃范圍內為山地地貌，長江橫貫中部，山巒起伏，溝壑縱橫，高差較大，具體為低中山河谷，有少量平緩河谷平壩，河谷呈“V”字型。山體坡度較陡，坡面有沖溝發育。近地面的風速受峽谷地形影響，呈現不均勻空間分布：整體來看，峽谷內風速增大，迎風谷口有顯著加速效應，翻越迎風坡時風速減?。伙L速變化在山脊最強、山腰次之、峽谷軸線最弱；山腰線及峽谷軸線受狹管效應影響而風速增幅變大，且在峽谷軸線附近最為顯著[7]。

由于河流的分隔，規劃用地分為了5個山頭，約6個主要朝向。其中東西向的長江河谷，由于流域長，面積較大，應為河谷風的主導風向；朱衣河前段河谷較窄，后半段突然拓寬，氣流在此分散，強度變??；梅溪河河谷和草堂河河谷流域較為平均，但是山勢較緩，河谷風強度也小于長江河谷（圖3）。

地形風與水陸風疊加后，下墊面粗糙度和溫度的改變會導致風速變化。氣流在水面上受到的摩擦阻力小，水體上空的風速較大。研究數據顯示河谷地區水面上的風速大約比陸地大60%左右[5]。因此，規劃范圍內對城市影響最大的地形風就是長江河谷風，若想充分利用長江河谷風就需重點考慮長江岸線的建筑布局與空間形態。同時，朱衣河河口、草堂河河口區域的建筑，由于處于匯風口，也需考慮氣流的引導和規避。

圖3 奉節規劃區地形示意Fig.3 the topography of the Fengjie planning area

1.2.2 水陸風氣候分析

境內中部水系中長江14 km，最窄處659 m，最寬處1 936 m，江水自西南向東；朱衣河11 km，自西匯入長江，最窄處50 m，為雨洪通道，最寬處62 m，為長江回水，水流平緩；梅溪河3 km，自北匯入長江，最窄處300 m，最寬處690 m；草堂河1.9 km，自東北匯入長江，最窄處330 m，最寬處530 m。另外梳理出現狀匯水溝約67條，寬度在10 m以下，多呈“樹枝狀”或“漏斗狀”，溝深10～30 m（圖4）。

其中，長江流域可以提供具有明顯西北風向的水陸風，受影響地區為規劃區北岸中心城片區，以及東南向水陸風，影響南岸部分建設用地。朱衣河沿岸受水陸風影響較小，但匯水口會有較大的不穩定氣流；草堂河的半島區域也會受到長江水陸風的較大影響。規劃區內的匯水溝由于水域面積較小，產生的氣候影響屬于場地微氣候，因此未在城市形態層面進行考慮。

圖4 奉節規劃區水系示意Fig.4 the water system in Fengjie planning area

2 局地氣候影響下的城市設計應用

奉節屬于冬冷夏熱地區，此類城市應對氣候的不利因素時，應該充分注意“城市的開敞性、城市中心的分散性、城市通風廊道的建立和建筑的低密度”，也就是注重對城市的“通風驅濕”。對奉節縣地域進行分析知，穿越縣域的長江河谷奠定了奉節縣具有優質通風條件的重要基礎，其開敞的大型盆地和河谷對于氣流的引導作用較強，可以成為地域級的通風廊道和氣流樞紐，對于未來的城市通風有較大幫助。

2.1 橫向的臺地引導

在奉節的城市設計上也強調了多臺的概念，根據地形及規劃、現狀路網，將城市劃分為4個臺地，以綠化景觀帶、道路綠地系統進行分隔，利用分臺使建筑產生錯落，減少建筑屏障（圖5）。這樣，可以使這種冬冷夏熱城市有著開放式的城市邊界線，面向地形風的主導方向留出一定的開敞空間，建筑高度較低，在城郊布置大面積的綠化。如此布置可使城市的天際線呈現出起伏的形態，在地形和建筑高度的雙重影響下，城市天際線的起伏復雜多變，利用這種變化的城市天際線可以有效地將河谷風引入城市內部。

同時，為了更有利于城市的通風，應該在順應地形的前提下盡可能保證若干條主要干道與夏季盛行風平行，或者盡量減小與盛行風向的夾角。同時根據位于山體不同區域地塊各自的具體風向，對路網進行設計，盡可能使道路起到通風廊道的作用，控制具有通風功能的道路兩側建筑間距大于50 m。奉節縣城由于地形限制，已經存在了橫向的道路結構，因此在設計中保留原有的構架，對路網進行優化，增加道路寬度的同時也促進城市內部地形風的引導。

在道路條件難以達到橫向氣流引導的區域，可以通過建筑群的組合形式來形成通風廊道，城市通風的考慮需要結合一定的建筑高度才能夠實現，觀測面越高，通風廊道的風速越快，影響范圍越大，因此建筑要按照從沿街到遠離逐漸升高的形式布局（圖6）。

同時，植物是生態城市必不可少的元素，也對冬季保暖夏季降溫能起到很好的作用，奉節在冬季的日照率較低，喬木等綠化對日照時數的影響有限。因此在進行規劃區內部小型公共空間的綠化時，優先選擇了夏季生長茂盛的喬木，夏季太陽高度角較高的時候，樹冠投影面積大的喬木能給城市提供更多的遮蔽。

圖5 臺地建筑與綠植布局Fig.5 terrace architecture and green planting layout

2.2 縱向的軸線貫通

冬冷夏熱氣候區的城市建設用地邊界通常強調與生態界面的延展性，一般來說有著較長或者較曲折的城市邊界線。對于奉節城市設計，受地形的影響，建設用地邊界線沿山體蜿蜒分布，以便盡可能地通過楔形深入城市的自然環境將郊區綠化中潔凈涼爽的風引入城市內部，達到除濕降溫的作用。同時，利用奉節自然形成的沖溝作為綠楔，保證足夠的綠線退距貫穿山體與水系，打通城市縱向通風廊道,控制縱向通風廊道不小于30 m，可以在夏季有效地將水陸風引入城市內部（圖7）。

將城市內部高密度區分布適當分散，穿插在低密度的地塊中，可以避免城市聚集大量熱量，增加城市通風廊道，降低夏季的熱島效應。

此外，東西向的建筑山墻間距在滿足小區規劃和防火要求的前提下，應該盡可能縮小，使建筑相互遮蔽，以便有效降低東西曬時建筑墻面的溫度，減少日照輻射，降低區域氣溫，形成“氣溫梯度”，產生與林地風和水陸風原理類似的街巷風，調節溫度制造“涼街”效果。

圖6 城區風廊——高密度下的退臺Fig.6 urban wind corridor—stepped-wedge design

圖7 城區風廊——水陸風廊道Fig.7 urban wind corridor—land and water wind corridor

圖8 城區風廊：建筑貼線示意Fig.8 urban wind corridor: building attachment rate

2.3 濱水建筑貼線控制

濱水建筑貼線控制一方面是將水面上的河谷風由橫向轉為縱向以進入建設用地，另一方面是給水陸風提供充分的登陸條件。奉節屬于典型的峽谷風，由于長江水面的寬度，長江上主導風速會略快于城區內的風速。設計中利用城區面向長江夏季主導風向改變建筑朝向，增加開敞空間和斜面，可以引導江風高速進入城區。同時，利用沖溝綠軸將水陸風引入城區內部，也可以改善城市縱向熱環境，因此濱水建筑貼線率建議控制在50%，以留出足夠的截風口和通風廊道入口（圖8）。

按照標準風力壓強公式計算，wp=0.5·ro·v2，其中wp為風壓，ro為空氣密度，v為風速，設定溫度一定的時候，空氣密度不便，即，溫度不變風速增加時，風壓會以倍速增加[8]。

由得出即當風速增加0.5倍時，風壓增加1.25倍。

由定高度風速公式可推，其中Vh為定點高度風速，V0為基準高度風速，0.2為平均下墊面粗糙指數。

因此得出，將河谷風引入城市內部，沿山體爬升，并且設置貫通的風廊，可以有效地增加風速，同時風壓呈倍數增長也有利于城市內部空氣的流通，最終形成良好的城市空氣流通環境。

3 結 語

自古以來，氣候就影響著人類文明的產生和傳播，可以說，如果沒有適宜的氣候，地球上就不會有人類文明的存在。與人類生活息息相關的“衣食住行”四大要素一直受到氣候條件的直接影響，同時也導致了局地氣候的改變。從遠古人類第一次進入洞穴遮風避雨的時候，“居住、城市”與自然的相輔相倚就開始了，生活的空間形態和生活氣候環境相互影響和相互作用，引導著城市文明的發展。

在對奉節的城市的設計中，充分參考了當地氣候特征，通過自然的方法，盡量利用氣候中有利的因素來設計城市，利用氣候留下的信息來延續城市的地域和人文特征。利用傳統營造中屏障、遮蔽、通風等方法或者密集的建筑布局、包圍的綠化等形式，在一定程度之內將自然氣候帶來的不利要素降到最低，最終建設成為生態、節能、具有可持續意義的城市。同時，除了地理結構以外，氣候因素是最穩定的，它在某一地區的循環過程中，幾乎是不變的。城市設計對地區特有氣候的真實應對也體現了奉節的城市形態和氣候特征等城市文化。

參考文獻：

[1] 鄭子政. 氣候與文化[M]. 臺北: 臺灣商務印書館, 1069: 96.

[2] 柏春. 城市氣候設計[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2009: 29-30.

[3] 鑫宇, 王嶠, 陳天. 綠色視角下的生態城市設計理論溯源與策略研究[J]. 南方建筑,2017(02): 14-20.

[4] 小澤行雄, 吉野正敏. 小氣候調查方法[M]. 南寧: 廣西人民出版社, 1982: 80.

[5] 重慶市奉節縣人民政府網. http://fj.cq.gov.cn/index/.

[6] 鐘中, 張耀存. 城市人工水體的氣象效應與局地環境變化[M]. 北京: 科學出版社,2008: 24.

[7] 樓文娟, 劉萌萌, 李正昊, 等. 峽谷地形平均風速特性與加速效應[J]. 湖南大學學報（自科版）, 2016, 43(07): 8-15.

[8] 張延年, 王元清, 張勇, 等. Gumbel分布的基本風壓計算與分析[J]. 土木建筑與環境工程, 2012, 34(02): 27-31.

圖片來源：

圖1-2：柏春. 城市氣候設計[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2009.

圖3-8：作者繪制