氣候適應性視角下的河道空間城市設計評價和策略研究
——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，對河道地區的優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境與社會多元價值的重要方法。隨著近年來城市物理環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展趨勢，人口數量將會劇增，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中發揮微氣候的調節作用亟待被關注，本研究基于人體舒適度，探討提升空間設計評價的方法和策略，結合氣候適應性目標，在城市設計方法上進行更深入的研究，探索城市濱水空間對人居環境與微氣候的重要性[1]。

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

結合大量學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，濱水帶與河流構成的“水—綠”復合結構能夠緩解城市熱島效應，對城市小氣候起著重要的調節作用[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的街區尺度和空間形式，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，起到了改善環境和調節氣候的作用。目前，現有研究證實水體對城市環境有降溫增濕作用，周邊的小氣候與水體的面積、布局等因素密切相關[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[4]。

針對目前大量南方地區河道空間城市設計和實際建設中存在的河道與城市宏觀生態格局以及大型開敞空間銜接不足、濱水空間與城市失聯[5]、空間界面引導作用不佳導致風的調節作用發揮不足、植物配置不合理以及下墊面處理方式欠妥等情況，目前國內外大量學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]，部分涉及對相關要素與綠色基礎設施等方面的研究[9-14]，由于以上研究主要集中在河道水環境生態系統的優化、氣候應對機制以及對定性設計理念的探討，缺乏針對可廣泛被城市設計實踐所運用的方法和策略的探討，本文將在此基礎上結合實測，采用CFD數值模擬技術，分析微氣候對比數據和結論，以期為將來類似地區提供可參考的評價體系和城市設計方法。

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的典型濕熱氣候城市，高溫高濕的特點顯著，密如蛛網的珠江與其支流形成著名的“六脈皆通海”的城市自然水網格局。自20世紀80年代起，在城市化浪潮的席卷下，城區歷史河道污染嚴重，多被迫覆蓋成路，從此廣州城水道縱橫的城市特征不復存在。隨著近年來生態文明建設目標的確立，政府開展了規模宏大的中心城區河涌整治工作，重建具有嶺南風情的中心城區河涌濱水景觀環境[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內，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涌，以及水環境整治、污水系統改造、歷史街區保護更新等手段，使其恢復了昔日“一灣溪水綠，兩岸荔枝紅”的美麗景象（圖2-3）。該片區緊鄰荔灣湖，用地功能混雜，以居住、歷史街區以及小商業為主，街區建筑密度極高，街巷狹窄，建筑形體對通風廊道的遮擋嚴重，湖面與周邊街區通風不暢，街區內部風熱環境效果較差。未來在珠三角區域還將有大量類似的河道周邊地區的修復和改造工程。本文以荔枝灣涌改造前、后的狀況為分析對象，探討相應的評價體系和城市設計方法。

圖3 荔枝灣涌改造后的照片Fig.3 the photo of Lizhi Bay Refine Project after transformation

2 研究模型建立

2.1 指標與方法

為了實現對不同模擬環境的數據進行有效比較和直觀判斷，本文采用了對比風環境及人體熱舒適溫度的方法對熱環境進行綜合性評價，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）的基礎上提出生理等效溫度PET（physiological equivalent temperature）[16]，其定義為在某一室內或戶外環境中，人體皮膚溫度和體內溫度達到與典型室內環境同等的熱狀態所對應的氣溫。該指標不僅充分考慮了主要的氣象參數、人為活動與衣著，還包括了人的個體的參數對舒適度的影響，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狀進行現場氣候實測，將實測的結果與微氣候模擬軟件ENVI-MET進行校驗，并設置軟件的邊界條件；二、對改造后的現狀與改造前的狀況分別進行風環境和人體舒適度PET的模擬實驗對比；三、進行總結性分析并得出設計方法與策略，并結合分析結果提出優化策略與改造建議，最后進行優化方案的校驗。

2.2 實測與校驗

研究團隊于2017年7月30日進行氣候實測實驗，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的數據，其中包括空氣溫度（Ta）、黑球溫度（Tg）、相對濕度（RH）與風速（V），同時在附近街區的建筑屋頂（距地約15m）設置小型氣象站，額外記錄全球水平太陽輻射（W）及風向（D）等數據。

2.3 模型設計

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

表1 模擬數據邊界條件Tab.1 boundary conditions

3.3 分析框架設計

對河道空間與周邊環境進行篩選和判定，按照荔枝灣河道（原荔灣路）及其開敞空間、東西向巷道、南北向主街的結構選取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果，將河道沿線劃分成8個區段，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 模擬結論分析

3.1 風環境模擬結果分析

采用從荔灣湖面方向吹來的315°實測風向作為實驗模擬風向，從改造前的風環境結果來看，原荔灣路的連續建筑界面阻斷了湖面來風，僅有2號段內由于街道導風的原因，相對風速較大，達到0.32 m/s以上。巷道內多處風環境交叉，通風環境不佳，風速多在0～0.36 m/s以內。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，內部主街和東西向巷道的風環境與改造前相比，變化甚微（圖8）。

圖8 12點風環境對比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結果分析

人體PET模擬分析結果如圖9所示。

3.2.1 河道

從人體舒適度PET的早上10:00—16:00分時段的模擬結果來看，改造拆除了河道沿線內的部分建筑，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（SVF）加大，太陽輻射增加，即使大部分區域雖然風環境有較大改善，但從模擬結果看，1—8號區段大部分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，熱環境并沒有得到改善。由于改造后缺少必要的遮陽設施，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，最終導致濱水區域的熱環境反而差于改造前。只有北部廣場1—2號區段，由于風環境得到較大改善，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南側建了一個廣場，廣場有植被覆蓋，但在B1區域沒有形成有效的遮陽，導致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域改造的影響，該區域測點的平均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域創造了更好的風環境，使得局部的城市熱島效應有所緩解。

3.3 初步結論

由此可見：一、河道與周邊城市宏觀生態環境的空間聯系是設計中需要首先考慮的結構性問題，這會對河道沿線以風環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的風、熱環境有較大影響，對密集城區內部街巷的微氣候影響甚微，而河道自身的植被布置、空間形態等變化所帶來的熱輻射變化對微氣候將起決定性作用；三、沿河道的公共空間將成為河道優化建設完成后風環境和人體舒適度變化與改善力度較大的區域，需要在公共空間的設計方面加強對微氣候改善應對機制的研究和討論。

4 策略與建議

4.1 建立氣候適應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境中重要的資源及環境載體，從上文的模擬過程中可以看到，改造后不同區段、不同位置由于設計手法不同，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局部空間的人體舒適度在改造后反而有所下降的現象。在南方地區高濕高熱高輻射的背景下，在河道空間的設計之初有必要結合實測，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格局、街巷尺度、城市界面等之間的關系，分析水面、綠化、街道等要素對城市微氣候的影響機制，最后結合常用的圖底關系分析、標志物分析等城市設計手法進行相互校驗，并將其作為方案設計比選的決策性內容之一，以便實現河道對周邊微氣候調節效應的最大化。

4.2 構建 “水—綠—空間”共構的河道城市設計策略

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

4.2.1 空間策略：打造順應區域主導風向的“點—線—面”的空間關系

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，對風熱環境的改善效果不佳。應構建適應性濱水空間設計模式，首先盡量開放河道附近的城市空間界面，引導來自大型生態空間的主導風進入河道空間，實現對城市微氣候的調節作用；其次，考慮水面主要風向與開敞空間、街巷的對接和耦合關系，在有條件的情況下，最好耦合兩者之間的角度關系和區位，增加風速，強化散熱效應。針對密集的改造型街區，如本案荔枝灣所在的老城區，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系；針對新區建設，應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，構建合理的空間體系。

4.2.2 節點策略：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計中微氣候差異較大的區域，即采用不同設計手法出現的微氣候結果差異較大。建設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計上要關注遮陰、散熱、通風方法的綜合應用，在滿足集散空間的情況下，在場地立體設計、建筑設計、景觀設計等方面，加強散熱防輻射的策略和措施，如設置熱緩沖帶、運用遮陽體系、改善場地通風、被動蒸發降溫等微氣候優化策略和措施，保證公共空間優良的風熱環境。

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—草組成的合理復層種植結構（即通過喬—灌—草合理搭配提高單位面積的綠量）[20]是南方地區濱水帶小氣候適應性城市設計的關鍵，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—草結構優于單一的喬木；從減少太陽輻射來看，喬木綠量是最關鍵的影響因素。在南方濕熱高輻射地區，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中被忽視的問題。在實際城市設計中，應在硬質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。特別是在舊城區城市設計中，要盡量將現狀和新增的喬木的分布和數量作為河道空間城市設計的重要要素之一，并將其納入設計之初的微氣候比較和模擬中。

4.2.3.2 優化建議

基于以上分析結論，在改造后的現狀基礎上進行優化方案設計，嘗試用增加高大喬木的方式，以多點簇團式沿岸布置相結合的綠化結構，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，再次進行風環境模擬和人體PET值模擬（圖10）。

4.2.3.3 驗證與結論

從優化后的風環境模擬結果來看，由于植物的增加，河道區域的風速有所減緩，但對于東西巷道及南北主街的風環境沒有明顯的影響，河道周邊風環境分布較為均勻，平均風速大約為0.7 m/s左右。從各點的PET變化來看，優化方案后絕大多數測點的平均PET比現狀及原狀的平均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極值均小于現狀與原狀，尤其是濱水區域的測點，A2測點的優化方案與現狀的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微氣候有直接的調節作用，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 優化方案以及風環境模擬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為現狀，R為優化方案）Fig.11 the comparison of successive time PET and average PET in different working conditions

5 結 語

城市寶貴的河道空間對于城市微氣候的調節作用不可忽視，本文通過場地實測與計算機模擬相結合的方式，首次從風、熱環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為代表的南方城市河道空間城市設計和改造中存在的問題，初步構建河道空間氣候適應性城市設計評價機制和設計框架，后續研究將以此為基礎，進一步系統分析河道空間城市設計關鍵性設計要素影響人體舒適度的數據模型，進而構建可被常態化使用的氣候適應性城市設計方法和策略，為城市建設的生態和諧目標做出貢獻。

感謝天河二號超級計算機與廣州市城市規劃勘測設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：廣州市城市規劃勘測設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