西咸新區海綿城市人體舒適度評價

周德宏，劉 帆，鄧朝顯，劉 艷，牛樂田，王 薇

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000； 2.陜西省西咸新區灃西新城開發建設(集團)有限公司，陜西西咸新區 710000)

近年來，隨著城市化進程的加快，城市用水量逐年增加，城市干旱缺水態勢加劇，北方城市旱季缺水尤為突出。與水資源總量短缺、分布不均的狀況相伴，汛期內澇問題越來越突出，城市“看海”屢見不鮮。為了轉變城市發展的舊觀念，探索新型城市發展模式，2013年起，西咸新區灃西新城因地制宜地探索實踐海綿城市建設。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水等，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，提升城市生態系統功能和減少城市洪澇災害的發生。總體來說，海綿城市有兩大功效，即防治城市內澇以及雨水收集利用。

隨著人們對生活環境質量要求的不斷提高，人居氣候舒適性的研究顯得尤為重要。國內外學者對城市氣候舒適性的研究頗多，應用較多的是綜合了氣溫、濕度、風速、日照等要素的氣候舒適度指數[1-4]，大多集中在氣候旅游資源評價和區域人居環境的氣候適宜性分析[5-9]。針對西咸新區人居氣候舒適性評價研究的非常鮮見。西咸新區灃西新城海綿城市(簡稱西咸新區海綿城市)建設進程中，城市下墊面類型從裸地到吸水地面，產業結構調整、轉型和升級，城市人居環境也發生了變化，進而重布了人口分布。利用西安和西咸新區海綿城市2012—2017年的氣象資料，對比分析兩個區域的人體舒適度指數，綜合評價海綿城市的人體舒適度，為區域人口發展、能耗調控等提供了一定的指導意義。

1 資料和方法

1.1 研究區概況

2015年1月19日，根據習近平總書記關于“加強海綿城市建設”的講話精神和中央經濟工作會議要求，財政部、住房城鄉建設部、水利部下發通知，決定開展中央財政支持海綿城市建設試點工作。西咸新區積極實踐海綿城市建設模式，確定灃西新城核心區作為建設試點，建設“組團布局、大開大合”的現代田園城市，通過生態海綿保育綠色本底、濕地海綿修復河湖水系、城市海綿建設都市綠網等全方位實現海綿城市建設效果。

西咸新區灃西新城位于西安與咸陽兩市之間，總規劃面積143.17 km2，其中建設用地64 km2，非建設用地79 km2。該區域屬于半干旱、半濕潤大陸性季風氣候，四季冷暖干濕分明，年平均氣溫13.6 ℃，年降水量520～600 mm，降雨集中，6—9月降雨量占全年的61%，年均日照時數2 055 h。

1.2 數據來源

采用2012—2017年西安站氣象觀測資料和灃西新城內的3個自動氣象監測站(釣臺、大王、馬王)的逐日氣溫、降水量、平均風速、日照時數和相對濕度等數據(見圖1)。3個自動氣象監測站各要素的平均值代表西咸新區海綿城市的數據。為了確保研究結果的準確性，對個別缺失或不合理的氣象數據采用內插法計算補充或糾正。數據來源于陜西省氣象局。

圖1 研究區氣象站點的分布

1.3 研究方法

選取溫濕指數ITH(temperature humidity index)、風效指數K(index of wind effect)和體感溫度Te(apparent temperature)來描述人體舒適度，通過對三種指標的計算來評價西咸新區海綿城市人居環境舒適度。

1.3.1 溫濕指數ITH溫濕指數ITH也稱有效溫度，是指人們對環境溫度和濕度的感知程度[10]，反映不同溫度和濕度情況下人體感到舒適的程度，也是目前研究中最常見的一種評價指標[11]。計算公式為

ITH=1.8T-0.55(1-HR)(1.8T-26)+32，

(1)

式中，T為環境溫度(℃)；HR為相對濕度(%)。公式中未考慮太陽直接照射的作用，因此只能表示人們在陰影環境下的感覺指標。

1.3.2 風效指數K風效指數K是指人體皮膚在不同氣溫和風速組合下對冷暖風效的感受，既考慮體表的散熱，也考慮了太陽輻射后人體的增熱，它反映體表與周圍環境之間的熱交換，即體表單位面積的熱交換律(正值為吸熱，負值為散熱)[12]。其計算公式為

(2)

式中，T為環境溫度(℃)，v為環境風速(m/s)，S為日照時數(h/d)。

1.3.3 體感溫度Te體感溫度Te是指在考慮了環境溫度、濕度和風速等因素綜合影響后，人們感受到的溫度，它能定量表示人對冷熱的感受，也是人體舒適度的評價指標[13]。其計算公式為

(3)

式中，T為環境溫度(℃)，v為環境風速(m/s)，HR為相對濕度(%)。

1.3.4 人體舒適度劃分標準 參考文獻[9]，本研究將基于溫濕指數和風效指數的人體舒適度評價標準分為9個等級。ITH、K分級和對應的人體舒適度等級劃分標準見表1(各指數取整數值)。

2 結果分析

2.1 舒適度時間變化

圖2為西咸新區海綿城市和西安的溫濕指數ITH和風效指數K的月變化圖，可以看出，兩者的溫濕指數ITH和風效指數K的月變化趨勢一致，均呈現單峰型分布。7月以前，ITH和K均隨氣溫的上升而上升，7月之后隨著氣溫的下降而下降。

表1 溫濕指數和風效指數的劃分標準

從單一指標看，當溫濕指數ITH在55～69時，人體感覺舒適。結合圖2，西咸新區海綿城市和西安的體感舒適的月份為5—6月和9—10月；6—8月體感由舒適變為熱；11月開始至次年3月由舒適變為冷。而根據風效指數K，K在-599～-300時人體感覺舒適，體感舒適的月份為3—4月和10—11月。綜合考慮ITH和K，兩個地區在10月均屬于人居環境舒適區。

對比分析西咸新區海綿城市和西安的溫濕指數ITH和風效指數K，兩者各月的ITH基本重合；雖然K各月的變化趨勢一致，但在冬季(11—2月)相差較大，尤其是1月和2月。為了進一步研究西咸新區海綿城市和西安的人體舒適度差異的原因，對比分析兩個地區的月平均氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數等氣象要素發現，兩個地區的氣溫和平均風速相差不大(圖略)，主要差異體現在相對濕度和日照時數上(圖3)。西咸新區海綿城市各月的相對濕度均明顯高于西安，且春、秋、冬季比夏季明顯。西咸新區海綿城市4月和9月日照時數略低于西安，其余各月均大于西安，尤其是冬季，其中10月、12月、1月和2月西咸新區海綿城市比西安月日照時數分別高出14.4%、12.0%、13.6%和10.8%。

圖2 西咸新區海綿城市和西安的溫濕指數ITH和風效指數K的月變化

圖3 西咸新區海綿城市和西安的月平均相對濕度和日照時數對比圖

2.2 體感溫度Te

根據公式(3)計算西咸新區海綿城市和西安的逐日體感溫度Te，確定兩個地區各月的舒適等級，統計出基于Te兩個地區人們不同感覺程度年平均日數(表3)。結果發現，西咸新區海綿城市全年感覺舒適日共有193 d，西安共有187 d，都主要集中在3—5月和9—11月，這個結果與溫濕指數ITH和風效指數K的分析結果一致。西咸新區海綿城市全年有78 d為高溫不舒適日，西安有81 d，都主要集中在6—8月；西咸新區海綿城市全年有95 d寒冷不舒適日，西安有97 d，主要集中在11—12月和1—2月。相對于西安，西咸新區海綿城市的人體舒適度更高，夏季高溫不舒適日數和冬季寒冷不舒適日數均比西安少。

表3 基于Te的西咸新區海綿城市和西安不同舒適度等級日數

2.3 舒適期及特征分析

根據ITH和K兩個指數等級劃分標準(表1)，利用文獻[14]方法確定西咸新區海綿城市各月綜合人體舒適程度。結果表明，西咸新區海綿城市人體舒適期長度為9個月，人體感覺非常舒適的時期在4月和10月，感覺很舒適的時期為5月、9月和11月；不舒適期有3個月，集中在1月、7—8月(最冷和最熱月)。

西咸新區海綿城市舒適期集中于春秋兩季，即屬于春秋舒適型氣候，夏季雨熱同期，冬季無嚴寒，全年舒適日達到193 d左右，適宜度較高。舒適期年內分布呈“M”型，3—5月、9—11月屬于舒適期。4月和10月最舒適，氣溫、濕度適中，日照充足，風速較小；5月、9月、11月舒適度次之。夏季(6—8月)高壓控制、云量稀少、日照強烈、持續高溫，室外人體感覺悶熱或炎熱，但西咸新區海綿城市通過多種手段建設現代田園城市，緩解熱島效應，提高舒適度；冬季氣溫低、風速較大，室外人體感覺較冷，舒適度較低，但海綿城市冬季供暖，室內舒適度相對較好，具有優良的宜居性。

3 結論

選取溫濕指數(ITH)、風效指數(K)和體感溫度(Te)3個指標，對比分析了西咸新區海綿城市和西安的人體舒適度變化，研究結果如下。

(1)西咸新區海綿城市和西安的溫濕指數ITH和風效指數K月變化均呈單峰型分布，7月之前ITH和K均隨時間上升，7月之后隨之下降。兩個城市的溫濕指數ITH和風效指數K月變化趨勢基本一致，但體感舒適的月份有所偏差，ITH指標顯示體感舒適的月份為3—4月和10—11月；K指標結果顯示體感舒適月份為5—6月和9—10月，主要是由于兩個地區的相對濕度和日照時數差異較大。

(2)海綿城市全年的清涼舒適日有193 d，西安有187 d，都主要集中在3—5月和9—11月。海綿城市全年有78 d左右為高溫不舒適日，都主要集中在6—8月；有95 d為寒冷不舒適日，主要集中在11—12月和1—2月。相對于西安，海綿城市的人體舒適度更高，夏季高溫不舒適日數和冬季寒冷不舒適日數均比西安少。

(3)海綿城市人居環境氣候舒適期長度為9個月，集中于春秋兩季，即屬于春秋舒適型氣候，舒適期年內分布呈“M”型，季節明顯。人體感覺非常舒適的時期在4月和10月，感覺很舒適的時期為5月、9月和11月；不舒適期長度為3個月，集中在1月、7—8月。

(4)由于本研究只考慮了氣溫對海綿城市氣候舒適度影響的初步結果，今后在分析海綿城市氣候舒適度時除了考慮氣溫外，還應引進考慮風速、濕度、太陽輻射、氣壓對人體舒適度影響的指標，從而提高模型的精確性。