丘楚俊,吳健宇,許梓明,林煒昊,李小梅
(湛江科技學(xué)院,廣東湛江 524000)
歷史街區(qū)是一個(gè)城市乃至一個(gè)國(guó)家發(fā)展歷程的縮影,同時(shí)蘊(yùn)含豐富的歷史文化,隨著旅游業(yè)的發(fā)展,歷史街區(qū)不僅是原有居民的生活場(chǎng)所,還是外來(lái)游客參觀游玩的一個(gè)名勝景點(diǎn)。在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展背景下,環(huán)境污染、極端氣候、人居因素、城市發(fā)展等問(wèn)題凸顯,歷史街區(qū)原有狀態(tài)已跟不上時(shí)代的步伐,宜居、宜游的功能下降。如何改善、提高、進(jìn)一步發(fā)展歷史街區(qū)是一個(gè)值得深思的問(wèn)題。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)改善熱舒適度的研究有所增多,例如樹(shù)木不同的形態(tài)特征會(huì)形成不同的樹(shù)下成蔭效果,對(duì)人體熱感覺(jué)變化也有一定影響[1]。雖然樹(shù)下成蔭能有效降低生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature,PET),但不同樹(shù)種及種植模式對(duì)改善人體熱舒適的效果有一定區(qū)別[2]。張錚在研究植物形態(tài)對(duì)比實(shí)測(cè)微氣候因子數(shù)據(jù)中得出樹(shù)冠這一形態(tài)特征對(duì)微氣候具有顯著影響[3]。晏海研究城市公園綠地的微氣候因子中發(fā)現(xiàn)樹(shù)木冠層的葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、天空可視因子對(duì)微氣候改善有明顯效果[4]。有樹(shù)下成蔭與無(wú)樹(shù)下成蔭會(huì)導(dǎo)致城市的生物氣候條件、平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature,Tmrt)和生物氣象熱指數(shù)有一定的區(qū)別[5]。植物在改善道路周?chē)奈夂颉⑻嵘值揽臻g熱環(huán)境、降低空氣溫度、增加空氣濕度、減弱太陽(yáng)和地面輻射、改善通風(fēng)等方面有著不可替代的作用[6-8]。因此,研究植物形態(tài)與熱舒適度調(diào)節(jié)的關(guān)系,對(duì)改善、提高、發(fā)展歷史街區(qū)有著重要意義。本文以湛江市為例,實(shí)測(cè)具有代表意義的歷史街區(qū)的微氣候因子數(shù)據(jù)及植物形態(tài)特征,并進(jìn)行相關(guān)性分析。
以廣東省湛江市赤坎老街為研究場(chǎng)地,以民主路、中山路為核心,東、南至南橋河,西至躍進(jìn)路、九二一路,北至北橋河,整體范圍較大,并且有著較為完整的歷史老街道、傳統(tǒng)民居,以及富有特色的南洋風(fēng)格騎樓群和歐陸格調(diào)建筑群。
根據(jù)湛江市粵西的地理位置,受北部灣城市群影響輻射,屬于邊緣熱帶濕潤(rùn)地區(qū),夏長(zhǎng)冬短。通過(guò)天氣預(yù)報(bào)選擇夏季高溫晴朗(2022 年9 月18—20 日)天氣3 d 的9:00—17:00,每間隔2 h 定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。最后整理數(shù)據(jù)取其平均值。
通過(guò)前期實(shí)地調(diào)研,依據(jù)赤坎老街原有特色,可將街道空間劃分為傳統(tǒng)商業(yè)型歷史街區(qū)、文化娛樂(lè)型歷史街區(qū)兩類,各類選取2 個(gè)點(diǎn),并在空曠廣場(chǎng)設(shè)置對(duì)照點(diǎn),共5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定,即婦幼保健院門(mén)前小公園、步行街、水仙廟、古玩文化城及空曠廣場(chǎng)。測(cè)點(diǎn)位置及其基本情況詳見(jiàn)表1。

表1 赤坎老街各測(cè)點(diǎn)位置及其基本情況
研究植物形態(tài)對(duì)赤坎老街不同街道空間的小氣候調(diào)節(jié)影響,對(duì)5 個(gè)具有代表性的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行微氣候因子測(cè)定,表2 為測(cè)試儀器及參數(shù)詳情。通過(guò)手持太陽(yáng)能功率計(jì)距地150 cm 處測(cè)量各測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射;手持多功能風(fēng)速計(jì)距地150 cm 處測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、風(fēng)速;通過(guò)測(cè)距望遠(yuǎn)鏡測(cè)量植物樹(shù)高、冠幅、樹(shù)冠距地距離;通過(guò)魚(yú)眼鏡頭獲取冠層密度。

表2 測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量參數(shù)
選用生理等效溫度作為人體熱舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo),定義為給定環(huán)境下的生理平衡溫度,其值等于典型室內(nèi)環(huán)境下達(dá)到室外同等熱狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣溫[9-10]。談建國(guó)等在2001 年對(duì)PET 影響人體熱舒適度的因素進(jìn)一步完善[11];鄭有飛等在此基礎(chǔ)上將PET與南京熱舒適感的概率分布、氣象參數(shù)等進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性研究[12]。所以,PET 是目前比較科學(xué)、合理量化微氣候的一種方法。本研究利用RayMan pro 3.1 模型導(dǎo)入各街道空間所觀測(cè)的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,同時(shí)設(shè)定夏季服裝熱阻系數(shù)、人體性別、年齡、身高、體重、新陳代謝率和街區(qū)地理位置等信息,用于計(jì)算各測(cè)點(diǎn)空間生理等效溫度PET。表3 為雷曼模型數(shù)據(jù)錄入內(nèi)容及其具體參數(shù)。
最后對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)分析,為改善歷史街區(qū)環(huán)境提供指導(dǎo)性建議與思路。
2.1.1 溫度
圖1 數(shù)據(jù)表明,4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣溫在30.0~35.5 ℃,對(duì)照點(diǎn)氣溫在33.7~36.3 ℃,整體溫度曲線基本呈先上升后下降的趨勢(shì)。其中溫度峰值均在11:00 處,分別 為A 點(diǎn)34.7 ℃,B 點(diǎn)35.5 ℃,C 點(diǎn)35.2 ℃,D 點(diǎn)35.0 ℃,對(duì)照點(diǎn)36.3 ℃。與對(duì)照點(diǎn)相比,A 點(diǎn)最高可降溫3.2 ℃,最低可降溫1.2 ℃,日平均氣溫降低1.84 ℃;B 點(diǎn)最高可降溫1.6 ℃,最低可降溫0.8 ℃,日平均氣溫降低1.12 ℃;C點(diǎn)最高可降溫1.1 ℃,最低可降溫0.5 ℃,日平均氣溫降低0.66 ℃;D點(diǎn)最高可降溫2.3 ℃,最低可降溫0.8 ℃,日平均氣溫降低1.38 ℃。因此不同植物對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用有所區(qū)別,整體上植物使日平均氣溫降低1.5 ℃左右。

圖1 實(shí)測(cè)點(diǎn)日溫度圖
2.1.2 濕度
圖2 數(shù)據(jù)表明,4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度在58.8%~77.7%,對(duì)照點(diǎn)濕度在58.1%~72.6%,整體濕度曲線呈“W”型的趨勢(shì)。其中相對(duì)濕度峰值均在9:00 處,分別為A 點(diǎn)77.7%,B 點(diǎn)74.5%,C 點(diǎn)72.7%,D 點(diǎn)76.8%,對(duì)照點(diǎn)72.6%。與對(duì)照點(diǎn)相比,A 點(diǎn)濕度最高增加8.4 個(gè)百分點(diǎn),最低增加3.8 個(gè)百分點(diǎn),日平均濕度增加6.4個(gè)百分點(diǎn);B點(diǎn)濕度最高增加4.3個(gè)百分點(diǎn),最低增加0.5 個(gè)百分點(diǎn),日平均濕度增加1.72 個(gè)百分點(diǎn);C 點(diǎn)濕度最高增加6.4 個(gè)百分點(diǎn),最低增加0.1 個(gè)百分點(diǎn),日平均濕度增加1.84 個(gè)百分點(diǎn);D 點(diǎn)濕度最高增加7.7 個(gè)百分點(diǎn),最低增加濕度2.9 個(gè)百分點(diǎn),日平均濕度增加4.64個(gè)百分點(diǎn)。不同植物對(duì)濕度的調(diào)節(jié)作用有所區(qū)別,整體上植物使日平均濕度增加4個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 實(shí)測(cè)點(diǎn)日濕度圖
2.1.3 風(fēng)速
圖3數(shù)據(jù)表明,A點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)風(fēng)速均為0 m·s-1;B 點(diǎn)風(fēng)速在0~1.2 m·s-1,平均風(fēng)速為0.24 m·s-1;對(duì)照點(diǎn)風(fēng)速在0~1.4 m·s-1,平均風(fēng)速為0.52 m·s-1,對(duì)照點(diǎn)比4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速都大。植物的通風(fēng)效應(yīng)分為夏季的導(dǎo)風(fēng)效應(yīng)和冬季的擋風(fēng)效應(yīng)。夏季導(dǎo)風(fēng)效應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制,樹(shù)冠阻礙或改變風(fēng)的大小和方向,而在樹(shù)冠下,風(fēng)可以順利穿過(guò)。此外,樹(shù)冠吸收部分太陽(yáng)輻射作為生理活動(dòng)能量來(lái)源、阻擋太陽(yáng)輻射投射,樹(shù)陰處的空氣溫度會(huì)比沒(méi)有樹(shù)陰的地方低,空氣會(huì)從溫度高的無(wú)樹(shù)陰處流向溫度低的樹(shù)陰處,形成局部空氣微循環(huán)[13]。測(cè)量時(shí)間為夏季,應(yīng)具有導(dǎo)風(fēng)效應(yīng)提高風(fēng)速的效果,從測(cè)量結(jié)果可得出赤坎老街的植物配置還未能起到該效果。測(cè)量結(jié)果反映出全天各測(cè)點(diǎn)基本無(wú)風(fēng),不能排除存在選定的測(cè)量日期剛好無(wú)風(fēng)的情況,亦存在建筑布局不合理導(dǎo)致風(fēng)速減小的可能。

圖3 實(shí)測(cè)點(diǎn)日風(fēng)速圖
2.1.4 太陽(yáng)輻射
圖4 數(shù)據(jù)表明,太陽(yáng)輻射曲線基本呈先上升后下降的趨勢(shì),其中峰值都在11:00 處,是太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)間段,最低值處在15:00—17:00。A 點(diǎn)太陽(yáng)輻射最大值為63.9 W·m-2,最小值為22.7 W·m-2;B 點(diǎn)太陽(yáng)輻射最大值為82.3 W·m-2,最小值為39.0 W·m-2;C 點(diǎn)太陽(yáng)輻射最大值為70.5 W·m-2,最小值為35.3 W·m-2;D點(diǎn)太陽(yáng)輻射最大值為42.4 W·m-2,最小值為21.2 W·m-2;對(duì)照點(diǎn)太陽(yáng)輻射最大值為548.2 W·m-2,最小值為86.6 w·m-2。

圖4 實(shí)測(cè)點(diǎn)日太陽(yáng)輻射圖
通過(guò)布魯諾[14]的計(jì)算方程式可以算出行道樹(shù)對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減效果:
式(1)中,AT為太陽(yáng)輻射的衰減百分比,Ssun表示日照下日均太陽(yáng)輻射的總值,Ssh表示樹(shù)蔭下日均太陽(yáng)輻射的總值。
A 點(diǎn)日均太陽(yáng)輻射衰減效果為86.9%,B點(diǎn)日均太陽(yáng)輻射衰減效果為80.2%,C 點(diǎn)日均太陽(yáng)輻射衰減效果為81.3%,D 點(diǎn)日均太陽(yáng)輻射衰減效果為90.0%。表明植物對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減效果顯著,且不同植物對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減作用有所區(qū)別。
計(jì)算各測(cè)點(diǎn)空間生理等效溫度,分別得出A 點(diǎn)為28.6 ℃,B 點(diǎn) 為29.6 ℃,C 點(diǎn) 為29.9 ℃,D 點(diǎn) 為29.1 ℃,E點(diǎn)為38.4 ℃(見(jiàn)圖5)。A、B、C、D點(diǎn)的生理等效溫度都低于對(duì)照點(diǎn)E,其中A點(diǎn)的降溫效果最為明顯,達(dá)9.8 ℃。說(shuō)明微氣候因子在一定范圍內(nèi)形成的局部氣象條件也會(huì)影響人體的熱舒適度。采用SPSS軟件進(jìn)行微氣候因子與生理等效溫度的相關(guān)性分析。

圖5 生理等效溫度圖
由表4 可知,溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射與生理等效溫度之間均呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.873、-0.711、0.905、0.999,其中溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射與生理等效溫度之間呈極顯著正相關(guān),濕度與生理等效溫度之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),人體需要采取調(diào)節(jié)措施來(lái)保持體溫平衡,進(jìn)而提高生理等效溫度。當(dāng)人體暴露在高太陽(yáng)輻射的環(huán)境中時(shí),會(huì)吸收額外的熱量,增加體溫負(fù)荷,導(dǎo)致較高的等效生理溫度。而高濕度會(huì)影響人體的蒸發(fā)散熱效率,提高生理等效溫度。風(fēng)速可以影響蒸發(fā)散熱,較大的風(fēng)速有助于加速蒸發(fā),有利于降低生理等效溫度。但本研究結(jié)果呈現(xiàn)相反趨勢(shì),可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)高溫高輻射的環(huán)境特征影響導(dǎo)致人體采取了不同的適應(yīng)性調(diào)節(jié)措施。

表4 微氣候因子與生理等效溫度的相關(guān)性分析
樹(shù)木的高度、冠幅、冠層密度、冠幅距地距離等要素合稱為樹(shù)木的形態(tài)特征。植物的光合作用、蒸騰作用等一系列的化學(xué)反應(yīng)和生長(zhǎng)發(fā)育的生理變化都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。樹(shù)木遮陰能有效降低生理等效溫度,改善人體熱舒適性,而且不同樹(shù)種及種植搭配產(chǎn)生的效果存在差異[2]。采用SPSS 軟件對(duì)喬木的形態(tài)特征與微氣候因子、生理等效溫度進(jìn)行相關(guān)性分析。
2.3.1 樹(shù)高
由表5 可知,樹(shù)高與溫度、太陽(yáng)輻射的相關(guān)系數(shù)分別為-0.305、-0.234,表明樹(shù)高與溫度、太陽(yáng)輻射呈顯著負(fù)相關(guān);樹(shù)高與濕度、風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)接近于0,相關(guān)性不顯著。就樹(shù)高而言,若短時(shí)間內(nèi)通過(guò)植物調(diào)節(jié)微氣候,選擇速生樹(shù)種優(yōu)于實(shí)生樹(shù)種,因?yàn)橄嗤L(zhǎng)時(shí)間下速生樹(shù)種的樹(shù)高要高于實(shí)生樹(shù)種,微氣候調(diào)節(jié)能力更強(qiáng),而且同一樹(shù)種成年樹(shù)木比幼年樹(shù)木的微氣候調(diào)節(jié)能力要強(qiáng)。

表5 植物形態(tài)特征與微氣候因子的相關(guān)性分析
2.3.2 冠幅
由表5 可知,冠幅與溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射之間的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平,其中冠幅與溫度、太陽(yáng)輻射之間呈極顯著負(fù)相關(guān),與濕度、風(fēng)速之間呈極顯著正相關(guān)。就冠幅而言,在同等冠層密度情況下冠幅越大,遮蔭覆蓋率越高,調(diào)節(jié)微氣候的能力越強(qiáng);短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)微氣候應(yīng)是速生樹(shù)種優(yōu)于實(shí)生樹(shù)種,因?yàn)橄嗤L(zhǎng)時(shí)間下速生樹(shù)種的冠幅大于實(shí)生樹(shù)種,但不能忽視樹(shù)種成樹(shù)后的一般形態(tài)。
2.3.3 冠幅距地距離
由表5 可知,樹(shù)冠距地距離與溫度的相關(guān)系數(shù)為0.529,呈極顯著正相關(guān);與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為-0.316,呈極顯著負(fù)相關(guān);樹(shù)冠距地距離與濕度、太陽(yáng)輻射的相關(guān)性不顯著。就冠幅距地距離而言,樹(shù)冠距地高度越低,對(duì)風(fēng)速的影響越大,對(duì)微氣候的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。
2.3.4 冠層密度
由表5 可知,冠層密度與濕度、風(fēng)速之間呈極顯著正相關(guān),與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān),與太陽(yáng)輻射呈顯著負(fù)相關(guān)。實(shí)測(cè)點(diǎn)代表樹(shù)種魚(yú)眼示意圖、形態(tài)特征示意分別見(jiàn)圖6、圖7。4 個(gè)測(cè)點(diǎn)中,A 點(diǎn)小葉榕冠層密度為76.2%,B 點(diǎn)山楝冠層密度為76.58%,C 點(diǎn)非洲楝冠層密度為85.14%,D 點(diǎn)秋楓冠層密度為57.48%。就冠層密度而言,在同等冠幅情況下冠層密度越大,遮蔭覆蓋率越大,調(diào)節(jié)微氣候的能力越強(qiáng)。

圖6 實(shí)測(cè)點(diǎn)代表樹(shù)種魚(yú)眼示意圖

圖7 實(shí)測(cè)點(diǎn)代表樹(shù)種形態(tài)特征示意圖
2.3.5 生理等效溫度
由表6 可知,生理等效溫度與冠幅的相關(guān)系數(shù)為-0.339,呈極顯著負(fù)相關(guān);生理等效溫度與樹(shù)高、樹(shù)冠距地距離、冠層密度的相關(guān)性不顯著。植物葉片可以吸收一部分太陽(yáng)輻射,并將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)和進(jìn)行蒸騰作用,從而增加周?chē)h(huán)境的濕度。植物冠幅大小反映植物覆蓋率的高低,可以提供陰涼和遮蔽的效果,隨著覆蓋率的增加可以減少反射和吸收的太陽(yáng)輻射,減輕陽(yáng)光直射對(duì)地表的照射,降低生理等效溫度。

表6 植物形態(tài)特征與生理等效溫度的相關(guān)性分析
綜上所述,溫度與樹(shù)高、冠幅、樹(shù)冠距地距離、冠層密度均有顯著相關(guān)關(guān)系,溫度隨著樹(shù)高、冠幅、冠層密度增大而減小,隨著樹(shù)冠距地距離增大而增大;濕度與冠幅、冠層密度有顯著相關(guān)關(guān)系,濕度隨著冠幅、冠層密度增大而增大;風(fēng)速與冠幅、樹(shù)冠距地距離、冠層密度有顯著相關(guān)關(guān)系,風(fēng)速隨著冠幅、冠層密度增大而增大,隨著樹(shù)冠距地距離增大而減小;太陽(yáng)輻射與樹(shù)高、冠幅、冠層密度有顯著相關(guān)關(guān)系,隨著樹(shù)高、冠幅、冠層密度增大而減小。生理等效溫度與冠幅有顯著相關(guān)關(guān)系,冠幅越大,人體的生理等效溫度越低。此外,大冠幅植物通過(guò)蒸騰作用釋放水分,有助于增加環(huán)境濕度,進(jìn)一步改善人體的熱舒適度。因此,針對(duì)不同街道的具體情況,應(yīng)對(duì)微氣候因子所需改善的著重程度有所取舍,選擇不同的樹(shù)種進(jìn)行種植布局從而達(dá)到功能最大化。
1)從微氣候因子數(shù)據(jù)中得出,各歷史街道的樹(shù)木對(duì)夏季的微氣候具有明顯調(diào)節(jié)作用,不同樹(shù)種對(duì)微氣候因子的調(diào)節(jié)能力有一定區(qū)別。例如,A點(diǎn)小葉榕、D 點(diǎn)秋楓的降溫增濕、降低太陽(yáng)輻射效果較B 點(diǎn)山楝、C點(diǎn)非洲楝要好。
2)相關(guān)性分析得出植物形態(tài)(樹(shù)高、冠幅、樹(shù)冠距地距離、冠層密度)與微氣候各因子存在一定的相關(guān)性;植物形態(tài)(樹(shù)高、冠幅、樹(shù)冠距地距離、冠層密度)與生理等效溫度亦存在一定的相關(guān)性。樹(shù)高、冠幅、冠層密度對(duì)溫度、濕度、太陽(yáng)輻射影響顯著,樹(shù)木越高、冠幅越大、冠層密度越大,進(jìn)而樹(shù)下的溫度越低,濕度越高,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越低;樹(shù)冠距地距離越高,對(duì)風(fēng)速影響越小,對(duì)微氣候調(diào)節(jié)的能力越差。植物冠幅與冠層密度越大,生理等效溫度越低。
3)綜合各方面因素考慮,在選擇樹(shù)種時(shí),盡量選擇高大、冠幅大、冠層密度大、樹(shù)冠距地距離低的樹(shù)種,其降低生理等效溫度的效果更好,有利于創(chuàng)造宜居宜游的舒適環(huán)境。
相關(guān)性分析表明,植物的形態(tài)特征對(duì)城市環(huán)境中的生理等效溫度具有一定的影響。可以通過(guò)增加植被覆蓋、利用綠色基礎(chǔ)設(shè)施和城市林業(yè)等措施,以求改善城市微氣候環(huán)境,降低生理等效溫度,提升人體的舒適度和健康狀態(tài)。微氣候中的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射因素會(huì)影響生理等效溫度,準(zhǔn)確了解和管理微氣候條件對(duì)保障舒適健康的環(huán)境非常重要,尤其是在城市設(shè)計(jì)和建筑規(guī)劃中。因此,在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中注重植物選擇、種植搭配是十分重要的,這些因素相互作用,綜合影響了人體對(duì)環(huán)境熱應(yīng)激的適應(yīng)能力和感知溫度。了解這些因素可以幫助我們更好地理解和管理熱應(yīng)激環(huán)境,確保人體在舒適安全的環(huán)境條件下生活。
本文受限于理論與實(shí)驗(yàn)條件,可能存在一定的局限性,如在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)量時(shí)并沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài),實(shí)測(cè)過(guò)程中不可避免一些外界因素的干擾,會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來(lái)影響,產(chǎn)生一定的誤差。