阿布力克木·托合提，朱禮同，王萬江

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

“生態(tài)宜居”是鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵，改善農(nóng)村人居環(huán)境，提升農(nóng)村室外公共空間的熱舒適度是亟須解決的問題.對吐魯番坎兒井村落而言，坎兒井公共空間是當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕顒訄鏊?，其熱舒適度關(guān)系到人們的室外活動質(zhì)量.由于地下水位的下降和人們對坎兒井水源依賴程度降低等原因，傳統(tǒng)村落中的坎兒井水量下降甚至干涸，1957年吐魯番地區(qū)坎兒井?dāng)?shù)量最多時有1 257條，截至2003年有水的坎兒井只剩404條，這個數(shù)值仍不斷在減少[1].隨之帶來的問題就是坎兒井公共空間的熱環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響到住區(qū)環(huán)境質(zhì)量.

國內(nèi)外學(xué)者針對不同氣候區(qū)室外空間的熱環(huán)境問題展開了相關(guān)研究.Adeb等[2]分析了不對稱街道高寬比對濕熱地區(qū)小氣候的影響，為室外空間的營造提供了重要參考；熊瑤等[3]以江南歷史街區(qū)為例，提出溫度與室外熱舒適度的關(guān)聯(lián)性最高，其次是相對濕度，建筑高度、方位、綠化率等影響了該結(jié)果.金虹等[4-5]對嚴(yán)寒地區(qū)的街道、廣場等室外公共空間的熱舒適度進(jìn)行研究，確定了東北地區(qū)室外熱舒適度的影響因素為濕度、風(fēng)速和人口等因素，可見不同氣候下影響室外空間舒適度的因素存在較大差異.Mehmet等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)寒冷地區(qū)密集的綠地在夏季和冬季都能起到提高城市熱舒適度的作用.Nedyomukti[7]發(fā)現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)夏季水體對城市微氣候的調(diào)節(jié)能力有限且與太陽輻射和風(fēng)速有關(guān).劉大龍[8]分析了草地、混凝土、鋪面磚、瀝青等下墊面對室外空間熱環(huán)境的影響.姚雄等[9]提出增加水覆蓋面、減少建筑覆蓋率以及優(yōu)化樹木覆蓋范圍可提高古典園林中的熱環(huán)境及熱舒適度.但目前針對干熱地區(qū)室外空間熱環(huán)境、特別是干熱地區(qū)村落室外公共空間的研究極少，因為大部分研究都是以城市的室外空間作為研究對象[10-12].

上述文獻(xiàn)中主要采用實測分析和問卷調(diào)查的方法對室外熱環(huán)境進(jìn)行研究.隨著計算機算法的優(yōu)化，多種模擬軟件被用來分析室外空間的熱環(huán)境.Esnart Libanda等[13]利用RayMan軟件分析了盧薩卡不同月份的城市氣候與人體熱舒適度的關(guān)系.張凱等[14]將氣象觀測數(shù)據(jù)與FLUENT軟件模擬對照分析了街道峽谷對近地層風(fēng)場的影響.陳淦等[15]利用PHOENICS軟件模擬不同下墊面和綠化對城市風(fēng)熱環(huán)境影響.Bruse開發(fā)的ENVI-met軟件綜合考慮了地表-植物-大氣之間的相互作用，廣泛應(yīng)用在室外熱環(huán)境的模擬研究中[16].

吐魯番地區(qū)夏季極端干熱，村落室外公共空間的熱環(huán)境問題突出，因此對吐魯番傳統(tǒng)村落的室外公共空間進(jìn)行研究更加迫切.本文以吐魯番地區(qū)傳統(tǒng)村落中獨特的坎兒井公共空間為研究對象，基于ENVI-met 軟件模擬，采用“實測-建模-驗證-情景模擬”的方法.分析干熱地區(qū)農(nóng)村室外公共空間的熱環(huán)境特征，綜合考慮各因素之間的協(xié)同作用，厘清各因素與熱環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)性.本研究可為干熱地區(qū)農(nóng)村室外公共空間的營造與室外熱舒適度的研究和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).

1 坎兒井公共空間的特點

坎兒井是新疆干旱區(qū)傳統(tǒng)村落所采用的一種獨特的水利灌溉系統(tǒng)，大多分布在吐魯番地區(qū)，坎兒井由豎井、暗渠、明渠、蓄水池四部分組成(圖1).吐魯番地區(qū)干旱少雨，年平均降水量僅有16.4 mm，而蒸發(fā)量則高達(dá)3 000 mm以上.該地長期處于水資源短缺狀態(tài)，但高山雪水的融化下滲后形成了豐富的地下水資源.坎兒井正是根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件而創(chuàng)造出來的.傳統(tǒng)坎兒井村落的居民生活、生產(chǎn)活動主要依賴于坎兒井水系所提供的水源.

傳統(tǒng)坎兒井村落的形成是以坎兒井水系為中心而不斷發(fā)展形成的人工綠洲，居住區(qū)—蓄水池—農(nóng)田依托地勢由高到低分布.民居沿著坎兒井明渠進(jìn)行布置，并不斷向兩側(cè)進(jìn)行延伸.坎兒井公共空間是指在傳統(tǒng)坎兒井村落中，以坎兒井的明渠為中心，在明渠兩側(cè)和蓄水池周圍與建筑之間形成的具有良好舒適度的線型空間，主要由坎兒井水渠、綠化和活動場地等因素組成.坎兒井水源為植物生長帶來了有利條件，水渠周圍的高大喬木通過遮陽又減少了坎兒井水量的蒸發(fā)，因此，在坎兒井明渠兩側(cè)和蓄水池周圍形成了獨特的微環(huán)境.同時為了生活用水的便利，民居與坎兒井水渠之間的可達(dá)性更好.坎兒井公共空間的景觀綠化水平和舒適度都遠(yuǎn)高于村落中其他空間.因此，坎兒井公共空間成為當(dāng)?shù)鼐用竦闹匾顒訄鏊?，也成為村落的核心公共空間.

圖1 坎兒井剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Karez section structure

2 研究方法

2.1 研究對象

吐魯番是我國夏季典型干熱氣候地區(qū)，自然條件獨特，大部分地面海拔不超過500 m，最低海拔低于海平面155 m.全年日照時數(shù)長達(dá)3 200 h，光熱資源豐富，極端高溫達(dá)47.8 ℃，降水稀少.本研究選擇位于吐魯番高昌區(qū)恰特喀勒鄉(xiāng)再依丁坎爾孜村進(jìn)行分析，該村落內(nèi)部縱向的坎兒井水系與橫向的其那兒巴哥公路構(gòu)成了十字形的骨架，整個村落沿著這一骨架延伸，形成了坎兒井村落特有的空間形態(tài)，是一處典型的坎兒井村落.為了解決村落的坎兒井水源不足的問題，該村將電井水引入明渠來維持坎兒井的生態(tài)，因此該村落保持了坎兒井公共空間的形態(tài)特征并延續(xù)至今.

測試時間為：2017年8月14日—18日，在1.5 m高度下測試的環(huán)境參數(shù)及儀器參數(shù)如表1所示.本次測試沿坎兒井明渠方向縱向布置了3個測點，各測點布置如圖3(a)所示.

表1 測試儀器參數(shù)Tab.1 Parameters of test instrument

2.2 測試結(jié)果分析

吐魯番夏季高溫天氣持續(xù)時間極長，選擇本次實測最晴朗炎熱的8月15日作為夏季典型氣象日.吐魯番當(dāng)日的日出時間為07∶09，正午時間為14∶07，日落時間為21∶05.根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用竦幕顒訒r間，選擇對日出后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.再依丁坎爾孜村各測點溫濕度變化及對比如圖2所示.

圖2 2017年8月15日 各測點溫濕度變化圖Fig.2 Temperature and humidity variation of each measuring point on August 15, 2017

從溫濕度日變化圖可以看出，各測點的溫濕度逐時變化趨勢基本一致.相對濕度變化與空氣溫度變化基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.日出前(7∶00)，實測當(dāng)天各測點溫度最低為27.2℃，相對濕度最高為35%(8∶00).9點之后溫度上升較快至16時到達(dá)峰值44.0℃，而相對濕度降至最低值為8%.各測點最高溫主要集中在15∶00—17∶00.20∶00之后，空氣溫度下降較快.在11∶00—20∶00的時間段內(nèi)，所有測點的溫度均高于35℃.

2.3 坎兒井公共空間熱環(huán)境模擬驗證及舒適度評價

2.3.1 ENVI-met相關(guān)參數(shù)設(shè)置

首先將研究區(qū)域的衛(wèi)星圖如圖3 (a)結(jié)合各個建筑的測量圖紙對坎兒井公共空間進(jìn)行精確建模.為了觀測不同區(qū)域的熱環(huán)境變化，沿著坎兒井明渠設(shè)置4個監(jiān)測點(Receptors)分別是:空間開合度高的R1、蓄水池附近且樹木最密集的R2、十字路口的R3以及北部狹窄區(qū)域的R4，如圖3(b)所示.為進(jìn)一步提高模擬精度，在模型周邊設(shè)置了30 m的空白區(qū)域作為緩沖空間；在ENVI-guide模塊中輸入8月15日的測試數(shù)據(jù)作為模擬氣象邊界.相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示.

圖3 研究區(qū)域衛(wèi)星圖及模型示意圖Fig.3 Satellite map and model diagram of study area

表2 模擬參數(shù)設(shè)置表Tab.2 Simulation parameter setting table

2.3.2 模擬結(jié)果評價

為了驗證模型的精度，將實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比.引入均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)以及一致性指數(shù)d等統(tǒng)計指標(biāo)來反映模型的誤差.RMSE和MAE是關(guān)于連續(xù)變量的兩個最普遍的度量標(biāo)準(zhǔn)，二者的數(shù)值越小，表示模擬的精度越高[17].Willmott提出的一致性指數(shù)d常用來評估模型的預(yù)測能力[18]，d值越趨近于1，表示模型的預(yù)測能力越強.各指標(biāo)的公式如下:

(1)

(2)

(3)

提取研究區(qū)域內(nèi)1～3號點的溫度和相對適度的模擬值與實測值進(jìn)行分析.根據(jù)各點的溫濕度對比情況以及模型精度的評價結(jié)果，見表3、圖4.

表3 模型精度評價結(jié)果Tab.3 Model accuracy evaluation results

圖4 點1-3實測與模擬的溫濕度對比結(jié)果Fig.4 Comparison results of temperature and humidity measured and simulated at points 1-3

可以看出：①溫濕度的模擬值曲線與實測值曲線整體變化趨勢基本一致.②模擬的溫度與實測結(jié)果的擬合度極高，一致性指數(shù)為0.96～0.98，RMSE為1.06～1.28，MAE為0.81～0.94.③各測點相對濕度的模擬結(jié)果與實測值的差異相對較大，主要是因為受模型分辨率的限制，水體的建模與實際情況還存在一定的差異.實測時周圍的環(huán)境更為復(fù)雜也會導(dǎo)致實測值有所誤差.但基本在誤差允許的范圍內(nèi)，相對濕度的一致性指數(shù)為0.84～0.87.可見ENVI-met軟件可以模擬坎兒井公共空間熱環(huán)境[19].

2.3.3 溫度模擬結(jié)果分析

提取1.5 m高度上不同階段典型的升溫時刻(11∶00)、最熱時刻(16∶00)和降溫時刻(19∶00)等3個典型時刻的溫度模擬結(jié)果，見圖5.

圖5 2017年8月15日典型時刻溫度模擬結(jié)果Fig.5 Temperature simulation results at typical time on August 15, 2017

在11∶00時，研究區(qū)內(nèi)最高溫度與最低溫度的差值為2.3℃.最高溫度為33.9℃，高溫區(qū)域出現(xiàn)在點R3北面的瀝青柏油公路上.由于瀝青的比熱容較小，在太陽直接輻射的影響下，瀝青路面快速升溫并對周圍的空間輻射熱量.研究區(qū)南部及中部(R2、R1附近)的坎兒井公共空間溫度最低為31.6℃.主要是因為樹木的蒸騰作用以及比熱容高的坎兒井水吸收了大量的熱量，使得周圍大面積的空氣溫度降低.此外，建筑物對太陽輻射的遮擋而產(chǎn)生陰影區(qū)域的空氣溫度也有所降低.

在16∶00時，研究區(qū)域的整體溫度達(dá)到峰值，氣溫的空間分布特征明顯.研究區(qū)域的西側(cè)和坎兒井公共空間的南部區(qū)域出現(xiàn)最高溫為44.1℃.主要是這些區(qū)域沒有植被或建筑遮擋太陽輻射.在觀測點R2附近有遮陽區(qū)域的溫度最低為41.7℃.此時研究區(qū)內(nèi)的最大氣溫差可達(dá)2.4℃.

在19∶00時，坎兒井公共空間的溫度開始降低.研究區(qū)內(nèi)的最低溫度為40.5℃，主要分布在建筑的陰影區(qū)，建筑對西曬的遮擋起到了良好的降溫效果.而坎兒井公共空間的內(nèi)部點R1和R2附近出現(xiàn)了高溫區(qū)域，最高溫度為42.3℃.此時研究區(qū)內(nèi)的最大氣溫差值為1.8℃.這是因為高密度的植物形成的較封閉空間及植物的散熱在一定程度上延緩了空間溫度地下降速度[20].

從模擬結(jié)果來看，坎兒井公共空間的整體溫度水平低于其他的空間，平均相差1.8～2.4℃.植物、坎兒井水以及民居建筑的陰影區(qū)都能夠起到一定的降溫作用.瀝青路面與覆土地面的溫度在升溫階段差異最大.

2.3.4 坎兒井公共空間熱舒適度評價

(1)熱舒適度評價指標(biāo)

選擇表征人體熱反應(yīng)的評價指標(biāo)PMV(Predicted Mean Vote)作為坎兒井公共空間熱舒適度的評價指標(biāo)[21].ENVI-met軟件中的BIO-met模塊可根據(jù)對坎兒井公共空間熱環(huán)境的模擬結(jié)果以及人體與環(huán)境之間的能量交換等因素計算出PMV值.具體評價指標(biāo)如表4所示.值得注意的是，相關(guān)研究表明干熱地區(qū)的人們具有更好的熱承受能力[22]，因此對于吐魯番的居民來說實際的熱感覺對應(yīng)的PMV值應(yīng)略大于一般規(guī)定的PMV值.

表4 PMV指標(biāo)評價表Tab.4 PMV index evaluation table

(2)坎兒井公共空間熱舒適度分析

為了分析不同時刻坎兒井公共空間的熱舒適度，在模擬計算結(jié)果中提取上述典型時刻的1.5 m高度上的PMV值計算結(jié)果，如圖6所示.

對比不同時刻的PMV值可以看出：①夏季坎兒井公共空間的大部分區(qū)域PMV值低于其他空間3個級別，可見坎兒井公共空間的舒適度高于其他地點.此外，較舒適空間的分布在不同時刻均與樹木的分布呈現(xiàn)出高度一致性.②在11∶00時，坎兒井公共空間中的建筑陰影區(qū)與樹蔭下的PMV值較低，最低值為2.8，而最高值約5.6 ，整體相差約3個等級；而在19∶00時，坎兒井公共空間的東側(cè)陰影區(qū)的PMV值明顯小于西側(cè)，整體相差2.8個等級.可見樹木對太陽輻射的遮擋是影響坎兒井公共空間舒適度的重要因素.③在16∶00時，研究區(qū)域內(nèi)的溫度最高，此時坎兒井公共空間內(nèi)的PMV最小值為6.1，出現(xiàn)在樹蔭下，但該區(qū)域仍屬于難以忍受的極熱感覺，不適宜人的活動.

圖6 2017年8月15日不同時刻模擬結(jié)果的PMV值Fig.6 PMV values of simulation results at different times on August 15, 2017

3 坎兒井公共空間的差異化模擬

從上文可以看出坎兒井公共空間中的坎兒井水、植物和地面鋪裝等都是影響坎兒井公共空間熱環(huán)境的主要因素.為了提升坎兒井公共空間的熱舒適度，在對坎兒井公共空間進(jìn)行改造時，準(zhǔn)確評估各個影響因素與微氣候環(huán)境的影響程度可為建筑師和規(guī)劃師的相關(guān)規(guī)劃設(shè)計工作提供一定的參考.根據(jù)吐魯番坎兒井村落的發(fā)展趨勢，以原有的實測參數(shù)(表2)作為模擬邊界，通過改變單一因素來模擬不同條件下坎兒井公共空間的熱環(huán)境

3.1 無水方案模擬結(jié)果分析

為研究坎兒井水對坎兒井公共空間微氣候的影響，建立一個無水方案，即把模擬區(qū)域內(nèi)的水流去掉，以覆土地面代替，其他模擬邊界保持不變.計算出無水方案與實際方案的PMV差值，模擬結(jié)果如圖7所示.

從不同時刻PMV差值可以看出，去掉坎兒井水之后，坎兒井公共空間的PMV值與實際情況的PMV值相比增大，坎兒井公共空間的舒適度有所下降.具體來看：①不同時刻坎兒井明渠附近空間的PMV差值為0.01～0.07，說明坎兒井明渠水對空間舒適度的影響較小.而蓄水池附近空間的PMV差值為0.06～0.38，表明蓄水池對周圍空間舒適度的影響程度大于明渠水的影響，可見坎兒井水對熱環(huán)境的影響與水體的面積有明顯的關(guān)聯(lián)性.②當(dāng)空氣溫度較低時(11∶00)，水體對周圍空間舒適度的影響不明顯，最大PMV差值僅為0.06.隨著空氣溫度的升高，水體的影響也更加明顯，PMV差值逐漸增大，最大為0.38.③從PMV差值分布情況來看，位于下風(fēng)向的空間的受坎兒井水的影響更大.主要是由于風(fēng)經(jīng)過坎兒井水面及其附近空間時，可為下風(fēng)向的空間帶來一定的相對濕度和低溫空氣.

圖7 不同時刻無水方案與實際方案的PMV差值Fig.7 PMV difference between water free scheme and actual scheme at different times

總體而言，坎兒井水對坎兒井公共空間的熱舒適度有一定的提升作用，特別是水面積增大時，作用效果更加明顯.值得注意的是，坎兒井水還影響到周圍植物的生長來間接影響空間的熱環(huán)境，因此，坎兒井水對坎兒井公共空間熱環(huán)境至關(guān)重要.

3.2 無水、無綠化方案模擬結(jié)果分析

為了研究植被對坎兒井公共空間微氣候的影響，建立一個無水無綠化的方案，用土壤來代替原有的植物與水體，即坎兒井空間處于完全衰敗的狀態(tài).計算出無水無植被方案與實際方案的PMV值的差值，模擬結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同時刻無水、無植被方案與實際方案的PMV差值Fig.8 PMV difference between no water and vegetation scheme and actual scheme at different times

去除坎兒井水和植物之后，可以明顯看出：坎兒井公共空間中原有樹木覆蓋的區(qū)域的PMV差值明顯增大.而沒有植物遮陽的區(qū)域的PMV值幾乎沒有變化.上午11∶00時，樹蔭下的空間PMV差值都在1以上，最大可達(dá)1.77；在16∶00時樹蔭下的PMV差值為0.59～1.37，可見隨著溫度的升高，植物對公共空間熱舒適度的提高能力減弱；在19∶00時樹木覆蓋區(qū)域的PMV值平均升高了2個等級，主要分布在植物的陰影區(qū)域及其東側(cè)，最大差值可達(dá)2.72.對比上述4.1中無水方案的模擬結(jié)果，可以看出植物對坎兒井公共空間舒適度的提高效果顯著.

3.3 硬質(zhì)地面方案模擬結(jié)果分析

為了研究地面材質(zhì)對坎兒井公共空間熱環(huán)境的影響，依據(jù)吐魯番傳統(tǒng)坎兒井村落的改造情況，將坎兒井明渠兩側(cè)的覆土地面和道路全部改為水泥地面，其他邊界條件保持不變.

不同時刻PMV模擬結(jié)果的差值如圖9所示.當(dāng)坎兒井明渠兩側(cè)由覆土地面改為水泥地面時，不同時刻的PMV值均有所增大，表明該區(qū)域的熱舒適度降低.(1)上午11∶00時，坎兒井公共空間的PMV值增大了0.1以上.差值最大為0.32，集中分布在坎兒井公共空間中明渠的東側(cè)及南側(cè)區(qū)域，這主要是因為水泥的比熱容較低，不足水比熱的1/2.水泥地面在太陽輻射的影響下升溫迅速，并向周圍空間輻射熱量，從而影響到了整個區(qū)域的舒適度.(2)當(dāng)整個研究區(qū)域的溫度最高時，沒有植物遮陽的區(qū)域PMV差值最大為0.27，而有植物遮陽的區(qū)域PMV值變化不大.主要是由于植物的遮陽有效減少了太陽輻射對地面的加熱，從而降低了地面材質(zhì)的影響.(3)溫度下降(19∶00)時，水泥地面對空間熱環(huán)境的影響程度減弱，PMV最大差值為0.13.

圖9 不同時刻水泥地面方案與實際方案的PMV差值Fig.9 PMV difference between cement ground scheme and actual scheme at different times

綜合來看，水泥地面會導(dǎo)致空間舒適度下降，而植物的遮陽可有效降低水泥地面的不利影響.

4 結(jié)論

(1)坎兒井公共空間中的植物與水都起到有效的降溫作用，最大可降低1.5 m高度的氣溫2.3℃.空間PMV值最大可相差約3個級別；

(2)在夏季，當(dāng)坎兒井水系消失時，坎兒井公共空間的舒適度下降，明渠附近空間的PMV值增大0.01～0.07，蓄水池附近PMV值最大增大0.38.總體而言，坎兒井水對熱舒適度有一定的提升作用，水體面積較大時提升效果明顯，且對下風(fēng)向空間的影響大于上風(fēng)向；

(3)樹木對坎兒井公共空間的舒適度影響很大.當(dāng)樹木消失后，坎兒井公共空間熱舒適度下降明顯，PMV值平均升高1個層級，樹木遮陽區(qū)域的PMV最大增大了2.72.所以對于坎兒井公共空間來說，樹木遮陽是影響空間熱舒適度的主要因素；

(4)當(dāng)坎兒井公共空間周圍全部改為水泥地面時，PMV值最大可提高0.37個層級.樹木遮陽可減小地面地?zé)?，而削弱了水泥地面對熱環(huán)境的不利影響.

綜上，吐魯番傳統(tǒng)村落坎兒井公共空間的舒適度明顯優(yōu)于村落中的其他室外空間，應(yīng)對坎兒井及其周圍空間加以保護.特別是針對干熱地區(qū)沒有水就沒有植被的特點，要考慮多因素之間的協(xié)同作用對空間熱環(huán)境的影響，水渠周圍應(yīng)種植樹木來減少水體蒸發(fā)，部分干涸的坎兒井明渠應(yīng)以保障植被灌溉的最低要求作為底線適當(dāng)引入水源，以維持坎兒井公共空間的環(huán)境，如引電井水入渠.提高吐魯番地區(qū)室外熱環(huán)境舒適度首要考慮種植大樹冠的耐旱樹木或設(shè)置遮陽構(gòu)件形成遮陽，降低太陽輻射的影響.在今后對坎兒井公共空間的改造和新建住區(qū)公共空間的建設(shè)中應(yīng)適當(dāng)引入水源、結(jié)合水源種植樹木，盡量減少硬質(zhì)地面的鋪設(shè)，為人們的室外活動提供舒適的環(huán)境.