Research on the Effects of Artificial Lakes on the Thermal and Humidity Environment in Chongqing Metropolitan

楊永川 齊 猛 楊 柯 盧 軍 YANG Yongchuan, QI Meng, YANG Ke, LU Jun

重慶都市區(qū)人工湖的熱濕效應(yīng)研究*

Research on the Effects of Artificial Lakes on the Thermal and Humidity Environment in Chongqing Metropolitan

楊永川 齊 猛 楊 柯 盧 軍 YANG Yongchuan, QI Meng, YANG Ke, LU Jun

摘 要選擇重慶市都市區(qū)7個(gè)人工湖作為研究對(duì)象，于2012年8、9月采用流動(dòng)觀測(cè)與固定觀測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)性修訂后，采用多元線性回歸方法，建立空氣溫度（TA）、濕度（HA）與水體周長(zhǎng)（P）、形狀指數(shù)（LSI）、水體周邊地表溫度（TS）以及與水體距離（D）之間關(guān)系統(tǒng)計(jì)模型，溫度模型為：TA=18.539+0.306TS+0.854LSI+ 0.003D+0.001P；濕度模型為HA=75.64-1.027TS+10.970LSI+0.009D-0.003P。模型分析結(jié)果顯示：（1）在水體面積相同的情況下，形狀指數(shù)小的水體對(duì)周圍空氣降溫效果更明顯；（2）植被相對(duì)于鋪裝地表對(duì)水體周圍空氣有明顯降溫效果，改善下墊面性質(zhì)可以有效改善水體周圍空氣熱環(huán)境。本模型為城市水體景觀規(guī)劃與建設(shè)，改善城市人居環(huán)境質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞水體；流動(dòng)觀測(cè)；形狀指數(shù)；下墊面

* 國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目（2006BAJ-02A0205）；重慶市科委自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（CSTC2012jjA00014；CSTC2011jjA00025）

楊永川： 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，副教授，ycyang@cqu.edu.cn

齊 猛： 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，碩士研究生

楊 柯： 機(jī)械工業(yè)第五設(shè)計(jì)研究院，工程師

盧 軍：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，教授

Abstract:Artificial lakes in the city play important roles in the improvement of urban thermal and humidity conditions. The temperature and humidity models are established, containing parameters including lake perimeters, area, shape index and distance based on the actual field survey of seven lakes by mobile observation and fixed observation in Chongqing Metropolitan in August and September of 2012. The models indicate that the lake shape index strongly affects temperature. The smaller the lake shape index is, the lower the temperature surrounding the water is, with the same area. The vegetation can effectively lower the temperature relating to the pavement, and thus improving the underlying surface can improve the thermal conditions surrounding the water.

Keywords:Water Body; Mobile Observation; Shape Index; Underlying Surface

0 引 言

城市水體不僅是城市景觀的重要組成部分，同時(shí)對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)也能起到重要作用。由于水體的輻射特征和熱力特征與周圍下墊面有顯著差異，夏季水體能吸收并儲(chǔ)存大量熱能，起到“熱匯”作用；而在冬季，通過水下的湍流熱交換和水面與大氣間的熱交換又將蓄積的熱能釋放出來，輸送到水體上方和周圍鄰近地區(qū)，起到“熱源”作用。由于水體有這種調(diào)節(jié)功能，通過水平方向的熱量與水汽交換影響到周圍陸地，使水體與相鄰陸地區(qū)域的環(huán)境變化趨于緩和。同時(shí)由于水體和周圍陸地的粗糙度特性和濕潤(rùn)狀況的差異，使得水體和周圍陸地上的風(fēng)速和濕潤(rùn)條件也發(fā)生顯著變化，從而改變了局地小氣候狀況，影響城市人類的生存環(huán)境[1]。水體對(duì)城市熱環(huán)境的影響在國(guó)內(nèi)外已有較多研究，如楊凱等對(duì)上海城市河流及水體周邊環(huán)境進(jìn)行溫度和濕度的實(shí)地觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)水體有降溫、增濕、提高人體舒適度的功能[2]；李書嚴(yán)等應(yīng)用觀測(cè)資料分析北京城區(qū)水體氣候微效應(yīng)發(fā)現(xiàn)城市水體對(duì)其周邊小氣候有著明顯的調(diào)節(jié)作用[3]；Ichinose對(duì)韓國(guó)首爾清溪河重建前后周邊氣象環(huán)境特別是城市熱島進(jìn)行了觀測(cè)研究，表明該河道恢復(fù)對(duì)減輕城市熱島和改善城市熱環(huán)境有一定作用[4]。Nishimura等觀測(cè)大阪市7月份公園中水體及周圍溫度，地表溫度最高在50°以上，水體溫度在30°左右，水體蒸發(fā)降溫作用能影響到下風(fēng)向35m處[5]。

綜合研究結(jié)果表明，城市水體能夠有效緩解城市熱島效應(yīng)，改善城市熱環(huán)境，從而提高城市居民居住的舒適性。然而，在以往城市水體規(guī)劃布局和建設(shè)時(shí)往往只注重水體的景觀價(jià)值，忽視城市水體在緩解熱島效應(yīng)方面的重要作用，而城市水體功能受到水體布局的影響。因此，在城市建設(shè)中明確水體周邊空氣溫、濕度與水體因子之間關(guān)系，進(jìn)而適當(dāng)布局水體應(yīng)當(dāng)引起規(guī)劃者和建設(shè)方的高度重視。本研究通過對(duì)重慶都市區(qū)7個(gè)人工湖進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，建立溫、濕度統(tǒng)計(jì)模型，探討水體周圍空氣溫度、濕度和水體因子之間的關(guān)系，以期為城市水體景觀規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)水體概況

本研究選擇重慶都市區(qū)核心區(qū)內(nèi)大小、形狀各不相同，地表覆被亦有較大差異的7個(gè)代表水體作為實(shí)地測(cè)量研究區(qū)域，各監(jiān)測(cè)水體的概況如表1所示。

表1 重慶都市區(qū)7個(gè)湖體基本特征Tab.1 fundamental characteristics of the seven lakes in Chongqing Metropolitan

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 因子選擇

影響空氣溫濕度的因素有：氣壓環(huán)境、季節(jié)變化、地理環(huán)境、風(fēng)速變化、云量變化、太陽輻射、下墊面類型、城市布局、建筑密度、建筑材料、人為排熱、空氣污染等[6-9]。各因素之間又存在著相互作用的關(guān)系，因此影響空氣溫濕度的因素十分復(fù)雜。為了便于建立統(tǒng)計(jì)模型，需要剔除次要因素，找出能夠有效估計(jì)水體周圍熱環(huán)境影響程度的幾個(gè)主要因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合重慶當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣候環(huán)境特點(diǎn)，本研究中引入統(tǒng)計(jì)模型的影響因素共五個(gè)：人工湖體面積（A）、周長(zhǎng)（P）、形狀指數(shù)（LSI）、下墊面溫度（Ts）、與湖體的距離（D）。其中形狀指數(shù)采用Patton1975年提出的計(jì)算公式[10]。

1.2.2 測(cè)量方案

采用流動(dòng)觀測(cè)與固定點(diǎn)觀測(cè)相結(jié)合的實(shí)地觀測(cè)方法，對(duì)7個(gè)湖體周圍的空氣溫濕度（日本HIOKI HUMIDITY LOGGER 3641-20溫濕度記錄儀）、湖體周邊的地表溫度（斯凱孚SKF TKTL20紅外測(cè)溫儀）進(jìn)行測(cè)量。先對(duì)民主湖、云湖、華巖湖以及碧津湖進(jìn)行固定點(diǎn)觀測(cè)加流動(dòng)觀測(cè)，確定水體的影響范圍，對(duì)彩云湖、照母山水庫、百林水庫只進(jìn)行固定點(diǎn)觀測(cè)。流動(dòng)觀測(cè)中，制定的觀測(cè)線路以盡量覆蓋水體周邊各種用地類型為原則。測(cè)試前進(jìn)行實(shí)地勘察，制定合理的觀測(cè)路線，以縮短測(cè)量時(shí)間。流動(dòng)觀測(cè)采用步行，每?jī)尚r(shí)進(jìn)行一次。隨身攜帶GPS（臺(tái)灣環(huán)天Global Sat DG－100數(shù)據(jù)記錄器），實(shí)時(shí)記錄路徑資料?？諝鉁貪穸纫噪x地距離1.5m為標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試時(shí)間選擇在8、9月的晴朗天氣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)為期兩天，測(cè)量時(shí)間從早上9:00開始，下午6:00結(jié)束。對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量要在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成，以排除不可控因素的影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理及模型建立方法

測(cè)試結(jié)束后將溫濕度自動(dòng)記錄儀和GPS儀的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用二者記錄的時(shí)間字段，將各測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和該測(cè)點(diǎn)處的溫濕度值一一對(duì)應(yīng)，為克服流動(dòng)觀測(cè)方法獲取數(shù)據(jù)非同時(shí)性不足，需要對(duì)流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)性訂正。根據(jù)固定自動(dòng)氣象觀測(cè)點(diǎn)的平均觀測(cè)值，選擇相應(yīng)觀測(cè)時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)，通過回歸分析得到氣溫隨時(shí)間變化的趨勢(shì)；從流動(dòng)觀測(cè)的時(shí)間段中選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，本研究以流動(dòng)觀測(cè)時(shí)段的中間時(shí)刻作為訂正時(shí)刻。通過回歸得到的氣溫變化趨勢(shì)可以得到其它各個(gè)時(shí)刻的模擬值，將各個(gè)時(shí)刻模擬值減去訂正時(shí)刻的模擬值得到氣溫隨時(shí)間變化的差值，再將流動(dòng)觀測(cè)值減去各個(gè)時(shí)刻的氣溫差值，從而將流動(dòng)觀測(cè)值訂正到同一時(shí)間[11-12]。將經(jīng)過同時(shí)性訂正后的空氣溫、濕度值與其各測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，以民主湖、云湖地圖為底圖，利用arcgis軟件繪制等溫線圖，其中數(shù)據(jù)插值處理采用克里金法。采用多元線性回歸的方法建立模型[13]。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

分三種情況建立空氣溫濕度的統(tǒng)計(jì)模型：（1） 將五個(gè)變量全部引入統(tǒng)計(jì)模型（模型1）；（2）去掉周長(zhǎng)將剩余四個(gè)變量引入統(tǒng)計(jì)模型（模型2）；（3）去掉面積將剩余四個(gè)變量引入統(tǒng)計(jì)模型（模型3）。利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件分別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)果表明：當(dāng)模型1用于空氣溫度模型回歸分析時(shí)，周長(zhǎng)參數(shù)t檢驗(yàn)的p值為0.118＞0.05，表明空氣溫度與湖體周長(zhǎng)不相關(guān)，該回歸模型不成立，因此模型1不適合空氣溫度回歸模型?；貧w結(jié)果見表2。

表2 模型1的多元線性回歸結(jié)果Tab.2 the multi-dimensional linear regression result of the model 1

在建立濕度模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，模型2中的面積參數(shù)t檢驗(yàn)的p值為0.371＞0.05，表明空氣濕度與湖體面積不相關(guān)，該回歸模型也不成立，因此，模型2不適合空氣濕度模型回歸?；貧w結(jié)果見表3。

表3 模型2的多元線性回歸結(jié)果Tab.3 the multi-dimensional linear regression result of the model 2

模型3中各個(gè)參數(shù)t檢驗(yàn)的p值都小于0.05，表明空氣溫、濕度與模型中的各個(gè)參數(shù)都相關(guān)，回歸方程有意義。因此，選擇模型3為空氣溫、濕度的回歸模型，其中溫度模型回歸結(jié)果見表4。

表4 空氣溫度模型多元線性回歸結(jié)果Tab.4 the multi-dimensional linear regression of air temperature

空氣濕度模型回歸結(jié)果見表5。

表5 空氣濕度模型多元線性回歸結(jié)果Tab.5 the multi-dimensional linear regression of air moisture

綜上所述，采用模型3，建立空氣溫度、濕度與湖體周長(zhǎng)、地表溫度、與湖體的距離和形狀指數(shù)之間關(guān)系的回歸方程為：TA=18.539+0.306TS+0.854LSI+0.003D+0.001P HA=75.647-1.027TS+10.970LSI+0.009D-0.003P

式中：TA為湖體周圍的空氣溫度；TS為下墊面平均溫度（℃）；LSI為湖體形狀指數(shù)；D為與湖體邊界之間距離（m）；P為湖體周長(zhǎng)（m）；溫度模型回歸方程的決定系數(shù)r2=0.694，濕度模型回歸方程的決定系數(shù)r2=0.542，模型中各參數(shù)均滿足t檢驗(yàn)，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)要求。

2.2 模型驗(yàn)證

采用留一法驗(yàn)證回歸結(jié)果的準(zhǔn)確性，即從全部的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中抽取1/10的數(shù)據(jù)用來檢驗(yàn)回歸結(jié)果，這是交叉驗(yàn)證中一種方法[12]。用未參與回歸運(yùn)算的1/10實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果如圖1。

溫度模型的回歸結(jié)果與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)（R2）為0.736，擬合直線的斜率為1.013，因此溫度回歸模型能精確地計(jì)算水體周圍的溫度場(chǎng)。濕度模型的回歸結(jié)果與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)（R2）為0.443，擬合直線的斜率為0.965，濕度回歸模型能較精確地計(jì)算水體周圍的濕度場(chǎng)。

圖1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析Fig.1 the contrastive analysis between actual data and computation results from model

圖2 不同形狀指數(shù)湖體周圍計(jì)算溫度Fig.2 air temperature comparison among different shaped lakes with the same area

3 分析討論

3.1 水體形狀對(duì)水體周圍空氣溫度影響

有研究表明，水面面積是改善水體周圍小氣候效應(yīng)的重要因素[2]。但城市水體布局不可能無限制增大水體面積，因此在一定的水體面積前提下，如何設(shè)計(jì)水體形狀顯得格外重要。本研究利用建立的溫度回歸模型，計(jì)算出面積相同而形狀指數(shù)不同的湖體對(duì)周圍空氣溫度的影響，結(jié)果如圖3所示。其中，模型中地表溫度取自彩云湖固定觀測(cè)點(diǎn)，為測(cè)試一天中任一時(shí)刻地表平均溫度。

圖3 民主湖、云湖13:00時(shí)刻溫度場(chǎng)Fig.3 the temperature field of Minzhu Lake and Yun Lake at 13:00

由圖3可以看出：形狀指數(shù)大小不同的水體（十字形＞長(zhǎng)方形＞正方形＞圓形），對(duì)其周圍空氣溫度的影響有明顯差別，形狀指數(shù)越小的水體對(duì)周圍的降溫效果越明顯。因此，在城市水體規(guī)劃時(shí)不僅要增加水體面積，而且要控制水體形狀指數(shù)。

3.2 地表溫度對(duì)空氣溫度影響

計(jì)算湖體周圍空氣溫度與湖體面積、周長(zhǎng)，與湖體間距離、地表溫度及形狀指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表6。

表6 空氣溫度與其它各因素的相關(guān)系數(shù)Tab.6 the correlation coefficient of air temperature with other factors

從相關(guān)性系數(shù)可以看出，地表溫度對(duì)空氣溫度的影響很大，且呈正相關(guān)的關(guān)系，因此，降低水體周圍地表溫度可以有效降低空氣溫度。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)相當(dāng)吻合。圖3為民主湖、云湖在13：00時(shí)刻周圍空氣溫度場(chǎng)。

民主湖周圍最低氣溫出現(xiàn)在湖體附近為33.9℃，最高氣溫出現(xiàn)在湖體東南側(cè)為37.2℃，最高與最低溫差為3.3℃，湖體冷島效應(yīng)明顯。而在進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)時(shí)，地表溫度最低處出現(xiàn)在湖體周圍為33.6℃，而最高溫度則出現(xiàn)在湖體東南側(cè)處為60.8℃。從圖可以看出湖體周邊綠化較好，但出現(xiàn)最高地表溫度的東南側(cè)則是建筑群，綠化較差，地表性質(zhì)多為堅(jiān)硬、不透水的鋪裝地面（圖4a）。地表溫度出現(xiàn)最高、最低的地方與空氣溫度最高、最低地方相對(duì)應(yīng)。云湖在整個(gè)觀測(cè)范圍內(nèi)的最大溫差為1.1℃，最低氣溫出現(xiàn)在湖體邊緣為32.3℃，最高氣溫出現(xiàn)在湖體周邊的一條馬路上為33.4℃，而不是出現(xiàn)在離湖體最遠(yuǎn)處的33.1℃，該遠(yuǎn)端處為植被覆蓋地表（圖4b）。

綜上分析，地表溫度是影響空氣溫度的重要因素，因此降低地表溫度能夠降低空氣溫度。改善下墊面性質(zhì)是改善下墊面溫度的有效措施。在城市水體規(guī)劃時(shí)，水體周邊應(yīng)注重綠化，盡量避免不透水性質(zhì)地表。

4 結(jié) 論

（1）本研究采用流動(dòng)觀測(cè)和固定觀測(cè)結(jié)合的方法對(duì)重慶都市區(qū)內(nèi)7個(gè)人工湖進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，采用多元線性回歸方法建立了水體周圍空氣溫、濕度與水體周長(zhǎng)、地表溫度、形狀指數(shù)及與水體的距離之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)模型：

TA=18.539+0.306TS+0.854LSI+0.003D+0.001P HA=75.647-1.027TS+10.970LSI+0.009D-0.003P

溫度模型回歸方程的決定系數(shù)r2=0.694，濕度模型回歸方程的決定系數(shù)r2=0.542，回歸模型中各參數(shù)均滿足t檢驗(yàn)，因此回歸方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且能模擬水體周圍空氣溫、濕度。

（2）為城市景觀水體規(guī)劃與建設(shè)提供建議：1）增加水體面積可以改善水體周圍熱環(huán)境，當(dāng)水體面積受到限制時(shí)，減小水體形狀指數(shù)對(duì)改善水體周圍熱環(huán)境有明顯效果；2）降低地表溫度能夠直接降低空氣溫度，而改善下墊面的性質(zhì)是降低地表溫度的有效措施，建議景觀水體規(guī)劃時(shí)注重水體周邊既有植被的保護(hù)以及新建綠化的品質(zhì)，盡量減少鋪裝地表，增加透水性自然地表。

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圖表來源：

表1-6：作者繪制

圖1-2：作者繪制

圖3：作者根據(jù)谷歌地圖改繪

稿日期：2015-03-20

（編輯：袁李姝）

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150316龍灝, 田琦, 王瑋. 以城市文化為導(dǎo)向的小城市舊城中心區(qū)城市設(shè)計(jì)——以南川東街舊城片區(qū)改造為例[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2015, 30(03): 82-85.

作者簡(jiǎn)介

文 章 編 號(hào)2095-6304(2015)03-0077-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

中圖分類號(hào)TU984.11+3