赫图阿拉城冬季外环境分析与绿化营造策略

王肖宇，姜秋实，姜军/WANG Xiaoyu, JIANG Qiushi, JIANG Jun

1 引言

赫图阿拉城位于辽宁省抚顺市新宾满族自治县永陵镇，全国重点文物保护单位。“赫图阿拉”是满语，汉意为横岗，即平顶小山岗。赫图阿拉城是一座拥有400余年历史的古城，始建于明万历二十九年（1601）。明万历四十四年（1616）正月初一，努尔哈赤于此“黄衣称朕”，建立了大金政权，史称后金。后金天聪八年（1634），被皇太极尊称为“天眷兴京”。赫图阿拉城是后金开国的第一都城，也是中国历史上最后一座山城式都城，更是迄今保存最完善的女真族山城。是后金政治、经济、军事、文化、外交的中心，被视为清王朝发祥之地[1]。

东北地区冬季气候寒冷，加上冷风侵蚀和日照不足，极易造成古建筑损坏。为了更好地保护古建筑，本文通过建立赫图阿拉城三维计算机模型，运用Ecotect软件作为研究工具，以永陵镇冬季气候条件为出发点，对城内6个古建筑院（图1）落冬季风环境和日累积太阳辐射量进行了模拟，并进行了结果分析，提出6个古建筑院落的绿化营造策略。数值模拟可以为古建筑的保护研究提供直观和可靠的科学依据。

2 永陵镇冬季气候条件及气象资料来源

永陵镇位于辽宁省东部山区，属抚顺市新宾满族自治县管辖。地埋坐标∶东经124o41'-125o05'之间，北纬40o31'-41o50'之间。永陵镇属于北温带大陆性季风气候，夏季的主导风向多为东南风，冬季的主导风向多为西北风。季节性温差大是我国东北地区气候的特点之一，永陵镇的年平均温度为4.3oC，7月份最高气温可达32oC，1月最冷时气温可降至-38oC。永陵镇气候的基本特征是：具有寒冷而漫长的冬季，温暖、湿润而短促的夏季[2]。东北地区北临北半球冬季的寒极——东西伯利亚，冬季强大的冷空气南下，这里盛行的寒冷干燥的西北风，使之成为同纬度各地中最寒冷的地区，与同纬度的其他地区相比温度一般低15oC左右。日照是自然气候形成的主要因素，也是建筑外部热环境的主要因素。太阳辐射对人们的生产和生活具有不可缺少的作用，阳光不仅是重要的能量来源，而且对人们的身心健康有重要影响。因此，赫图阿拉城冬季外环境分析就要从两个方面考虑：一个是冬季主要风向和较大风速下的风环境，一个是冬季日累积太阳辐射量。

由于永陵镇缺乏必要的气象数据，在本次模拟中，我们一方面采用与永陵镇距离相近、气候相似的沈阳市的典型气象年逐时气象数据CSWD（来源于清华大学和中国气象局的数据，是国内的实测数据，包括气温、相对湿度、水平面总辐射强度或法向直射辐射强度、水平面散射辐射强度、风速、风向、云量、降雨量），作为Ecotect软件对赫图阿拉城古建筑模拟分析的基础气象数据库[3]，另一方面，我们采用中国气象局采集的新宾县2017年全年的逐时气象数据，中国气象局是从2016年下半年开始采集新宾县的气象数据(包括气压、风速、风向、气温、相对湿度、降雨量），作为辅助参考气象数据。

3 赫图阿拉城现状

赫图阿拉城分内外两城，城垣由土、石、木杂筑而成。内城主要建有汗宫大衙门、正白旗衙门、汗王井、关帝庙、满族民居、塔克世故居、八旗衙门、协领衙门、文庙、昭忠祠、刘公祠、启运书院、城隍庙等一大批古建筑群及遗址。外城主要遗址有驸马府、铠甲制造场、弓矢制造场、仓廒区等。外城外还建有显佑宫、地藏寺等古建筑。赫图阿拉城在研究清前史、艺术、社会、文化、经济等方面具有无可替代的价值。

赫图阿拉城毁于日俄战争，城内古建筑遭到了严重的破坏和损毁，加上近4个世纪的风雨洗礼，今仅内、外城城墙有部分残存，城门遗迹尚清晰可辨，其余建筑已荡然无存。我们今天看到的赫图阿拉城是我国政府于1999年投资重新复建的。近年来，政府更是逐年投放资金，对赫图阿拉城进行管理和修缮，使这座古老的城池逐渐恢复了历史原貌。赫图阿拉城恢复历史原貌的建筑共有6处，分别是：汗宫大衙门、塔克世故居、正白旗衙门、文庙、关帝庙、启运书院。城内的整体景观较好，保存下来的古榆树和新铺的草坪使整座城池显得既有历史遗韵又有现代气息。但6处古建筑院落内地面大部分面积都是地砖铺地，绿化种植数量明显不够，不利于古建筑的保护，尤其不利于抵抗东北地区冬季严寒天气对古建筑形成的侵蚀破坏。

1 赫图阿拉城现状（摄影：王肖宇，孟津竹）

4 赫图阿拉城冬季外环境模拟结果分析

4.1 模型的建立

本研究运用Ecotect软件对赫图阿拉城6处古建筑进行冬季外环境模拟实验。首先根据2016年4—7月项目组成员的前期实地测绘图纸，在Ecotect软件中建立汗宫大衙门、塔克世故居、正白旗衙门、文庙、关帝庙、启运书院的简略模型（图2a-7a）。因为实验是模拟古建筑外环境，又考虑将运算量控制在切实可行的范围内，模型仅提取古建筑屋顶、墙面、台基、院内建筑布局和院墙等重要信息，过滤掉门窗、柱子、屋顶起伏和其他较为微观的建筑信息[4]。

4.2 冬季风环境模拟结果分析

赫图阿拉城冬季风环境模拟实验是运用Ecotect关于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的插件winair4，对赫图阿拉城冬季最冷的西北风风环境予以分析。因为沈阳市典型气象年逐时气象数据CSWD关于新宾县风速和风向的气象数据较少，而且沈阳的地形地貌与新宾县也有较大差别，不足以反映新宾县风速和风向的实际情况，所以气象资料选用中国气象局提供的新宾县气象站（台站代码：54353），提取2017年冬季两个时间段的西北风（2017年1月1日-2017年3月31日、2017年 11月1日-2017 年12 月31日），共942个极大风速、极大风速的风向（角度）的逐时气象数据，借助 SPSS 软件进行探索性描述分析，探讨新宾县2017年冬季极大风速、极大风速的风向（角度）的平均数据。

表1 SPSS探索性统计分析案例处理摘要

表2 SPSS探索性统计分析结果

在探索性描述分析中，气象平均数据采取中位数的统计方法（与均值和众数大不相同，中位数是依赖于数据的主体部分而不是极值，因此它的值不是过分地受某几个观察值的影响）。为避免分析数据受到极端值影响，采集数据去掉了一些远离主体数据最大的5%和最小的5%的数据极端值，并作了标准误差分析，获得了对于分布位置简单而平稳的修正均值。根据SPSS 软件探索性描述分析结果（表1-3），新宾县2017年冬季极大风速的平均气象数据是4.9m/s，极大风速的西北风风向（角度）的平均气象数据是290o。

通过 winair4 风环境的模拟实验，得出赫图阿拉城6处古建筑院落内冬季风环境图（图2b-7b）。在古建筑院落地面的水平面上，外界环境中西北方向290o的风速在4.9m/s的时候，相当于3级风的水平。实验结果分析如下（表4）。

表3 案例（数据）极端值

2 汗宫大衙门

3 塔克世故居（2.3图片来源：王肖宇绘制）

4.3 冬季日照与太阳辐射模拟结果分析

赫图阿拉城冬季太阳辐射量模拟实验，是运用Ecotect软件的太阳辐射模拟计算模块，对赫图阿拉城冬季太阳辐射环境予以分析，由于新宾县气象站缺乏太阳辐射量的气象数据，气象条件选取与新宾县太阳辐射量相似的沈阳市的典型气象年逐时气象数据CSWD，冬季11月1日到第二年3月31日，上午8∶00到下午16∶00的日累积太阳辐射量的完整数据进行模拟计算，得出赫图阿拉城6处古建筑院落内冬季日累积太阳辐射量数值图（图2c-7c）。

在模拟的结果中选取院落地面的日累积太阳辐射量数值来进行分析。太阳辐射量数值单位MJ/m2d，J是能量焦耳的单位，MJ是能量兆焦的单位；m2是平方米，d是一天的时间，指的就是每天一平方米上接收的太阳辐射量有多少兆焦。实验结果分析如下（表5）。

5 绿化营造策略

针对东北地区冬季的气候特点，绿化的作用主要体现在抵抗寒风和保温上。古建筑冬季保护的外部环境绿化营造策略，是要结合当地冬季的气候特征以及当地的植物种类，充分利用当地的植物进行布局（图5）。因为当地的植物对自然环境有适应性，因此能起到更好地调节气候的作用。具体的绿化营造策略如下。

（1）加入绿植。在风速达到最大值，太阳辐射量数值最低的院落地面种植树木，可有效降低风速和保温。绿化可以起到减低气流速度的作用。当气流通过树丛时，由于与树干、树枝和树叶产生摩擦，消耗了能量，风速随之锐减。实验证明，树高的5～10倍的距离范围内最具有防风的效果。在庭院中种植树木不仅可以在冬季抵挡寒风，亦可调节古建筑周边微气候，并有美化环境等作用[5]。

（2）对于冬季来说，在风速达到最大值的地方布置成排的挡风屏障，通过成排的植物和墙体，对于北面的寒风进行遮挡。研究表明，风速在通过植物时候会迅速减慢，大约能减少大约48%的风能，并能提供4倍于树木高度的挡风区域。

4 正白旗衙门

5 文庙

6 关帝庙

7 启运书院（4-7图片来源：王肖宇绘制）

表4 赫图阿拉城冬季风环境模拟实验结果分析

表5 赫图阿拉城冬季日累积太阳辐射量模拟实验结果分析

（3）乔木和灌木相结合。在古建筑周边寒冷地带布置高大乔木和灌木，较寒冷地带布置低矮灌木，不遮挡视线。高度不同的灌木和乔木配合可以将低处的气流偏转吹向远离古建筑的上空，这样利于偏转冬季西北面的寒风，可以有效地减小冷空气对古建筑的影响。

（4）基于太阳辐射来说，在冬季，铺有草坪的地面温度则比裸露的地面温度提高4℃左右。 树木较多的地方，由于树木能降低风速，减弱冷空气的入侵，树木内及其背向风的一面温度可高 1～2℃[6]。

（5）永陵镇处于北温带，冬季较长，大部分的喜温湿气候的植物在这里不能生长，这里的优势树种有杨桦类、祚树类、落叶松、胡桃楸、红松、槭树类，以及其他树种175类之多。由于落叶乔木在冬季落叶，挡风能力降低，推荐使用松、柏等常绿乔木。

总之，在研究过程中，运用数值模拟的方法分析古建筑与院落环境之间的关系，通过合理的绿化规划、树种选择以及科学的种植手段，绿化古建筑周边环境，使植物发挥特有的生态功能，可以改善东北地区冬季气候对古建筑的破坏，达到更好地保护古建筑及其历史环境的目的。□

8 赫图阿拉城绿化营造策略（图片来源：王肖宇绘制）