基于ENVI-met微气候情景模拟的避暑山庄环境分析

李舟雅 杨婷 戈晓宇

摘要：以承德避暑山庄为研究对象，根据周边2208km2的卫星影像分析，应用ENVI-met情景模拟方法，对比避暑山庄与周围环境的温度、风速、相对湿度，验证避暑山庄基址所在地的环境优越性。以避暑山庄苑景区为研究范围，采用ENVI-met情景模拟方法对微气候环境分析系统下的情景进行模拟，模拟温度、湿度、风速在传统园林设计理法下的变化过程，对比分析建设前后模式对古典园林微气候环境造成的影响，验证避暑山庄在山水理法中的生态智慧。经模拟后发现，在夏季炎热天气下，避暑山庄建成后的低温区较建成前有所增加，而高温区相对减少，同时湿度增加，风速降低，微风得以引导进园内达到清凉解暑的功效。

关键词：古典园林，山水理法，情景模拟，避暑山庄

DOI：10.12169/zgcsly.2019.09.07.0001

河北省承德市的避暑山庄又名热河行宫，俗称承德离宫，原是清代皇帝避暑和从事各种政治活动的地方。它始建于公元1703年（康熙42年），建成于1792年（乾隆57年），占地560hm2，分为宫殿区、湖区、平原区和山区4部分，康熙和乾隆题名的风景达72处之多，是我国现存最宏大的皇家园林[1]。本文从承德避暑山庄建成前与建成后苑景区微气候环境进行对比，通过对两者小气候差异的分析揭示避暑山庄的“避暑”效应，为我国传统营建智慧提供科学依据，为现代风景园林微环境设计方法提供参考和依据。

避暑山庄作为现存最大的皇家园林，始终屹立于中国园林艺术之林，成为许多学者的研究对象。张羽新[2]、周为[3]、陈建强[4]对避暑山庄选址的原因和优势以及古典园林选址的立意进行了分析;骆玉彬[5]、毕宪明[6]、张婧綺[7]、年玥[8]、王静宇[9]、韩宝庄[10]对避暑山庄的山水理法、园林空间构造等园林艺术进行了分析;王涛涛[11]、吴晓敏[12]等对避暑山庄未建成时期进行了研究和复原工作，为我们对避暑山庄两个时期进行对比研究提供了素材和依据;周耀[13]、鲍沁星等[14]就园林对微气候的改善以及对酷暑天气的调节舒缓作用进行了研究。

在以上研究中，还没有运用数据模拟功能对避暑山庄选址及造园技艺对微气候的改善作用进行验证研究，因此，本文将利用ENVI-met微气候环境模拟，从气温、风速、相对湿度3个要素人手，对避暑山庄的相地选址、山水理法进行验证研究。

1研究区概况及研究方法

1.1承德避暑山庄的相地选址

避暑山庄位于河北省承德市武烈河西岸，山庄所在地在燕山山脉东部，周围山峦起伏，山势多为西北东南走向，按风水学“寻龙望势”之说，是为龙脉。园内有起伏的山峦、幽静的山谷、平坦的原野，罗列有大小溪流和湖泊，几乎包含了全部天然山水的构景要素。从气候方面来说，整个华北平原处于属温带大陆性季风型山地气候区，四季分明，夏季炎热，冬季寒冷。承德位于内蒙古高原与华北平原的过渡带，四面环山，冬季阻滞了来自蒙古高原寒流的袭击，温度明显高，于同纬度其他地区;夏季又由于有高峻的山峰，茂密的树木，再加上湖泊水面的调剂，园内夏天的气温比承德市区要低，平均温度较北京低2C左右，且昼夜温差较大，是避暑的绝佳之地。

1.2研究方法

利用ENVI-met进行微气候环境模拟，采用三维非静体力学模型，将小尺度微环境间的相互关系具象化。该模型由3个独立的子模型以及嵌套网格组成，子模型包括三维主模型、土壤模型以及一维边界模型。

1）土壤模型。该模型负责计算地表到土地内部的热传递过程。一般情况下从下垫面表层到地下1.75m用于统计土壤湿热传导;当进行水体土壤层模拟时，需根据不同水体性质调整土壤模型下垫面深度，用以模拟水体成分下的土壤环境温湿度变化。

2）植被模型。该模型利用输入参数模拟植被-大气-土壤间的交互作用。输人参数包括冠层结构（叶面积指数、根面积指数、高度等），土壤参数（土壤各层相对湿度、温度），气象参数（风速、风向、大气温度、相对湿度等），边界条件和太阳辐射系数;输出参数有风速、空气温度、土壤温度等[15-18]。

1.3情景设定

选取承德避暑山庄苑景区三大重点景观节点及其构成的微环境作为建成环境情景模拟的模型。其中避暑山庄位于中国河北省承德市（40°98'N，117°94'E），2018年最热日期为8月10日，时刻为14：00-15：00，温度为35°C，风速为西北风4级。植被以乔木油松侧柏柳树国槐为主，树高15m，树冠10m，地被多为均高10cm的冷季型草（表1）。

1.4基于情景模拟的相地选址验证

通过Locaspaceiewer生成带有高程的等高线（等高距50m），利用Snagit截取带有等高线与高程的卫星地图并导出为bmp格式，再将bmp图片导入ENVI-met的Spaces中建模型，模型建完后导人ENVIGuide中设置参数，随后进入ENVI-met（64Bit）中模拟，再将所得文件导入LEONARDO（64Bit）得出情景模拟结果（图1）。

1.5基于情景模拟下苑景区微气候环境

为深入研究避暑山庄园林设计理法对苑景区微环境气候的影响，引入三维小气候模式ENVI-met对苑景区的几个重要景观节点进行模拟。以月色江声、文津阁、如意州、远近泉声为例[19-20]在实测的气象要素、土壤水分、植被结构等基础上进行微气候环境分析和研究验证。

由于需要对避暑山庄苑景区以及其中的3种景观结构进行微气候环境分析，以此对传统园林理法研究提供依据，分别设置2组宏观尺度情景模型（图1、图2）和3组微观尺度情景模型。

1）苑景区湖区微环境模拟。分别对比宏观情景模拟下，在建成时期与热河行宮时期两个不同时间段，人为造园理法干预对避暑山庄苑景区湖区大气温度、相对湿度、风速风向造成的影响（表2）。相同大气候环境下，设置不同比例的植被覆盖率分别为75%和56%，方网格精度为70mX70mx70m，设置在不同植被覆盖率下的水体比例分别为15%和28%。

2）三大景观区域微环境模拟。根据不同的微环境结构，将临水半岛的月色江声区域（Z1）、四周环水的如意洲岛区域（Z2），以及山+水+建筑+丘陵的远近泉声（Z3）进行比较分析。

2结果分析

2.1相地选址验证结果

2.1.1整体环境气温

如图3所示，在夏季，温度较高的地区主要分布于湖岸以及建筑周边，温度稍低的地区主要分布于地势较高处以及山林茂密的区域。很明显，山庄所在基址的温度明显低于武烈河河岸及建筑周围的温度，避暑山庄平原区的温度比武烈河上空低0.95°C，而山地区则比武烈河上方低1.44°C，这表明避暑山庄的温度将会明显低于承德市区及武烈河上空的温度，进人庄内游憩能有效达到清凉解暑的功效。

2.1.2整体环境相对湿度

如图4所示，在夏季，湿度高的地区主要分布于湖岸周边与林区，低湿区主要分布于建筑区域以及其周边。避暑山庄平原区湿度比武烈河上空高1.70%，比狮子岭高2.02%，比广仁岭和观塔岭分别高出0.07%和0.21%;而避暑山庄山地区则比平原区还要高出0.24%，并高于除罗汉山以外的其他地区。这表明，避暑山庄所在基址能较好地缓解蒸发、增加湿度，拥有较好的湿度环境，这有利于植物的生长、形成宜人的小气候，有利于增加人体舒适度、构建良好的景观环境等。

2.1.3整体风速分析

如图5所示，高风区主要分布于高山区以及河面上方，而低风区主要分布于山谷地及其周围。避暑山庄处于谷地一侧，同时由于西北侧高俊的狮子岭为其抵挡了西北方的主风向，季风穿过林下减缓风速之后才到达山庄之中，因此山庄内部风速缓和舒适。避暑山庄平原区风速（0.25m/s）低于避暑山庄山地区（0.39m/s）和狮子岭（0.68m/s）。夏季时，武烈河所在的山谷犹如天然的导风廊道，能较好地散热通风，贴近武烈河的罗汉山风速（0.43m/s）高于山脊处的广仁岭（0.40m/s）。随着环境温度的上升，相比于吹风造成的不适感，由温度所引起的热不舒适感渐渐占据主导作用，人体对气流的需求感增大[20]，避暑山庄正好能满足这一要求。这表明避暑山庄的选址既能在冬季减缓风速，构建舒适的微气候环境，又能在夏季地通风散热，达到清凉解暑的功效。

2.2苑景区微气候环境模拟结果分析

2.2.1苑景区湖区微环境模拟

微气候环境分析结果表明，避暑山庄的重要景观节点及其周边的相对温度、土壤水分含量都高于承德市区平均水平，其风速缓和、风向平稳，植被生长状况更为良好。验证结果可通过以下EVNI-met模型数据可得。

1）整体环境温度变化。从图6、图7可知，承德避暑山庄在建成后整体大气环境温度ST平均值比建成前热河行宫时期低0.969C，ST最大值出现在下午14：00点，此时两个时期的空气环境温度相差1.569C，高温区占整个湖区比例各为61.3%（>30.579C），主要分布湖岸周边与湖区内部建筑区域;低温区占整个湖区比例各为38.7%（<29.389C），主要分布沿湖外的林区。这些结果表明在相同大气候环境下，建成后的避暑山庄对整个苑林区与湖区空气温度的分布和整体平均环境温度有显著影响，其中低温区面积增加14.6%整体平均环境温度降低1.56°C。

2）整体环境相对湿度变化。从图8、图9可知，承德避暑山庄在建成后整体环境相对湿度ST平均值比建成前热河行宫时期高7.63%。其中建成时期高湿区（56.30%）占研究区总面积的56.1%，主要分布于湖岸周边与林区，低湿区（54.73%）占研究区总面积的34.5%，主要分布于建筑区域以及其周边。相对于热河行宫时期，建成后高湿区面积增加21.3%，低湿区减少16.7%。这表明建成时期与热河行宫时期不同的植被、建筑、水体占比对相对湿度的分布有较直观的影响，其中湖区面积的扩大削减了湖区环岛上大体量建筑对整体环境相对湿度的影响，起到了增湿降噪的作用。

3）整体风速变化。从图10、图11可知，承德避暑山庄在建成后整体环境风速ST平均值比建成前热河行宫时期低0.22m/s。其中建成时期高风区（>1.96m/s）占研究区域总面积的27.6%，主要分布于湖区及周边建筑群落附近，而低风区（<1.96m/s）占研究区域总面积的59.3%，主要.分布在苑景区林区。相对于热河行宫时期，环湖以及建筑群落周边风速有明显增加趋势，但由于夏季受东南风的影响[21]，大范围季候风穿过林区风速减缓，导致林下风速缓弱;而湖区范围较为开阔，建筑错落分布，导致风速增强利于散热通风，达到避暑之效。

2.2.2三大景观区域微环境模拟

1）月色江声区域（Z1）微环境模拟。月色江声区域温度范围为29.26C～31.019C，在此条件下，湿度范围为53.71%～64.13%，同时风速范围为0.00～2.12m/s。

2）如意洲岛区域（Z2）微环境模拟。如意洲区域温度范围为28.27C～30.039C，在此条件下湿度范围为55.02%～66.03%，同时风速范围为0.02～2.01m/s。

3）远近泉声（Z3）微环境模拟。远近泉声区域温度范围为29.41C～31.00°C，在此条件下湿度范围为53.90%～63.91%，同时风速范围为0.05～1.61m/s。

4）景观区域微环境温度、湿度、风速变化对比分析。对3个景区微环境温度进行综合分析，通过ENVI-met模拟当日环境后对比可得，最低温度Z2（28.27°C）<Z1（29.269C）<Z3（29.419C），最高温度Z2（30.03C）<Z3（31.00C）<Z1（31.019C）。经过得到的数据对比分析，如意洲（Z2）周边的平均温度在这3种环境中最低，说明四面环水环境对降温降暑有着显著作用。对3种景观微环境湿度进行综合分析，通过ENVI-met模拟当日环境对比可得，最小湿度Z1（53.71%）<Z3（53.90%）<Z2（55.02%），最大湿度Z3（63.91%）<Z1（64.131%）<Z2（66.03%）。由以上数据对比分析可得，如意洲（Z2）周边的平均湿度在这3种环境中最高，而远近泉声（Z3）次之，说明不仅临湖环境对湿度有显著影响，当处于背靠山林，南北夹水的环境也能对微环境湿度有增加作用。对3种景观微环境风速进行综合分析，通过ENVI-met模拟当日环境对比可得，最小风速Z1（0.00m/s）<Z2（0.020m/s）<Z3（0.05m/s），最大風速Z3（1.61m/s）<Z2（2.01m/s）<Z1（2.12m/s）。其中月色江声（Z1）相对风速最大，如意洲（Z2）次之，由此可见，当一个方向面对临湖开敞空间，且无山林与建筑阻挡的环境下，微环境通风最为良好，对散热祛暑也有一定的效果。

3结论

1）对于承德避暑山庄选址而言，通过ENVI-met情景模拟发现，群山为避暑山庄抵挡了西北方的主风向，避免了避暑山庄直接遭受季候风的侵袭，武烈河所在的山谷又能起到良好的导风作用，在夏季将风导人园中，增加避暑山庄园内的湿度，降低体感温度，达到避暑的目的。经总结可得，后方有群山依靠，前方有河流穿过，且四周有较高山体的选址有利于营造舒适的小气候环境。

2）对于承德避暑山庄湖区而言，通过ENVI-met微环境气候（温度，湿度，风速）模拟发现，建成后的湖区与热河行宫时期相比，降温增湿通风效果更加显著。同时将湖区内三大典型微环境通过ENVI-met进行模拟，经过数据处理，加权平均可知，使建筑处于一面临水，且水面积较为开阔，背靠山林的微环境对降温、增湿通风散热等避暑条件的提高有显著作用。

本研究如果能够有现场实测数据作为辅助验证，数据精度会更高，但受条件所限，目前还无法开展现场数据检测工作。在此之前许多学者已从避暑山庄相地选址的合理性和规划设计的理法等角度进行研究，本文仅从微气候的角度对避暑山庄营建过程中的生态智慧做出分析和验证。避暑山庄建设的成功是原有地形地貌的保护与利用、山水格局构建、植物景观营造、传统建筑营建和园林理法等多层因素共同作用的结果，微气候的利用与调节只是众多因素的一部分，希望传统生态智慧中微气候利用和调节的方法可以为生态建设实践提供参考。

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