河谷气候影响下的生态城市形态浅析
——以重庆市奉节县整体城市设计为例

萧 乐 XIAO Le

0 引 言

中国古代哲学提出过“天人合一”的最高理想，法国哲学家孟德斯鸠（Baron de Montesquieu）也曾经说过“气候王国才是一切王国的第一位”[1]；历史上，大到城市规划，小到民居布置，《易·系辞》中提出的“象天法地”思想都长期指导着国人的建设实践。由此可见“空间形态”与“气候环境”之间有着非常紧密的联系和相互作用。而在现代社会城市设计的研究和实践当中，由于建筑技术和民用科技的兴起，人类对气候的适应和改造能力越来越强大，因此对气候与城市之间的关注往往仅限于城市改造后的微气候改善，亦或是局部建筑的城市气候环境利用，带有一定的局限性。

图1 地形风的形成Fig.1 formation of the terrain wind

关于城市气候与城市形态之间作用关系的研究，往往涉及多个相关学科。其中多数是以观测、实验为基础，进行数量化研究的城市气候学的研究。这在聚落地理学、风水学、建筑气候环境控制学、城市生态学、城市地理学、城市灾害学中，也对相关理论有些阐述[2-3]。在城市设计学科领域，主要能在具体的实践案例中看到相关介绍，其中多数又以平原大城市为研究对象。而对于广袤的山地城市形态与气候之间的关系，尚鲜有涉及。本研究尝试利用以往的研究成果，对局地气候复杂的山地小城镇进行生态城市设计研究。

目前的生态城市规划通常很重视山体、水系、绿化等自然环境的保护和利用，在设计中更注重加强对物质形态环境的建设，而对城市所处的气候环境多有懈怠。事实上气候环境对城市生态的影响是不容小觑的，可以说环境气候是城市生态的基石。现代城市规划中已经逐渐开始重视气候的影响，但以平原城市或者大城市试点为多，实际上气候因素叠加、局地气候复杂的山地小城镇在气候与生态的关联性上体现更大，城市形态与局地气候的相互影响效果也更为明显。探讨和研究此类课题，对我们这个拥有大量山地小城镇的国家具有重要意义。

上古歌谣《南风歌》中曾唱到“南风之熏兮，可以解吾民之愠兮；南风之时兮，可以阜吾民之财兮！”在城市规划中，充分地顺应局地气候，利用局地气候，才可以留住青山绿水，真正建设出生态小城镇，创造出“金山银山”。

1 重庆市奉节县局地气候分析

1.1 奉节县地形及气候现状

奉节县位于重庆市东部，全县域属四川盆地东部山地地貌，境内山地面积占总面积的88.3%，其中海拔1 000 m以上山体占80.01%，最高海拔2 123 m。山地地貌对局地气候有明显影响，地形起伏与山脉走向可使风向发生变化。山谷能够迫使气流沿谷而吹的趋势，山体有能够使气流弯曲绕流和穿越的作用[4]。

奉节境内长江干流41.5 km，另有梅溪河、大溪河、石笋河、草堂河、朱衣河等多条河流。

从奉节县地形来看，在自然气候中风的要素影响较小的前提下，夏季如何利用局地气候引导空气流通就成为了判断城市建设是否宜居的一个重要条件。奉节的自然地貌为河谷地形，同时存在山谷与水系两种地形条件，因此局地气候是山谷影响力与水系影响力的叠加。从对城市空间形态影响最大的通风因素来看，主要分为地形风与水陆风两种[5]。

1.2 奉节规划范围局地气候研究

1.2.1 地形风气候分析

奉节城区依山而建，气流经过山地时，受地形阻碍而改变了运行方向和速度，加上不同太阳辐射导致不同的温度变化，可以形成不同的局地环流（山坡风和山谷风）（图1）。同时，奉节地区气候自然状态下大气环流较微弱，“水陆风”相对明显。白天的时候风从水体吹向陆地，夜间则相反，从陆地吹向水体。山地城市中夏季水陆风强度最大的是夏热冬冷型城市[6]（图2）。

图2 水陆风示意图Fig.1 schematic diagram of water and land wind

由地形分析可知，规划范围内为山地地貌，长江横贯中部，山峦起伏，沟壑纵横，高差较大，具体为低中山河谷，有少量平缓河谷平坝，河谷呈“V”字型。山体坡度较陡，坡面有冲沟发育。近地面的风速受峡谷地形影响，呈现不均匀空间分布：整体来看，峡谷内风速增大，迎风谷口有显著加速效应，翻越迎风坡时风速减小；风速变化在山脊最强、山腰次之、峡谷轴线最弱；山腰线及峡谷轴线受狭管效应影响而风速增幅变大，且在峡谷轴线附近最为显著[7]。

由于河流的分隔，规划用地分为了5个山头，约6个主要朝向。其中东西向的长江河谷，由于流域长，面积较大，应为河谷风的主导风向；朱衣河前段河谷较窄，后半段突然拓宽，气流在此分散，强度变小；梅溪河河谷和草堂河河谷流域较为平均，但是山势较缓，河谷风强度也小于长江河谷（图3）。

地形风与水陆风叠加后，下垫面粗糙度和温度的改变会导致风速变化。气流在水面上受到的摩擦阻力小，水体上空的风速较大。研究数据显示河谷地区水面上的风速大约比陆地大60%左右[5]。因此，规划范围内对城市影响最大的地形风就是长江河谷风，若想充分利用长江河谷风就需重点考虑长江岸线的建筑布局与空间形态。同时，朱衣河河口、草堂河河口区域的建筑，由于处于汇风口，也需考虑气流的引导和规避。

图3 奉节规划区地形示意Fig.3 the topography of the Fengjie planning area

1.2.2 水陆风气候分析

境内中部水系中长江14 km，最窄处659 m，最宽处1 936 m，江水自西南向东；朱衣河11 km，自西汇入长江，最窄处50 m，为雨洪通道，最宽处62 m，为长江回水，水流平缓；梅溪河3 km，自北汇入长江，最窄处300 m，最宽处690 m；草堂河1.9 km，自东北汇入长江，最窄处330 m，最宽处530 m。另外梳理出现状汇水沟约67条，宽度在10 m以下，多呈“树枝状”或“漏斗状”，沟深10～30 m（图4）。

其中，长江流域可以提供具有明显西北风向的水陆风，受影响地区为规划区北岸中心城片区，以及东南向水陆风，影响南岸部分建设用地。朱衣河沿岸受水陆风影响较小，但汇水口会有较大的不稳定气流；草堂河的半岛区域也会受到长江水陆风的较大影响。规划区内的汇水沟由于水域面积较小，产生的气候影响属于场地微气候，因此未在城市形态层面进行考虑。

图4 奉节规划区水系示意Fig.4 the water system in Fengjie planning area

2 局地气候影响下的城市设计应用

奉节属于冬冷夏热地区，此类城市应对气候的不利因素时，应该充分注意“城市的开敞性、城市中心的分散性、城市通风廊道的建立和建筑的低密度”，也就是注重对城市的“通风驱湿”。对奉节县地域进行分析知，穿越县域的长江河谷奠定了奉节县具有优质通风条件的重要基础，其开敞的大型盆地和河谷对于气流的引导作用较强，可以成为地域级的通风廊道和气流枢纽，对于未来的城市通风有较大帮助。

2.1 横向的台地引导

在奉节的城市设计上也强调了多台的概念，根据地形及规划、现状路网，将城市划分为4个台地，以绿化景观带、道路绿地系统进行分隔，利用分台使建筑产生错落，减少建筑屏障（图5）。这样，可以使这种冬冷夏热城市有着开放式的城市边界线，面向地形风的主导方向留出一定的开敞空间，建筑高度较低，在城郊布置大面积的绿化。如此布置可使城市的天际线呈现出起伏的形态，在地形和建筑高度的双重影响下，城市天际线的起伏复杂多变，利用这种变化的城市天际线可以有效地将河谷风引入城市内部。

同时，为了更有利于城市的通风，应该在顺应地形的前提下尽可能保证若干条主要干道与夏季盛行风平行，或者尽量减小与盛行风向的夹角。同时根据位于山体不同区域地块各自的具体风向，对路网进行设计，尽可能使道路起到通风廊道的作用，控制具有通风功能的道路两侧建筑间距大于50 m。奉节县城由于地形限制，已经存在了横向的道路结构，因此在设计中保留原有的构架，对路网进行优化，增加道路宽度的同时也促进城市内部地形风的引导。

在道路条件难以达到横向气流引导的区域，可以通过建筑群的组合形式来形成通风廊道，城市通风的考虑需要结合一定的建筑高度才能够实现，观测面越高，通风廊道的风速越快，影响范围越大，因此建筑要按照从沿街到远离逐渐升高的形式布局（图6）。

同时，植物是生态城市必不可少的元素，也对冬季保暖夏季降温能起到很好的作用，奉节在冬季的日照率较低，乔木等绿化对日照时数的影响有限。因此在进行规划区内部小型公共空间的绿化时，优先选择了夏季生长茂盛的乔木，夏季太阳高度角较高的时候，树冠投影面积大的乔木能给城市提供更多的遮蔽。

图5 台地建筑与绿植布局Fig.5 terrace architecture and green planting layout

2.2 纵向的轴线贯通

冬冷夏热气候区的城市建设用地边界通常强调与生态界面的延展性，一般来说有着较长或者较曲折的城市边界线。对于奉节城市设计，受地形的影响，建设用地边界线沿山体蜿蜒分布，以便尽可能地通过楔形深入城市的自然环境将郊区绿化中洁净凉爽的风引入城市内部，达到除湿降温的作用。同时，利用奉节自然形成的冲沟作为绿楔，保证足够的绿线退距贯穿山体与水系，打通城市纵向通风廊道,控制纵向通风廊道不小于30 m，可以在夏季有效地将水陆风引入城市内部（图7）。

将城市内部高密度区分布适当分散，穿插在低密度的地块中，可以避免城市聚集大量热量，增加城市通风廊道，降低夏季的热岛效应。

此外，东西向的建筑山墙间距在满足小区规划和防火要求的前提下，应该尽可能缩小，使建筑相互遮蔽，以便有效降低东西晒时建筑墙面的温度，减少日照辐射，降低区域气温，形成“气温梯度”，产生与林地风和水陆风原理类似的街巷风，调节温度制造“凉街”效果。

图6 城区风廊——高密度下的退台Fig.6 urban wind corridor—stepped-wedge design

图7 城区风廊——水陆风廊道Fig.7 urban wind corridor—land and water wind corridor

图8 城区风廊：建筑贴线示意Fig.8 urban wind corridor: building attachment rate

2.3 滨水建筑贴线控制

滨水建筑贴线控制一方面是将水面上的河谷风由横向转为纵向以进入建设用地，另一方面是给水陆风提供充分的登陆条件。奉节属于典型的峡谷风，由于长江水面的宽度，长江上主导风速会略快于城区内的风速。设计中利用城区面向长江夏季主导风向改变建筑朝向，增加开敞空间和斜面，可以引导江风高速进入城区。同时，利用冲沟绿轴将水陆风引入城区内部，也可以改善城市纵向热环境，因此滨水建筑贴线率建议控制在50%，以留出足够的截风口和通风廊道入口（图8）。

按照标准风力压强公式计算，wp=0.5·ro·v2，其中wp为风压，ro为空气密度，v为风速，设定温度一定的时候，空气密度不便，即，温度不变风速增加时，风压会以倍速增加[8]。

由得出即当风速增加0.5倍时，风压增加1.25倍。

由定高度风速公式可推，其中Vh为定点高度风速，V0为基准高度风速，0.2为平均下垫面粗糙指数。

因此得出，将河谷风引入城市内部，沿山体爬升，并且设置贯通的风廊，可以有效地增加风速，同时风压呈倍数增长也有利于城市内部空气的流通，最终形成良好的城市空气流通环境。

3 结 语

自古以来，气候就影响着人类文明的产生和传播，可以说，如果没有适宜的气候，地球上就不会有人类文明的存在。与人类生活息息相关的“衣食住行”四大要素一直受到气候条件的直接影响，同时也导致了局地气候的改变。从远古人类第一次进入洞穴遮风避雨的时候，“居住、城市”与自然的相辅相倚就开始了，生活的空间形态和生活气候环境相互影响和相互作用，引导着城市文明的发展。

在对奉节的城市的设计中，充分参考了当地气候特征，通过自然的方法，尽量利用气候中有利的因素来设计城市，利用气候留下的信息来延续城市的地域和人文特征。利用传统营造中屏障、遮蔽、通风等方法或者密集的建筑布局、包围的绿化等形式，在一定程度之内将自然气候带来的不利要素降到最低，最终建设成为生态、节能、具有可持续意义的城市。同时，除了地理结构以外，气候因素是最稳定的，它在某一地区的循环过程中，几乎是不变的。城市设计对地区特有气候的真实应对也体现了奉节的城市形态和气候特征等城市文化。

参考文献：

[1] 郑子政. 气候与文化[M]. 台北: 台湾商务印书馆, 1069: 96.

[2] 柏春. 城市气候设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009: 29-30.

[3] 鑫宇, 王峤, 陈天. 绿色视角下的生态城市设计理论溯源与策略研究[J]. 南方建筑,2017(02): 14-20.

[4] 小泽行雄, 吉野正敏. 小气候调查方法[M]. 南宁: 广西人民出版社, 1982: 80.

[5] 重庆市奉节县人民政府网. http://fj.cq.gov.cn/index/.

[6] 钟中, 张耀存. 城市人工水体的气象效应与局地环境变化[M]. 北京: 科学出版社,2008: 24.

[7] 楼文娟, 刘萌萌, 李正昊, 等. 峡谷地形平均风速特性与加速效应[J]. 湖南大学学报（自科版）, 2016, 43(07): 8-15.

[8] 张延年, 王元清, 张勇, 等. Gumbel分布的基本风压计算与分析[J]. 土木建筑与环境工程, 2012, 34(02): 27-31.

图片来源：

图1-2：柏春. 城市气候设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

图3-8：作者绘制