城市熱島效應的空間識別與規(guī)劃應對策略
——以長沙市中心城區(qū)為例

唐 萍, 方 琴, 凌 典, 周 盼

(1.湖南省國土資源規(guī)劃院,湖南 長沙 410004;2.湖南省國土空間規(guī)劃學會,湖南 長沙 410004)

0 引 言

城市熱島是由城市規(guī)劃建設及運營過程中的各種熱過程綜合作用形成的一種現(xiàn)象,是世界范圍內(nèi)普遍觀察到的氣候變化之一[1]。城市熱島對城市環(huán)境的持續(xù)性施壓導致極端天氣頻繁出現(xiàn),進而對城市居民的健康造成一定威脅。如何準確識別城市熱島效應的空間特征并在其基礎上探究緩解城市熱島效應的方法成為近年來學術(shù)界研究的重要方向。

目前國內(nèi)外學者[2,3]多集中于地表覆蓋與熱島效應的關(guān)聯(lián)性研究,關(guān)注重點是物質(zhì)空間的表征,即地表覆蓋的景觀格局與熱島效應的關(guān)系,而并未深入研究城市空間形態(tài)的差異如何影響熱島效應,未將空間形態(tài)指標進行定量化綜合分析,也沒有轉(zhuǎn)換成具有可操作性的規(guī)劃策略。其相應提出的“降低容積率、建筑密度”等策略在城市空間規(guī)劃中的應用價值十分有限。

最新相關(guān)研究[4,5]表明城市熱島與各類空間形態(tài)指標的關(guān)聯(lián)性存在空間差異性,即具有相同熱島效應區(qū)域的空間形態(tài)指標不盡相同。為使城市在未來發(fā)展中更具可持續(xù)性和靈活性,有必要將城市熱島緩解戰(zhàn)略納入空間規(guī)劃決策體系,在國土空間規(guī)劃過程中合理安排布局城市各類要素,有效改變城市熱屬性,減緩熱島成因的發(fā)生強度,進而控制熱島效應。

本文以長沙市中心城區(qū)為研究對象,識別研究區(qū)內(nèi)熱島效應分布的空間格局,剖析熱島顯著區(qū)內(nèi)不同空間形態(tài)產(chǎn)生熱島的主要原因及核心指標,并相應提出降低熱島強度的空間規(guī)劃應對策略,為國土空間規(guī)劃實際工作提供理論參考和實踐指導。

1 長沙市中心城區(qū)熱島效應的空間識別

1.1 研究區(qū)概況

長沙市地處湘瀏盆地,受亞熱帶季風控制,夏季氣溫高、濕度大,地區(qū)盛行風弱,城區(qū)空氣濕熱,通風狀況不佳。由于中心城區(qū)的高強度開發(fā)和人口密集分布,城市化進程明顯,城市熱島效應顯著。為此,本研究選取長沙市中心城區(qū)為研究對象,對該區(qū)域開展熱島效應研究。研究使用的遙感數(shù)據(jù)為2020年10月20日長沙市的Landsat8(9個波段的空間分辨率為30 m)影像,根據(jù)大氣校正法對影像數(shù)據(jù)處理,通過地表溫度反演[5]得到長沙市中心城區(qū)的地表溫度圖(圖1)。

1.2 熱島強度計算與識別

熱島強度通常采用熱島強度指數(shù)(Urban Heat Island Intensity Index,UHII)進行計算[5],公式為:

(1)

式中:UHIIi為第i個單元的熱島強度;Ti為第i個單元地表溫度;n為城郊農(nóng)田內(nèi)的有效單元個數(shù);Tcrop為城郊范圍內(nèi)的所有農(nóng)林用地的平均地表溫度,作為熱島強度基準值。

本次研究采用的熱島強度基準值為24.56 ℃,高于基準值的單元被認定為熱島區(qū),計算可得到每個單元的熱島強度。為研究需要,引入500 m×500 m的空間網(wǎng)格對研究區(qū)進行均質(zhì)劃分,計算每個網(wǎng)格的平均熱島強度,將其劃分為極強熱島區(qū)、強熱島區(qū)、弱熱島區(qū)、弱冷島區(qū)、強冷島區(qū)、極強冷島區(qū)6類區(qū)域(圖2)。經(jīng)過全局空間自相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)熱島強度Moran’I指數(shù)[5]高達0.69,表明長沙市中心城區(qū)熱島空間上具有較強的集聚性。

圖2 研究區(qū)熱島強度分區(qū)

1.3 熱島的總體空間格局特征

運用GIS的多環(huán)緩沖工具,建立以研究區(qū)幾何中心為圓心、500 m為間隔的同心圓環(huán),統(tǒng)計各圓環(huán)內(nèi)的平均地表溫度,并與研究區(qū)相交后,形成長沙市中心城區(qū)熱島分布圈層圖,圈層大致可劃分為4個部分:核心(0～4 km)、內(nèi)環(huán)(4～7.5 km)、中環(huán)(7～16 km)、外環(huán)(16～22 km),總體上從內(nèi)至外呈現(xiàn)“高—低”相間的熱島圈層分異(圖3)。

圖3 研究區(qū)熱島圈層分布圖

核心區(qū)包括了五一廣場、東塘、火車站等城市功能中心,區(qū)域內(nèi)建筑密集,布局緊湊,具有容積率高、人口密集的特點,在局部范圍內(nèi)形成高強度熱島區(qū),平均熱島強度較高;內(nèi)環(huán)區(qū)主要包括長沙城市舊中心城區(qū),各圈層的熱島強度總體表現(xiàn)穩(wěn)定,該區(qū)域受湘江、瀏陽河穿插和岳麓山等成片山體綠地影響,且湘江西岸多為教育科研用地,建筑以低層或多層為主,平均熱島強度相對較低;中環(huán)區(qū)包括長沙主要的工業(yè)園區(qū)和居住區(qū),工業(yè)園區(qū)以低層建筑為主,易形成極強熱島區(qū),密集的居住小區(qū)進一步加劇了強熱島的形成,平均熱島強度最高,區(qū)內(nèi)冷島分布較多,景觀格局較為復雜,熱島強度在小范圍內(nèi)波動明顯;外環(huán)區(qū)位于主城區(qū)邊緣,圈層內(nèi)部用地功能差異顯著,區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高,圈層東部和南部外側(cè)工業(yè)用地占比高,形成局部極強熱島,其他區(qū)域以低層密集的城中村用地和設施農(nóng)業(yè)用地為主,整體熱島強度較低。

1.4 熱島顯著區(qū)的空間格局

由于平均熱島強度相對較強的區(qū)域更具典型性和代表性,因此,本文將選取熱島強度分區(qū)中的極強熱島區(qū)和強熱島區(qū)進行研究。為表述方便,將極強熱島區(qū)和強熱島區(qū)統(tǒng)稱為“熱島顯著區(qū)”。長沙市中心城區(qū)范圍內(nèi)的熱島顯著區(qū)網(wǎng)格共計460個,占比為13.96%(圖4)。

圖4 研究區(qū)熱島顯著區(qū)空間格局

從整體空間分布來看,熱島顯著區(qū)主要集中在東部的長沙經(jīng)開區(qū)、黃花工業(yè)園和榔梨工業(yè)園,北部的金霞工業(yè)園,南部的大托、天心區(qū)經(jīng)開區(qū)和雨花經(jīng)開區(qū),西部的麓谷工業(yè)園和麓谷街道等周邊,東西南北方向各有分布。城區(qū)內(nèi)部也存在一定量零散的熱島顯著區(qū),如五一商業(yè)圈、韶山中路沿線等。

從總體空間格局來看,熱島顯著區(qū)在二環(huán)周邊沿路拓展,在繞城高速(三環(huán)線)周邊板塊集聚,形成“一縱、二橫、三圈”的空間格局?！耙豢v”為南北向東二環(huán)沿線地區(qū);“二橫”即太平老街—長沙南站沿線、大托—天心及雨花經(jīng)濟開發(fā)區(qū)沿線;“三圈”即東部長沙經(jīng)開區(qū)、北部金霞經(jīng)開區(qū)和西部麓谷工業(yè)區(qū)。

2 熱島顯著區(qū)的城市空間形態(tài)特征

2.1 影響熱島顯著區(qū)的核心空間形態(tài)指標選取

從既有研究文獻[6,7]來看,影響熱島效應的空間形態(tài)指標主要包括工業(yè)用地占比、商業(yè)用地占比、常住人口密度、不透水面占比、NDVI、植被覆蓋占比、綠地率、建筑密度、建設用地占比、GSVF等,大致可分為建設強度、地表覆蓋和功能發(fā)展三大類型。本次研究在遵循空間形態(tài)指標的客觀性、規(guī)律性、典型性和冗余性等原則下,通過比較不同熱島顯著區(qū)中的空間形態(tài)功能特征后發(fā)現(xiàn),用地類型占比、不透水面占比、植被覆蓋占比、建筑密度和容積率5個指標與熱島顯著區(qū)之間具有良好的耦合性,對其熱島強度的影響最為明顯。因此,可認定為熱島顯著區(qū)的“核心空間形態(tài)指標”(表1)。

表1 影響熱島顯著區(qū)的核心空間形態(tài)指標及數(shù)據(jù)來源

2.2 不同熱島顯著區(qū)的空間形態(tài)分類特征分析

根據(jù)不同熱島顯著區(qū)的功能發(fā)展特點和各空間形態(tài)指標平均值,參考Stewart和Oke提出的分類體系(local climate zoncs,LCZ)[8],進一步將熱島顯著區(qū)劃分為高密度商業(yè)、高密度居住和低密工業(yè)類3類空間形態(tài)(圖5),其占熱島顯著區(qū)總面積的比例分別為18%、40%和42%(圖6)。

圖5 熱島顯著區(qū)空間形態(tài)分類

圖6 不同熱島顯著區(qū)的核心空間形態(tài)指標對比圖

2.2.1 高密度商業(yè)服務類

以商業(yè)和公共服務用地為主,聚集餐飲、零售、辦公等服務性質(zhì)的功能,主要分布在湘江東部的核心和中環(huán)區(qū),屬于強熱荷載、弱散熱型的空間類型,其空間特征主要表現(xiàn)為高容積率(平均值為1.3)、高層或超高層建筑集中布置、建筑密度高(平均值為0.25)、不透水面占比大(平均值為0.85)、植被覆蓋度低(平均值為0.11),建筑材質(zhì)主要為玻璃鋼材、混凝土和石頭等。在三種空間形態(tài)類型中,該類型的平均不透水面占比和建筑密度最高,平均植被覆蓋度和容積率排第二,平均植被覆蓋度和建筑密度較其他空間形態(tài)類型差異較大,不透水面占比在不同空間形態(tài)類型內(nèi)變化幅度較小。這說明商業(yè)和公共服務混合型功能為主導的空間形態(tài)受建筑密度和植被覆蓋度指標影響更加明顯,是產(chǎn)生熱島的最主要原因,區(qū)域內(nèi)生態(tài)要素較少,加之較高的容積率和不透水面占比,容易形成極強或強熱島區(qū)。

2.2.2 高密度居住類

以居住用地為主的區(qū)域?qū)儆谳^強熱荷載、弱散熱型的空間類型,主要分布在內(nèi)環(huán)和中環(huán)區(qū),空間特征主要表現(xiàn)為密集混合的中高層建筑、高容積率(平均值為1.5)、建筑密度較高(平均值為0.16)、不透水面占比較低(平均值為0.69)、植被覆蓋度較高(平均值為0.24)、低開放空間,建筑材質(zhì)主要為水泥、鋼材、磚、瓦片和玻璃等。高密度居住類型的平均容積率和植被覆蓋度在三種空間形態(tài)類型中的排名最高,平均建筑密度排第二,平均不透水面占比最低。區(qū)域內(nèi)雖然存在一定的自然山體,植被較多,但由于建筑緊湊密閉,板狀聚合,建筑密度和容積率指標對熱島強度的影響大,從而導致極強或強熱島區(qū)的產(chǎn)生。

2.2.3 低密工業(yè)類

以工業(yè)用地為主的區(qū)域主要分布在外環(huán)和中環(huán)區(qū),屬于強熱荷載、較弱散熱型的空間類型,空間特征主要表現(xiàn)為密集低層建筑、低容積率(平均值為0.43)、低建筑密度(平均值為0.09)、不透水面占比高(平均值為0.79)、低植被覆蓋度(平均值為0.08),建筑材質(zhì)主要為金屬、鋼材和混凝土等。在三種空間形態(tài)類型中,該類型的平均植被覆蓋度、建筑密度和容積率排名均位于末位,且與其他兩類空間形態(tài)差異大,平均不透水面占比處于高位,位列第二。說明以工業(yè)功能為主導的低密空間形態(tài)受植被覆蓋度和不透水面占比指標影響明顯,區(qū)域內(nèi)生態(tài)要素匱乏,雖然建筑密度和容積率低,但由于工業(yè)區(qū)屬于高蓄熱體、綠地少,建筑材質(zhì)更易大量吸收輻射熱,加上工業(yè)生產(chǎn)活動中的熱排放加劇了工業(yè)熱島強度,從而形成極強或強熱島區(qū)。

3 空間形態(tài)調(diào)控策略

基于前文的研究結(jié)論,誘發(fā)城市熱島效應的核心空間形態(tài)指標各有差異,國土空間規(guī)劃應在尋求改善城市熱島空間整體格局的同時,根據(jù)不同類型空間形態(tài)提出差異化的引導策略,對功能發(fā)展、地表覆蓋、建筑強度等方面進行合理設計與布局,緩解或消除城市熱島效應。

3.1 高密度商業(yè)服務類調(diào)控策略

針對此類型空間形態(tài)的調(diào)控指標主要為建筑密度、植被覆蓋度和風廊?？赏ㄟ^合理控制建筑覆蓋率,并采用高低錯落形式,適當留出足夠的建筑通風廊道,提高區(qū)域內(nèi)垂直方向湍流交換效率,從而強化通風效果。對水體、綠地等生態(tài)要素進行合理的景觀布局設計,商業(yè)區(qū)宜適度遠離湘江、岳麓山等重要城市冷源或留出通風廊道。開敞空間景觀布局應從街道綠化、地面鋪裝、屋頂覆蓋層鋪裝和大型建筑立面等方面考慮采取適當?shù)拇胧?以減少熱島效應。避免空調(diào)系統(tǒng)低空排熱,減少向大氣散熱。提高常規(guī)公交、自行車、步行系統(tǒng)和軌道交通的覆蓋率和網(wǎng)絡密度,減少私家車的散熱量。

3.2 高密度居住類調(diào)控策略

該類型空間形態(tài)的調(diào)控指標主要為建筑密度和容積率。調(diào)控從兩方面著手,在新城規(guī)劃布局時,總體規(guī)劃階段應充分考慮長沙市眾多的天然冷源(山體和水系),實行“低密度空間”的城市發(fā)展理念,限制建筑高度在普通水平,引入陸風、水風和谷風進入城區(qū),緩解熱島效應;控制性詳細規(guī)劃階段設計容積率應符合相關(guān)規(guī)定,在高容積率條件下,降低建筑密度,建筑平面布置宜采用相對稀疏的高塔型布置方式,以增強通風能力,利于散熱。應設置連續(xù)的人行道,有通往公共交通站點、鄰近住區(qū)或主要公共設施的便捷安全的步行線路,與城市步行系統(tǒng)有效連接。在對老舊社區(qū)進行“治理”時,應結(jié)合城市更新,通過拆除難度較小的低層零散建筑等一系列方法,進行老舊社區(qū)微型風廊構(gòu)造和立體綠化,引風深入,降低街區(qū)溫度,解決高密度社區(qū)的熱島問題。

3.3 低密工業(yè)類調(diào)控策略

該類型空間形態(tài)調(diào)控指標主要為植被覆蓋度和不透水面占比。規(guī)劃中應將工業(yè)區(qū)設置在城市的下風向,并適度遠離城市中心,利用夏季盛行風將工業(yè)排熱與污染帶離城區(qū)。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)配置應以循環(huán)經(jīng)濟為導向,宜與鄰近的居住或商業(yè)區(qū)間建立綠化隔離帶,隔絕工業(yè)區(qū)污染、廢熱向居住區(qū)或商業(yè)區(qū)擴散。推廣綠色廠房建設,提高廠房的通風性能,減少空調(diào)電耗及空調(diào)排熱,保證綠化面積,建議廠區(qū)非建筑用地的綠化面積不小于非建筑用地面積的50%[9],非綠化地面宜采用透水地面,廠房屋面采用綠化屋面,對于廢熱排放較大的建筑鼓勵采用熱回收技術(shù)。

4 結(jié) 論

本文以長沙市中心城區(qū)為研究對象,通過地域圈層分析,識別了長沙市中心城區(qū)的現(xiàn)狀熱島空間格局,并參考LCZ理論對熱島顯著區(qū)的空間形態(tài)進行了分類與特征分析,獲得如下幾點主要結(jié)論:

(1) 研究區(qū)熱島強度從內(nèi)至外呈現(xiàn)“高—低”相間的熱島圈層,熱島顯著區(qū)形成“一縱、二橫、三圈”的空間格局;

(2) 篩選得到影響熱島顯著區(qū)熱島強度的核心空間形態(tài)指標5個,即不透水面占比、用地類型占比、植被覆蓋占比、容積率和建筑密度;

(3) 根據(jù)不同熱島顯著區(qū)核心空間形態(tài)指標的差異性,可劃分出高密度商業(yè)服務、高密度居住和低密度工業(yè)3類空間形態(tài);

(4) 不同空間形態(tài)熱島顯著區(qū)形成熱島的原因各不相同,規(guī)劃過程中應采取差異化的調(diào)控策略來降低熱島強度。

本研究一方面豐富了城市熱島空間格局差異性研究成果,另一方面也為國土空間規(guī)劃和管理提供了更科學的依據(jù)。但由于研究僅限于對長沙市中心城區(qū)特定氣候條件下的研究,對不同氣候條件下空間形態(tài)對熱島強度的影響研究不足。同時,由于城市空間形態(tài)指標的數(shù)據(jù)收集有限,后續(xù)研究將進一步增補或調(diào)整,以提高研究的完善度和精準性。