城市照明規劃中光污染評價指標與方法研究

劉 鳴 張寶剛 潘曉寒 袁 杰

(1.大連理工大學建筑與藝術學院，大連 116024;2.大連理工大學建筑環境與新能源研究所，大連 116024)

1 前言

由于全球氣候變化的影響，目前低碳城市研究備受關注，其中科學化規劃城市夜間光環境對降低夜間城市耗電量、減少CO2排放量具有重要的實際意義。科學的、可持續的夜景照明要求人造光環境對周圍物理環境的影響應該是最小的［1～3］，而光污染作為城市夜景照明中的副產品與可持續發展理念相違背。因此，有必要結合城市規劃與環境發展的建設情況，建立有效的光污染評價方法和程序，對在夜景照明規劃和設計的前期或在建設時期有可能造成光污染的環節進行評價與監測，以達到設計的優化與資源的合理配置，將有害光減少到不對周圍環境和人產生危害的水平。

光污染對城市環境、生態系統和社會生活都會造成不同程度的影響［4～6］，世界各國也漸漸意識到光污染危害的嚴重性 (見圖1)，“熄燈”讓地球休息一下的活動也日益多起來，2009年3月28日和2011年3月26日的“地球一小時”是世界自然基金會向全球發出的倡議，全球不同時區的3900多個城市展開了關燈接力呼吁環保 (見圖2和圖3)，世界一些著名的城市的景觀照明，如在澳大利亞以悉尼歌劇院為首的標志性建筑，法國的巴黎埃菲爾鐵塔，英國倫敦的皮卡迪里廣場、白金漢宮、市議會大樓等著名景點以及我國的上海外灘、北京王府井等地方都進行了數十分鐘集體熄燈的活動，以引起人們對溫室氣體排放導致全球變暖的關注。因此，在我國大力提倡低碳城市的背景下，對光污染評價指標的研究將具有重要的理論與應用價值。

本文初步提出總體評價指標、監測技術指標以及從城市夜景照明總體規劃角度提出一種光污染評價程序，力求構建較為完備的光污染防治、監測和光環境規劃的保障評價系統。

圖1 2003年紐約熄燈前后的城市空間亮度分布地圖

圖2 2009年悉尼熄燈前城市輪廓效果

圖3 2009年悉尼熄燈后城市輪廓效果

2 總體評價指標

隨著城市低碳發展，對于夜間城市照明空間的科學分析，首先需要從城市的大視角進行光污染問題的針對性剖析與評價。光污染作為學術問題要有科學依據和邏輯上的嚴密性，將光所造成的不良后果通過定性與定量化后，用設定的等級來判定光污染的嚴重程度，此時處理就有了依據，也有了可操作性［5～7］。本文從城市夜景照明總體規劃角度綜合評定城市光污染程度。

2.1 環境亮度分區

分區規則已成為建立環境規劃的一個基礎元素，分區的好處就是一旦污染行為是不可避免的，分區能夠縮小污染的狀況，使其不會障害到其它環境區域。分區控制并不能完全終止環境污染，但是它能為防治環境污染的法律法規制定提供一定的參考依據。針對每一個區域，還可以再細分子區域，以便更好地進行照明的規劃、設計和光污染的防治。表1為根據CIE分區系統進行的環境亮度分區［4，8］。表2是國內地方標準《室外照明光干擾限制規范》中，根據城市區位的功能性質，將其按照環境亮度進行劃分，對應環境亮度的區域劃分［4，8］。

表1 根據CIE分區系統進行的環境亮度分區

表2 城市環境亮度的區域劃分

2.2 光色控制

考慮到夜間城市的和諧化與可持續化，光污染監測應將光色考慮在內。城市中的霓虹燈、紅綠藍等飽和度高燈箱、色彩識別性強的廣告牌等這些形式過雜、色彩過多的光，易造成城市夜景缺乏美感;而在道路照明卻應采用單一色光或少量色光，防止交通信號掩沒在色彩斑斕的廣告背景當中，根據對中國城市居民光色偏好的研究，選用暖黃色、暖白色的燈光較為合適;天文臺附近的道路照明應采用單色光，低壓鈉燈只放射窄范圍的黃色光比較容易用望遠鏡上的濾光片去除。可見，光污染監測中應衡量光形、光色、光亮等元素的適“度”性問題，按照區域屬性進行光色控制，如商業為主的區域光色規劃進行弱控制，辦公為主的區域進行較強控制等等，以滿足人們功能性和審美性的要求。因此，夜間城市的光色規劃不容忽視，防止光色泛濫、色彩單調、光色誤導或光色失衡等給城市居民帶來新的光污染和新煩惱。

2.3 區域間距控制

某特殊區域內某一位置 (可稱為控制點，如多指天文臺、國家公園等地方)的光污染程度不僅與本區域內的照明有關，而且周圍區域的室外照明也會增加該區域的光污染和光干擾。因此限制不同區域間的距離可有效的控制區域間光污染的相互影響，特別是從整體上可以防治商業區、工業區對臨近的居住區的光污染。目前對區域間距離的研究還在不斷的發展和更新。對于人口稀少，地域遼闊的地方區域邊界線間的最小距離推薦值見表3，而對于人口密集的國家或地區很難按此標準進行，因此意大利國家標準又進行了規定，見表4。因此在我國，可以根據本國的實際國情參考或制定限制區域邊界線間的最小距離推薦值，以便評價和限制光污染和光干擾。

表3 參考點與區域邊界線間最小距離推薦值

表4 參考點與區域邊界線間最小允許距離

2.4 上射光比例

上射光是引起城市天空發亮的主要光污染類型，其中燈具形式、城市表面反射特性是影響上射光比例大小的主要因素，因此可從這兩方面進行城市照明中上射光定量化的評價。對此世界上很多國家都有明確的規定，如表5中CIE和英國對不同性質區域中使用的燈具的上射光線占燈具總光通的比例做了明確的規定［8，11］。

表5 英國對燈具上射光線占燈具總光通的比例限定

日本根據不同性質區域和照明的等級對上射光線占燈具總光通的比例規定如表6。

表6 日本對燈具上射光占燈具總光通的比例的限定

但是由于各國城市環境，燈具利用形式的差異，照明上射光線比例也會存在一定差別，因此制定適宜我國國情的關于上射光比例的標準，還有待于進一步的研究。另外，目前對某一區域內全部上射光比例的估算方法、分布狀況和定量化指標的研究還不完善。

2.5 熄燈時間

可通過限制熄燈時間來控制照明時間［4］。在現代生活中，夜晚關閉全部燈具是不可能，對于社會生產和生活中某些重要方面，在熄燈后照明是仍然需要的。熄燈時間是人類的活動變化的一個標志和界限，因此通過調光器或智能化控制系統可在熄燈后關掉一些不需要的燈。許多法規，標準可以依據熄燈時間作為界限來進行規定。熄燈時間對商業、工業混合居住區居民的正常休息和夜間環境保護起著重要的作用。

2.6 亮度平衡

亮度平衡的目的是縮小光環境中明暗的亮度間距，主要考察光環境中的光分布均勻性和亮度對比度出發。對于夜間光環境，不僅要有足夠的照度水平，還必須具備良好的光照分布，其中環境中景觀要素的亮度平衡極為重要。如果夜間環境中亮度比過大，不僅易形成眩光，還易引起光干擾，光溢散和能源浪費等等。舒適的亮度比一般在3∶1～5∶1。為了將人們的視線吸引到視覺焦點上，可以將亮度比提高為10∶1～100∶1，但要增加中間層次的亮度過渡［8，12］。

3 監測技術指標

3.1 照度［7］

光對被照對象“造成不良后果”的嚴重程度，照度是一個很重要因素，即在單位面積上光通量愈大，則光污染就愈嚴重。光照度可以用照度儀來測試并用勒克斯 (lx)單位來量化。

3.2 光源閃爍度

光的閃爍是燈具在交流電源情況下，燈管兩端不斷改變電壓極性，隨著電流的變化，光通量隨之波動，由此產生的閃爍感。光的閃爍會引發視覺疲勞、偏頭痛，造成人眼分辯能力下降，視力下降，還會引發心跳過速等，這種現象稱為頻閃效應 (或閃爍現象)。有時光源的發光強度并不大，但它不斷閃爍，造成視覺混亂，產生了光污染。光的閃爍度可用每秒所閃爍的次數 (次/秒)來計量［13，14］。人眼最敏感的閃爍頻率是8.8Hz，當閃爍40Hz以上感覺就不靈敏，至50Hz以上時則完全感覺不到。

3.3 有效光照區域

考察有效光照區域的目的是在適當的區域科學合理的進行城市照明。有效光照區域是從照明的空間上進行監測分析，也就是說在制作或安裝照明設備時，把光集中在需要照明的方向，把射向其他方向的光遮擋掉或者反射到需要的方向，提高光照的有效性，減少無用光。這樣既能以更加少的能量確保必要的照度，又能削減能量的使用。

3.4 照射時間

考察照射時間的目的是在適當的時間科學合理的進行城市照明。與其他環境污染相比，光污染的可控性較強，停止光源，光污染也就消失，即光污染除了與照度有關，還與照度×照射時間有關。在一定的光強下，照射時間愈長，光污染的累積效應也就愈嚴重。反之，即使光很強，但只是一閃而已，也許并不會造成光污染［7］。因此，對照射時間的控制就是在需要照明時開啟燈具，不需要時關掉，即使是道路照明也不一定要整夜開啟，可以通過各種方式進行控制。所以，照射時間是控制光污染中一個不可忽視的因素，照明時間以小時 (h)計算。表7顯示了照明時間的權重系數，即根據區域屬性的重要性，在熄燈時間范圍內，設定燈具的啟閉時間。

表7 照明時間的權重系數

3.5 眩光控制水平

眩光在室外照明中是最常見的，由于視場中視覺目標太亮，或者空間上、時間上亮度對比太大造成的觀察者的視覺不適，視覺作業水平下降或在短時間內無法看清目標的現象［16，17］。眩光分為失能眩光和不舒適眩光。失能眩光用閾值增量 (TI)度量。閾值增量TI是指，為了彌補由于眩光源造成的觀察者視覺分辨率能力的降低，應當相應地提高多少百分比的水平亮度。不舒適眩光常用國際照明委員會推出的統一眩光等級 (UGR)來評價，其他還有英國的眩光指數系統GI，美國的視覺不舒適概率系統VCP等眩光指數或眩光等級。

3.6 天頂亮度

由于天空亮度是由天邊逐漸向天頂方向延伸，天頂亮度越高，說明城市光污染越嚴重，因此天頂亮度可作為評價光污染的重要指標之一。某一處的夜天空亮度是由該處及周圍環境光的光線累加上射的結果，給出夜天空分級 (見表8)［19］或天頂亮度值將有利于定性和定量化的對比分析和綜合評價地面上光溢散程度和進程，也便于為天文愛好者和天文學家進行各種不同場合下的天文觀測或天體拍攝等等提供擇址依據。對于自然背景輻射下的原始夜天空，目視星等為21.6 mag/□″，相當于3.52×10－4cd/m2的亮度。利用表8的夜天空的分級法是目視比較和評價夜天空光污染程度最簡單、最直接的方法。

表8 John Bortle(約翰·波特爾)的城市夜天空分級

4 評價程序探討

基于上文評價指標的討論與分析以及CIE的相關標準 (CIE Publication 150∶2003;CIE 126—1997)［20，21］，本文從城市夜景照明總體規劃的角度，針對光污染產生前期總體光環境規劃、光污染過程中引起的不良影響以及光污染產生后期所應采取的防治工藝技術三個層面提出了光污染的評價程序，見圖4。城市夜間光污染問題是個復雜以及涉及面比較廣泛的內容，在定性評價上，光污染對城市、社會和人造成哪些影響，缺乏相關程序和依據可以遵循;在定量評價上，侵害程度是否達到“光污染”，應當承擔什么責任，缺乏規范、法規可以依據。有效的光污染評價方法，就是將評價指標和評價程序相結合，對在夜景照明的設計前期或建設時期有可能造成光污染的環節進行評價與監測，以達到設計的優化與資源的合理配置，將有害光減少到不對周圍環境和人產生危害的水平。

圖4 光污染評價程序

5 結束語

近年來，研究與控制光污染已成為國際學術界特別關注的涉及全球環境的學術問題。光污染作為城市夜景照明中的副產品，具有表現形式多、影響范圍廣和傳播速度快等特點，如果城市缺乏良好的規劃、設計與監控，“光”將進一步加深對城市夜間環境的污染，已有研究表明［5，6，8］，夜空亮度每年的增長速度不會低于3%，如果按此速度增長，23年后夜空亮度將還會增加一倍。因此建立光污染評價體系，通過科學化的評價指標進行控制與監測是城市夜間光環境科學發展的必由之路，用設定的等級來判定光污染的嚴重程度，才能夠使城市夜間光環境的規劃與管理具有可操作性，該評價程序的制定對實現和諧的、低碳的、可持續性的夜間城市空間具有時代意義。

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