熱環境視角下的城市間最小生態安全距離研究

楊 浩， 孟 娜， 張 輝

(1.北京市社會科學院，北京 100101； 2.北京大學經濟學院，北京 100871； 3.北京師范大學政府管理學院，北京 100875)

在2014年3月的全國環境保護工作會議中國家環保部首次提出了“最小生態安全距離(the minimum distance forecological security，MDES)”的概念。這是我國城鎮化進程中治理城市間復合污染問題的全新思路，包含了生態保護、安全底線、資源承載力和環境容量的綜合性概念。但迄今為止，學術界對于“最小生態安全距離”的實質內涵還缺乏較為明晰的界定。城市熱環境作為城市生態系統的重要組成部分，隨著城市化進程的加快，城市人口的快速增加，城市建筑密度的大幅提升，以城市熱島效應為代表所引發的一系列熱環境負面效用逐漸成為人們關注的焦點。現階段城市熱環境問題已經不是單純的氣候環境問題，而是影響城市化進程和城市生態環境良性發展的重大阻礙[1-6]。因此，測量基于熱環境視角的城市間最小生態安全距離，不僅能夠為設置城市發展的“剛性界限”和“生態安全底線”提供理論依據，還能夠為解決城市集中發展所顯現出來的城市群熱環境沖突和疊加等新型環境問題提供科學參考。

1 相關研究綜述

劃定城市增長邊界是解決城市空間蔓延帶來熱島效應的有效手段。自20世紀70年代美國俄勒岡州劃定第一條城市增長邊界后，該州的城市由粗放外延式拓展轉向內涵式發展。此后，許多國家在城市建設中受到國際認可的城市“精明增長”等理論的啟發均通過城市增長邊界方式來劃定調控城市形態，以此來提高城市發展效率與提升生態環境質量[7]。2013年12月中央城鎮化工作會議明確要求根據區域自然條件，科學設置開發強度，劃定每個城市特別是特大城市的開發邊界。但是長期以來，我國傳統城市規劃建設中大多以人口邊界或經濟規模邊界作為城市增長邊界的判定，進而劃定城市建設用地擴展的邊界線，卻沒有從真正意義上形成改善和防范城市生態環境風險的“生態環境邊界”[8]。因此，通過從建設用地需求“正向”規劃轉向以生態空間保護為目標的“逆向”規劃與之結合，具有重要的科學意義[9]。《國家新型城鎮化規劃(2014—2020 年)》中也提出，要把生態文明建設理念全面融入城鎮化過程，劃定生態保護紅線，合理控制城鎮開發邊界，促進城市緊湊發展。因此，通過明確城市間的熱環境“生態安全底線”是防范城市空間發展風險的重要措施，也是本研究的出發點。

近年來，許多學者從生態安全等級、格局角度對城市間的生態安全距離進行了深入的研究。李綏等基于景觀生態安全格局理論和RS、GIS技術，選擇地形條件、洪水危害、土壤侵蝕、植被覆蓋、地質災害和生物保護6個要素作為城市空間擴展的生態約束條件，分析了南充市的生態安全等級分布，得出了南充市市域范圍內整體生態安全狀況較好，低生態安全水平區域較集中地分布于市區南部的嘉陵江下流區域和城郊西部山地的結論[10]。胡海德等利用實地調查和Landsat TM遙感數據，分別構建了大連市水土保持、水源保護、防洪3種安全格局，并在具體應用時根據城市的特點和發展階段，對3個水平的生態安全格局進行取舍，最后對生態安全格局研究的思想和構建方法進行了梳理[11]。周銳等以河南省平頂山新區為例，結合GIS得到水資源安全、地質災害規避、生物多樣性保護3種單一過程的生態用地數據，應用最小累積阻力模型構建了平頂山新區生態用地的安全格局。提出了研究區域內最小生態用地，即底線型生態用地的面積為88.44 km2，占研究區總面積的29.35%，緩沖型和理想型生態用地的面積分別為22.28 km2和43.87 km2的結論[12]。歐定華等以成都市龍泉驛區為研究區，在景觀分類與景觀格局現狀分析、景觀格局變化特征與驅動因子分析、景觀格局變化潛力與動態模擬、區域生態安全評價與變化趨勢預測研究基礎上，建立基于PSO算法原理的景觀格局空間優化模型與算法，對經濟發展、生態保護、統籌兼顧3種情景景觀空間布局進行優化，提出了一種能有效平衡經濟發展與生態保護矛盾關系的景觀生態安全格局[13]。江源通等結合平潭綜合實驗區總體規劃，從城市生態安全角度出發，在對平潭島生態環境本底條件的調研基礎上，選取與平潭島的城市生態安全關系密切的6個關鍵生態因子進行深入分析，并通過層次分析法和GIS空間疊置法綜合多要素分析了平潭島的生態敏感性，最終有針對性地提出了面向新一輪大規模城市開發熱潮的平潭島城市生態安全格局[14]。從已有研究文獻來看，不同學者盡管已注意到城市綠地、景觀格局等因素對城市生態安全影響顯著[15-20]，但僅從“城市建成區綠地率、綠化覆蓋率和人均公共綠地面積”數字指標層面上，采取“分散集團式”原則去考慮城市安全邊界布局，顯然沒有將城市空間特征與空間布局最大生態效益發揮出來，這也是現階段城市生態安全格局研究中普遍存在的缺陷。要合理測算和確定城市之間的生態安全距離，必須要將城市熱環境水平作為城市生態安全的重要變量加以分析，為城市熱環境自然消解提供預留空間。

2 基于熱環境的城市間最小生態安全距離內涵

本研究在借鑒城市生態安全格局與緩沖帶等理論的基礎上，將科學界定基于熱環境的城市間最小生態安全距離內涵和表現形式，在借鑒城市生態安全格局與緩沖帶等理論的基礎上，將基于熱環境的城市間最小生態安全距離界定為：為防范城市之間熱環境風險和保障人類宜居環境，要求城市間承載人類經濟社會活動的城市用地間隔一定的距離作為生態緩沖帶，以最大限度地發揮生態用地降溫效益從而消解城市間熱環境疊加污染。城市之間對于城市用地間隔的最小要求即為城市間“最小生態安全距離”。

本從簡單到復雜，從理論到實際，從以下3個思路出發，建立基于熱環境的城市最小生態安全距離理論與模型。

2.1 假定城市A、B的內部規劃固定，A位置固定，B位置不定

該思路假設A、B為相鄰2個建設用地較為規則的大型城市(假設理想情況呈圓形)，并且2個城市的規模、布局、功能定位一致，熱島中心均處于城市中心位置且均勻向外輻射，輻射能力一致，其中A為已建城市，且位置固定，B為規劃或擬建城市，其位置待定。

本情景方案如圖1所示，據此思路構建數學模型如下：

設城市A的中心坐標為(XA，YA)，半徑為RA。圖1中實線圓環為城市A的建成區，虛線圓環表示城市A的熱島信號函數UHIA(x,y)衰減為0，即虛線圓環外區域將不再受城市A的熱輻射影響。此時，城市A的建成區邊緣到熱島效應衰減緩沖帶邊緣的距離為d1。該情景已假設2個城市的規模、布局、功能定位一致，熱島信號函數衰減距離也一致(即d1=d2)，但城市B位置不定，假設城市B中心坐標為(XB，YB)，半徑為RB。

如果城市B的中心坐標滿足：

(1)

此時，城市A、B的建成區邊緣的距離即為2個城市的最小生態安全距離，即d1+d2。其幾何意義為城市A的熱島信號函數UHIA(x,y)與城市B的熱島信號函數UHIB(x,y)同時衰減到0，即UHIA(x,y)+UHIB(x,y)=0，此時2個城市熱輻射影響范圍相切。

因此，計算城市最小生態安全距離就是計算目標函數：

(2)

式中：Xa、Ya、Xb和Yb分別為城市A、B建成區邊緣坐標。

約束條件為：城市A、B之間的熱島信號函數疊加后的最小熱島強度不超過某一安全閾值I，即：

min{UHIA(x,y)+UHIB(x,y)}

(3)

當城市熱輻射等于背景場溫度時，熱島信號函數為0，此時城市A、B的熱環境相互不干擾，即I=0。

該情景對城市最小生態安全距離進行了幾何學定義，而且在新建城市選址、規劃新建城市規模時防止城市間熱環境交叉污染具有理論價值。

2.2 假定城市A、B的位置和內部規劃固定

該思路假定A和B分別為已建成和規劃在建的2個相鄰大型城市，且A、B這2個城市間相隔距離固定，城市功能定位、城市熱環境特征明確，熱島中心均處于城市中心位置且均勻向外輻射。城市A的熱輻射能力固定，城市B不定。在此條件下，根據A、B城市熱島信號函數UHIA(x,y)和UHIB(x,y)衰減距離研判現有建設或規劃條件下城市間熱環境是否存在風險。

本情景如圖2所示，據此思路構建數學模型如下：

設城市A的中心坐標為(XA，YA)，半徑為RA。圖2中黑色圓環為城市A的建成區，綠色圓環表示城市A的熱島信號函數UHIA(x,y)衰減為0，即圓環外區域將不再受城市A的熱輻射影響。此時，城市A的建成區邊緣到熱島衰減緩沖帶邊緣的距離為d1。設城市B的中心坐標為(XB，YB)，半徑為RB。假設城市B的熱環境特征存在3種情況，即城市B的熱島信號函數UHIA(x,y)衰減為0時距離B城市建成區邊緣的距離分別為d2、d3和d4。

當城市A的熱島信號函數UHIA(x,y)與城市B的熱島信號函數UHIB(x,y)同時衰減到0時，此時d1+d2即為城市A和B的最小生態安全距離，2個城市熱島衰減緩沖帶圓環相切(綠色圓環)；當d3d2時(紅色圓環)，即熱島信號函數UHIA(x,y)和UHIB(x,y)重疊，2個城市熱島衰減緩沖帶圓環相交，說明A、B這2個城市熱環境污染疊加，已發生熱環境沖突，必須通過優化生態用地空間布局改善城市熱環境問題。

該情景對通過最小生態安全距離判定相鄰城市間是否存在熱環境風險、挖潛城市增長空間具有理論價值。

2.3 城市形態不規則時對模型的修正

以上2種情景均假設在理想情況下，即2個城市用地形狀規則，且城市熱環境輻射均一。但在現實中，絕大多數城市布局并非如此，而且城市熱環境空間異質性較大。故本情景將假設A、B這2個城市規劃建設用地布局為不規則的多邊形，且熱環境輻射也不均一。在此基礎上，按照前述2種情景的思路，測算城市之間基于熱環境的最小生態安全距離。

圖3中綠色虛線為城市A熱島信號函數衰減為0的邊界，紫色虛線為城市B熱島信號函數衰減為0的邊界。由于城市形狀不規則且熱環境異質性大，因此當A、B城市熱島信號函數衰減為0時，并非為簡單的相交、相離或相切關系。如圖3所示，僅P點為熱島信號函數UHIA(x,y)和UHIB(x,y)同時衰減為0的點，即P點到城市A、B建成區邊緣的最短距離之和為2個城市的最小生態安全距離。由于A、B這2個城市上半部分建成區距離較近，因此熱島信號函數疊加，疊加區域S1存在熱環境風險，需要優化熱島衰減緩沖區內的生態用地格局，區域S1即為熱環境風險區域；A、B這2個城市下半部分建成區距離較遠，當熱島信號函數UHIA(x,y)和UHIB(x,y)衰減為0時，未出現熱島信號函數疊加，因此區域S2周圍仍具有城市建設用地擴展潛力，即為城市擴展潛力區。

針對這種情況，利用多智能體模型，選取代表城市用地擴展需求、城市間空間形態對熱環境的影響機制、生態用地空間形態和布局降溫機制的空間指標作為輸入數據，輸出不同城市擴展情景，基于重構的城市群熱環境曲面，尋找最佳生態安全距離，在熱環境風險區域周圍優化生態用地空間配置，針對城市擴展潛力區域劃定城市增長邊界，以此來進行城市之間的熱環境調控。

在圖4中，綠色虛線為土地利用格局優化后熱島信號函數UHIA(x,y)和UHIB(x,y)同時衰減為0的曲線，2個城市邊緣到該曲線的距離之和是最佳生態安全距離。A、B這2個城市下半部分為城市擴展潛力區域S3和S4，城市邊緣區的黑色虛線即為城市增長邊界。在這種城市增長邊界條件下，2個城市距離剛好為最佳生態安全距離，并且城市建設用地具有最大的空間擴展潛力。

該情景對通過最小生態安全距離理論研判相鄰城市間是否存在熱環境風險，對于通過劃定城市增長邊界、優化生態用地布局、調控城市間熱環境具有重要的實踐意義。

3 城市間最小生態安全距離的測算

3.1 城市地表溫度測算

目前，城市熱環境曲面擬合模擬， 由于其精確、直觀等特點成為目前進行城市空間形態研究的重要手段之一。熱力系統的地表溫度可以表示為：

Ts(x,y)=Ts1(x,y)+Ts2(x,y)。

(4)

式中：(x,y)分別為像元坐標；Ts(x,y)為地表溫度；Ts1(x,y)為背景溫度；Ts2(x,y)為熱力系統局部熱異常導致的溫度增量。

在研究城市熱島效應時，通常考慮鄉村地區地物熱慣性相對穩定，將其作為背景場，即地表溫度R(x,y)。如果在R(x,y)溫度背景場上疊加城市地區熱異常則會表現出城市熱島效應。那么，由城市熱島效應導致的溫度增量Ts2(x,y)定義為熱島信號函數UHI(x,y)。因此，熱力系統的地表溫度可轉換為：

Ts(x,y)=R(x,y)+UHI(x,y)。

(5)

因此，根據公式(5)，分別抽象出鄉村地表溫度場R(x,y)和熱島信號函數UHI(x,y)，即可擬合城市熱環境曲面。

3.2 城市間最小生態安全距離的測算

為定量測算城市間熱環境最小生態安全距離，選取北京與天津2個相鄰城市作為研究區域，京津2市在區位上毗鄰，地理位置上處于京津冀城市群的中心地帶，而且在城市空間結構中也處于核心位置，2市之間的經濟聯系遠大于其他城市，是決定和影響整個區域的經濟中樞和增長重心。因此，本研究主要從城市熱環境視角來測算京津2市在城市發展進程中導致的城市間“最小生態安全距離”的變化。

采用2003—2013年10年期間MODIS-LSTs數據產品作為地表溫度數據源來生成熱環境模擬空間曲面，將京津2市的熱環境模擬空間曲面作為輸入數據，進一步測算最小生態安全距離。由于不同季相地表溫度有明顯差異，為揭示其空間分布特征規律，需要將地表溫度正規化處理并通過密度分割技術，將城市熱環境進行分級處理。

(6)

式中：Tni表示第i個像元正規化后的值；Tsi為第i個像元的地表溫度；Tsmax表示城市群地表溫度的最大值；Tsmin表示城市地表溫度的最小值。

通過密度分割技術將地表溫度劃分為低溫、次低溫、中溫、次高溫和高溫等5個熱力等級(表1)。同時，將次高溫區和高溫區作為城市熱島區域來加以研究。并依此來測量基于熱環境的城市間最小生態安全距離。

2003—2013年北京市和天津市的城市熱島面積呈逐年擴大的趨勢，從區域空間發展趨勢上來看，呈現出連片發展的空間分布格局(圖5)，而2市之間的最小生態安全距離呈現急劇衰減的趨勢(圖6)。2003年北京市城市熱島區域面積為1 096.98 km2，天津市城市熱島區域面積為370.32 km2，北京市和天津市最小生態安全距離為80.76 km。2013年北京市城市熱島區域面積增加了7 091.08 km2，城市熱島面積為 8 188.06 km2，是2003年的7.46倍，天津市城市熱島區域面積增加到4 567.54 km2，是2003年的12.33倍，北京市和天津市最小生態安全距離僅為1.44 km。10年間，北京市和天津市城市熱島面積增長率分別為709.11 km2/年和 349.77 km2/年，最小生態安全距離衰減率為7.93 km/年。

表1 地表溫度等級區間劃分標準

注：Tni為正規化后的像元值，Tmean為正規化后所有像元平均值，s為溫度標準差。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究在界定熱環境視角下城市最小生態安全距離實質內涵的基礎上，通過建立數學模型對2003—2013年北京市與天津市的熱島容量及城市最小生態安全距離進行測算。通過以上分析得出結論：(1)2003—2013年北京市和天津市城市熱島區域從空間上逐年接近連片發展趨勢；(2)10年間，北京市和天津市的城市熱島面積迅速擴大，已由2003年的 1 096.98 km2、370.32 km2，增長為2013年的8 188.06 km2、4 567.54 km2；(3)北京市和天津市的城市間最小生態安全距離逐年接近，由2003年的80.76 km，急劇衰減為2013年的1.44 km，京、津2市的最小安全距離的演變過程表明區域熱環境水平呈逐漸惡化的趨勢。

4.2 討論

目前，國際社會已積極研究預防和解決城市熱島效應的有效方法和措施。《國家中長期科學技術發展規劃綱要(2006—2020年)》也對城市熱島效應在其形成機制以及調控方法等方面的研究提出明確要求。但對城市熱環境的研究不能僅僅停留在現象的揭示層面，為了保證城市熱環境治理的科學性、權威性，必須對熱環境進行模擬與預測，這就要從熱環境的形成機制出發進行深入研究，并在此基礎上提出城市間熱環境調控措施，來保障相鄰城市的最小生態距離處于合理區間。綜上所述，提出以下政策建議：

(1)建設城市通風走廊。其原理是在城市邊緣區域營造一個通風口，將郊外的風引入城市中心區，以此來增加城市空間的空氣流動性，進而達到緩解城市熱島效應的目的。具體做法是：依據所在城市的自然地形和地貌，在確定生態冷源和熱環境控制區的相對位置上結合風向風速玫瑰圖，選擇通風截面較大的街道來建設城市通風走廊。通風廊道設置僅適合一些新城建設，在老城區改造過程中由于現有景觀格局已經形成，建設進程中會面臨著許多現實困難。

(2)科學規劃城市綠地系統。對于一些無法改變城市景觀結構的舊城區可以重點采取對綠地板塊的有效整合，優化城市綠地設計規范，建設城市綠地數據庫，增種適合的樹木、草地等方式來有效提高城市綠地系統的覆蓋面積與服務效率，從而形成有效的“綠地效應”，削弱和緩解“熱島效應”所帶來的危害。

(3)利用科技手段減少熱污染排放。提倡城市利用太陽能、風能、生物質能、地熱能等非常規能源，提高能源效率，倡導低碳經濟等，減少熱污染排放。同時，針對城市熱容性較高的瀝青路面和水泥路面，在市政資金充裕的情況下可以考慮逐步改造成生態透水路面，以此來減少城市“熱島效應”的形成。