基于減緩熱島效應的公園綠地布局優化研究

趙秋月

劉 健

單浩林

余坤勇*

城市化的急速發展導致建成區面積不斷擴大，大型城市熱環境問題日益加劇，已對居民的日常生活和身體健康產生影響[1]。城市綠地在調節城市熱環境、改善城市小氣候，以及維持生態平衡方面有重要作用[2-3]。眾多學者已研究證明公園綠地降溫作用顯著，如Bowler、Chang等對公園溫度與周圍環境溫度進行比較，結果表明大多數公園內溫度低于環境溫度[4-5]；蘇泳嫻、陳旭、邱海玲等的研究表明，城市綠地對周邊建筑具有降溫作用[6-8]。研究發現城市綠地的內在機理降溫效應顯著，其降溫效應受到綠地大小、下墊面組成，以及綠地類型等影響的區別也是研究的熱點[9-13]。景觀格局及公園綠地的分布對熱島的影響顯著，如欒慶祖等以北京為例，利用遙感信息技術對城市綠地景觀格局與周邊熱環境進行研究，明確了綠地降溫的影響范圍[14]；李虹、賈劉強等對北京的綠地分布進行研究，結果表明區位因素對綠地緩解熱島效應具有重要影響[15-16]。如何根據公園綠地所在環境位置，科學、合理地配置公園綠地，使城市公園綠地發揮最大的降溫作用，是目前城市規劃中亟須解決的問題。公園綠地的合理布局，對于在集約節約利用土地背景下的人居環境優化和城市熱環境調節具有重要的實踐意義。

2017年7月，中國氣象局國家氣候中心發布氣溫榜單，福州作為“新四大火爐”之一，炎熱程度僅次于重慶，意味著福州已步入炎熱城市的行列。根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的預測，未來全球變暖的趨勢仍將持續。隨著城市化的發展，城市熱島效應會越來越明顯，福州降溫問題迫在眉睫。2016年6月13日，《福州市城市綠地系統規劃(2016—2020)》通過政府審定，指出福州將規劃布局城市公園綠地615個(含提升改造和新建)[17]，公園綠地的布局選址成為福州市公園綠地系統規劃亟須解決的問題。為此，本研究以福州市主城區為例，基于人們對降溫的需求對城市公園建設布局進行優化，以期為福州市城市規劃提供建議與方案，為合理布局公園綠地提供決策和輔助。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

福州是福建省省會，位于福建東部、閩江下游及沿海地區(118°08′～120°31′E， 2 5°1 5′～2 6°3 9′N)，境轄東西長約128km，南北寬約145km。福州屬典型亞熱帶季風氣候，年均氣溫為20～25℃，且存在逐年增高的趨勢。福州市主城區包括鼓樓區、倉山區、臺江區和晉安區(部分)，總面積為248.30km2(圖1)。

1.2 數據來源

本研究以福州市主城區(倉山區、鼓樓區、臺江區、部分晉安區)為研究對象，采集公園綠地、人口和溫度等相關數據(表1)，其中遙感影像下載于地理空間數據云，為2016年7月27日的Landsat8衛星遙感影像。影像平均云量4.77，研究區基本無云，有利于地物判讀與地表溫度反演，滿足研究需要。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

地表真實溫度的定量反演，對于改善城市熱島具有重要作用。目前對于地表溫度反演最常用的方法有輻射傳輸方程算法(大氣校正法)、覃志豪單窗算法和劈窗算法。美國地質調查局(USGS)采用新的定標參數對Landsat8進行處理，但TIRS11波段仍具有不確定性，因此USGS不鼓勵用劈窗算法進行溫度反演。本研究采用輻射傳輸方程算法，其原理為太陽對地表輻射能量，地表吸收能量后升溫，地表將太陽能以熱能形式儲存，然后地表向外輻射長波段輻射能量，最后衛星傳感器接收地表輻射能量。衛星傳感器接收的熱紅外輻射亮度值Lλ包含大氣的直接熱輻射，即大氣上行輻射亮度L↑、地表真實熱輻射經過大氣削減后被衛星紅外傳感器接收到的熱輻射能量，以及大氣向地表的熱輻射即大氣下行輻射亮度L↓。

圖1 研究區區位

式中，τ為透過率；L↑為大氣上行輻射亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；L↓為大氣下行輻射亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；K1=774.89(W·m-2·sr-1·μm-1)，K2=1 321.08K。

2.2 公園綠地布局優化模型

目前對于城市公共服務設施的空間布局優化選址等問題的研究，多采用最大覆蓋模型和P-中值模型。P-中值模型(又稱P中位模型)的原理為使需求點與供應點之間成本最少從而進行區位選址布局，最早由Hakimi于1964年提出并應用于通信網絡交換中心的布局問題[18]，改進后的模型可用于解決網絡型(所有備選設施點在網絡節點上)和確定性(已知供應點與需求點)的區位配置問題(static and deterministic location problems)[19]。目前P-中值模型在商業、醫療和避難等各類公共設施的選址決策中被廣泛應用[20-23]。為此本文采用P-中值模型進行公園綠地選址布局優化分析。

P-中值模型是基于目標函數數學模型，采用Lingo(Linear Interactive and General Optimizer)軟件對供需點數據進行量化分析。Lingo稱作“交互式的線性和通用優化求解器”，其內置的求解器可以用于求解線性、非線性、整數優化等規劃問題。本文利用P-中值模型，根據各個降溫需求點的連接關系確定降溫需求點對現有公園綠地的需求程度，以保證降溫需求點能夠得到附近公園綠地所提供的降溫，從而確定公園綠地優化強度。簡化后的目標函數數學模型為：

約束條件如下。

1)每個降溫需求點只能有一個公園綠地供應點，其約束如下：

表1 主要數據及來源

2)需優化的公園綠地供應點數量受最大值約束，需優化的公園綠地供應點數量不能超出規定的數量P，其約束如下：

3)通過公園綠地供應點與降溫需求點中心坐標，計算各個公園綠地供應點與降溫需求點的距離，其約束如下：

4)若某公園綠地供應點不被采用，則降溫需求點不能被該公園綠地供應點供應，其約束如下：

5)變量約束如下：

式中，H為研究區內降溫需求點集合，H=1，2，3，…，m，h；K為研究區內公園綠地供應點集合，K=1，2，3，…，n，k；P為允許優化的公園綠地供應點數量，P＜k；distancemn為降溫需求點m到公園綠地供應點n的距離；ymn為0/1變量，ymn=1，表示降溫需求點m由公園綠地供應點n提供服務，ymn=0，表示降溫需求點m不由公園綠地供應點n提供服務；xn為0/1變量，xn=1，采用公園綠地供應點n進行服務，xn=0，不采用公園供應點n進行服務，n∈K。

圖2 福州市主城區地表溫度反演

圖3 福州市主城區地表溫度等級劃分

圖4 福州市主城區公園綠地面積

表2 福州市主城區溫度等級劃分

3 結果與分析

3.1 主城區城市熱島效應分析

由地表溫度反演結果可知，福州市主城區2016年7月27日地表溫度范圍在28.87～54.48℃，整體溫度偏高。由圖2可知，高溫區主要集中在建設用地所在區域，低溫區則與綠地和水體位置對應，呈現出綠地與水體對應于“冷島”，并被建設用地上的“熱島”所包圍的現象，證明城市存在較強的熱島效應。為直觀分析福州市主城區熱島格局空間分布，需利用均值標準差法對研究區地表溫度進行等級劃分。均值標準差法利用地表溫度均值及不同倍數標準差的組合劃分地表熱場等級，可以有效界定熱島等級[24]。利用均值標準差法將地表溫度劃分為5類，以均值(μ)±標準差(σ)、μ±0.5σ為分割點，將福州市主城區劃分為高溫區、次高溫區、中溫區、次低溫區和低溫區(表2)。其中結合陳松林等[24]對熱島區的界定，將高溫區定為熱島區。

由圖3可見，熱島分布較為明顯，主要分布于商業聚集區(三坊七巷、東街口)、商住混合區(省體中心、火車北站)、工業生產區(福新東路、福灣路)和住宅密集區(南臺大道與南三環交接位置)。結合表2可知福州市主城區的熱島區(高溫區)占比較大，占主城區總面積的11.78%；中溫區占比最大，為主城區總面積的42.66%；次低溫區占比較小，為主城區總面積的9.18%。其中次低溫區面積較小，而次高溫區、中溫區面積較大，城市整體處于次高溫和中溫的熱環境中，中溫區、次高溫區和高溫區之間呈明顯緩沖分布，福州市主城區的城市高溫現象凸顯。

3.2 城市公園綠地布局現狀分析

根據現行的《城市綠地分類標準》(CJJ/T 85—2017)[25]結合福州市園林局公布的公園綠地名單[26]，鑒于公園綠地降溫供應能力有限，從合理性考慮，選取面積大于0.3hm2的共47個公園，總面積11.11km2，占福州市主城區總面積的4.47%。各公園綠地面積差距較大，其中高蓋山公園綠地面積最大，為328.63hm2，鼓樓前公園綠地面積最小，為0.42hm2，各公園綠地面積如圖4所示。

利用GIS將公園綠地面轉化為點進行公園綠地服務范圍分析，對各公園綠地點構建Voronoi圖(即泰森多邊形)，從而確定公園綠地分布情況及布局特征。結果可知(圖5)，各公園綠地的服務范圍差距很大，倉山區、晉安區的公園綠地數量較少，布局有待進一步優化。

3.3 基于P-中值模型的降溫供需分析

3.3.1 降溫供需情況分析

由于城市高溫區即熱島區呈聚集態分布，并且是城市降溫需求中心區域，因此以熱島區域為主要研究對象。為了提高城市公園綠地等資源的配置效益，將熱島面積大于5hm2的區域視作降溫需求區域(圖6)，將公園綠地視為降溫供應區域，通過GIS的面轉點功能進行轉化，以便進一步量化分析。由公園綠地供應點與降溫需求點的分布情況可知(圖7)，公園綠地供應點與降溫需求點的分布不均，且降溫需求點多于公園綠地供應點，呈現供不應求的狀態，須對公園綠地布局進行優化。

3.3.2 P-中值模型求解

根據公園綠地布局優化模型及降溫供需情況，可得到需優化公園綠地及需建設公園綠地的空間位置，利用GIS軟件提取各公園綠地供應點與降溫需求點的中心坐標，可得到47個公園綠地供應點與84個降溫需求點。通過Lingo及GIS軟件結合數學程序代碼編寫，對目標函數求解。將供應點與需求點的坐標連接到Lingo模型運行，根據運行結果確定公園綠地供應點與降溫需求點的連接情況，從而確定降溫需求點與需優化公園綠地供應點的連接關系，由此可知公園綠地是否需要優化，最終可得需優化公園綠地(圖8)及需建設公園綠地點(圖9)。

圖5 公園綠地服務范圍及分布情況

圖7 公園綠地供應點與降溫需求點分布

圖9 需建設公園綠地點分布

圖6 降溫需求區域分布

圖8 降溫需求點與需優化公園綠地連接關系

3.4 公園綠地布局優化策略分析

3.4.1 公園綠地內部優化策略

福州市主城區需優化公園綠地主要集中分布在福州市中心位置，呈現單個公園綠地服務一個或多個降溫需求點的情況，說明公園綠地與城市降溫需求的供求關系較為緊張，而提升相應的綠地服務能力是改善城市熱島效應的重要途徑。需優化公園綠地共18個，根據降溫需求點與需優化公園綠地分布點的連接情況，將公園綠地優化等級分為2級，級別越高公園綠地需要優化強度越大：一級優化公園綠地，降溫能力差且只需要服務一個降溫需求點；二級優化公園綠地，降溫能力較差且需要服務多個降溫需求點。

一級優化公園綠地共12個，分別為福州動物園、環南公園、五一廣場、金雞山公園、沙灘公園、榕城廣場、白馬河公園、市樹公園、于山風景區、茶亭公園、江濱休閑廣場和西禪寺。其主要缺陷為公園內部植物群落單薄，豎向植被結構不完整。需提升公園綠地內部屬性，增加單位面積植被豐富度，豐富公園綠地內部豎向植被層次，通過公園綠地內部的合理規劃達到降溫目的。

二級優化公園綠地共6個，分別為屏山公園、琴亭湖公園、閩江公園(北園)、勞動者公園、秋龍湖公園和晉安河公園。其主要缺陷為公園綠地面積較小、硬質鋪裝過多、公園內部綠地破碎化嚴重。應擴大公園綠地面積，減少硬質鋪裝，提高公園綠地內部植被覆蓋度以提升其公園綠地降溫能力，緩解城市熱島效應。

3.4.2 潛在公園綠地建設

將需建設公園綠地點與《福州市總體規劃(2011—2020)》中的福州市中心城區用地規劃疊加，根據福州市中心城區規劃用地類型，得到潛在公園綠地50個(圖10)，其中城門鎮需建11個，蓋山鎮需建12個，新店鎮需建6個，螺洲鎮、鼓山鎮、建新鎮各需建4個，倉山鎮需建2個，寧化街道、王莊鎮、五鳳街道、下渡街道、新港街道、岳峰鎮和東升街道各需建1個，潛在公園綠地中心坐標如表3所示。

圖10 潛在公園綠地建設點分布(作者根據《福州市總體規劃(2011—2020)》[27]繪制)

表3 潛在公園綠地中心坐標

4 結論與討論

福州市主城區各溫度等級面積呈正態分布，高溫地區主要集中在建設用地所在區域，低溫區則與綠地和水體位置對應，呈現“冷島”包圍“熱島”的現象。福州市主城區整體溫度偏高，其熱島區域占總城區面積的11.78%，這與白麗月對福州市城市熱島的研究結果基本一致[28]，由此說明解決福州市降溫的問題刻不容緩。福州市主城區公園綠地分布不均，不能滿足人們的需要，公園綠地布局還需進一步優化，這與熊華萍對福州市公園綠地建設的研究結果相一致[29]。

研究以緩解熱島效應為基礎對公園綠地選址布局優化進行分析，為福州市公園綠地提出布局優化方案，為緩解城市熱島效應提出優化策略，結論如下。1)福州市主城區的熱島情況較為嚴重，亟須解決。2)根據現行的《城市綠地分類標準》結合福州市園林局公布的公園名單，共提取福州市主城區公園47個，公園綠地總面積占主城區總面積的4.47%，公園綠地分布不均，布局還需進一步調整。3)根據城市熱島及公園綠地分布情況，利用P-中值模型得出18個公園綠地需進行優化，其中包括福州動物園、環南公園等6個一級需優化公園綠地，以及屏山公園、琴亭湖公園等12個二級需優化公園綠地。根據研究結果可為福州市主城區公園綠地建設規劃提出建議：一級需優化公園的缺陷主要為自身降溫能力不足，需提高其降溫屬性，提高自身降溫能力；二級需優化公園主要缺陷為服務多個降溫需求點，需增加其面積從而提高其降溫能力。4)結合福州市中心城區用地規劃可得到50個潛在公園綠地建設點，主要集中于城門鎮、蓋山鎮及新店鎮。公園綠地的具體建設面積還需根據城市實際用地情況確定，對于一些無法建設公園的熱島區，可進行見縫插綠，即利用小塊城市用地種植綠色植被；推廣屋頂花園，豎向空間也可進行綠色植被的種植及覆蓋。在快速城市化的背景下，針對公園綠地布局還需要考慮城市居民防災避難、游憩和生態等方面的需求，仍有待進一步研究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。