熱環境視角下的西安城市發展策略

趙 毅，馮曉剛*，楊永佺，李鳳霞，李 萌，周在輝

（1.西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 710055）

目前，國內的傳統城市規劃主要研究不同區域基礎設施的布置，對生態環境的考慮少之又少[1]，如張遠取[2]等通過對廈門市能源規劃體系問題的分析，確定能源規劃體系構建的思路和內容，為后續的國土空間規劃編制工作提供指導；石崝[3]等分析“窄馬路、密路網”理念在南京新區中心區規劃落實中遇到的問題，提出相應的解決對策。也有部分學者對生態城市規劃的內容及現存問題做了較為詳盡的研究；沈清基[4]等通過分析我國城市生態規劃存在的主要問題，從5 個方面對未來中國城市生態規劃的前景進行展望；孫江寧[5]等借鑒歐美國家的生態建設、特色、重點、方法等方面的研究，提出符合我國國情的生態城市建設路徑。但進一步分析發現，現有研究大多是從生態規劃角度出發，側重點主要集中在理論及技術層面，很少有研究真正意義將城市人居熱生態環境納入體系。因此，本文以西安市為例，利用多時相遙感數據，結合單窗算法，以熱環境定量分析為規劃準則，以熱環境改善為規劃目標，梳理城市規劃內容與熱環境的聯系，提出規劃方案，并落實在可實施層面，為當下和未來的熱生態環境體系規劃提供一定的技術參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區域概況

西安市（33°39′N ～34°45′N，107°40′E ～109°49′E）地處關中中部、秦嶺北麓、跨渭河南北兩岸。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，平均海拔為424 m，1 月平均氣溫為5℃，7 月平均氣溫為31℃，年平均氣溫為19℃。據2019 年數據顯示，城市總面積為10 752 km2，建城區面積為729.14 km2。城市常住人口1 020.35 萬人，其中城鎮人口761.28 萬人，鄉村人口259.07 萬人。

1.2 地表溫度定量反演

由于Landsat TM 數據只有一個熱紅外波段，本文采用覃志豪[6]等提出的單窗算法，該算法反演地表溫度主要包含輻射亮溫計算和地表溫度計算2 個步驟。

1）輻射亮溫計算。參考Landsat 用戶手冊，輻射亮溫采用公式（1）～（2）計算。

式中，Lλ為熱輻射強度值，為輻射亮溫；K1、K2均為校正系數（K1取值TM 為60.776(mW×m-2×sr-1×μm-1），K2取值TM 為1 260.56 K）。

2）地表溫度計算。利用單窗算法反演地表溫度，核心參數主要包括:地表比輻射率、大氣透射率和大氣作用平均溫度3 個[7]。

式中，Ts為地表實際溫度；Tb（即為式（2）中的T6）為衛星高度上遙感器所觀測到的亮度（單位:K）；Ta為大氣平均作用溫度；C、D是中間變量，計算公式為C=ετ，D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]；a、b是根據熱輻射強度和亮溫擬合出的系數，當溫度介于0～70℃時，a的取值為-67.355 351，b的取值為0.458 606[6]；eτ分別為熱紅外波段的地表比輻射率和大氣透射率。

地表比輻射率的計算參照覃志豪的方法:

式中，εv為TM 熱紅外波段范圍內植被的比輻射率，取值為0.985；εv為裸露地表的比輻射率，取值為0.960；f為植被蓋度，通過研究區內的NDVI 指數進一步提取獲得；ε為地表幾何分布和內散射效應，平坦地區通常dε=0。

大氣平均作用溫度和大氣透過率的估算參考覃志豪[8]等的研究。最后將地表溫度的反演結果按中誤差的劃分方法將歸一化后的地表溫度劃分為5 個等級，依次為強綠島區（0～T-2m）、綠島區（T-2m～T-m）、中間區（將T-m～T劃歸為中間一區、T+m～T劃歸為中間二區）、熱島區（T+m～T+2m）、強熱島區（T+2m～1）（其中T為研究區溫度的平均值，m為其中誤差）[9]。

2 西安市熱環境時空特征與總體規劃耦合分析

1953-1972 年，正處于解放初期的西安實施了以工業建設為中心的首輪總體規劃，整體經濟發展比較緩慢，城市熱環境較好。因此本文選取了西安市后3 期規劃期間典型年份的Landsat 影像數據，在地表溫度定量反演的基礎上采用中誤差的劃分方法[9]，并結合西安市三版總體規劃的內容進行對比分析，如圖1 所示。

2.1 熱環境在時間上與總體規劃的耦合分析

基于地表溫度的反演如圖1 及表1 所示，1992-2016 年西安市地表平均溫度上升2.5 ℃，其中1992-2006 年地表平均溫度上升2.4℃，2006-2016 年地表平均溫度上升0.1℃，前者上升幅度遠高于后者。主要是第二、三輪總體規劃期間西安市正處于經濟恢復與轉型期，城市急速擴張、人口規模擴大導致城市不透水下墊面、人口密度急劇增加，城市熱島效應愈加明顯，且有逐年增強的趨勢。而第四次總體規劃在前期規劃的基礎上增添了“城市大園林”的綠色概念，加強了能源規劃的建設，并堅持可持續發展、生態與人居的理念，開始注重城市生態環境的建設，地表溫度得到一定程度的控制。

表1 1992-2016 年西安市地表溫度信息統計

圖1 西安市總體規劃與熱環境時空對比分析結果

2.2 熱環境在空間上與總體規劃的耦合分析

基于地表溫度的反演如圖1 及表2 所示，1992 年西安市強熱島區面積占地比例僅為0.03%，熱島區面積占地比例0.54%，零星鑲嵌在蓮湖區西南部及灞橋區沿岸；2006 年西安市熱島區面積大幅度上升，占地比例達到0.75%，從零星狀分布發展為片狀分布且向周圍發展；2016 年西安市強熱島區和熱島區面積急速增加 ，已分別達到0.15%和5.29%。主要分布在未央區南部、蓮湖區與雁塔區西南部，由片狀分布向局部集體擴展，究其原因主要與區域新增建筑與人口有關。如蓮湖區G5 國道附近周吳村等村莊的規劃擴張和鎬京大道附近汽車服務維修公司的建設；雁塔區丈八路以東、丈八西路以北加油站的建設以及丈八西路以南西安半導體產業園等園區的開發等；未央區北三環家具廠的建設以及天臺路以西的汽貿公司鋼材廠的建設?？偟膩碚f，雖然村莊、產業園區、消費市場等新增區域促進了當地經濟發展，吸引了大量人群，但也導致該地區人口密度增加，區域升溫，同時隨著建設用地面積的增加，大量的不透水面代替原有的自然植被，地區吸熱能力增強，散熱能力削弱，從而使該區域熱島區面積增加。

表2 1992-2016 年西安市地表溫度等級劃分信息統計

西安市通過歷次總體規劃，其空間結構經歷了“十字型骨架-中心集團、外圍組團-九宮格局、多中心、多組團”的模式轉變；發展范圍由“東南、西南方向到東北方向再到西南及向北跨渭河方向”拓展。而通過研究數據分析可見，西安市的強熱島區和熱島區主要是向未央區西北、蓮湖區西北、雁塔區西南、新城區以東、灞橋區沿岸擴展，與城市擴展方向一致。

3 改善城市熱環境的規劃策略

城市熱島持續增強這一現象給規劃部門帶來了新的挑戰，如何控制城市熱島效應已經成為當今城市規劃研究者必須考慮的問題。基于熱環境與城市規劃的耦合分析，參考諸多城市熱島效應的影響因素研究[10]，本文從以下4 個方面提出改善西安市熱環境的規劃策略。

3.1 優化城市布局

研究城市布局模式及其利弊對城市規劃有指導意義，從熱環境的角度出發，對其功能進行合理配比，從而達到緩解熱島效應的目的，進而提高城市人居熱環境的安全性和適宜度。

1）西安市在新一輪城市規劃中，應持續“多中心、多組團”發展模式，以市區為中心，建設包括閻良、戶縣等周邊地區的衛星輻射城市，疏解城市職能，緩解中心城區壓力，從而降低不透水下墊面的覆蓋率和城市吸熱能力，達到降低城市熱島強度的目的。

2）協調好西安市老城區與建成區發展的關系，將老城區中的低矮建筑進行統一規劃，提高容積率，通過控制老城區建成區面積，緩解城市熱島效應。

3）依托西安古城特有的空間布局，合理規劃新舊建筑布局，尤其要注意工業區（表3）和城市綠地的布局，利用城市已有綠地，建設城市生態廊道，從而調節城市溫度。

表3 工業園區生態化提升策略

3.2 合理控制城市規模

城市規模和城市熱島呈一定的正相關關系，即城市規模越大，熱島效應越明顯。有研究表明，人口在50～100 萬的城區氣溫較郊區高出1.1℃～1.2℃，人口多于100 萬的城市城郊溫差則達1.2 ℃～1.5 ℃[11]。因此，從城市熱環境的角度出發，探究城市規劃中城市規模的發展形勢很有必要。自2002 年西安市提出西咸一體化政策以來，城市建成區面積和人口急劇增加。2008 年，西安市第四版總體規劃雖提出控制城市人口規模的策略，但由于西安市人才戶籍新政的實施和虹吸效應的影響，至2019 年，西安市人口仍在持續增加，如圖2 所示。

圖2 西安市2002-2019 年城市規模變化

城市建成區面積急劇擴大導致城內大量的人工不透水面取代原有地表的自然覆被，使得自然植物覆蓋率降低、地表吸水能力下降，加劇城區的高溫化和干燥化。因此在城市建設過程中應考慮:

1）構建合理的城市擴張模式，堅持“低沖擊開發”的發展理念，增存并舉，擴大城市的開放空間，提高土地的彈性發展，分區分類降低不透水率，因地制宜增設綠地。

2）鼓勵“居住+商業+綠地”、“慢行交通+商業”等城市用地的混合利用，改變原有單一類型的城市用地模式，提高用地效益和利用率，進而降低城市建筑密度和不透水下墊面的覆蓋面積，達到改善城市熱環境的效果。

3）調整西安落戶的政策，控制人口質量和數量。加強城區基礎設施的建設，促進外圍新區的發展，分流城區人口流量，減少城區人口壓力，緩解城市熱島效應。

3.3 構建城市綠化體系

城市綠地通過增加水汽含量，降低大氣表面溫度，進而緩解城市熱島效應的影響，城市規劃中應充分認識城市綠地的重要性，加強城市綠地建設。截至2019 年，西安市建成區綠地率為35.55%，綠化覆蓋率為38.75%，人均公園綠地面積為9.98 m2，遠低于我國14.1 m2的人均值。因此，西安市在快速發展經濟的同時，應從生態環境保護的角度出發，加強生態文明的建設，推進綠色發展，并結合“山、水”地貌，將國土綠化與城市綠地系統相互貫通，逐步建立多層次、多類型、“點、線、面”相聯合的城鄉一體化綠化網絡。

相關研究數據表明，草坪的降溫效果只有0.6 ℃，5～8 m 高度的小喬木降溫2.0℃，而8 m 高度以上的大喬木降溫可達2.8℃，且地表溫度隨植被高度的增加而明顯降低，在植被高度達20 m 時地表溫度可以達到最優點[12-13]，因此在城市規劃中應考慮如下因素（圖3）。

1）水平層面:城市綠地規劃除了要增加綠地所占的比重和數量，更要進行合理的植被搭配，舍棄以往單一種植小型草坪的發展思路，構建以喬灌木及草坪相結合的多層次植被體系結構。

2）垂直層面:城市應加大立體綠化和屋頂綠化的建設力度，在節約用地的基礎上增加綠化總量，形成層次化、多樣化的綠化體系，逐步改善城市不透水面的輻射吸收和散熱狀況，降低城市溫度。

3.4 合理利用能源

生產生活中過度使用煤炭、石油等會產生大量的熱量，加劇城市熱島，因此在城市規劃中合理規劃能源至關重要。西安市的前三輪規劃中著重建設基礎設施以促進經濟發展，而第四輪總體規劃方才提及、確定能源規劃的詳細內容。正是由于在總體規劃編制中對能源規劃的忽略，以及規劃實施過程很難做到城鄉一體化，導致城市基礎設施重復建設，整體能源利用率低、能耗大，同時增強了城市熱島效應。因此建議:①增強城市規劃中能源規劃的比重，提高城市規劃者重視能源規劃的意識，并鼓勵人們節能降耗。②大力推廣使用清潔能源，降低空調耗能等也是緩解城市熱島效應的重要手段。

4 結 語

本文以不同時相熱紅外定量反演數據為基礎，納入熱環境規劃體系，結合西安市三輪規劃內容，從時空兩方面進行耦合分析。為其他城市的生態化建設中如何處理與城市熱環境的關系提供依據，其次把改善熱環境作為規劃目標之一，從優化城市布局、控制城市規模、構建綠化體系和合理利用能源4 個方面提出相應的建議和措施，為其他城市緩解熱島提供了有效參考，也為西安市創建歷史特色與文化特色，爭創一流新一線宜居城市夯實基礎。