福州市通風廊道選線與優化*

楊務發 余坤勇 耿建偉 趙各進 楊柳青 劉 健，3

1 福建農林大學園林學院 福州 350002 2 3S技術與資源優化利用福建省高等學校重點實驗室 福州 350002 3 福建農林大學林學院 福州 350002

城鎮化建設極大地改變了自然和半自然的生態空間，城市景觀格局和地表粗糙度的改變極大地影響了城市的熱環境和風環境，引發了城市熱島效應。相關學者在德國斯圖加特，日本東京，中國香港、北京、南京、武漢、西安等城市相繼開展了通風廊道的探索與實踐，為解決城市熱島問題提供了重要借鑒[1]。城市通風廊道按研究尺度可分為微觀、中觀和宏觀3個層面[2]。在微觀層面，主要利用風洞模型、CFD流體力學模型等模擬城市局部的通風環境及微氣候變化對風速、風向、空氣流通等方面的影響[3-4]；在中、宏觀層面，主要借助數學模型及計算機參數進行模擬，如借助多孔介質模型、MCR模型、WRF模型和GIS空間技術平臺[5-6]等，結合城市的地形、建筑、道路、水系、綠地、氣象數據等[7-8]，對城市地表粗糙度、景觀格局、天空開闊度等進行評價分析[9-10]，探討城市通風系數、風道寬度及走向、潛在風道模擬、生態系統服務功能、與城市熱環境關系等[11-12]。

本文綜合福州市地貌特征及城市空間形態特點等，選取與地表粗糙度相關性較大的城市建筑、路網、水系、綠地、地形等影響因子[13-17]，結合福州市地表溫度反演結果，根據局地環流理論[18]識別其作用空間和補償空間；通過分級賦值和序關系分析法[19]確定通風潛力各影響要素的權重，從宏觀層面建立福州市通風潛力綜合評價體系，識別通風路徑和通風廊道；結合水文流域模型[20]探討通風廊道路徑選線的優化，為城市規劃和建設提供參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

福州市位于中國東南沿海，城區東部臨海，其他三面被海拔600～1000 m的自然山體所環繞，屬于典型的河口型盆地地形，夏季盛行東南方向的海陸風，逆溫頻率較高，高溫濕熱，城市熱島效應明顯。選取以五虎山、旗山、蓮花山和鼓山等圍合形成的盆地為研究區，總面積約1759.95 km2。

1.2 研究方法

本文以福州市為研究對象，根據局地環流理論構建福州市通風廊道，將其與福州市地表溫度的作用空間和補償空間進行疊加分析，識別未被通風廊道覆蓋的城市“熱點”區域。結合水文流域模型，將生成的通風潛力流域圖與通風廊道進一步疊加分析，對福州市通風廊道的路徑選線進行優化，提升通風廊道對改善城市熱環境的生態效益，具體步驟如圖1所示。

圖1 通風廊道構建流程

研究數據及獲取方法如下:土地分類數據由福州市2019年2.5 m高精度谷歌地圖影像(Google地圖資源共享平臺下載)，結合《土地利用現狀分類》(GB/721010—2017)分為林地、建設用地、道路、水體、農田、草地、未利用地，分類精度89.84%，Kappa系數0.85。地表溫度數據由2019年09月22日Landsat8 OLI遙感影像(美國地質調查局網站下載)根據輻射傳輸方程法反演獲取[21]。風玫瑰圖由福州市氣象局官網下載的2009—2019年的10年氣象數據通過EXCLE軟件計算生成；2019年建筑矢量數據、《福州市城市總體規劃(2010—2020年)》 《福州新區總體規劃(2015—2020年)》 《福州市中心城區綠地系統總體規劃(2011—2020年)》 《福州市中心城區綜合交通總體規劃(2011—2020年)》等來源于福州市規劃局網站；90 m分辨率數字高程影像來源于中國地理空間數據云網站，其影像噪聲低、幾何形變小，研究區內云量低于2%，符合研究精度要求。

2 結果與分析

2.1 作用空間和補償空間的識別

通過ENVI軟件平臺，將反演的福州地表溫度按自然斷點法劃分為6個區間的空間分布:28°以下、28°～31°、31°～34°、34°～37°、37°～40°和40°以上，據此識別城市地表溫度的補償空間和作用空間。其總體空間分布格局為中東部“熱”、西北部“冷”。中東部區域密集分布作用空間，主要為老城區、住宅密集區、中央商務區、工業園區、大型交通樞紐等，人口密集，人為排放熱源量大，建筑高而密，綠地少而碎；西北部區域大量分布補償空間，主要為五虎山、旗山、蓮花山、鼓山等分布的成片林地，以及郊區大面積的農田、水庫和濕地等，是新鮮冷空氣的主要來源。另外，閩江一分為二穿城而過，將來自東南方向風源口的濕潤低溫的海陸風引入城區，這是最重要的空氣引導通道。

2.2 通風潛力影響要素分析

利用ArcGIS平臺，按《民用建筑設計通則》(GB50352-2005)標準，結合福州市行政區劃和2019年建筑矢量數據，計算每個區劃單元的平均建筑密度和平均建筑高度；按《城市道路工程設計規范》(CJJ37-2012)標準，結合2019年福州市高德地圖和城市路網矢量基礎數據，通過數據清洗和處理分析，將城市道路寬度分為0～6 m、6～22 m、22～43 m、43～120 m、120～232 m共5個等級；根據福州市數字高程數據，通過異常值剔除，將高程分為0～27 m、27～54 m、54～100 m、100～200 m、＞200 m共5個等級，坡度分為0°～6.9°、6.9°～15.9°、15.9°～24.9°、24.9°～35.4°、35.4°～76.5°共5個等級；由土地分類數據提取城市綠地和水系，計算面狀綠地(水系)和帶狀綠地(水系)分級結果。由分級賦值法和序關系分析法獲得通風潛力9個因子的權重值，建立福州市通風潛力綜合評價體系(表1)。

表1 福州市通風潛力影響要素綜合評價體系

由表1可知，賦值分數越高，權重越大，通風阻力越小，越有利于風的流通。通風潛力由大到小依次為:城市路網＞帶狀水系＞面狀水系＞平均建筑高度＞平均建筑密度＞帶狀綠地＞高程＞面狀綠地＞坡度。城市道路和水系更利于通風廊道的形成；城市建筑受各行政分區面積大小的影響，在城市周邊的權重值較大，而在中心城區的權重卻較小，因而不利于空氣的流通；帶狀綠地的權重值比面狀綠地的優勢明顯，應將點狀綠地串點成線，引導風的流通；高程和坡度的值最小，不利于形成通風路徑。

利用ArcGIS平臺，將9個影響因子疊加生成通風潛力綜合影響要素圖(圖2)表明:顏色越淺，說明風流通的綜合阻力值越高，風流通的潛力越小；顏色越深，風流通的潛力越大。從空間分布看，通風潛力最明顯的區域是閩江和烏龍江，與城市主干路網構成通風路徑骨架。在建筑稀疏、農林用地成片、水網密集的城郊及臨海區域，通風阻力較小，利于空氣引導通道的形成；在火車北站、省體中心、東街口、五一廣場、臺江萬寶商圈、倉山萬達商圈、上三路師大程埔頭片區、白湖亭等區域，由于人口和建筑密集、水系和綠地較少，通風阻力較大，不利于通風路徑的形成。

圖2 通風潛力綜合因子影響因素

2.3 通風廊道空間分布特征

以福州市夏季主導風向和補償空間為風源點、以通風潛力綜合阻力面為作用面，與城市作用空間進行疊加，生成兩級共5條通風廊道(圖3)。

圖3 福州市通風廊道空間分布

一級通風廊道2條，是引導外部新鮮冷空氣進入城區的最重要通道，極大地緩解了主城區的熱島效應。第1條從閩江入海口為起點，沿閩江流域從馬尾方向進入主城區；第2條從東南方向的長樂濱海新城為起點，穿過長樂營前進入主城區。兩者在三江口交匯后一分為二，其中一條主風道沿閩江穿城而過，另一條主風道沿烏龍江穿城而去，在淮安大橋處合二為一，沿閩江方向直至閩侯甘蔗縣城。

二級通風廊道共3條，將新鮮冷空氣進一步向主城區“滲透”，調節主城區的風環境和熱環境。第1條風道路徑為長樂天臺山公園—長樂老城區—馬尾亭江—鼓山，從鼓山和沿海方向導入城區，通過風的流通帶走城市中的大量熱量及溫室氣體；第2條風道路徑為烏龍江—大樟溪流域，將沿線大片農林用地生成的冷空氣通過道路和水系等引入城區，改善閩侯縣高新區、南嶼鎮和青口工業園區的熱環境；第3條風道路徑為閩江荊溪段—閩侯甘蔗—京臺高速—三疊井森林公園，極大地改善了閩侯甘蔗縣城的熱環境，提升了城區的熱舒適度。

2.4 通風廊道優化

根據初步構建的福州市通風廊道的空間分布特征，通風廊道的數量、等級、路徑生成的精準化和定量化選線等方面均存在明顯不足，未能有效覆蓋中心城區的“熱點”區域，對主城區熱島問題的改善不夠明顯，需進一步優化。利用ArcGIS平臺，基于水文流域模型，將通風潛力綜合影響因素圖生成風道流域圖(圖4)。通過對風道流域等級劃分進行綜合對比分析，最終將風道流域分為四級:一級(黑色線性)和二級(藍色線性)風道流域主要匯聚于閩江和烏龍江流域，風流通的阻力最小，最利于風的通行；三級(黃色線性)和四級(紅色線性)風道流域主要分布在閩侯甘蔗、荊溪、高新區、上街大學城、大樟溪流域、馬尾亭江、鼓山風景區、長樂營前和濱海新城等區域，主要沿河道、城市主干道路等分布。

圖4 綜合因子水文模擬潛在風道流域

將通風廊道與城市地表溫度、風道流域疊加，形成三級共15條通風廊道:一級通風廊道2條，與原通風廊道路徑基本保持一致；二級8條，以城市主次干路和密布的內河網絡為載體；三級5條，主要由一級和二級風道分支而成，是新鮮冷空氣進入城區內部的主要路徑。與優化前相比，廊道等級由兩級提升為三級，廊道總數量新增了10條，二級、三級各新增5條；同時，對廊道的路徑選線進行修正和精準定位。優化后的通風廊道的總體空間布局更加合理，對城市“熱點”區域覆蓋更加全面，對城市內部風環境和熱環境的改善作用更加明顯(圖5、表2)。結合《福州市城市總體規劃(2010—2020年)》《福州新區總體規劃(2015—2020年)》《福州市中心城區綠地系統總體規劃(2011—2020年)》《福州市中心城區綜合交通總體規劃(2011—2020年)》等進行用地性質校核，論證其合理性，結果表明，通風廊道的路徑符合城市用地的總體規劃，與城市綠地和城市路網的總體規劃相吻合。

圖5 福州市通風廊道

表2 福州市通風廊道分級統計

3 結論與建議

3.1 結論

本文根據福州市地表溫度作用空間和補償空間的識別結果，得出研究區地表溫度的整體空間分布格局呈中東部“熱”、西北部“冷”的特征。地表溫度越低，說明補償空間越明顯，地表溫度越高，說明作用空間越明顯。根據局地環流理論，結合夏季主導風向，利用水文流域模型優化，設計新增10條通風廊道，其中二級、三級各新增5條；同時，通過對廊道的路徑選線和定位進行修正發現，通風廊道的總體空間布局更加合理，對城市“熱點”區域覆蓋更加全面，對緩解城市熱島效應更加明顯。

3.2 建議

根據當前福州市東擴南進的城市發展策略和現狀，建議從2個方面推進主要風源口和重要通風路徑的保護與優化。

1)風源和風口的管控。閩江入海口和夏季盛行的東南海陸風、盆地西面和南面生成的山谷季風為風的流通提供導入口，是改善城區空氣流通的主風源。在政府層面，應出臺相應的法規對其進行嚴控和保護；在規劃建設層面，嚴禁設立污染型工業園區，嚴控建筑容積率和建筑高度，控制開發強度，合理分配土地使用類型，充分考慮建筑密度、建筑高度、建筑朝向和建筑排列方式等對通風廊道的影響，越靠近城市邊緣區，建筑高度應越低，在主風口200 m范圍內可采用斜列式和并列式相結合的建筑布局形式，建筑間距應保持在30～50 m。

2)主風道的管控。結合城市總體規劃，對優化的通風廊道途經路線進行合理疏通和嚴格保護，嚴控通風廊道的寬度和走向。在城區外圍的大面積自然林地、農田和水體等開闊區域，規劃寬度800 m以上理想的自然風源通風廊道，側重保護盛行主導風向沿線的區域。城市規劃的道路走向應盡量與主要通風廊道平行，與主導風向的夾角應小于45°，增加建設區與公共開敞空間的相交程度。