城市熱島效應的空間識別與規劃應對策略
——以長沙市中心城區為例

唐 萍, 方 琴, 凌 典, 周 盼

(1.湖南省國土資源規劃院,湖南 長沙 410004;2.湖南省國土空間規劃學會,湖南 長沙 410004)

0 引 言

城市熱島是由城市規劃建設及運營過程中的各種熱過程綜合作用形成的一種現象,是世界范圍內普遍觀察到的氣候變化之一[1]。城市熱島對城市環境的持續性施壓導致極端天氣頻繁出現,進而對城市居民的健康造成一定威脅。如何準確識別城市熱島效應的空間特征并在其基礎上探究緩解城市熱島效應的方法成為近年來學術界研究的重要方向。

目前國內外學者[2,3]多集中于地表覆蓋與熱島效應的關聯性研究,關注重點是物質空間的表征,即地表覆蓋的景觀格局與熱島效應的關系,而并未深入研究城市空間形態的差異如何影響熱島效應,未將空間形態指標進行定量化綜合分析,也沒有轉換成具有可操作性的規劃策略。其相應提出的“降低容積率、建筑密度”等策略在城市空間規劃中的應用價值十分有限。

最新相關研究[4,5]表明城市熱島與各類空間形態指標的關聯性存在空間差異性,即具有相同熱島效應區域的空間形態指標不盡相同。為使城市在未來發展中更具可持續性和靈活性,有必要將城市熱島緩解戰略納入空間規劃決策體系,在國土空間規劃過程中合理安排布局城市各類要素,有效改變城市熱屬性,減緩熱島成因的發生強度,進而控制熱島效應。

本文以長沙市中心城區為研究對象,識別研究區內熱島效應分布的空間格局,剖析熱島顯著區內不同空間形態產生熱島的主要原因及核心指標,并相應提出降低熱島強度的空間規劃應對策略,為國土空間規劃實際工作提供理論參考和實踐指導。

1 長沙市中心城區熱島效應的空間識別

1.1 研究區概況

長沙市地處湘瀏盆地,受亞熱帶季風控制,夏季氣溫高、濕度大,地區盛行風弱,城區空氣濕熱,通風狀況不佳。由于中心城區的高強度開發和人口密集分布,城市化進程明顯,城市熱島效應顯著。為此,本研究選取長沙市中心城區為研究對象,對該區域開展熱島效應研究。研究使用的遙感數據為2020年10月20日長沙市的Landsat8(9個波段的空間分辨率為30 m)影像,根據大氣校正法對影像數據處理,通過地表溫度反演[5]得到長沙市中心城區的地表溫度圖(圖1)。

1.2 熱島強度計算與識別

熱島強度通常采用熱島強度指數(Urban Heat Island Intensity Index,UHII)進行計算[5],公式為:

(1)

式中:UHIIi為第i個單元的熱島強度;Ti為第i個單元地表溫度;n為城郊農田內的有效單元個數;Tcrop為城郊范圍內的所有農林用地的平均地表溫度,作為熱島強度基準值。

本次研究采用的熱島強度基準值為24.56 ℃,高于基準值的單元被認定為熱島區,計算可得到每個單元的熱島強度。為研究需要,引入500 m×500 m的空間網格對研究區進行均質劃分,計算每個網格的平均熱島強度,將其劃分為極強熱島區、強熱島區、弱熱島區、弱冷島區、強冷島區、極強冷島區6類區域(圖2)。經過全局空間自相關分析,發現研究區熱島強度Moran’I指數[5]高達0.69,表明長沙市中心城區熱島空間上具有較強的集聚性。

圖2 研究區熱島強度分區

1.3 熱島的總體空間格局特征

運用GIS的多環緩沖工具,建立以研究區幾何中心為圓心、500 m為間隔的同心圓環,統計各圓環內的平均地表溫度,并與研究區相交后,形成長沙市中心城區熱島分布圈層圖,圈層大致可劃分為4個部分:核心(0～4 km)、內環(4～7.5 km)、中環(7～16 km)、外環(16～22 km),總體上從內至外呈現“高—低”相間的熱島圈層分異(圖3)。

圖3 研究區熱島圈層分布圖

核心區包括了五一廣場、東塘、火車站等城市功能中心,區域內建筑密集,布局緊湊,具有容積率高、人口密集的特點,在局部范圍內形成高強度熱島區,平均熱島強度較高;內環區主要包括長沙城市舊中心城區,各圈層的熱島強度總體表現穩定,該區域受湘江、瀏陽河穿插和岳麓山等成片山體綠地影響,且湘江西岸多為教育科研用地,建筑以低層或多層為主,平均熱島強度相對較低;中環區包括長沙主要的工業園區和居住區,工業園區以低層建筑為主,易形成極強熱島區,密集的居住小區進一步加劇了強熱島的形成,平均熱島強度最高,區內冷島分布較多,景觀格局較為復雜,熱島強度在小范圍內波動明顯;外環區位于主城區邊緣,圈層內部用地功能差異顯著,區域內植被覆蓋度較高,圈層東部和南部外側工業用地占比高,形成局部極強熱島,其他區域以低層密集的城中村用地和設施農業用地為主,整體熱島強度較低。

1.4 熱島顯著區的空間格局

由于平均熱島強度相對較強的區域更具典型性和代表性,因此,本文將選取熱島強度分區中的極強熱島區和強熱島區進行研究。為表述方便,將極強熱島區和強熱島區統稱為“熱島顯著區”。長沙市中心城區范圍內的熱島顯著區網格共計460個,占比為13.96%(圖4)。

圖4 研究區熱島顯著區空間格局

從整體空間分布來看,熱島顯著區主要集中在東部的長沙經開區、黃花工業園和榔梨工業園,北部的金霞工業園,南部的大托、天心區經開區和雨花經開區,西部的麓谷工業園和麓谷街道等周邊,東西南北方向各有分布。城區內部也存在一定量零散的熱島顯著區,如五一商業圈、韶山中路沿線等。

從總體空間格局來看,熱島顯著區在二環周邊沿路拓展,在繞城高速(三環線)周邊板塊集聚,形成“一縱、二橫、三圈”的空間格局。“一縱”為南北向東二環沿線地區;“二橫”即太平老街—長沙南站沿線、大托—天心及雨花經濟開發區沿線;“三圈”即東部長沙經開區、北部金霞經開區和西部麓谷工業區。

2 熱島顯著區的城市空間形態特征

2.1 影響熱島顯著區的核心空間形態指標選取

從既有研究文獻[6,7]來看,影響熱島效應的空間形態指標主要包括工業用地占比、商業用地占比、常住人口密度、不透水面占比、NDVI、植被覆蓋占比、綠地率、建筑密度、建設用地占比、GSVF等,大致可分為建設強度、地表覆蓋和功能發展三大類型。本次研究在遵循空間形態指標的客觀性、規律性、典型性和冗余性等原則下,通過比較不同熱島顯著區中的空間形態功能特征后發現,用地類型占比、不透水面占比、植被覆蓋占比、建筑密度和容積率5個指標與熱島顯著區之間具有良好的耦合性,對其熱島強度的影響最為明顯。因此,可認定為熱島顯著區的“核心空間形態指標”(表1)。

表1 影響熱島顯著區的核心空間形態指標及數據來源

2.2 不同熱島顯著區的空間形態分類特征分析

根據不同熱島顯著區的功能發展特點和各空間形態指標平均值,參考Stewart和Oke提出的分類體系(local climate zoncs,LCZ)[8],進一步將熱島顯著區劃分為高密度商業、高密度居住和低密工業類3類空間形態(圖5),其占熱島顯著區總面積的比例分別為18%、40%和42%(圖6)。

圖5 熱島顯著區空間形態分類

圖6 不同熱島顯著區的核心空間形態指標對比圖

2.2.1 高密度商業服務類

以商業和公共服務用地為主,聚集餐飲、零售、辦公等服務性質的功能,主要分布在湘江東部的核心和中環區,屬于強熱荷載、弱散熱型的空間類型,其空間特征主要表現為高容積率(平均值為1.3)、高層或超高層建筑集中布置、建筑密度高(平均值為0.25)、不透水面占比大(平均值為0.85)、植被覆蓋度低(平均值為0.11),建筑材質主要為玻璃鋼材、混凝土和石頭等。在三種空間形態類型中,該類型的平均不透水面占比和建筑密度最高,平均植被覆蓋度和容積率排第二,平均植被覆蓋度和建筑密度較其他空間形態類型差異較大,不透水面占比在不同空間形態類型內變化幅度較小。這說明商業和公共服務混合型功能為主導的空間形態受建筑密度和植被覆蓋度指標影響更加明顯,是產生熱島的最主要原因,區域內生態要素較少,加之較高的容積率和不透水面占比,容易形成極強或強熱島區。

2.2.2 高密度居住類

以居住用地為主的區域屬于較強熱荷載、弱散熱型的空間類型,主要分布在內環和中環區,空間特征主要表現為密集混合的中高層建筑、高容積率(平均值為1.5)、建筑密度較高(平均值為0.16)、不透水面占比較低(平均值為0.69)、植被覆蓋度較高(平均值為0.24)、低開放空間,建筑材質主要為水泥、鋼材、磚、瓦片和玻璃等。高密度居住類型的平均容積率和植被覆蓋度在三種空間形態類型中的排名最高,平均建筑密度排第二,平均不透水面占比最低。區域內雖然存在一定的自然山體,植被較多,但由于建筑緊湊密閉,板狀聚合,建筑密度和容積率指標對熱島強度的影響大,從而導致極強或強熱島區的產生。

2.2.3 低密工業類

以工業用地為主的區域主要分布在外環和中環區,屬于強熱荷載、較弱散熱型的空間類型,空間特征主要表現為密集低層建筑、低容積率(平均值為0.43)、低建筑密度(平均值為0.09)、不透水面占比高(平均值為0.79)、低植被覆蓋度(平均值為0.08),建筑材質主要為金屬、鋼材和混凝土等。在三種空間形態類型中,該類型的平均植被覆蓋度、建筑密度和容積率排名均位于末位,且與其他兩類空間形態差異大,平均不透水面占比處于高位,位列第二。說明以工業功能為主導的低密空間形態受植被覆蓋度和不透水面占比指標影響明顯,區域內生態要素匱乏,雖然建筑密度和容積率低,但由于工業區屬于高蓄熱體、綠地少,建筑材質更易大量吸收輻射熱,加上工業生產活動中的熱排放加劇了工業熱島強度,從而形成極強或強熱島區。

3 空間形態調控策略

基于前文的研究結論,誘發城市熱島效應的核心空間形態指標各有差異,國土空間規劃應在尋求改善城市熱島空間整體格局的同時,根據不同類型空間形態提出差異化的引導策略,對功能發展、地表覆蓋、建筑強度等方面進行合理設計與布局,緩解或消除城市熱島效應。

3.1 高密度商業服務類調控策略

針對此類型空間形態的調控指標主要為建筑密度、植被覆蓋度和風廊。可通過合理控制建筑覆蓋率,并采用高低錯落形式,適當留出足夠的建筑通風廊道,提高區域內垂直方向湍流交換效率,從而強化通風效果。對水體、綠地等生態要素進行合理的景觀布局設計,商業區宜適度遠離湘江、岳麓山等重要城市冷源或留出通風廊道。開敞空間景觀布局應從街道綠化、地面鋪裝、屋頂覆蓋層鋪裝和大型建筑立面等方面考慮采取適當的措施,以減少熱島效應。避免空調系統低空排熱,減少向大氣散熱。提高常規公交、自行車、步行系統和軌道交通的覆蓋率和網絡密度,減少私家車的散熱量。

3.2 高密度居住類調控策略

該類型空間形態的調控指標主要為建筑密度和容積率。調控從兩方面著手,在新城規劃布局時,總體規劃階段應充分考慮長沙市眾多的天然冷源(山體和水系),實行“低密度空間”的城市發展理念,限制建筑高度在普通水平,引入陸風、水風和谷風進入城區,緩解熱島效應;控制性詳細規劃階段設計容積率應符合相關規定,在高容積率條件下,降低建筑密度,建筑平面布置宜采用相對稀疏的高塔型布置方式,以增強通風能力,利于散熱。應設置連續的人行道,有通往公共交通站點、鄰近住區或主要公共設施的便捷安全的步行線路,與城市步行系統有效連接。在對老舊社區進行“治理”時,應結合城市更新,通過拆除難度較小的低層零散建筑等一系列方法,進行老舊社區微型風廊構造和立體綠化,引風深入,降低街區溫度,解決高密度社區的熱島問題。

3.3 低密工業類調控策略

該類型空間形態調控指標主要為植被覆蓋度和不透水面占比。規劃中應將工業區設置在城市的下風向,并適度遠離城市中心,利用夏季盛行風將工業排熱與污染帶離城區。產業結構配置應以循環經濟為導向,宜與鄰近的居住或商業區間建立綠化隔離帶,隔絕工業區污染、廢熱向居住區或商業區擴散。推廣綠色廠房建設,提高廠房的通風性能,減少空調電耗及空調排熱,保證綠化面積,建議廠區非建筑用地的綠化面積不小于非建筑用地面積的50%[9],非綠化地面宜采用透水地面,廠房屋面采用綠化屋面,對于廢熱排放較大的建筑鼓勵采用熱回收技術。

4 結 論

本文以長沙市中心城區為研究對象,通過地域圈層分析,識別了長沙市中心城區的現狀熱島空間格局,并參考LCZ理論對熱島顯著區的空間形態進行了分類與特征分析,獲得如下幾點主要結論:

(1) 研究區熱島強度從內至外呈現“高—低”相間的熱島圈層,熱島顯著區形成“一縱、二橫、三圈”的空間格局;

(2) 篩選得到影響熱島顯著區熱島強度的核心空間形態指標5個,即不透水面占比、用地類型占比、植被覆蓋占比、容積率和建筑密度;

(3) 根據不同熱島顯著區核心空間形態指標的差異性,可劃分出高密度商業服務、高密度居住和低密度工業3類空間形態;

(4) 不同空間形態熱島顯著區形成熱島的原因各不相同,規劃過程中應采取差異化的調控策略來降低熱島強度。

本研究一方面豐富了城市熱島空間格局差異性研究成果,另一方面也為國土空間規劃和管理提供了更科學的依據。但由于研究僅限于對長沙市中心城區特定氣候條件下的研究,對不同氣候條件下空間形態對熱島強度的影響研究不足。同時,由于城市空間形態指標的數據收集有限,后續研究將進一步增補或調整,以提高研究的完善度和精準性。