基于減緩熱島效應(yīng)的公園綠地布局優(yōu)化研究

趙秋月

劉 健

單浩林

余坤勇*

城市化的急速發(fā)展導(dǎo)致建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，大型城市熱環(huán)境問題日益加劇，已對居民的日常生活和身體健康產(chǎn)生影響[1]。城市綠地在調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境、改善城市小氣候，以及維持生態(tài)平衡方面有重要作用[2-3]。眾多學(xué)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(huán)境溫度進(jìn)行比較，結(jié)果表明大多數(shù)公園內(nèi)溫度低于環(huán)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(fā)現(xiàn)城市綠地的內(nèi)在機(jī)理降溫效應(yīng)顯著，其降溫效應(yīng)受到綠地大小、下墊面組成，以及綠地類型等影響的區(qū)別也是研究的熱點(diǎn)[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(shù)對城市綠地景觀格局與周邊熱環(huán)境進(jìn)行研究，明確了綠地降溫的影響范圍[14]；李虹、賈劉強(qiáng)等對北京的綠地分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明區(qū)位因素對綠地緩解熱島效應(yīng)具有重要影響[15-16]。如何根據(jù)公園綠地所在環(huán)境位置，科學(xué)、合理地配置公園綠地，使城市公園綠地發(fā)揮最大的降溫作用，是目前城市規(guī)劃中亟須解決的問題。公園綠地的合理布局，對于在集約節(jié)約利用土地背景下的人居環(huán)境優(yōu)化和城市熱環(huán)境調(diào)節(jié)具有重要的實(shí)踐意義。

2017年7月，中國氣象局國家氣候中心發(fā)布?xì)鉁匕駟危Ｖ葑鳛椤靶滤拇蠡馉t”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(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的預(yù)測，未來全球變暖的趨勢仍將持續(xù)。隨著城市化的發(fā)展，城市熱島效應(yīng)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(tǒng)規(guī)劃(2016—2020)》通過政府審定，指出福州將規(guī)劃布局城市公園綠地615個(gè)(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(tǒng)規(guī)劃亟須解決的問題。為此，本研究以福州市主城區(qū)為例，基于人們對降溫的需求對城市公園建設(shè)布局進(jìn)行優(yōu)化，以期為福州市城市規(guī)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(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)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(qū)(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(fēng)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(qū)包括鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、臺江區(qū)和晉安區(qū)(部分)，總面積為248.30km2(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以福州市主城區(qū)(倉山區(qū)、鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、部分晉安區(qū))為研究對象，采集公園綠地、人口和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)(表1)，其中遙感影像下載于地理空間數(shù)據(jù)云，為2016年7月27日的Landsat8衛(wèi)星遙感影像。影像平均云量4.77，研究區(qū)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(shí)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(zhì)調(diào)查局(USGS)采用新的定標(biāo)參數(shù)對Landsat8進(jìn)行處理，但TIRS11波段仍具有不確定性，因此USGS不鼓勵(lì)用劈窗算法進(jìn)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(wèi)星傳感器接收地表輻射能量。衛(wèi)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(shí)熱輻射經(jīng)過大氣削減后被衛(wèi)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(qū)區(qū)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(yōu)化模型

目前對于城市公共服務(wù)設(shè)施的空間布局優(yōu)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(diǎn)與供應(yīng)點(diǎn)之間成本最少從而進(jìn)行區(qū)位選址布局，最早由Hakimi于1964年提出并應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)交換中心的布局問題[18]，改進(jìn)后的模型可用于解決網(wǎng)絡(luò)型(所有備選設(shè)施點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上)和確定性(已知供應(yīng)點(diǎn)與需求點(diǎn))的區(qū)位配置問題(static and deterministic location problems)[19]。目前P-中值模型在商業(yè)、醫(yī)療和避難等各類公共設(shè)施的選址決策中被廣泛應(yīng)用[20-23]。為此本文采用P-中值模型進(jìn)行公園綠地選址布局優(yōu)化分析。

P-中值模型是基于目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型，采用Lingo(Linear Interactive and General Optimizer)軟件對供需點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析。Lingo稱作“交互式的線性和通用優(yōu)化求解器”，其內(nèi)置的求解器可以用于求解線性、非線性、整數(shù)優(yōu)化等規(guī)劃問題。本文利用P-中值模型，根據(jù)各個(gè)降溫需求點(diǎn)的連接關(guān)系確定降溫需求點(diǎn)對現(xiàn)有公園綠地的需求程度，以保證降溫需求點(diǎn)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(yōu)化強(qiáng)度。簡化后的目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型為：

約束條件如下。

1)每個(gè)降溫需求點(diǎn)只能有一個(gè)公園綠地供應(yīng)點(diǎn)，其約束如下：

表1 主要數(shù)據(jù)及來源

2)需優(yōu)化的公園綠地供應(yīng)點(diǎn)數(shù)量受最大值約束，需優(yōu)化的公園綠地供應(yīng)點(diǎn)數(shù)量不能超出規(guī)定的數(shù)量P，其約束如下：

3)通過公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)中心坐標(biāo)，計(jì)算各個(gè)公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)的距離，其約束如下：

4)若某公園綠地供應(yīng)點(diǎn)不被采用，則降溫需求點(diǎn)不能被該公園綠地供應(yīng)點(diǎn)供應(yīng)，其約束如下：

5)變量約束如下：

式中，H為研究區(qū)內(nèi)降溫需求點(diǎn)集合，H=1，2，3，…，m，h；K為研究區(qū)內(nèi)公園綠地供應(yīng)點(diǎn)集合，K=1，2，3，…，n，k；P為允許優(yōu)化的公園綠地供應(yīng)點(diǎn)數(shù)量，P＜k；distancemn為降溫需求點(diǎn)m到公園綠地供應(yīng)點(diǎn)n的距離；ymn為0/1變量，ymn=1，表示降溫需求點(diǎn)m由公園綠地供應(yīng)點(diǎn)n提供服務(wù)，ymn=0，表示降溫需求點(diǎn)m不由公園綠地供應(yīng)點(diǎn)n提供服務(wù)；xn為0/1變量，xn=1，采用公園綠地供應(yīng)點(diǎn)n進(jìn)行服務(wù)，xn=0，不采用公園供應(yīng)點(diǎn)n進(jìn)行服務(wù)，n∈K。

圖2 福州市主城區(qū)地表溫度反演

圖3 福州市主城區(qū)地表溫度等級劃分

圖4 福州市主城區(qū)公園綠地面積

表2 福州市主城區(qū)溫度等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 主城區(qū)城市熱島效應(yīng)分析

由地表溫度反演結(jié)果可知，福州市主城區(qū)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(qū)主要集中在建設(shè)用地所在區(qū)域，低溫區(qū)則與綠地和水體位置對應(yīng)，呈現(xiàn)出綠地與水體對應(yīng)于“冷島”，并被建設(shè)用地上的“熱島”所包圍的現(xiàn)象，證明城市存在較強(qiáng)的熱島效應(yīng)。為直觀分析福州市主城區(qū)熱島格局空間分布，需利用均值標(biāo)準(zhǔn)差法對研究區(qū)地表溫度進(jìn)行等級劃分。均值標(biāo)準(zhǔn)差法利用地表溫度均值及不同倍數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差法將地表溫度劃分為5類，以均值(μ)±標(biāo)準(zhǔn)差(σ)、μ±0.5σ為分割點(diǎn)，將福州市主城區(qū)劃分為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)和低溫區(qū)(表2)。其中結(jié)合陳松林等[24]對熱島區(qū)的界定，將高溫區(qū)定為熱島區(qū)。

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

3.2 城市公園綠地布局現(xiàn)狀分析

根據(jù)現(xiàn)行的《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 85—2017)[25]結(jié)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(yīng)能力有限，從合理性考慮，選取面積大于0.3hm2的共47個(gè)公園，總面積11.11km2，占福州市主城區(qū)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(zhuǎn)化為點(diǎn)進(jìn)行公園綠地服務(wù)范圍分析，對各公園綠地點(diǎn)構(gòu)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(jié)果可知(圖5)，各公園綠地的服務(wù)范圍差距很大，倉山區(qū)、晉安區(qū)的公園綠地?cái)?shù)量較少，布局有待進(jìn)一步優(yōu)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(qū)即熱島區(qū)呈聚集態(tài)分布，并且是城市降溫需求中心區(qū)域，因此以熱島區(qū)域?yàn)橹饕芯繉ο?。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(qū)域視作降溫需求區(qū)域(圖6)，將公園綠地視為降溫供應(yīng)區(qū)域，通過GIS的面轉(zhuǎn)點(diǎn)功能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以便進(jìn)一步量化分析。由公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)的分布情況可知(圖7)，公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)的分布不均，且降溫需求點(diǎn)多于公園綠地供應(yīng)點(diǎn)，呈現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，須對公園綠地布局進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.2 P-中值模型求解

根據(jù)公園綠地布局優(yōu)化模型及降溫供需情況，可得到需優(yōu)化公園綠地及需建設(shè)公園綠地的空間位置，利用GIS軟件提取各公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)的中心坐標(biāo)，可得到47個(gè)公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與84個(gè)降溫需求點(diǎn)。通過Lingo及GIS軟件結(jié)合數(shù)學(xué)程序代碼編寫，對目標(biāo)函數(shù)求解。將供應(yīng)點(diǎn)與需求點(diǎn)的坐標(biāo)連接到Lingo模型運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果確定公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)的連接情況，從而確定降溫需求點(diǎn)與需優(yōu)化公園綠地供應(yīng)點(diǎn)的連接關(guān)系，由此可知公園綠地是否需要優(yōu)化，最終可得需優(yōu)化公園綠地(圖8)及需建設(shè)公園綠地點(diǎn)(圖9)。

圖5 公園綠地服務(wù)范圍及分布情況

圖7 公園綠地供應(yīng)點(diǎn)與降溫需求點(diǎn)分布

圖9 需建設(shè)公園綠地點(diǎn)分布

圖6 降溫需求區(qū)域分布

圖8 降溫需求點(diǎn)與需優(yōu)化公園綠地連接關(guān)系

3.4 公園綠地布局優(yōu)化策略分析

3.4.1 公園綠地內(nèi)部優(yōu)化策略

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

一級優(yōu)化公園綠地共12個(gè)，分別為福州動物園、環(huán)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(fēng)景區(qū)、茶亭公園、江濱休閑廣場和西禪寺。其主要缺陷為公園內(nèi)部植物群落單薄，豎向植被結(jié)構(gòu)不完整。需提升公園綠地內(nèi)部屬性，增加單位面積植被豐富度，豐富公園綠地內(nèi)部豎向植被層次，通過公園綠地內(nèi)部的合理規(guī)劃達(dá)到降溫目的。

二級優(yōu)化公園綠地共6個(gè)，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(zhì)鋪裝過多、公園內(nèi)部綠地破碎化嚴(yán)重。應(yīng)擴(kuò)大公園綠地面積，減少硬質(zhì)鋪裝，提高公園綠地內(nèi)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(yīng)。

3.4.2 潛在公園綠地建設(shè)

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

圖10 潛在公園綠地建設(shè)點(diǎn)分布(作者根據(jù)《福州市總體規(guī)劃(2011—2020)》[27]繪制)

表3 潛在公園綠地中心坐標(biāo)

4 結(jié)論與討論

福州市主城區(qū)各溫度等級面積呈正態(tài)分布，高溫地區(qū)主要集中在建設(shè)用地所在區(qū)域，低溫區(qū)則與綠地和水體位置對應(yīng)，呈現(xiàn)“冷島”包圍“熱島”的現(xiàn)象。福州市主城區(qū)整體溫度偏高，其熱島區(qū)域占總城區(qū)面積的11.78%，這與白麗月對福州市城市熱島的研究結(jié)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(qū)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(jìn)一步優(yōu)化，這與熊華萍對福州市公園綠地建設(shè)的研究結(jié)果相一致[29]。

研究以緩解熱島效應(yīng)為基礎(chǔ)對公園綠地選址布局優(yōu)化進(jìn)行分析，為福州市公園綠地提出布局優(yōu)化方案，為緩解城市熱島效應(yīng)提出優(yōu)化策略，結(jié)論如下。1)福州市主城區(qū)的熱島情況較為嚴(yán)重，亟須解決。2)根據(jù)現(xiàn)行的《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合福州市園林局公布的公園名單，共提取福州市主城區(qū)公園47個(gè)，公園綠地總面積占主城區(qū)總面積的4.47%，公園綠地分布不均，布局還需進(jìn)一步調(diào)整。3)根據(jù)城市熱島及公園綠地分布情況，利用P-中值模型得出18個(gè)公園綠地需進(jìn)行優(yōu)化，其中包括福州動物園、環(huán)南公園等6個(gè)一級需優(yōu)化公園綠地，以及屏山公園、琴亭湖公園等12個(gè)二級需優(yōu)化公園綠地。根據(jù)研究結(jié)果可為福州市主城區(qū)公園綠地建設(shè)規(guī)劃提出建議：一級需優(yōu)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(yōu)化公園主要缺陷為服務(wù)多個(gè)降溫需求點(diǎn)，需增加其面積從而提高其降溫能力。4)結(jié)合福州市中心城區(qū)用地規(guī)劃可得到50個(gè)潛在公園綠地建設(shè)點(diǎn)，主要集中于城門鎮(zhèn)、蓋山鎮(zhèn)及新店鎮(zhèn)。公園綠地的具體建設(shè)面積還需根據(jù)城市實(shí)際用地情況確定，對于一些無法建設(shè)公園的熱島區(qū)，可進(jìn)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(jìn)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(zāi)避難、游憩和生態(tài)等方面的需求，仍有待進(jìn)一步研究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。