熱環(huán)境視角下的西安城市發(fā)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(nèi)的傳統(tǒng)城市規(guī)劃主要研究不同區(qū)域基礎設施的布置，對生態(tài)環(huán)境的考慮少之又少[1]，如張遠取[2]等通過對廈門市能源規(guī)劃體系問題的分析，確定能源規(guī)劃體系構(gòu)建的思路和內(nèi)容，為后續(xù)的國土空間規(guī)劃編制工作提供指導；石崝[3]等分析“窄馬路、密路網(wǎng)”理念在南京新區(qū)中心區(qū)規(guī)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(tài)城市規(guī)劃的內(nèi)容及現(xiàn)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(tài)規(guī)劃存在的主要問題，從5 個方面對未來中國城市生態(tài)規(guī)劃的前景進行展望；孫江寧[5]等借鑒歐美國家的生態(tài)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(tài)城市建設路徑。但進一步分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究大多是從生態(tài)規(guī)劃角度出發(fā)，側(cè)重點主要集中在理論及技術(shù)層面，很少有研究真正意義將城市人居熱生態(tài)環(huán)境納入體系。因此，本文以西安市為例，利用多時相遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合單窗算法，以熱環(huán)境定量分析為規(guī)劃準則，以熱環(huán)境改善為規(guī)劃目標，梳理城市規(guī)劃內(nèi)容與熱環(huán)境的聯(lián)系，提出規(guī)劃方案，并落實在可實施層面，為當下和未來的熱生態(tài)環(huán)境體系規(guī)劃提供一定的技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)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(jù)2019 年數(shù)據(jù)顯示，城市總面積為10 752 km2，建城區(qū)面積為729.14 km2。城市常住人口1 020.35 萬人，其中城鎮(zhèn)人口761.28 萬人，鄉(xiāng)村人口259.07 萬人。

1.2 地表溫度定量反演

由于Landsat TM 數(shù)據(jù)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(shù)（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(shù)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(wèi)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(jù)熱輻射強度和亮溫擬合出的系數(shù)，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(nèi)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(qū)內(nèi)的NDVI 指數(shù)進一步提取獲得；ε為地表幾何分布和內(nèi)散射效應，平坦地區(qū)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(jié)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(qū)（0～T-2m）、綠島區(qū)（T-2m～T-m）、中間區(qū)（將T-m～T劃歸為中間一區(qū)、T+m～T劃歸為中間二區(qū)）、熱島區(qū)（T+m～T+2m）、強熱島區(qū)（T+2m～1）（其中T為研究區(qū)溫度的平均值，m為其中誤差）[9]。

2 西安市熱環(huán)境時空特征與總體規(guī)劃耦合分析

1953-1972 年，正處于解放初期的西安實施了以工業(yè)建設為中心的首輪總體規(guī)劃，整體經(jīng)濟發(fā)展比較緩慢，城市熱環(huán)境較好。因此本文選取了西安市后3 期規(guī)劃期間典型年份的Landsat 影像數(shù)據(jù)，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(jié)合西安市三版總體規(guī)劃的內(nèi)容進行對比分析，如圖1 所示。

2.1 熱環(huán)境在時間上與總體規(guī)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(guī)劃期間西安市正處于經(jīng)濟恢復與轉(zhuǎn)型期，城市急速擴張、人口規(guī)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(guī)劃在前期規(guī)劃的基礎上增添了“城市大園林”的綠色概念，加強了能源規(guī)劃的建設，并堅持可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)與人居的理念，開始注重城市生態(tài)環(huán)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(tǒng)計

圖1 西安市總體規(guī)劃與熱環(huán)境時空對比分析結(jié)果

2.2 熱環(huán)境在空間上與總體規(guī)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(qū)面積占地比例僅為0.03%，熱島區(qū)面積占地比例0.54%，零星鑲嵌在蓮湖區(qū)西南部及灞橋區(qū)沿岸；2006 年西安市熱島區(qū)面積大幅度上升，占地比例達到0.75%，從零星狀分布發(fā)展為片狀分布且向周圍發(fā)展；2016 年西安市強熱島區(qū)和熱島區(qū)面積急速增加 ，已分別達到0.15%和5.29%。主要分布在未央?yún)^(qū)南部、蓮湖區(qū)與雁塔區(qū)西南部，由片狀分布向局部集體擴展，究其原因主要與區(qū)域新增建筑與人口有關。如蓮湖區(qū)G5 國道附近周吳村等村莊的規(guī)劃擴張和鎬京大道附近汽車服務維修公司的建設；雁塔區(qū)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(chǎn)業(yè)園等園區(qū)的開發(fā)等；未央?yún)^(qū)北三環(huán)家具廠的建設以及天臺路以西的汽貿(mào)公司鋼材廠的建設?？偟膩碚f，雖然村莊、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、消費市場等新增區(qū)域促進了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，吸引了大量人群，但也導致該地區(qū)人口密度增加，區(qū)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(qū)吸熱能力增強，散熱能力削弱，從而使該區(qū)域熱島區(qū)面積增加。

表2 1992-2016 年西安市地表溫度等級劃分信息統(tǒng)計

西安市通過歷次總體規(guī)劃，其空間結(jié)構(gòu)經(jīng)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(zhuǎn)變；發(fā)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(shù)據(jù)分析可見，西安市的強熱島區(qū)和熱島區(qū)主要是向未央?yún)^(qū)西北、蓮湖區(qū)西北、雁塔區(qū)西南、新城區(qū)以東、灞橋區(qū)沿岸擴展，與城市擴展方向一致。

3 改善城市熱環(huán)境的規(guī)劃策略

城市熱島持續(xù)增強這一現(xiàn)象給規(guī)劃部門帶來了新的挑戰(zhàn)，如何控制城市熱島效應已經(jīng)成為當今城市規(guī)劃研究者必須考慮的問題?；跓岘h(huán)境與城市規(guī)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(huán)境的規(guī)劃策略。

3.1 優(yōu)化城市布局

研究城市布局模式及其利弊對城市規(guī)劃有指導意義，從熱環(huán)境的角度出發(fā)，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(huán)境的安全性和適宜度。

1）西安市在新一輪城市規(guī)劃中，應持續(xù)“多中心、多組團”發(fā)展模式，以市區(qū)為中心，建設包括閻良、戶縣等周邊地區(qū)的衛(wèi)星輻射城市，疏解城市職能，緩解中心城區(qū)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(xié)調(diào)好西安市老城區(qū)與建成區(qū)發(fā)展的關系，將老城區(qū)中的低矮建筑進行統(tǒng)一規(guī)劃，提高容積率，通過控制老城區(qū)建成區(qū)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(guī)劃新舊建筑布局，尤其要注意工業(yè)區(qū)（表3）和城市綠地的布局，利用城市已有綠地，建設城市生態(tài)廊道，從而調(diào)節(jié)城市溫度。

表3 工業(yè)園區(qū)生態(tài)化提升策略

3.2 合理控制城市規(guī)模

城市規(guī)模和城市熱島呈一定的正相關關系，即城市規(guī)模越大，熱島效應越明顯。有研究表明，人口在50～100 萬的城區(qū)氣溫較郊區(qū)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(huán)境的角度出發(fā)，探究城市規(guī)劃中城市規(guī)模的發(fā)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(qū)面積和人口急劇增加。2008 年，西安市第四版總體規(guī)劃雖提出控制城市人口規(guī)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(xù)增加，如圖2 所示。

圖2 西安市2002-2019 年城市規(guī)模變化

城市建成區(qū)面積急劇擴大導致城內(nèi)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(qū)的高溫化和干燥化。因此在城市建設過程中應考慮:

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

2）鼓勵“居住+商業(yè)+綠地”、“慢行交通+商業(yè)”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(huán)境的效果。

3）調(diào)整西安落戶的政策，控制人口質(zhì)量和數(shù)量。加強城區(qū)基礎設施的建設，促進外圍新區(qū)的發(fā)展，分流城區(qū)人口流量，減少城區(qū)人口壓力，緩解城市熱島效應。

3.3 構(gòu)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(guī)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(qū)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(fā)展經(jīng)濟的同時，應從生態(tài)環(huán)境保護的角度出發(fā)，加強生態(tài)文明的建設，推進綠色發(fā)展，并結(jié)合“山、水”地貌，將國土綠化與城市綠地系統(tǒng)相互貫通，逐步建立多層次、多類型、“點、線、面”相聯(lián)合的城鄉(xiāng)一體化綠化網(wǎng)絡。

相關研究數(shù)據(jù)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(yōu)點[12-13]，因此在城市規(guī)劃中應考慮如下因素（圖3）。

1）水平層面:城市綠地規(guī)劃除了要增加綠地所占的比重和數(shù)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(fā)展思路，構(gòu)建以喬灌木及草坪相結(jié)合的多層次植被體系結(jié)構(gòu)。

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(jié)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(chǎn)生活中過度使用煤炭、石油等會產(chǎn)生大量的熱量，加劇城市熱島，因此在城市規(guī)劃中合理規(guī)劃能源至關重要。西安市的前三輪規(guī)劃中著重建設基礎設施以促進經(jīng)濟發(fā)展，而第四輪總體規(guī)劃方才提及、確定能源規(guī)劃的詳細內(nèi)容。正是由于在總體規(guī)劃編制中對能源規(guī)劃的忽略，以及規(guī)劃實施過程很難做到城鄉(xiāng)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(guī)劃中能源規(guī)劃的比重，提高城市規(guī)劃者重視能源規(guī)劃的意識，并鼓勵人們節(jié)能降耗。②大力推廣使用清潔能源，降低空調(diào)耗能等也是緩解城市熱島效應的重要手段。

4 結(jié) 語

本文以不同時相熱紅外定量反演數(shù)據(jù)為基礎，納入熱環(huán)境規(guī)劃體系，結(jié)合西安市三輪規(guī)劃內(nèi)容，從時空兩方面進行耦合分析。為其他城市的生態(tài)化建設中如何處理與城市熱環(huán)境的關系提供依據(jù)，其次把改善熱環(huán)境作為規(guī)劃目標之一，從優(yōu)化城市布局、控制城市規(guī)模、構(gòu)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(chuàng)建歷史特色與文化特色，爭創(chuàng)一流新一線宜居城市夯實基礎。