基于URI指数的海绵城市热岛效应评价方法构建与应用

刘增超， 李家科， 蒋丹烈

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048； 2.西安工业大学 材料与化工学院， 陕西 西安 710021)

1 研究背景

目前，我国正处于高速城市化的发展阶段，城市化在社会经济发展中起到了积极促进作用，同时也带来较严重的负面影响，如城市热岛效应就是社会关注的热点问题之一[1-3]。城市热岛效应的出现使得一些动植物改变了正常的生理活动周期[4]；大气污染聚集且不易扩散进而出现“污岛”[5]；夏季城市供电压力剧增，同时居民生活的经济负担加重[6]；高温天气出现的频率增大，特别是夏季容易引发高温灾害、形成暴雨等极端天气，造成城市积水、内涝等灾害[7]。而2013年中央城镇化工作会议上提出的“海绵城市”建设理念，就是为了防止和改善传统建设中常出现的城市内涝、积水、面源污染及热岛效应等现象[8-10]，并于2015、2016年度在全国30座城市开展了海绵城市建设试点工作。随后出台的《海绵城市建设绩效评价与考核指标(试行)》中对热岛效应方面的要求是“热岛强度得到缓解，海绵城市建设区域夏季(按6-9月)日平均气温不高于同期其他区域的日均气温，或与同区域历史同期相比呈现下降趋势”，并指出可通过查阅气象资料或通过红外遥感进行热岛效应监测与评价。

目前，海绵城市建设多在新开发区开展试点，缺乏历史气象资料，采用气象资料法进行热岛效应监测与评价就较为困难。鉴于遥感监测法具有观测范围广、全面、动态、快速、成本低等特点，相较传统的气象站法、定点观测法、模拟预测等方法而言，在获取连续的地表温度信息和空间分布状况方面具有较大的优势，在近十余年中应用越来越广泛[11-12]。目前在热岛效应解译结果评价时常采用的指标有热岛强度和热岛比例指数(URI)[13-14]，热岛强度可用城市地表温度与郊区地表温度之差表示，其虽能有效反映不同时间尺度的热岛强弱[15]，但面临的困难在于如何客观选取有代表性的郊区温度点[16]；热岛比例指数则是在城市建成区内，给各等级热岛区赋予不同的权重值，利用各等级热岛面积与建成区面积的比例，来表征热岛的发育程度，其可比较同一时期不同空间尺度区域的热岛强弱，还可以比较同一地区在不同时期的热岛强度大小[17-18]。本文将在热岛比例指数基础上提出适于海绵城市建设过程中热岛效应评价的方法，并将其应用于西咸新区沣西新城海绵城市建设试点区域热岛效应评价，一方面希望能为海绵城市热岛效应评价方法提供借鉴和参考，另一方面就海绵城市建设对城市热岛的缓解效应做出评判。

2 研究区域概况

研究区位于陕西省西咸新区沣西新城核心区，为海绵城市建设点区域，建设面积约为25 km2，东至沣河，西至规划中的西咸环线，南至连霍高速路，北部与咸阳市主城区以渭河为界，该区域分布有陕西国际商贸学院、陕西服装工程学院、陕西科技大学镐京学院等5所大中专院校，以及众多的住宅小区、少量的工业企业。沣西新城年均风速1.5 m/s，年平均相对湿度74%，年平均气温13.6℃，最冷月为 1 月，最热月为 7 月，多年平均降水量约520 mm，其中，7-9月降雨量占全年降雨量的50%左右，且夏季降水多以暴雨形式出现，易造成洪涝积水和水土流失等自然灾害。

因地处黄土高原缺水区域，沣西新城自2012年即开始应用雨水资源化利用技术、践行和推广低影响开发(LID)理念，并于2015年开始全面建设海绵城市，试点时间为2015初年至2017年底。目前新城已完成主要道路的低影响建设和改造，在科技园区及住宅区内大量应用绿色屋顶、雨水花园、生态滤沟、道路生物滞留带、下凹式绿地、透水铺装等LID措施，并新建和改建了多处绿地、林带、湿地、景观水体等海绵体，海绵城市建设已初具规模。图1为沣西新城海绵城市建设区区位图。

图1 沣西新城海绵城市建设区区位图

3 基于URI指数的海绵城市热岛效应评价方法的建立

本文热岛效应表征采用福州大学环境与资源学院徐涵秋等[13]提出的“热岛比例指数(URI)”进行求算，该指数作为城市生态建设环境绩效评估导则中城市热岛评价的唯一指标而被广泛使用[19]，URI指数值越接近1，表示热岛效应越强，越接近0则表明热岛效应越弱。再参照海绵城市中热岛效应指标要求“海绵城市建设区域夏季(按6-9月计)日平均气温不高于同期其他区域的日均气温，或与同区域历史同期相比呈现下降趋势”，引入URI指数后的评价方法可转化为：“海绵城市建设区域夏季(按6-9月计)热岛比例指数(URI)值不高于同期相邻地区的URI值，或与同区域历史同期相比URI值呈下降趋势”。

在评价时，首先对研究区域的热红外遥感影像数据进行地表温度反演，并计算出研究区域地表平均温度TS(℃)及相应的标准差σ；其次根据均值(TS)-标准差(σ)法[13]对遥感影像的地表温度反演结果进行温度等级划分。实际工作中热岛温度等级常划分为4～7级[17-18,20]，此处热岛温度等级按6级划分，即低温区、次中温区、中温区、次高温区、高温区、特高温区，具体的分级标准见表1。

表1 地表温度等级划分

城市热岛比例指数的计算公式如下：

(1)

式中：m为温度等级总数量，在此取值为6；i为热岛等级序号；n为热岛等级数量，一般认为，地表温度高于平均温度的区域属于热岛区域，故次高温区、高温区和特高温区即可代表城市热岛区域，因此n=3；Wi为温区的权重值，一般最高温区权重数值与温度等级总数相等，且温区由高至低权重系数依次减1[13,17]，故此处特高温区、高温区、次高温区权重值分别取6、5、4；Pi为第i级热岛面积百分比。

4 海绵城市热岛效应评价方法应用

4.1 数据来源

(1)实测地温数据。 鉴于新城区域在海绵城市建设之前无气象站点，为便于获取精确气象信息，于2016年初开始在新城区域共布设了3台小型气象站，用于地表气温监测，咸阳市主城区(对比区域)地表气温数据则从气象局获取。

(2)遥感资料数据 。研究所选取的遥感影像资料来自美国陆地卫星公司的Landsat7/8卫星，表2为2015-2017年3年考核期海绵城市热岛效应监测要求时段的遥感影像数据获取时间及卫星传感器类型。

表2 遥感数据来源

4.2 遥感解译与观测法结果对比分析

鉴于监测区域于2016年初陆续布设了3台自动气象站，可获得地表实际温度数据，故在此选择2016年6-9月的遥感影像解译地表温度与实测地表温度进行比对，以判定解译结果的准确性。遥感监测法获得的试点区域平均温度及卫星过境时刻地表气象观测平均温度如表3所示。

表3 地表平均温度对比

从表3中可以看出虽然遥感解译所得平均温度略低于地表实测平均温度，但二者之间非常接近，其温差约在0.4～0.7℃之间，说明采用遥感解译结果可较好地反映地表温度状况，这也为后续遥感监测数据研究提供了可靠性保证。

4.3 研究区域热岛比例指数求算

对2015-2017年夏季时段(按6-9月计)各期遥感影像进行地表温度解译，解译后的温度分布图如图2～5所示。求算出各期遥感影像月份平均温度及标准差后，再按照表1的方法对地表温度反演结果进行划分，分别求算出次高温区、高温区、特高温区等热岛面积百分比，再根据URI计算式求出热岛比例指数值。沣西新城海绵城市建设试点区与对比区(咸阳市主城区)各月份热岛面积百分比及热岛比例指数如表4所示。

图2 2015-2017年6月份地表温度分布图

图3 2015-2017年7月份地表温度分布图

图4 2015-2017年8月份地表温度分布图

图5 2015-2017年9月份地表温度分布图

4.4 研究区域热岛效应评价

图6给出了沣西新城海绵城市建设区域各月份的URI指数与咸阳市主城区URI指数。显然2015-2017年度夏季各月份沣西新城海绵城市建设区域URI值均小于咸阳市主城区的URI值。结合表4中数据可以看出，沣西新城海绵城市建设区域特高温区、高温区面积百分比均明显小于咸阳市主城区。符合“海绵城市建设区域夏季(按6-9月)热岛比例指数(URI)值不高于同期相邻地区的URI值”的要求。

图7给出了沣西新城海绵城市建设试点区域不同月份的URI值与历史同期对比关系。从图7中可见，2017年度6月份URI值较2016年同期有明显降低，较2015年同期也略有降低，但2016年6月较2015年6月URI值有所增加，这主要是由于2015年6月份沣西新城试点区域西南部有部分云层覆盖，导致该月份URI值较低，对分析结果造成一定的误差；7、8两月份试点区域热岛比例指数逐年降低，且趋势比较明显；3个年度9月份URI值变动虽不大，但2017年9月URI值较2015年9月URI值略微降低。由此可见沣西新城开展海绵城市建设满足“与同区域历史同期相比URI值呈下降趋势”的要求。

表4 各月份热岛比例指数

图6 沣西新城与咸阳市主城区URI对比图

图7 沣西新城2015-2017年6-9月份URI对比图

对图6、7进行综合分析可以看出，一方面，海绵城市建设使得沣西新城试点区域城市热岛强度较同期周边城市(咸阳市主城区)低，另一方面，就沣西新城自身而言，其较历史同期热岛强度整体上也有所缓解，即表明沣西新城海绵城市建设在城市热岛效应缓解方面具有一定成效。

5 结 论

(1)基于热岛比例指数(URI)提出的热岛效应评价标准“海绵城市建设区域夏季(按6-9月)热岛比例指数值不高于同期相邻地区，或与同区域历史同期相比URI值呈下降趋势”能满足海绵城市建设区域热岛效应考核与评价需求，方法简单易行、可操作性强。

(2)遥感解译所得地表平均温度与气象站实测平均气温相差约0.4～0.7℃，吻合度较高，保证了后续URI计算的有效性。

(3)2015-2017年度6-9月份Landsat 7/8卫星影像为热红外数据源进行地温解译，以咸阳市主城区为对比区域，评价结果表明3年建设期内，沣西新城海绵城市建设区域较咸阳市主城区同期热岛强度低，同时，其较自身历史同期热岛强度程逐年降低的趋势，均说明该地区热岛效应缓解作用明显。