基于减缓热岛效应的公园绿地布局优化研究

赵秋月

刘 健

单浩林

余坤勇*

城市化的急速发展导致建成区面积不断扩大，大型城市热环境问题日益加剧，已对居民的日常生活和身体健康产生影响[1]。城市绿地在调节城市热环境、改善城市小气候，以及维持生态平衡方面有重要作用[2-3]。众多学者已研究证明公园绿地降温作用显著，如Bowler、Chang等对公园温度与周围环境温度进行比较，结果表明大多数公园内温度低于环境温度[4-5]；苏泳娴、陈旭、邱海玲等的研究表明，城市绿地对周边建筑具有降温作用[6-8]。研究发现城市绿地的内在机理降温效应显著，其降温效应受到绿地大小、下垫面组成，以及绿地类型等影响的区别也是研究的热点[9-13]。景观格局及公园绿地的分布对热岛的影响显著，如栾庆祖等以北京为例，利用遥感信息技术对城市绿地景观格局与周边热环境进行研究，明确了绿地降温的影响范围[14]；李虹、贾刘强等对北京的绿地分布进行研究，结果表明区位因素对绿地缓解热岛效应具有重要影响[15-16]。如何根据公园绿地所在环境位置，科学、合理地配置公园绿地，使城市公园绿地发挥最大的降温作用，是目前城市规划中亟须解决的问题。公园绿地的合理布局，对于在集约节约利用土地背景下的人居环境优化和城市热环境调节具有重要的实践意义。

2017年7月，中国气象局国家气候中心发布气温榜单，福州作为“新四大火炉”之一，炎热程度仅次于重庆，意味着福州已步入炎热城市的行列。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的预测，未来全球变暖的趋势仍将持续。随着城市化的发展，城市热岛效应会越来越明显，福州降温问题迫在眉睫。2016年6月13日，《福州市城市绿地系统规划(2016—2020)》通过政府审定，指出福州将规划布局城市公园绿地615个(含提升改造和新建)[17]，公园绿地的布局选址成为福州市公园绿地系统规划亟须解决的问题。为此，本研究以福州市主城区为例，基于人们对降温的需求对城市公园建设布局进行优化，以期为福州市城市规划提供建议与方案，为合理布局公园绿地提供决策和辅助。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

福州是福建省省会，位于福建东部、闽江下游及沿海地区(118°08′～120°31′E， 2 5°1 5′～2 6°3 9′N)，境辖东西长约128km，南北宽约145km。福州属典型亚热带季风气候，年均气温为20～25℃，且存在逐年增高的趋势。福州市主城区包括鼓楼区、仓山区、台江区和晋安区(部分)，总面积为248.30km2(图1)。

1.2 数据来源

本研究以福州市主城区(仓山区、鼓楼区、台江区、部分晋安区)为研究对象，采集公园绿地、人口和温度等相关数据(表1)，其中遥感影像下载于地理空间数据云，为2016年7月27日的Landsat8卫星遥感影像。影像平均云量4.77，研究区基本无云，有利于地物判读与地表温度反演，满足研究需要。

2 研究方法

2.1 地表温度反演

地表真实温度的定量反演，对于改善城市热岛具有重要作用。目前对于地表温度反演最常用的方法有辐射传输方程算法(大气校正法)、覃志豪单窗算法和劈窗算法。美国地质调查局(USGS)采用新的定标参数对Landsat8进行处理，但TIRS11波段仍具有不确定性，因此USGS不鼓励用劈窗算法进行温度反演。本研究采用辐射传输方程算法，其原理为太阳对地表辐射能量，地表吸收能量后升温，地表将太阳能以热能形式储存，然后地表向外辐射长波段辐射能量，最后卫星传感器接收地表辐射能量。卫星传感器接收的热红外辐射亮度值Lλ包含大气的直接热辐射，即大气上行辐射亮度L↑、地表真实热辐射经过大气削减后被卫星红外传感器接收到的热辐射能量，以及大气向地表的热辐射即大气下行辐射亮度L↓。

图1 研究区区位

式中，τ为透过率；L↑为大气上行辐射亮度，单位为W·m-2·sr-1·μm-1；L↓为大气下行辐射亮度，单位为W·m-2·sr-1·μm-1；K1=774.89(W·m-2·sr-1·μm-1)，K2=1 321.08K。

2.2 公园绿地布局优化模型

目前对于城市公共服务设施的空间布局优化选址等问题的研究，多采用最大覆盖模型和P-中值模型。P-中值模型(又称P中位模型)的原理为使需求点与供应点之间成本最少从而进行区位选址布局，最早由Hakimi于1964年提出并应用于通信网络交换中心的布局问题[18]，改进后的模型可用于解决网络型(所有备选设施点在网络节点上)和确定性(已知供应点与需求点)的区位配置问题(static and deterministic location problems)[19]。目前P-中值模型在商业、医疗和避难等各类公共设施的选址决策中被广泛应用[20-23]。为此本文采用P-中值模型进行公园绿地选址布局优化分析。

P-中值模型是基于目标函数数学模型，采用Lingo(Linear Interactive and General Optimizer)软件对供需点数据进行量化分析。Lingo称作“交互式的线性和通用优化求解器”，其内置的求解器可以用于求解线性、非线性、整数优化等规划问题。本文利用P-中值模型，根据各个降温需求点的连接关系确定降温需求点对现有公园绿地的需求程度，以保证降温需求点能够得到附近公园绿地所提供的降温，从而确定公园绿地优化强度。简化后的目标函数数学模型为：

约束条件如下。

1)每个降温需求点只能有一个公园绿地供应点，其约束如下：

表1 主要数据及来源

2)需优化的公园绿地供应点数量受最大值约束，需优化的公园绿地供应点数量不能超出规定的数量P，其约束如下：

3)通过公园绿地供应点与降温需求点中心坐标，计算各个公园绿地供应点与降温需求点的距离，其约束如下：

4)若某公园绿地供应点不被采用，则降温需求点不能被该公园绿地供应点供应，其约束如下：

5)变量约束如下：

式中，H为研究区内降温需求点集合，H=1，2，3，…，m，h；K为研究区内公园绿地供应点集合，K=1，2，3，…，n，k；P为允许优化的公园绿地供应点数量，P＜k；distancemn为降温需求点m到公园绿地供应点n的距离；ymn为0/1变量，ymn=1，表示降温需求点m由公园绿地供应点n提供服务，ymn=0，表示降温需求点m不由公园绿地供应点n提供服务；xn为0/1变量，xn=1，采用公园绿地供应点n进行服务，xn=0，不采用公园供应点n进行服务，n∈K。

图2 福州市主城区地表温度反演

图3 福州市主城区地表温度等级划分

图4 福州市主城区公园绿地面积

表2 福州市主城区温度等级划分

3 结果与分析

3.1 主城区城市热岛效应分析

由地表温度反演结果可知，福州市主城区2016年7月27日地表温度范围在28.87～54.48℃，整体温度偏高。由图2可知，高温区主要集中在建设用地所在区域，低温区则与绿地和水体位置对应，呈现出绿地与水体对应于“冷岛”，并被建设用地上的“热岛”所包围的现象，证明城市存在较强的热岛效应。为直观分析福州市主城区热岛格局空间分布，需利用均值标准差法对研究区地表温度进行等级划分。均值标准差法利用地表温度均值及不同倍数标准差的组合划分地表热场等级，可以有效界定热岛等级[24]。利用均值标准差法将地表温度划分为5类，以均值(μ)±标准差(σ)、μ±0.5σ为分割点，将福州市主城区划分为高温区、次高温区、中温区、次低温区和低温区(表2)。其中结合陈松林等[24]对热岛区的界定，将高温区定为热岛区。

由图3可见，热岛分布较为明显，主要分布于商业聚集区(三坊七巷、东街口)、商住混合区(省体中心、火车北站)、工业生产区(福新东路、福湾路)和住宅密集区(南台大道与南三环交接位置)。结合表2可知福州市主城区的热岛区(高温区)占比较大，占主城区总面积的11.78%；中温区占比最大，为主城区总面积的42.66%；次低温区占比较小，为主城区总面积的9.18%。其中次低温区面积较小，而次高温区、中温区面积较大，城市整体处于次高温和中温的热环境中，中温区、次高温区和高温区之间呈明显缓冲分布，福州市主城区的城市高温现象凸显。

3.2 城市公园绿地布局现状分析

根据现行的《城市绿地分类标准》(CJJ/T 85—2017)[25]结合福州市园林局公布的公园绿地名单[26]，鉴于公园绿地降温供应能力有限，从合理性考虑，选取面积大于0.3hm2的共47个公园，总面积11.11km2，占福州市主城区总面积的4.47%。各公园绿地面积差距较大，其中高盖山公园绿地面积最大，为328.63hm2，鼓楼前公园绿地面积最小，为0.42hm2，各公园绿地面积如图4所示。

利用GIS将公园绿地面转化为点进行公园绿地服务范围分析，对各公园绿地点构建Voronoi图(即泰森多边形)，从而确定公园绿地分布情况及布局特征。结果可知(图5)，各公园绿地的服务范围差距很大，仓山区、晋安区的公园绿地数量较少，布局有待进一步优化。

3.3 基于P-中值模型的降温供需分析

3.3.1 降温供需情况分析

由于城市高温区即热岛区呈聚集态分布，并且是城市降温需求中心区域，因此以热岛区域为主要研究对象。为了提高城市公园绿地等资源的配置效益，将热岛面积大于5hm2的区域视作降温需求区域(图6)，将公园绿地视为降温供应区域，通过GIS的面转点功能进行转化，以便进一步量化分析。由公园绿地供应点与降温需求点的分布情况可知(图7)，公园绿地供应点与降温需求点的分布不均，且降温需求点多于公园绿地供应点，呈现供不应求的状态，须对公园绿地布局进行优化。

3.3.2 P-中值模型求解

根据公园绿地布局优化模型及降温供需情况，可得到需优化公园绿地及需建设公园绿地的空间位置，利用GIS软件提取各公园绿地供应点与降温需求点的中心坐标，可得到47个公园绿地供应点与84个降温需求点。通过Lingo及GIS软件结合数学程序代码编写，对目标函数求解。将供应点与需求点的坐标连接到Lingo模型运行，根据运行结果确定公园绿地供应点与降温需求点的连接情况，从而确定降温需求点与需优化公园绿地供应点的连接关系，由此可知公园绿地是否需要优化，最终可得需优化公园绿地(图8)及需建设公园绿地点(图9)。

图5 公园绿地服务范围及分布情况

图7 公园绿地供应点与降温需求点分布

图9 需建设公园绿地点分布

图6 降温需求区域分布

图8 降温需求点与需优化公园绿地连接关系

3.4 公园绿地布局优化策略分析

3.4.1 公园绿地内部优化策略

福州市主城区需优化公园绿地主要集中分布在福州市中心位置，呈现单个公园绿地服务一个或多个降温需求点的情况，说明公园绿地与城市降温需求的供求关系较为紧张，而提升相应的绿地服务能力是改善城市热岛效应的重要途径。需优化公园绿地共18个，根据降温需求点与需优化公园绿地分布点的连接情况，将公园绿地优化等级分为2级，级别越高公园绿地需要优化强度越大：一级优化公园绿地，降温能力差且只需要服务一个降温需求点；二级优化公园绿地，降温能力较差且需要服务多个降温需求点。

一级优化公园绿地共12个，分别为福州动物园、环南公园、五一广场、金鸡山公园、沙滩公园、榕城广场、白马河公园、市树公园、于山风景区、茶亭公园、江滨休闲广场和西禅寺。其主要缺陷为公园内部植物群落单薄，竖向植被结构不完整。需提升公园绿地内部属性，增加单位面积植被丰富度，丰富公园绿地内部竖向植被层次，通过公园绿地内部的合理规划达到降温目的。

二级优化公园绿地共6个，分别为屏山公园、琴亭湖公园、闽江公园(北园)、劳动者公园、秋龙湖公园和晋安河公园。其主要缺陷为公园绿地面积较小、硬质铺装过多、公园内部绿地破碎化严重。应扩大公园绿地面积，减少硬质铺装，提高公园绿地内部植被覆盖度以提升其公园绿地降温能力，缓解城市热岛效应。

3.4.2 潜在公园绿地建设

将需建设公园绿地点与《福州市总体规划(2011—2020)》中的福州市中心城区用地规划叠加，根据福州市中心城区规划用地类型，得到潜在公园绿地50个(图10)，其中城门镇需建11个，盖山镇需建12个，新店镇需建6个，螺洲镇、鼓山镇、建新镇各需建4个，仓山镇需建2个，宁化街道、王庄镇、五凤街道、下渡街道、新港街道、岳峰镇和东升街道各需建1个，潜在公园绿地中心坐标如表3所示。

图10 潜在公园绿地建设点分布(作者根据《福州市总体规划(2011—2020)》[27]绘制)

表3 潜在公园绿地中心坐标

4 结论与讨论

福州市主城区各温度等级面积呈正态分布，高温地区主要集中在建设用地所在区域，低温区则与绿地和水体位置对应，呈现“冷岛”包围“热岛”的现象。福州市主城区整体温度偏高，其热岛区域占总城区面积的11.78%，这与白丽月对福州市城市热岛的研究结果基本一致[28]，由此说明解决福州市降温的问题刻不容缓。福州市主城区公园绿地分布不均，不能满足人们的需要，公园绿地布局还需进一步优化，这与熊华萍对福州市公园绿地建设的研究结果相一致[29]。

研究以缓解热岛效应为基础对公园绿地选址布局优化进行分析，为福州市公园绿地提出布局优化方案，为缓解城市热岛效应提出优化策略，结论如下。1)福州市主城区的热岛情况较为严重，亟须解决。2)根据现行的《城市绿地分类标准》结合福州市园林局公布的公园名单，共提取福州市主城区公园47个，公园绿地总面积占主城区总面积的4.47%，公园绿地分布不均，布局还需进一步调整。3)根据城市热岛及公园绿地分布情况，利用P-中值模型得出18个公园绿地需进行优化，其中包括福州动物园、环南公园等6个一级需优化公园绿地，以及屏山公园、琴亭湖公园等12个二级需优化公园绿地。根据研究结果可为福州市主城区公园绿地建设规划提出建议：一级需优化公园的缺陷主要为自身降温能力不足，需提高其降温属性，提高自身降温能力；二级需优化公园主要缺陷为服务多个降温需求点，需增加其面积从而提高其降温能力。4)结合福州市中心城区用地规划可得到50个潜在公园绿地建设点，主要集中于城门镇、盖山镇及新店镇。公园绿地的具体建设面积还需根据城市实际用地情况确定，对于一些无法建设公园的热岛区，可进行见缝插绿，即利用小块城市用地种植绿色植被；推广屋顶花园，竖向空间也可进行绿色植被的种植及覆盖。在快速城市化的背景下，针对公园绿地布局还需要考虑城市居民防灾避难、游憩和生态等方面的需求，仍有待进一步研究。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。