河北石家庄城市人工河流缓解热岛效应研究

刘亚楠,陈艳梅①,邹长新,李涵聪,李 鑫

(1.河北师范大学地理科学学院/ 河北省环境变化遥感识别技术创新中心/ 河北省环境演变与生态建设重点实验室,河北 石家庄 050024；2.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042)

城市化进程的加快和区域经济的迅速发展加剧了城市热岛效应，在此背景下，城市河流的降温作用愈发引人关注。与天然河流相比，人工河流底部多被混凝土硬化，流动性一般弱于天然河流，但其在一定程度上改变了城市下垫面性质，能发挥水体与植被的综合生态效益，有助于缓解河流沿岸城区夏季高温。探究城市人工河流降温效应对城市生态建设和城市规划具有重要现实意义。

HOWARD[1]于1833年在伦敦首次发现并记载了热岛现象，此后众多学者对城市热岛的形成、时空演变特征及影响因素进行了大量研究，研究主要采用气象数据或遥感影像反演的地表温度数据，其中，气象数据多用于城市大气热岛时空变化特征研究，NOAA/AVHRR、MODIS和Landsat TM/ETM+/TIRS等遥感影像反演的地表温度数据多用于城市地表热岛研究，遥感影像可以在一定程度上弥补气象数据的不足，实现数据面状覆盖[2-8]。如BOKAIE等[9]采用Landsat TM图像研究并证明了城市地表温度(LST)与土地利用/土地覆盖(LULC)之间具有密切关系；CHAKRABORTY等[10]采用Landsat和MODIS数据进行研究的结果表明人为热通量可以用来量化城市热岛效应大小；WANG等[11]基于Landsat 8遥感影像数据分析了深圳市土地覆盖格局对城市地表热环境的影响。

目前，缓解热岛效应的研究主要关注城市“蓝绿空间”，有关城市水体与热岛效应的关系是其中的重要研究内容。李东海等[12]定量探讨了东莞市水体对城市热岛效应的缓解作用；SUN等[13]量化了北京市六环内水体的冷岛强度，提出可以通过景观设计来降低城市热岛效应；MOYER等[14]采用20个站点的距河流距离及温度数据评估了河流对小城市地区热岛强度的影响。但在大多数针对城市热环境的研究中，专门研究水体降温效应的较少，且现有研究多集中于天然河流或人工面状水域，涉及人工河流的相关成果还较少。

城市水体降温效应研究多采用缓冲区分析方法。如马妮莎[15]总结前人研究方法和结论，将研究区各类下垫面用地平均地温值作为基准温度值的衡量方法，采用温降值比较不同水体降温效应；司徒艳娜[16]采用冷岛强度、降温距离和冷岛效率3个指标表征水体降温效应的大小；陈氏权[17]根据降温率变化得到越南河内市水体降温范围；杜红玉[18]绘制地表温度曲线，根据转折点位置计算水体降温范围、降温幅度和降温梯度；程锐辉[19]则通过温差差值曲线上温差差值第1个为0处的缓冲环计算降温范围、降温幅度和降温梯度；房力川[20]选择间隔在510 m以上的河流与人工湖样本，通过计算平均降温率得到水域降温范围。上述研究均基于建立缓冲区的方法，从不同侧重点出发，选择不同指标计算城市水体降温效应，但这些研究多针对天然河流和面状水域，对岸边景观结构重视不足，因而有待进一步结合土地利用类型和城市规划格局探讨城市人工河流降温效应。

该研究以Landsat 8 OLI_TIR遥感影像为数据源，定量分析城市人工河流对热岛效应的缓解作用。选择比较适合城市线性水体的降温距离和降温幅度2个指标，采用分线路手段，研究石家庄民心河不同位置水体与两岸绿地之间的协同降温效应。同时，将水体平均城市热场变异指数(UTFVI)与周边不同土地利用类型面积占比进行相关分析，在民心河最小降温距离内寻找对周边景观规划具有指导意义的阈值点。该研究结果可为提高人工河流生态功能、合理布局民心河周边景观和缓解城市热岛效应提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

研究区范围为河北省石家庄市三环以内区域，地处37°57′10″～38°6′40″ N、114°21′40″～114°40′30″ E之间，是河北省政治、经济和文化中心，石家庄市桥西区、新华区、长安区和裕华区的核心区域皆位于此(图1)。研究区属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，受城市化快速发展的影响，热岛效应明显。民心河作为城市人工河流，分为东、西、南、北、中和第二民心河6条河道。民心河东线北起石德线，南至南三环路，长16.05 km；西线北起古城西路，南至西三环路，长20.92 km；南线西起长丰路，东至裕翔街，长7.2 km；北线西起田庄桥，东至北二环与东二环交叉口的土贤庄，长16.7 km；中线北起石清路，南至联盟路，长1.67 km；第二民心河由桥西明渠和南栗明渠段组成，2段总长8.11 km，由于新火车站的修建，桥西明渠改为暗渠，仅将长4.56 km的南栗明渠段作为第二民心河进行研究。民心河水面平均宽度约20 m，两岸采用乔灌草结合的生态种植模式，沿线分布着以绿地为基础，以水体景观为核心的大小公园22座。分析对象为研究时段民心河有水区域。

Landsat 8 OLI_TIR卫星遥感影像数据来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，空间分辨率为30 m，对比分析2016年8月31日、2017年7月1日、2018年7月20日和2020年8月26日4个时期地表温度反演结果，发现研究区高温地区分布大致相同，采用均值-标准差法对石家庄市研究区域不同时期地表温度数据进行归一化处理，得到地表温度分级图，并选择热岛效应最明显的2016年8月31日数据影像作为基础数据源。其他辅助数据包括石家庄市三环界线矢量数据和空间分辨率为0.94 m的2016年9月4日Google Earth历史影像。

1.2 研究方法

1.2.1地表温度反演法

对研究区遥感影像进行辐射定标、大气校正和裁剪等预处理，采用大气校正法利用ENVI 5.3.1软件对石家庄市三环区域进行地表温度反演。

INDV=(RNI-R)/(RNI+R)，

(1)

Fv=[(INDV-INDV，soil)/(INDV，veg-INDV，soil)]。

(2)

式(1)～(2)中，Fv为植被覆盖度；INDV为归一化植被指数(NDVI)；RNI和R分别为近红外波段和红色波段；INDV，soil为完全是裸土或无植被覆盖区域NDVI值；INDV，veg为完全被植被所覆盖像元的NDVI值[21-22]。

采用SOBRINO等[23]提出的NDVI阈值法计算地表比辐射率ε，计算公式为

ε=0.004Fv+0.986，

(3)

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε。

(4)

式(3)～(4)中，B(TS)为黑体热辐射亮度；Lλ为Band 10辐射亮度图像；τ为大气在热红外波段的透过率；L↑和L↓分别为大气向上和向下的辐射能量。2016年8月31日τ为0.80,L↑为1.61 W·m-2·sr-1·μm-1，L↓为2.71 W·m-2·sr-1·μm-1(美国国家航空航天局，https:∥www.nasa.gov)。

TS=K2/ln [K1/B(TS)+1]。

(5)

式(5)中，TS为地表真实温度，K；K1和K2为常量，Landsat 8 OLI_TIR数据K1为774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K2为1 321.08 K。

1.2.2遥感图像分类法

为分析土地利用类型与城市热岛效应的关系，采用支持向量机法对2016年8月31日Landsat 8 OLI_TIR卫星遥感影像进行土地监督分类[24-25]，将研究区土地利用类型分为城镇建设用地、绿地和水域3大类。为进一步分析民心河各段水域平均UTFVI值与周边土地利用类型的关系，结合Google Earth历史影像和地面实况调查以提高遥感图像分类精度，对民心河两岸60 m范围土地利用类型采用人工目视解译法进行人工解译。

1.2.3缓冲区分析法

从民心河东线、西线、南线、北线、中线和第二民心河6条河道两岸岸线起，以等距离30 m为间隔设置多环缓冲区，缓冲区个数由相邻缓冲区温度变化趋势决定，直到温度无明显变化为止。经研究，民心河各线水体相邻缓冲区之间平均地表温度差值第1次为0时的最远缓冲距离为630 m，说明此处地表温度几乎不受河流影响，因此以630 m为最大缓冲半径。将民心河6条河道各缓冲区图层与地表温度图层进行空间叠置，分别提取各缓冲区内平均地表温度，当相邻2个缓冲区之间平均地表温度差值第1次小于0.1 ℃时，将前一缓冲区的缓冲距离作为该水体有效降温距离[26]；将民心河各线水体有效降温距离所在缓冲区内的平均地温与水体自身地表均温的差值视为降温幅度[4]。

(6)

(7)

1.2.4城市热岛效应表征法

城市热场变异指数(UTFVI，IUTFV)可用来定量分析城市热岛效应强度，计算公式[27]为

IUTFV=(Ts-Tmean)/Tmean。

(8)

式(8)中，Ts为某点地表温度，℃；Tmean为研究区平均地表温度，℃。

2 结果与分析

2.1 土地利用类型与城市热岛效应分析

采用2016年9月4日Google Earth历史影像对土地利用分类结果进行感兴趣区验证，人工解译获取的训练样本中每种典型地物样本数皆大于30个，且分散于研究区各区域，验证结果表明土地覆被分类总体精度为89.59%，Kappa系数为0.80，与真实地物空间分布具有很好的一致性，分类结果较为可靠。为提高水域分类精度，突出河流线性特征，将河流矢量图层与研究区土地监督分类结果相叠加(图2)。

如图3所示，2016年8月31日民心河包围的城区多为高温区，热岛效应明显；而民心河水体自身对应地表均温为35.82 ℃，在城区形成条带状冷区。通过查询历史天气数据得出当日石家庄市最低气温为22 ℃，最高气温为34 ℃，该研究地表温度反演结果表明研究区84.54%的区域地表温度为25.86～38.00 ℃，经对比分析可知，反演得到的地表温度符合夏季地表温度与气温的温差特点(通常情况下，夏季晴天水泥地面温度比百叶箱中测得气温平均高4 ℃)，表明地表温度反演结果较为可靠，具有参考价值。

城市热场变异指数(UTFVI)是基于地表温度的相对变量，相对于地表温度，能更好地描述城市热岛效应。UTFVI较低值区将UTFVI较高值区包围，使城区高温区域形成“岛状”，当UTFVI≤0时，为冷岛效应；当UTFVI>0时，为热岛效应，且热岛效应强度会随着UTFVI值增大而增大。如图4所示，研究区UTFVI范围为-0.23～0.37，其中，民心河全线平均UTFVI<0.02，接近0，这表明民心河在中心城区发挥了降低温度、缓解城市热岛效应的作用。对比分析研究区土地利用类型分布与城市热岛效应分布发现，石家庄市三环内热岛效应空间分布格局与城市建设格局基本相符，市区城镇建设用地分布与UTFVI高值区相对应，城市水域和绿地分布与UTFVI低值区相对应。

2.2 民心河两岸地表温度随距离的变化特征

受两岸土地利用类型的影响，民心河各线水体地表温度最大值和最小值皆不相同。如表1所示，民心河东线温差最大，平均地表温度明显小于其他各线，平均UTFVI值<0，无热岛效应，在城区中呈现低温，对周围环境的降温效果较好；民心河南线和第二民心河平均地表温度较高，部分河道受周边高温区影响，对周围环境的降温效果较差，平均UTFVI值为(0，0.05]，热岛效应不明显。

从民心河各支线河道两岸岸线起，以30 m为增加量设置多环缓冲区，最大缓冲区边界距岸边距离为630 m。采用缓冲区对地表温度数据进行掩膜提取，统计各缓冲区平均地表温度，并分析民心河两岸地表温度随距离的变化特征。如图5所示，在民心河全线两岸缓冲区内，平均地表温度随缓冲距离的增加呈先迅速上升后基本保持不变的趋势。民心河东线、西线缓冲距离为30 m时，地表温度上升速度最快，而民心河东线缓冲区平均地表温度小于民心河西线；民心河北线、中线缓冲距离为120 m时，地表温度上升速度最快，而民心河中线缓冲区平均地表温度均小于民心河北线；民心河南线与第二民心河在相同缓冲距离的地表温度上升速度不同，民心河南线缓冲距离为90 m时地表温度上升速度最快，第二民心河缓冲距离为60 m时地表温度上升速度最快。

2.3 民心河降温效应分析

民心河周围植被覆盖率较高，植被与河流的相互作用明显，故民心河降温效应受到两岸植被影响，河流全线平均降温距离为165 m，平均降温幅度为0.97 ℃。如表2所示，民心河东线、北线和中线降温距离和降温幅度均大于民心河全线平均值。各线热岛强度由小到大依次为民心河东线、中线、北线、西线、南线和第二民心河，民心河东线地表温度较低，这是由于该支线河道较长且水域面积较大，低温效应更强，因此民心河东线降温效果最好。第二民心河夏季地表温度较高，平均UTFVI值为0.05，降温效果最差，降温距离为60 m，降温幅度为0.19 ℃，这是由于该支线河道较短且水域面积较小。

民心河为城市景观中线状水体，景观格局特征主要体现在水域两侧的土地利用类型构成。以遥感影像中河流流经区域的道路、桥为自然断点，考虑到有些河段较短，为确保河流长度均一性，将邻近较短的河段进行合并，最终将民心河划分为45段，以民心河最小降温距离60 m作为缓冲半径建立缓冲区，对缓冲区内土地利用类型进行人工目视解译与统计，将水域平均UTFVI值分别与周边城镇建设用地面积占比和绿地面积占比进行相关分析，在最小降温距离内寻找对周边景观规划具有指导意义的阈值点(图6)。

如图6所示，在60 m缓冲距离内，民心河受周边土地利用类型影响明显。民心河水域平均UTFVI随着城镇建设用地面积占比增加而增加，当城镇建设用地面积占比<48% 时，平均UTFVI值≤0，此时水域存在降温作用。民心河水域平均UTFVI随着绿地面积占比增加而降低，当绿地面积占比>50%时，平均UTFVI值≤0，这时水域存在降温作用。上述结果表明在民心河周边60 m范围内进行景观规划时，建议绿地面积占比>50%，城镇建设用地面积占比<48%，这样可最大程度发挥绿地与民心河的综合降温作用。

3 讨论与结论

3.1 讨论

该研究融合气象学、遥感学和景观生态学等方法，关注水体、河岸缓冲区平均地表温度与周边土地利用类型的相互作用，明确了城市人工河流降温作用和周边土地利用类型配置阈值的定量评测方法。该研究发现“水绿”复合生态系统更利于河流发挥温度调节作用，在民心河两岸缓冲距离60 m内，当绿地面积占比>50%，城镇建设用地面积占比<48%时，绿地与民心河的综合降温作用能得到最大程度发挥。该结果可为北方类似城市人工河流沿岸生态建设和城市规划提供科学依据。

该研究采用分线路手段，得到民心河各河段降温距离和降温幅度，发现石家庄民心河全线平均降温距离为165 m，平均降温幅度为0.97 ℃，这与前人研究结果较为一致。就南方城市河流而言，池腾龙[28]研究结果表明福建省厦门市西溪降温距离为330 m，最大降温幅度为1.65 ℃；福州市乌龙江、闽江、大樟溪和光明港4条河流降温距离分别为260、230、220和170 m，最大降温幅度分别为10.22、10.88、5.70和5.80 ℃，这些河流平均宽度较大，分别为民心河的50、22.5、26和9倍，因此降温幅度也较大。JIANG等[29]研究结果表明黄浦江人为分段后降温距离为72.57～465.42 m，降温幅度为1.72～9.10 ℃，该河流平均宽度为民心河的24倍，降温效果也较好。民心河全线平均降温距离和降温幅度小于上述南方城市河流，这主要与研究区热岛效应强度、河道水面宽度和河道两侧景观格局等存在差异有关。就北方城市河流而言，王泽宇[26]将人工河流和天然河流均视为线状水体进行研究，结果表明北京地区线状水域平均降温距离为150～180 m；SUN等[4]对北京4条河流降温效果进行测量，结果表明河流降温幅度在0.70～2.36 ℃之间。民心河全线平均降温距离和降温幅度与上述北方城市河流研究结果较相似，这说明当处于有水状态且沿岸土地利用类型配置合理时，人工河流降温效果与天然河流类似。

水体降温效应的形成是多种因素综合作用的结果[30-31]。该研究发现城市河流的降温效应会受到水体周边土地利用类型构成的影响。如民心河西线西清公园段，60 m缓冲区内城镇建设用地占比大于50%，但在其南北两侧道路、东侧高层建筑和西侧绿色开阔空间的共同影响下，水域降温效应得到增强，水域平均地表温度较低。但该研究结果也存在局限性，未能详细研究建筑高度、硬化堤岸、城市道路网和绿化空间对河流降温效果的影响，未来需进一步考虑上述因子在不同季节条件下对降温效应的影响，并采用相关模型进行数值模拟和精度验证，以完善研究结果。

3.2 结论

基于Landsat 8 OLI_TIR热红外遥感卫星影像研究了民心河降温距离和降温幅度，探究了水体周边土地利用类型构成缓解热岛效应的阈值组合，得到以下主要结论：

(1)2016年8月31日石家庄市三环以内城区热岛效应明显，UTFVI值为-0.23～0.37。研究区热岛效应空间分布与城市格局基本相符，市区城镇建设用地分布与UTFVI高值区相对应，城市水体和绿地分布与UTFVI低值区相对应，其中，民心河全线平均UTFVI值<0.02，在中心城区发挥了降低温度、缓解城市热岛效应的作用。

(2)在180 m缓冲距离内，民心河两岸缓冲区平均地表温度随缓冲距离增加呈先迅速上升后基本保持不变的趋势，缓冲区位置距民心河距离越大，平均UTFVI值越大，城市热岛效应也就越强。

(3)民心河受到沿岸植被降温效应的影响，河流全线平均降温距离为165 m，平均降温幅度为0.97 ℃。民心河各线水体降温效应不同，民心河东线降温效果最好，平均UTFVI值为-0.02，降温距离可达到210 m，降温幅度为1.59 ℃；第二民心河降温效果最差，平均UTFVI值为0.05，降温距离为60 m，降温幅度为0.19 ℃。

(4)民心河为线状水体，水体平均UTFVI值与城镇建设用地面积占比的相关性最高(r=0.414,P<0.01)，其次是绿地面积占比(r=-0.397,P<0.01)，当绿地面积占比>50%，城镇建设用地面积占比<48%时，平均UTFVI值≤0，存在冷岛效应，整体景观格局降温效果较好。