热环境视角下的西安城市发展策略

赵 毅，冯晓刚*，杨永佺，李凤霞，李 萌，周在辉

（1.西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安 710055）

目前，国内的传统城市规划主要研究不同区域基础设施的布置，对生态环境的考虑少之又少[1]，如张远取[2]等通过对厦门市能源规划体系问题的分析，确定能源规划体系构建的思路和内容，为后续的国土空间规划编制工作提供指导；石崝[3]等分析“窄马路、密路网”理念在南京新区中心区规划落实中遇到的问题，提出相应的解决对策。也有部分学者对生态城市规划的内容及现存问题做了较为详尽的研究；沈清基[4]等通过分析我国城市生态规划存在的主要问题，从5 个方面对未来中国城市生态规划的前景进行展望；孙江宁[5]等借鉴欧美国家的生态建设、特色、重点、方法等方面的研究，提出符合我国国情的生态城市建设路径。但进一步分析发现，现有研究大多是从生态规划角度出发，侧重点主要集中在理论及技术层面，很少有研究真正意义将城市人居热生态环境纳入体系。因此，本文以西安市为例，利用多时相遥感数据，结合单窗算法，以热环境定量分析为规划准则，以热环境改善为规划目标，梳理城市规划内容与热环境的联系，提出规划方案，并落实在可实施层面，为当下和未来的热生态环境体系规划提供一定的技术参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区域概况

西安市（33°39′N ～34°45′N，107°40′E ～109°49′E）地处关中中部、秦岭北麓、跨渭河南北两岸。属暖温带半湿润大陆性季风气候，平均海拔为424 m，1 月平均气温为5℃，7 月平均气温为31℃，年平均气温为19℃。据2019 年数据显示，城市总面积为10 752 km2，建城区面积为729.14 km2。城市常住人口1 020.35 万人，其中城镇人口761.28 万人，乡村人口259.07 万人。

1.2 地表温度定量反演

由于Landsat TM 数据只有一个热红外波段，本文采用覃志豪[6]等提出的单窗算法，该算法反演地表温度主要包含辐射亮温计算和地表温度计算2 个步骤。

1）辐射亮温计算。参考Landsat 用户手册，辐射亮温采用公式（1）～（2）计算。

式中，Lλ为热辐射强度值，为辐射亮温；K1、K2均为校正系数（K1取值TM 为60.776(mW×m-2×sr-1×μm-1），K2取值TM 为1 260.56 K）。

2）地表温度计算。利用单窗算法反演地表温度，核心参数主要包括:地表比辐射率、大气透射率和大气作用平均温度3 个[7]。

式中，Ts为地表实际温度；Tb（即为式（2）中的T6）为卫星高度上遥感器所观测到的亮度（单位:K）；Ta为大气平均作用温度；C、D是中间变量，计算公式为C=ετ，D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]；a、b是根据热辐射强度和亮温拟合出的系数，当温度介于0～70℃时，a的取值为-67.355 351，b的取值为0.458 606[6]；eτ分别为热红外波段的地表比辐射率和大气透射率。

地表比辐射率的计算参照覃志豪的方法:

式中，εv为TM 热红外波段范围内植被的比辐射率，取值为0.985；εv为裸露地表的比辐射率，取值为0.960；f为植被盖度，通过研究区内的NDVI 指数进一步提取获得；ε为地表几何分布和内散射效应，平坦地区通常dε=0。

大气平均作用温度和大气透过率的估算参考覃志豪[8]等的研究。最后将地表温度的反演结果按中误差的划分方法将归一化后的地表温度划分为5 个等级，依次为强绿岛区（0～T-2m）、绿岛区（T-2m～T-m）、中间区（将T-m～T划归为中间一区、T+m～T划归为中间二区）、热岛区（T+m～T+2m）、强热岛区（T+2m～1）（其中T为研究区温度的平均值，m为其中误差）[9]。

2 西安市热环境时空特征与总体规划耦合分析

1953-1972 年，正处于解放初期的西安实施了以工业建设为中心的首轮总体规划，整体经济发展比较缓慢，城市热环境较好。因此本文选取了西安市后3 期规划期间典型年份的Landsat 影像数据，在地表温度定量反演的基础上采用中误差的划分方法[9]，并结合西安市三版总体规划的内容进行对比分析，如图1 所示。

2.1 热环境在时间上与总体规划的耦合分析

基于地表温度的反演如图1 及表1 所示，1992-2016 年西安市地表平均温度上升2.5 ℃，其中1992-2006 年地表平均温度上升2.4℃，2006-2016 年地表平均温度上升0.1℃，前者上升幅度远高于后者。主要是第二、三轮总体规划期间西安市正处于经济恢复与转型期，城市急速扩张、人口规模扩大导致城市不透水下垫面、人口密度急剧增加，城市热岛效应愈加明显，且有逐年增强的趋势。而第四次总体规划在前期规划的基础上增添了“城市大园林”的绿色概念，加强了能源规划的建设，并坚持可持续发展、生态与人居的理念，开始注重城市生态环境的建设，地表温度得到一定程度的控制。

表1 1992-2016 年西安市地表温度信息统计

图1 西安市总体规划与热环境时空对比分析结果

2.2 热环境在空间上与总体规划的耦合分析

基于地表温度的反演如图1 及表2 所示，1992 年西安市强热岛区面积占地比例仅为0.03%，热岛区面积占地比例0.54%，零星镶嵌在莲湖区西南部及灞桥区沿岸；2006 年西安市热岛区面积大幅度上升，占地比例达到0.75%，从零星状分布发展为片状分布且向周围发展；2016 年西安市强热岛区和热岛区面积急速增加 ，已分别达到0.15%和5.29%。主要分布在未央区南部、莲湖区与雁塔区西南部，由片状分布向局部集体扩展，究其原因主要与区域新增建筑与人口有关。如莲湖区G5 国道附近周吴村等村庄的规划扩张和镐京大道附近汽车服务维修公司的建设；雁塔区丈八路以东、丈八西路以北加油站的建设以及丈八西路以南西安半导体产业园等园区的开发等；未央区北三环家具厂的建设以及天台路以西的汽贸公司钢材厂的建设。总的来说，虽然村庄、产业园区、消费市场等新增区域促进了当地经济发展，吸引了大量人群，但也导致该地区人口密度增加，区域升温，同时随着建设用地面积的增加，大量的不透水面代替原有的自然植被，地区吸热能力增强，散热能力削弱，从而使该区域热岛区面积增加。

表2 1992-2016 年西安市地表温度等级划分信息统计

西安市通过历次总体规划，其空间结构经历了“十字型骨架-中心集团、外围组团-九宫格局、多中心、多组团”的模式转变；发展范围由“东南、西南方向到东北方向再到西南及向北跨渭河方向”拓展。而通过研究数据分析可见，西安市的强热岛区和热岛区主要是向未央区西北、莲湖区西北、雁塔区西南、新城区以东、灞桥区沿岸扩展，与城市扩展方向一致。

3 改善城市热环境的规划策略

城市热岛持续增强这一现象给规划部门带来了新的挑战，如何控制城市热岛效应已经成为当今城市规划研究者必须考虑的问题。基于热环境与城市规划的耦合分析，参考诸多城市热岛效应的影响因素研究[10]，本文从以下4 个方面提出改善西安市热环境的规划策略。

3.1 优化城市布局

研究城市布局模式及其利弊对城市规划有指导意义，从热环境的角度出发，对其功能进行合理配比，从而达到缓解热岛效应的目的，进而提高城市人居热环境的安全性和适宜度。

1）西安市在新一轮城市规划中，应持续“多中心、多组团”发展模式，以市区为中心，建设包括阎良、户县等周边地区的卫星辐射城市，疏解城市职能，缓解中心城区压力，从而降低不透水下垫面的覆盖率和城市吸热能力，达到降低城市热岛强度的目的。

2）协调好西安市老城区与建成区发展的关系，将老城区中的低矮建筑进行统一规划，提高容积率，通过控制老城区建成区面积，缓解城市热岛效应。

3）依托西安古城特有的空间布局，合理规划新旧建筑布局，尤其要注意工业区（表3）和城市绿地的布局，利用城市已有绿地，建设城市生态廊道，从而调节城市温度。

表3 工业园区生态化提升策略

3.2 合理控制城市规模

城市规模和城市热岛呈一定的正相关关系，即城市规模越大，热岛效应越明显。有研究表明，人口在50～100 万的城区气温较郊区高出1.1℃～1.2℃，人口多于100 万的城市城郊温差则达1.2 ℃～1.5 ℃[11]。因此，从城市热环境的角度出发，探究城市规划中城市规模的发展形势很有必要。自2002 年西安市提出西咸一体化政策以来，城市建成区面积和人口急剧增加。2008 年，西安市第四版总体规划虽提出控制城市人口规模的策略，但由于西安市人才户籍新政的实施和虹吸效应的影响，至2019 年，西安市人口仍在持续增加，如图2 所示。

图2 西安市2002-2019 年城市规模变化

城市建成区面积急剧扩大导致城内大量的人工不透水面取代原有地表的自然覆被，使得自然植物覆盖率降低、地表吸水能力下降，加剧城区的高温化和干燥化。因此在城市建设过程中应考虑:

1）构建合理的城市扩张模式，坚持“低冲击开发”的发展理念，增存并举，扩大城市的开放空间，提高土地的弹性发展，分区分类降低不透水率，因地制宜增设绿地。

2）鼓励“居住+商业+绿地”、“慢行交通+商业”等城市用地的混合利用，改变原有单一类型的城市用地模式，提高用地效益和利用率，进而降低城市建筑密度和不透水下垫面的覆盖面积，达到改善城市热环境的效果。

3）调整西安落户的政策，控制人口质量和数量。加强城区基础设施的建设，促进外围新区的发展，分流城区人口流量，减少城区人口压力，缓解城市热岛效应。

3.3 构建城市绿化体系

城市绿地通过增加水汽含量，降低大气表面温度，进而缓解城市热岛效应的影响，城市规划中应充分认识城市绿地的重要性，加强城市绿地建设。截至2019 年，西安市建成区绿地率为35.55%，绿化覆盖率为38.75%，人均公园绿地面积为9.98 m2，远低于我国14.1 m2的人均值。因此，西安市在快速发展经济的同时，应从生态环境保护的角度出发，加强生态文明的建设，推进绿色发展，并结合“山、水”地貌，将国土绿化与城市绿地系统相互贯通，逐步建立多层次、多类型、“点、线、面”相联合的城乡一体化绿化网络。

相关研究数据表明，草坪的降温效果只有0.6 ℃，5～8 m 高度的小乔木降温2.0℃，而8 m 高度以上的大乔木降温可达2.8℃，且地表温度随植被高度的增加而明显降低，在植被高度达20 m 时地表温度可以达到最优点[12-13]，因此在城市规划中应考虑如下因素（图3）。

1）水平层面:城市绿地规划除了要增加绿地所占的比重和数量，更要进行合理的植被搭配，舍弃以往单一种植小型草坪的发展思路，构建以乔灌木及草坪相结合的多层次植被体系结构。

2）垂直层面:城市应加大立体绿化和屋顶绿化的建设力度，在节约用地的基础上增加绿化总量，形成层次化、多样化的绿化体系，逐步改善城市不透水面的辐射吸收和散热状况，降低城市温度。

3.4 合理利用能源

生产生活中过度使用煤炭、石油等会产生大量的热量，加剧城市热岛，因此在城市规划中合理规划能源至关重要。西安市的前三轮规划中着重建设基础设施以促进经济发展，而第四轮总体规划方才提及、确定能源规划的详细内容。正是由于在总体规划编制中对能源规划的忽略，以及规划实施过程很难做到城乡一体化，导致城市基础设施重复建设，整体能源利用率低、能耗大，同时增强了城市热岛效应。因此建议:①增强城市规划中能源规划的比重，提高城市规划者重视能源规划的意识，并鼓励人们节能降耗。②大力推广使用清洁能源，降低空调耗能等也是缓解城市热岛效应的重要手段。

4 结 语

本文以不同时相热红外定量反演数据为基础，纳入热环境规划体系，结合西安市三轮规划内容，从时空两方面进行耦合分析。为其他城市的生态化建设中如何处理与城市热环境的关系提供依据，其次把改善热环境作为规划目标之一，从优化城市布局、控制城市规模、构建绿化体系和合理利用能源4 个方面提出相应的建议和措施，为其他城市缓解热岛提供了有效参考，也为西安市创建历史特色与文化特色，争创一流新一线宜居城市夯实基础。