福州市通风廊道选线与优化*

杨务发 余坤勇 耿建伟 赵各进 杨柳青 刘 健，3

1 福建农林大学园林学院 福州 350002 2 3S技术与资源优化利用福建省高等学校重点实验室 福州 350002 3 福建农林大学林学院 福州 350002

城镇化建设极大地改变了自然和半自然的生态空间，城市景观格局和地表粗糙度的改变极大地影响了城市的热环境和风环境，引发了城市热岛效应。相关学者在德国斯图加特，日本东京，中国香港、北京、南京、武汉、西安等城市相继开展了通风廊道的探索与实践，为解决城市热岛问题提供了重要借鉴[1]。城市通风廊道按研究尺度可分为微观、中观和宏观3个层面[2]。在微观层面，主要利用风洞模型、CFD流体力学模型等模拟城市局部的通风环境及微气候变化对风速、风向、空气流通等方面的影响[3-4]；在中、宏观层面，主要借助数学模型及计算机参数进行模拟，如借助多孔介质模型、MCR模型、WRF模型和GIS空间技术平台[5-6]等，结合城市的地形、建筑、道路、水系、绿地、气象数据等[7-8]，对城市地表粗糙度、景观格局、天空开阔度等进行评价分析[9-10]，探讨城市通风系数、风道宽度及走向、潜在风道模拟、生态系统服务功能、与城市热环境关系等[11-12]。

本文综合福州市地貌特征及城市空间形态特点等，选取与地表粗糙度相关性较大的城市建筑、路网、水系、绿地、地形等影响因子[13-17]，结合福州市地表温度反演结果，根据局地环流理论[18]识别其作用空间和补偿空间；通过分级赋值和序关系分析法[19]确定通风潜力各影响要素的权重，从宏观层面建立福州市通风潜力综合评价体系，识别通风路径和通风廊道；结合水文流域模型[20]探讨通风廊道路径选线的优化，为城市规划和建设提供参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

福州市位于中国东南沿海，城区东部临海，其他三面被海拔600～1000 m的自然山体所环绕，属于典型的河口型盆地地形，夏季盛行东南方向的海陆风，逆温频率较高，高温湿热，城市热岛效应明显。选取以五虎山、旗山、莲花山和鼓山等围合形成的盆地为研究区，总面积约1759.95 km2。

1.2 研究方法

本文以福州市为研究对象，根据局地环流理论构建福州市通风廊道，将其与福州市地表温度的作用空间和补偿空间进行叠加分析，识别未被通风廊道覆盖的城市“热点”区域。结合水文流域模型，将生成的通风潜力流域图与通风廊道进一步叠加分析，对福州市通风廊道的路径选线进行优化，提升通风廊道对改善城市热环境的生态效益，具体步骤如图1所示。

图1 通风廊道构建流程

研究数据及获取方法如下:土地分类数据由福州市2019年2.5 m高精度谷歌地图影像(Google地图资源共享平台下载)，结合《土地利用现状分类》(GB/721010—2017)分为林地、建设用地、道路、水体、农田、草地、未利用地，分类精度89.84%，Kappa系数0.85。地表温度数据由2019年09月22日Landsat8 OLI遥感影像(美国地质调查局网站下载)根据辐射传输方程法反演获取[21]。风玫瑰图由福州市气象局官网下载的2009—2019年的10年气象数据通过EXCLE软件计算生成；2019年建筑矢量数据、《福州市城市总体规划(2010—2020年)》 《福州新区总体规划(2015—2020年)》 《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》 《福州市中心城区综合交通总体规划(2011—2020年)》等来源于福州市规划局网站；90 m分辨率数字高程影像来源于中国地理空间数据云网站，其影像噪声低、几何形变小，研究区内云量低于2%，符合研究精度要求。

2 结果与分析

2.1 作用空间和补偿空间的识别

通过ENVI软件平台，将反演的福州地表温度按自然断点法划分为6个区间的空间分布:28°以下、28°～31°、31°～34°、34°～37°、37°～40°和40°以上，据此识别城市地表温度的补偿空间和作用空间。其总体空间分布格局为中东部“热”、西北部“冷”。中东部区域密集分布作用空间，主要为老城区、住宅密集区、中央商务区、工业园区、大型交通枢纽等，人口密集，人为排放热源量大，建筑高而密，绿地少而碎；西北部区域大量分布补偿空间，主要为五虎山、旗山、莲花山、鼓山等分布的成片林地，以及郊区大面积的农田、水库和湿地等，是新鲜冷空气的主要来源。另外，闽江一分为二穿城而过，将来自东南方向风源口的湿润低温的海陆风引入城区，这是最重要的空气引导通道。

2.2 通风潜力影响要素分析

利用ArcGIS平台，按《民用建筑设计通则》(GB50352-2005)标准，结合福州市行政区划和2019年建筑矢量数据，计算每个区划单元的平均建筑密度和平均建筑高度；按《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)标准，结合2019年福州市高德地图和城市路网矢量基础数据，通过数据清洗和处理分析，将城市道路宽度分为0～6 m、6～22 m、22～43 m、43～120 m、120～232 m共5个等级；根据福州市数字高程数据，通过异常值剔除，将高程分为0～27 m、27～54 m、54～100 m、100～200 m、＞200 m共5个等级，坡度分为0°～6.9°、6.9°～15.9°、15.9°～24.9°、24.9°～35.4°、35.4°～76.5°共5个等级；由土地分类数据提取城市绿地和水系，计算面状绿地(水系)和带状绿地(水系)分级结果。由分级赋值法和序关系分析法获得通风潜力9个因子的权重值，建立福州市通风潜力综合评价体系(表1)。

表1 福州市通风潜力影响要素综合评价体系

由表1可知，赋值分数越高，权重越大，通风阻力越小，越有利于风的流通。通风潜力由大到小依次为:城市路网＞带状水系＞面状水系＞平均建筑高度＞平均建筑密度＞带状绿地＞高程＞面状绿地＞坡度。城市道路和水系更利于通风廊道的形成；城市建筑受各行政分区面积大小的影响，在城市周边的权重值较大，而在中心城区的权重却较小，因而不利于空气的流通；带状绿地的权重值比面状绿地的优势明显，应将点状绿地串点成线，引导风的流通；高程和坡度的值最小，不利于形成通风路径。

利用ArcGIS平台，将9个影响因子叠加生成通风潜力综合影响要素图(图2)表明:颜色越浅，说明风流通的综合阻力值越高，风流通的潜力越小；颜色越深，风流通的潜力越大。从空间分布看，通风潜力最明显的区域是闽江和乌龙江，与城市主干路网构成通风路径骨架。在建筑稀疏、农林用地成片、水网密集的城郊及临海区域，通风阻力较小，利于空气引导通道的形成；在火车北站、省体中心、东街口、五一广场、台江万宝商圈、仓山万达商圈、上三路师大程埔头片区、白湖亭等区域，由于人口和建筑密集、水系和绿地较少，通风阻力较大，不利于通风路径的形成。

图2 通风潜力综合因子影响因素

2.3 通风廊道空间分布特征

以福州市夏季主导风向和补偿空间为风源点、以通风潜力综合阻力面为作用面，与城市作用空间进行叠加，生成两级共5条通风廊道(图3)。

图3 福州市通风廊道空间分布

一级通风廊道2条，是引导外部新鲜冷空气进入城区的最重要通道，极大地缓解了主城区的热岛效应。第1条从闽江入海口为起点，沿闽江流域从马尾方向进入主城区；第2条从东南方向的长乐滨海新城为起点，穿过长乐营前进入主城区。两者在三江口交汇后一分为二，其中一条主风道沿闽江穿城而过，另一条主风道沿乌龙江穿城而去，在淮安大桥处合二为一，沿闽江方向直至闽侯甘蔗县城。

二级通风廊道共3条，将新鲜冷空气进一步向主城区“渗透”，调节主城区的风环境和热环境。第1条风道路径为长乐天台山公园—长乐老城区—马尾亭江—鼓山，从鼓山和沿海方向导入城区，通过风的流通带走城市中的大量热量及温室气体；第2条风道路径为乌龙江—大樟溪流域，将沿线大片农林用地生成的冷空气通过道路和水系等引入城区，改善闽侯县高新区、南屿镇和青口工业园区的热环境；第3条风道路径为闽江荆溪段—闽侯甘蔗—京台高速—三叠井森林公园，极大地改善了闽侯甘蔗县城的热环境，提升了城区的热舒适度。

2.4 通风廊道优化

根据初步构建的福州市通风廊道的空间分布特征，通风廊道的数量、等级、路径生成的精准化和定量化选线等方面均存在明显不足，未能有效覆盖中心城区的“热点”区域，对主城区热岛问题的改善不够明显，需进一步优化。利用ArcGIS平台，基于水文流域模型，将通风潜力综合影响因素图生成风道流域图(图4)。通过对风道流域等级划分进行综合对比分析，最终将风道流域分为四级:一级(黑色线性)和二级(蓝色线性)风道流域主要汇聚于闽江和乌龙江流域，风流通的阻力最小，最利于风的通行；三级(黄色线性)和四级(红色线性)风道流域主要分布在闽侯甘蔗、荆溪、高新区、上街大学城、大樟溪流域、马尾亭江、鼓山风景区、长乐营前和滨海新城等区域，主要沿河道、城市主干道路等分布。

图4 综合因子水文模拟潜在风道流域

将通风廊道与城市地表温度、风道流域叠加，形成三级共15条通风廊道:一级通风廊道2条，与原通风廊道路径基本保持一致；二级8条，以城市主次干路和密布的内河网络为载体；三级5条，主要由一级和二级风道分支而成，是新鲜冷空气进入城区内部的主要路径。与优化前相比，廊道等级由两级提升为三级，廊道总数量新增了10条，二级、三级各新增5条；同时，对廊道的路径选线进行修正和精准定位。优化后的通风廊道的总体空间布局更加合理，对城市“热点”区域覆盖更加全面，对城市内部风环境和热环境的改善作用更加明显(图5、表2)。结合《福州市城市总体规划(2010—2020年)》《福州新区总体规划(2015—2020年)》《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福州市中心城区综合交通总体规划(2011—2020年)》等进行用地性质校核，论证其合理性，结果表明，通风廊道的路径符合城市用地的总体规划，与城市绿地和城市路网的总体规划相吻合。

图5 福州市通风廊道

表2 福州市通风廊道分级统计

3 结论与建议

3.1 结论

本文根据福州市地表温度作用空间和补偿空间的识别结果，得出研究区地表温度的整体空间分布格局呈中东部“热”、西北部“冷”的特征。地表温度越低，说明补偿空间越明显，地表温度越高，说明作用空间越明显。根据局地环流理论，结合夏季主导风向，利用水文流域模型优化，设计新增10条通风廊道，其中二级、三级各新增5条；同时，通过对廊道的路径选线和定位进行修正发现，通风廊道的总体空间布局更加合理，对城市“热点”区域覆盖更加全面，对缓解城市热岛效应更加明显。

3.2 建议

根据当前福州市东扩南进的城市发展策略和现状，建议从2个方面推进主要风源口和重要通风路径的保护与优化。

1)风源和风口的管控。闽江入海口和夏季盛行的东南海陆风、盆地西面和南面生成的山谷季风为风的流通提供导入口，是改善城区空气流通的主风源。在政府层面，应出台相应的法规对其进行严控和保护；在规划建设层面，严禁设立污染型工业园区，严控建筑容积率和建筑高度，控制开发强度，合理分配土地使用类型，充分考虑建筑密度、建筑高度、建筑朝向和建筑排列方式等对通风廊道的影响，越靠近城市边缘区，建筑高度应越低，在主风口200 m范围内可采用斜列式和并列式相结合的建筑布局形式，建筑间距应保持在30～50 m。

2)主风道的管控。结合城市总体规划，对优化的通风廊道途经路线进行合理疏通和严格保护，严控通风廊道的宽度和走向。在城区外围的大面积自然林地、农田和水体等开阔区域，规划宽度800 m以上理想的自然风源通风廊道，侧重保护盛行主导风向沿线的区域。城市规划的道路走向应尽量与主要通风廊道平行，与主导风向的夹角应小于45°，增加建设区与公共开敞空间的相交程度。