城市热岛效应的空间识别与规划应对策略——以长沙市中心城区为例

唐 萍, 方 琴, 凌 典, 周 盼

(1.湖南省国土资源规划院,湖南 长沙 410004;2.湖南省国土空间规划学会,湖南 长沙 410004)

0 引 言

城市热岛是由城市规划建设及运营过程中的各种热过程综合作用形成的一种现象,是世界范围内普遍观察到的气候变化之一[1]。城市热岛对城市环境的持续性施压导致极端天气频繁出现,进而对城市居民的健康造成一定威胁。如何准确识别城市热岛效应的空间特征并在其基础上探究缓解城市热岛效应的方法成为近年来学术界研究的重要方向。

目前国内外学者[2,3]多集中于地表覆盖与热岛效应的关联性研究,关注重点是物质空间的表征,即地表覆盖的景观格局与热岛效应的关系,而并未深入研究城市空间形态的差异如何影响热岛效应,未将空间形态指标进行定量化综合分析,也没有转换成具有可操作性的规划策略。其相应提出的“降低容积率、建筑密度”等策略在城市空间规划中的应用价值十分有限。

最新相关研究[4,5]表明城市热岛与各类空间形态指标的关联性存在空间差异性,即具有相同热岛效应区域的空间形态指标不尽相同。为使城市在未来发展中更具可持续性和灵活性,有必要将城市热岛缓解战略纳入空间规划决策体系,在国土空间规划过程中合理安排布局城市各类要素,有效改变城市热属性,减缓热岛成因的发生强度,进而控制热岛效应。

本文以长沙市中心城区为研究对象,识别研究区内热岛效应分布的空间格局,剖析热岛显著区内不同空间形态产生热岛的主要原因及核心指标,并相应提出降低热岛强度的空间规划应对策略,为国土空间规划实际工作提供理论参考和实践指导。

1 长沙市中心城区热岛效应的空间识别

1.1 研究区概况

长沙市地处湘浏盆地,受亚热带季风控制,夏季气温高、湿度大,地区盛行风弱,城区空气湿热,通风状况不佳。由于中心城区的高强度开发和人口密集分布,城市化进程明显,城市热岛效应显著。为此,本研究选取长沙市中心城区为研究对象,对该区域开展热岛效应研究。研究使用的遥感数据为2020年10月20日长沙市的Landsat8(9个波段的空间分辨率为30 m)影像,根据大气校正法对影像数据处理,通过地表温度反演[5]得到长沙市中心城区的地表温度图(图1)。

1.2 热岛强度计算与识别

热岛强度通常采用热岛强度指数(Urban Heat Island Intensity Index,UHII)进行计算[5],公式为:

(1)

式中:UHIIi为第i个单元的热岛强度;Ti为第i个单元地表温度;n为城郊农田内的有效单元个数;Tcrop为城郊范围内的所有农林用地的平均地表温度,作为热岛强度基准值。

本次研究采用的热岛强度基准值为24.56 ℃,高于基准值的单元被认定为热岛区,计算可得到每个单元的热岛强度。为研究需要,引入500 m×500 m的空间网格对研究区进行均质划分,计算每个网格的平均热岛强度,将其划分为极强热岛区、强热岛区、弱热岛区、弱冷岛区、强冷岛区、极强冷岛区6类区域(图2)。经过全局空间自相关分析,发现研究区热岛强度Moran’I指数[5]高达0.69,表明长沙市中心城区热岛空间上具有较强的集聚性。

图2 研究区热岛强度分区

1.3 热岛的总体空间格局特征

运用GIS的多环缓冲工具,建立以研究区几何中心为圆心、500 m为间隔的同心圆环,统计各圆环内的平均地表温度,并与研究区相交后,形成长沙市中心城区热岛分布圈层图,圈层大致可划分为4个部分:核心(0～4 km)、内环(4～7.5 km)、中环(7～16 km)、外环(16～22 km),总体上从内至外呈现“高—低”相间的热岛圈层分异(图3)。

图3 研究区热岛圈层分布图

核心区包括了五一广场、东塘、火车站等城市功能中心,区域内建筑密集,布局紧凑,具有容积率高、人口密集的特点,在局部范围内形成高强度热岛区,平均热岛强度较高;内环区主要包括长沙城市旧中心城区,各圈层的热岛强度总体表现稳定,该区域受湘江、浏阳河穿插和岳麓山等成片山体绿地影响,且湘江西岸多为教育科研用地,建筑以低层或多层为主,平均热岛强度相对较低;中环区包括长沙主要的工业园区和居住区,工业园区以低层建筑为主,易形成极强热岛区,密集的居住小区进一步加剧了强热岛的形成,平均热岛强度最高,区内冷岛分布较多,景观格局较为复杂,热岛强度在小范围内波动明显;外环区位于主城区边缘,圈层内部用地功能差异显著,区域内植被覆盖度较高,圈层东部和南部外侧工业用地占比高,形成局部极强热岛,其他区域以低层密集的城中村用地和设施农业用地为主,整体热岛强度较低。

1.4 热岛显著区的空间格局

由于平均热岛强度相对较强的区域更具典型性和代表性,因此,本文将选取热岛强度分区中的极强热岛区和强热岛区进行研究。为表述方便,将极强热岛区和强热岛区统称为“热岛显著区”。长沙市中心城区范围内的热岛显著区网格共计460个,占比为13.96%(图4)。

图4 研究区热岛显著区空间格局

从整体空间分布来看,热岛显著区主要集中在东部的长沙经开区、黄花工业园和榔梨工业园,北部的金霞工业园,南部的大托、天心区经开区和雨花经开区,西部的麓谷工业园和麓谷街道等周边,东西南北方向各有分布。城区内部也存在一定量零散的热岛显著区,如五一商业圈、韶山中路沿线等。

从总体空间格局来看,热岛显著区在二环周边沿路拓展,在绕城高速(三环线)周边板块集聚,形成“一纵、二横、三圈”的空间格局。“一纵”为南北向东二环沿线地区;“二横”即太平老街—长沙南站沿线、大托—天心及雨花经济开发区沿线;“三圈”即东部长沙经开区、北部金霞经开区和西部麓谷工业区。

2 热岛显著区的城市空间形态特征

2.1 影响热岛显著区的核心空间形态指标选取

从既有研究文献[6,7]来看,影响热岛效应的空间形态指标主要包括工业用地占比、商业用地占比、常住人口密度、不透水面占比、NDVI、植被覆盖占比、绿地率、建筑密度、建设用地占比、GSVF等,大致可分为建设强度、地表覆盖和功能发展三大类型。本次研究在遵循空间形态指标的客观性、规律性、典型性和冗余性等原则下,通过比较不同热岛显著区中的空间形态功能特征后发现,用地类型占比、不透水面占比、植被覆盖占比、建筑密度和容积率5个指标与热岛显著区之间具有良好的耦合性,对其热岛强度的影响最为明显。因此,可认定为热岛显著区的“核心空间形态指标”(表1)。

表1 影响热岛显著区的核心空间形态指标及数据来源

2.2 不同热岛显著区的空间形态分类特征分析

根据不同热岛显著区的功能发展特点和各空间形态指标平均值,参考Stewart和Oke提出的分类体系(local climate zoncs,LCZ)[8],进一步将热岛显著区划分为高密度商业、高密度居住和低密工业类3类空间形态(图5),其占热岛显著区总面积的比例分别为18%、40%和42%(图6)。

图5 热岛显著区空间形态分类

图6 不同热岛显著区的核心空间形态指标对比图

2.2.1 高密度商业服务类

以商业和公共服务用地为主,聚集餐饮、零售、办公等服务性质的功能,主要分布在湘江东部的核心和中环区,属于强热荷载、弱散热型的空间类型,其空间特征主要表现为高容积率(平均值为1.3)、高层或超高层建筑集中布置、建筑密度高(平均值为0.25)、不透水面占比大(平均值为0.85)、植被覆盖度低(平均值为0.11),建筑材质主要为玻璃钢材、混凝土和石头等。在三种空间形态类型中,该类型的平均不透水面占比和建筑密度最高,平均植被覆盖度和容积率排第二,平均植被覆盖度和建筑密度较其他空间形态类型差异较大,不透水面占比在不同空间形态类型内变化幅度较小。这说明商业和公共服务混合型功能为主导的空间形态受建筑密度和植被覆盖度指标影响更加明显,是产生热岛的最主要原因,区域内生态要素较少,加之较高的容积率和不透水面占比,容易形成极强或强热岛区。

2.2.2 高密度居住类

以居住用地为主的区域属于较强热荷载、弱散热型的空间类型,主要分布在内环和中环区,空间特征主要表现为密集混合的中高层建筑、高容积率(平均值为1.5)、建筑密度较高(平均值为0.16)、不透水面占比较低(平均值为0.69)、植被覆盖度较高(平均值为0.24)、低开放空间,建筑材质主要为水泥、钢材、砖、瓦片和玻璃等。高密度居住类型的平均容积率和植被覆盖度在三种空间形态类型中的排名最高,平均建筑密度排第二,平均不透水面占比最低。区域内虽然存在一定的自然山体,植被较多,但由于建筑紧凑密闭,板状聚合,建筑密度和容积率指标对热岛强度的影响大,从而导致极强或强热岛区的产生。

2.2.3 低密工业类

以工业用地为主的区域主要分布在外环和中环区,属于强热荷载、较弱散热型的空间类型,空间特征主要表现为密集低层建筑、低容积率(平均值为0.43)、低建筑密度(平均值为0.09)、不透水面占比高(平均值为0.79)、低植被覆盖度(平均值为0.08),建筑材质主要为金属、钢材和混凝土等。在三种空间形态类型中,该类型的平均植被覆盖度、建筑密度和容积率排名均位于末位,且与其他两类空间形态差异大,平均不透水面占比处于高位,位列第二。说明以工业功能为主导的低密空间形态受植被覆盖度和不透水面占比指标影响明显,区域内生态要素匮乏,虽然建筑密度和容积率低,但由于工业区属于高蓄热体、绿地少,建筑材质更易大量吸收辐射热,加上工业生产活动中的热排放加剧了工业热岛强度,从而形成极强或强热岛区。

3 空间形态调控策略

基于前文的研究结论,诱发城市热岛效应的核心空间形态指标各有差异,国土空间规划应在寻求改善城市热岛空间整体格局的同时,根据不同类型空间形态提出差异化的引导策略,对功能发展、地表覆盖、建筑强度等方面进行合理设计与布局,缓解或消除城市热岛效应。

3.1 高密度商业服务类调控策略

针对此类型空间形态的调控指标主要为建筑密度、植被覆盖度和风廊。可通过合理控制建筑覆盖率,并采用高低错落形式,适当留出足够的建筑通风廊道,提高区域内垂直方向湍流交换效率,从而强化通风效果。对水体、绿地等生态要素进行合理的景观布局设计,商业区宜适度远离湘江、岳麓山等重要城市冷源或留出通风廊道。开敞空间景观布局应从街道绿化、地面铺装、屋顶覆盖层铺装和大型建筑立面等方面考虑采取适当的措施,以减少热岛效应。避免空调系统低空排热,减少向大气散热。提高常规公交、自行车、步行系统和轨道交通的覆盖率和网络密度,减少私家车的散热量。

3.2 高密度居住类调控策略

该类型空间形态的调控指标主要为建筑密度和容积率。调控从两方面着手,在新城规划布局时,总体规划阶段应充分考虑长沙市众多的天然冷源(山体和水系),实行“低密度空间”的城市发展理念,限制建筑高度在普通水平,引入陆风、水风和谷风进入城区,缓解热岛效应;控制性详细规划阶段设计容积率应符合相关规定,在高容积率条件下,降低建筑密度,建筑平面布置宜采用相对稀疏的高塔型布置方式,以增强通风能力,利于散热。应设置连续的人行道,有通往公共交通站点、邻近住区或主要公共设施的便捷安全的步行线路,与城市步行系统有效连接。在对老旧社区进行“治理”时,应结合城市更新,通过拆除难度较小的低层零散建筑等一系列方法,进行老旧社区微型风廊构造和立体绿化,引风深入,降低街区温度,解决高密度社区的热岛问题。

3.3 低密工业类调控策略

该类型空间形态调控指标主要为植被覆盖度和不透水面占比。规划中应将工业区设置在城市的下风向,并适度远离城市中心,利用夏季盛行风将工业排热与污染带离城区。产业结构配置应以循环经济为导向,宜与邻近的居住或商业区间建立绿化隔离带,隔绝工业区污染、废热向居住区或商业区扩散。推广绿色厂房建设,提高厂房的通风性能,减少空调电耗及空调排热,保证绿化面积,建议厂区非建筑用地的绿化面积不小于非建筑用地面积的50%[9],非绿化地面宜采用透水地面,厂房屋面采用绿化屋面,对于废热排放较大的建筑鼓励采用热回收技术。

4 结 论

本文以长沙市中心城区为研究对象,通过地域圈层分析,识别了长沙市中心城区的现状热岛空间格局,并参考LCZ理论对热岛显著区的空间形态进行了分类与特征分析,获得如下几点主要结论:

(1) 研究区热岛强度从内至外呈现“高—低”相间的热岛圈层,热岛显著区形成“一纵、二横、三圈”的空间格局;

(2) 筛选得到影响热岛显著区热岛强度的核心空间形态指标5个,即不透水面占比、用地类型占比、植被覆盖占比、容积率和建筑密度;

(3) 根据不同热岛显著区核心空间形态指标的差异性,可划分出高密度商业服务、高密度居住和低密度工业3类空间形态;

(4) 不同空间形态热岛显著区形成热岛的原因各不相同,规划过程中应采取差异化的调控策略来降低热岛强度。

本研究一方面丰富了城市热岛空间格局差异性研究成果,另一方面也为国土空间规划和管理提供了更科学的依据。但由于研究仅限于对长沙市中心城区特定气候条件下的研究,对不同气候条件下空间形态对热岛强度的影响研究不足。同时,由于城市空间形态指标的数据收集有限,后续研究将进一步增补或调整,以提高研究的完善度和精准性。