[减缓热岛效应的城市规划措施探讨] 热岛效应和温室效应

　　摘要:城市化进程的加剧带来很多城市问题,城市热岛效应就是其中之一。北京作为一个国家性的大都市,城市热岛效应显著。在利用高分辨率遥感影像结合GIS分析技术研究城市道路、水体、绿地对城市热岛效应影响结果的基础上,从城市布局、道路系统规划、能源规划和生态系统规划等方面探讨了减缓城市热岛效应的可能措施。并从北京市的实际情况出发,分析了采用屋顶绿化和开发森林公园等措施来优化城市热环境的可行性。
　　关键词:热岛效应;城市规划;屋顶绿化;北京市
　　
　　中图分类号:P463.3
　　文献标识码:B
　　文章编号:1005-569X(2010)06-0094-04
　　
　　1 国内外城市热岛效应现状
　　城市热岛效应是指在温度的空间分布图上城市好像是一个温暖的岛屿,即城市的气温明显高于城郊的现象[1]。城市热岛现象的成因与大气污染、生产活动能量释放、高建筑容积率、水体分布、植被和下垫面类型等多种因素相关。城市热岛效应绝非单纯一种温度指标,而是以上多种因子的内涵[2]。
　　国内外的一些大型、特大型城市都明显地存在着城市热岛现象。热岛效应对城市整体带来的危害越来越引起人们的重视,它不仅对城市的生态、环境质量及市民健康产生一定程度的影响,同时也给城市生活带来很大的经济负担。如美国洛杉矶市区,年平均温度比周围农村高0.5~1.5℃,仅在洛杉矶市,约15%的耗电量被用于抵消热岛效应所带来的市区升温,而美国全国为抵消热岛效应而多生产能源的成本每年竟达100亿美元之巨[3];日本东京的热岛效应也很严重,以致于有人提出建议,投巨资在城市地下铺设专用管道,以循环流动的冷水来给城市降温[4]。我国许多大中城市均存在城市热岛现象,而且日趋严重,如北京、上海、兰州等城市[5]。近几十年来,随着城市化进程的加剧,城市道路、建筑等不透水地面的占地面积占整个城市面积的比重越来越多,市区与郊区的温差呈逐年上升的趋势,且在城市整体气温上升的同时,城市热岛强度逐年增强,城市热岛效应面积也在不断扩大。
　　2 城市规划在减缓热岛效应上的作用
　　城市热岛效应的急剧增强,引起了国内外专家的注意,并在大量试验的基础上提出了一些可行的城市规划措施。各地区根据实际情况也纷纷对其城市规划进行了改造,并取得了一定的成效。例如北美地区制定了“凉爽多伦多计划”作为改善城市气候,减缓热岛效应影响的长期应对之策[6];我国的武汉规划六大风道缓解热岛效应等都取得了显著成效[7]。经试验表明人口规模及密度,城市布局形式、道路系统规划、绿化系统规划、能源的供应等等都会影响城市内微气候[8]。因此,在城市规划与改造过程中必须对以下这些方面给予足够的注意。� 2.1 城市布局
　　国际上,以“紧凑城市”(Compact City)为代表的紧凑合理的城市开发建设模式所具备的优势越来越引起城市规划专业领域及有关社会各界的重视[9]。针对我国人口众多而自然资源相对贫乏这一具体条件,紧凑合理的城市开发建设模式在许多方面均比外延式的无序扩张要更为贴近可持续发展的原则[10]。然而紧凑的布局并不是一味的聚集,需考虑到控制人口密度和建筑物密度,在城市可承受的范围内适当的紧凑有利于城市热量循环。在城市布局中建筑物群的布局尤为重要,合理规划和布局建筑群,高层建筑不宜太多。
　　
　　图1 2005年北京市五环内道路、绿地及水体系统对�热岛的缓解作用比较��
　　
　　
　　2.2 道路系统规划
　　道路车辆拥挤是各大城市均出现的问题,汽车排放出来的废气也是城市温室气体的一个主要来源。为减少温室气体的排放,创造良好的城市居民的居住环境,须严格控制机动车的数量,减少尾气排放的热量。公交车尽可能多使用无空气污染的电车。除大力建设地铁外,也可开发地面轻轨交通[11]。
　　为了研究道路系统对城市热岛效应的影响,针对北京市道路的特点,在2004年6月12的影像上选取了东西、南北、斜向三个方向有代表性的道路,并且单独选取二环路为研究对象,对四种不同的道路系统每隔50m建立一个缓冲带,各8个缓冲带,都是从50m延伸到400m,分别研究其对城市热岛效应的影响。图2是2004年6月12日四个方向道路系统对周围温度影响程度统计图。从图中可以看出,斜向路温度降低值大部分是负值,说明斜向路系统对缓解热岛效应效果不明显;而其他道路系统都是正值,说明在一定程度上能够缓解热岛效应,对热岛的分布有一定的阻隔作用。这是因为北京市旧城区的道路大部分是横平竖直的,当季风风向与道路一致时,由于风力作用,热流能够实现有效疏散,对缓解热岛效应确有积极作用。因而只有当道路方向与风向吻合时,才有明显的改善作用。由于风力作用,热流能够实现有效疏散,对缓解热岛效应确有积极作用,因而道路设计应尽量利用此规律。因此除了考虑政府制订的减排策略外,规划设计人员在城市规划中应着重考虑道路系统设计中季风的盛行风向与道路走向的问题。
　　
　　图2 道路系统对周围温度影响程度统计图�
　　2.3 能源规划
　　目前,全球大气中CO2的平均含量约在350ppm左右。在人口密集、工商业发达的大城市中,因燃烧的煤、石油和天然气等化工燃料的量比郊区大,城市大气中CO2比郊区高;有时其CO2的含量可达500ppm[12]。然而现代城市过于依赖石油等化工燃料类能源的弊端越来越明显,除了大量消耗化工燃料会直接产生温室气体外,对宝贵的自然资源无所节制地耗费与可持续发展观念之间的矛盾也日益成为人类社会关注的焦点。尽快制定相应的能源规划及能源政策,尽可能利用不对环境造成恶劣影响,同时又能循环使用的自然能源(又称绿色能源)来取代石油等化工燃料已经成为当务之急。积极推进用风能、太阳能等既能为人类持续利用、又对环境极少产生负面影响的自然能源来逐步取代石油等化工燃料是一种很好的做法,城市规划中应积极采用。
　　2.4 生态系统规划
　　由于植物的光合作用可以吸收空气中的二氧化碳从而直接减少温室气体的排放量,而植物、土壤和水体的蒸发作用又有利于调节城市的微气候,减缓热岛效应,良好的绿化系统除了美化城市环境之外,还在这一方面扮演着极其重要的角色。[13]鉴于此,积极采取相应的生态措施是缓解城市热岛效应的重要举措。
　　2.4.1 增加绿化投入,提高城市绿地覆盖率
　　植物可以通过蒸腾作用,不断从周围环境中吸收大量的热量,从而降低空气温度。研究表明每公顷绿地每天能从环境中吸收大约81.8MJ的热量,相当于1890台功率为1KW的空调的作用[14];此外,由于空气中的粉尘等悬浮颗粒物能大量吸收太阳辐射热,使空气增温,而园林植物能够滞留空气中的尘埃,使空气中的含尘量降低,这样也能缓解热岛效应。因此,必须增加城市绿地面积,扩大城市绿化覆盖率,这样才能缓解城市热岛。有专家认为,一个区域的绿化覆盖率最好达到40%以上[15],才能有效缓解城市热岛效应。
　　2.4.2 选择合理种植结构的树种
　　在绿地的种植结构上,研究结构表明,乔灌草复层结构的绿地降温效果最好,其次为乔草型和灌草型,草坪型最低[16]。在当前城市用地十分紧张的情况下,必须通过优化绿地植物的结构,尽量发展乔灌草复层种植结构,来强化绿地的生态功能,从而使绿地发挥更大的生态效益。
　　2.4.3 绿化带应科学种植
　　道路两旁的绿化带种植并不是越多越好。为了研究绿地对城市热岛效应的影响,在2004年6月12日的影像上选取二环范围及其附近几个绿地覆盖较大的区域,也每隔50m建立一个缓冲带,也是从50m延伸到400m,共8个缓冲带。图3是2004年6月12日绿地对周围温度影响程度统计图,温度降低值都是正值,温度最高降低可达到将近5℃,说明绿地对附近热场分布有明显的改善作用;但是,温度降低呈下降趋势,说明距离越远,绿地对热岛的缓解作用在逐渐减弱;在250~300m这个缓冲带前后,下降趋势趋于平缓,从统计意义上来说,绿地对热岛的缓解作用也是一定限度的。因而建立绿化带时应充分考虑到这一点,以求科学高效的发挥绿化带的生态作用,缓解城市热岛效应。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　图3 绿地对周围温度影响程度统计��
　　2.4.4 保留城区水域面积,增加喷水洒水设施
　　为了研究水体对城市热岛的影响,本实验选取了部分有代表性的几条水系,同样每隔50m建立一个缓冲带,从50m延伸到400m,共8个缓冲带。图4是2004年6月12日水体对周围温度影响程度统计图,温度降低值也都是正值,温度最高降低值达9℃还多,是道路系统可降温最高值的10倍多,接近绿地系统可降温最高值的2倍,说明水体对周围热场分布的改善作用非常显著;但是,同样温度降低呈下降趋势,说明距离越远,水体对热岛的缓解作用也在逐渐减弱;在200~250m这个缓冲带以后,下降趋势也趋于平缓,可以认为水体对热岛的改善作用也是有一定限度的。因而今后在城市建设中,应尽可能保留水域面积,有条件的地方应恢复或疏通一些市内河道,以增加水域面积并通过立法来保证不得随意减少城市水域面积。
　　
　　图4 水系统对周围温度影响程度统计��
　　
　　3 减缓北京市热岛效应的城市规划措施建议
　　3.1 北京市热岛效应现状
　　北京市1 040km2的规划市区范围内,共出现了10个热岛分布区,强、次热岛面积占了总面积的23.91%,其中二环以内热岛面积达到区域面积的53%,三环以内达到43%,四环以内达到42%。在热岛效应明显的区域,气温比城郊高出5℃,近地面温度高出10℃。与之相比较的规划市区以外的郊区,热岛总面积仅占4.87%,热岛强度逐渐呈增强趋势[17]。
　　3.2 相应的城市规划措施
　　通过上述分析,结合北京市城市布局的实际情况,在不改变原有建筑物的前提下,最大程度地改造环境以求减缓热岛效应带给社会的负担,已成为迫在眉睫的事情。本文提出以下措施以缓解北京市的城市热岛效应。
　　(1)绿化屋顶。针对城市高楼林立,占据整个城市的大部分面积,为了很好的利用空间可以采用屋顶绿化方式来增加城市绿化面积。屋顶绿化后,由于绿色屋面与水泥屋面的物理性质截然不同,前者对阳光的反射率比后者大,加上绿色植物的同化作用及遮阳作用,使绿色屋面的净辐射热量远小于未绿化的屋面,同时,绿色屋面因植物的蒸腾和蒸发作用消耗的潜热明显比未绿化的屋面大。这样就使得绿色屋面的贮热量以及地-气间的显热交换量大为减少,从而使绿化屋顶空气获得的热量少,热效应降低,破坏或减弱了城市的“热岛效应”。试验表明,屋顶绿化对“热岛效应”的减弱量可达20%[18],如果普遍推广,就有助于改善城市的气温。
　　(2)道路、桥梁绿化。研究表明城市的主要廊道结构绿化带对缓解城市热岛效应的有效距离为300m,因而道路和桥梁的绿化可以相互交替以600m为一个间隔。在道路两侧种植高大的阔叶植物,在立交桥的空地种植草坪,如果道路两侧有边坡,要对边坡进行绿化等等,总之,尽可能在能够绿化的地方都实现绿化。这样,不但增加了绿地的面积,美化了城市,同时高大树木的阴影在一定程度上也可以缓解城市热岛效应。
　　(3)水体布局。城市水域的功能不仅在于畅通给排水,增加景观,也是调节城市小气候的一个“肺叶”,在某种程度上是绿化无法代替的。城市建设中,应尽可能保留水域面积,增加喷水洒水设施并通过立法来保证不得随意减少城市水域面积。
　　(4)绿地布局。水系统对热场的温度影响是最明显的,影响较小的是绿地系统,但是绿地系统的影响作用是不容小视的,因为在城市中布置一定范围的绿地是相对较容易的,布置绿地不仅造价低,而且符合北京市自然环境的要求,所以要充分利用绿地对温度的影响作用,将有限的绿地进行改造,来强化绿地的生态功能,从而使绿地发挥更大的生态效益。如即将启动的首批五大城市休闲森林公园建设,这五大森林公园全部集中在城八区,公园内将栽植大量成年乔灌木,以形成一个城区森林氧吧,更进一步发挥其生态功能来缓解城市热岛效应。
　　4 结语
　　城市热岛效应已经成为各大城市面临的严重问题,怎样在城市化已具一定规模的情况下减缓城市热岛效应已经成为城市规划者面临的主要问题之一。本文从城市布局、道路系统规划、能源规划和生态系统规划等方面探讨了减缓城市热岛效应的措施,并据北京城市环境问题的现状提出了一些缓解北京市城市热岛效应的方法,结论可为北京城市规划和建设提供依据。
　　
　　
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　　Analysis on Urban Planning Measure to Reduce Urban Heat Island
　　Kang Yanyan, Zhao Changyan, Du Mingyi, Cai Guoyin
　　�(School of Surveying and City Spacial Information Institute. Beijing Institute of Civil
　　Engineering and Architecture, Beijing 100044,China)�
　　Abstract:The intensification of the urbanization process has brought a lot of urban problems. Urban heat island effect is one of them. Beijing, as a national metropolis, urban heat island effect is significant. This paper studiesthe effects of urban roads, water and green space on urban heat island by using high-resolution remote sensing image and the analysis technology of GIS,.Based on these researches the paper analyses the measure of reducing urban heat island from the city layout, road system planning, energy planning and ecosystem planning. Then, taking Beijing as the example, the measures of using roof greening and development forest parks were also analyzed to optimize the thermal environment.
　　Key words:Heat island effect; urban planning; roof greening; Forest Park; Beijing
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