我國城市光污染研究回顧

張明宇

(天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

引言

隨著夜景照明建設(shè)的發(fā)展，我國城市及周邊城區(qū)光污染問題逐漸增多，城市居民生活受到光污染影響日益嚴(yán)重。繼四大環(huán)境污染之后(噪聲、廢氣、廢水、廢渣)，光污染已成為新一類環(huán)境污染來源，對人類諸多方面產(chǎn)生較大影響，并呈現(xiàn)增長趨勢。據(jù)研究，90%以上的光污染對人類產(chǎn)生危害，影響人類生活；光污染在日本每年增長12%，在意大利每年增長10%，在德國每年的增長也有6%[1]。我國的光污染危害也呈加重態(tài)勢。

1 光污染研究工作概況

20世紀(jì)90年代初，古為民先生首先在國內(nèi)提出了光污染的概念[2]，并將光污染稱之為“視覺污染”。進入21世紀(jì)以來，光污染的問題引起了以馬劍教授為核心的天津大學(xué)研究團隊的關(guān)注，他們不斷拓展研究光污染領(lǐng)域研究的深度、廣度，在夜天空的檢測與保護、居住區(qū)光污染環(huán)境、照明安全等方面開展了相關(guān)研究，較為系統(tǒng)地分析了光污染的形成與構(gòu)成、光污染的危害與增長以及我國防治光污染的對策與建議，為以后光污染的深入研究打下了堅實的基礎(chǔ)[3]。

1.1 夜天空檢測與保護方面的研究工作

2007年，馬劍教授科研團隊從控制光污染，保護暗天空資源的角度，討論了天空發(fā)亮的原因及其量化評價，并且主要對天津市區(qū)內(nèi)的夜間天空亮度進行了系統(tǒng)的測量與對比，分析得到了夜天空亮度的監(jiān)測方法和夜天空亮度的評價程序與方法；在持續(xù)測量的基礎(chǔ)上，對天津市區(qū)內(nèi)的典型天氣、主要方位、不同時間、不同角度等條件下的夜天空亮度進行了物理測量，對相應(yīng)的測量結(jié)果進行了對比與分析，初步提出了光污染評價程序和基本技術(shù)指標(biāo)[4，5]。

之后，馬劍教授科研團隊進一步從隱性和顯性兩方面分析了城市夜景照明中光污染的表現(xiàn)形式，總結(jié)了光污染對城市環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)以及社會生活所造成的審美效果破壞、安全感降低、美麗夜空消失、能源浪費等6種不良影響。并從控制光污染、保護城市夜間環(huán)境資源的角度，探討了國內(nèi)外4種監(jiān)測夜天空亮度的技術(shù)與方法，以促進我國建立連續(xù)性、系統(tǒng)性、地域性的夜天空亮度測量和治理效果的評價資料。最后，從保護全球生態(tài)、促進夜景照明科學(xué)發(fā)展、建立我國光污染防治研究體系等方面探討了控制和治理城市夜景中光污染的重要性與迫切性[6]。

2011年，馬劍教授團隊將正交設(shè)計試驗的方法運用到城市光環(huán)境污染的研究中，定量地分析探照燈的設(shè)置因素(出射角度、光束截面、光源亮度)對天空輝光的影響以及這種影響隨因素水平的變化，并得到了各因素對天空發(fā)亮的影響次序[7]。

1.2 居住區(qū)光污染環(huán)境的研究工作

2008年，馬劍教授團隊先后發(fā)表了《天津市居住區(qū)夜間光污染現(xiàn)狀調(diào)查研究》和《天津市居住區(qū)夜間光污染評價體系研究》兩篇文章。前者應(yīng)用天津大學(xué)沈天行教授研發(fā)的SM光環(huán)境測試系統(tǒng)對遴選的天津市具有代表性居住區(qū)進行數(shù)據(jù)采集和分析，并結(jié)合天津本地特點，分析了居住區(qū)夜間光污染的表現(xiàn)形式、影響因素以及居民的主觀感受，總結(jié)出了天津市居住區(qū)夜間光污染現(xiàn)狀的特點，為今后城市居住區(qū)光污染評價體系的建立以及相關(guān)規(guī)范的制定提供數(shù)據(jù)支持和參考；后者在前者研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，提出了基于天津市居住區(qū)的光污染評價體系，對于全國其他地區(qū)開展相關(guān)研究有重要的借鑒意義。

2009年，馬劍教授團隊通過對天津、長沙、鄭州三座城市30個居住區(qū)的夜間室外照明情況的調(diào)查，總結(jié)了我國城市居住區(qū)光環(huán)境的現(xiàn)狀和問題，并整理出了城市居住區(qū)光環(huán)境的特點，為以后居住區(qū)光環(huán)境的研究奠定了基礎(chǔ)[8]。

以馬劍教授科研團隊在光污染方面的研究成果顯著，其中馬劍教授共發(fā)表11篇光污染方面的論文，沈天行教授共發(fā)表3篇光污染方面的論文，王立雄教授共發(fā)表12篇光污染方面的論文，王愛英教授共發(fā)表4篇光污染方面的論文等。此外，該科研團隊共培養(yǎng)博士生、研究生10余人，為光污染后續(xù)的進一步研究提供了人才基礎(chǔ)。

1.3 城市照明安全方面的研究工作

2009年，馬劍教授團隊通過模擬動態(tài)光環(huán)境，實驗研究了背景亮度、距離和刺激速度三因素的組合和交叉變化對人的視覺、心理、情緒的影響，得到了動態(tài)干擾光對人的心理感受和情緒反應(yīng)干擾程度要比對人的視覺功能干擾強烈和影響被試總干擾評價水平的實驗因素次序的研究成果[9]。該文也是首次關(guān)注了動態(tài)干擾光的侵?jǐn)_影響，擴大了已有的光污染研究領(lǐng)域。

在此基礎(chǔ)上，馬劍教授團隊進一步擴大光污染的研究對象，結(jié)合生態(tài)學(xué)等研究成果，于2012年較系統(tǒng)地歸納總結(jié)了基于鳥類保護的室外照明光生態(tài)研究相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究動態(tài)，并闡述了人工光照對鳥類影響的實驗研究和鳥類友好型生態(tài)照明應(yīng)用研究的幾個發(fā)展方向，為以后的光污染對動、植物生理影響的研究打下了堅實的理論基礎(chǔ)[10]。有關(guān)光生態(tài)的研究也一直在天津大學(xué)研究團隊進行著。

2 光污染研究的成果

回望過去，之前的相關(guān)研究涉及光污染的方方面面，為之后的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)、研究方向和方法?？v觀當(dāng)前取得的研究成果，我們應(yīng)對光污染這些研究領(lǐng)域進行了更深入的挖掘、拓展深化，做出新的研究成果。

2.1 夜天空檢測與保護方面的研究

2015年，蘇曉明等[11]通過對呼和浩特城市夜空衛(wèi)星圖像進行等級劃分和灰度計算，結(jié)合夜空亮度實地測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，考查了該市夜空亮度水平與影響范圍，建立了該市夜空光環(huán)境檢測模型，該方法解決了小范圍夜空光污染的精確評價問題，為提高城市夜空光污染檢測的效率與精度具有一定意義；郝占國等[12]通過對夜空亮度測量方法進行分類研究，歸納了夜空發(fā)亮研究的三種方法，并依據(jù)對三類測量研究的研究對象、研究過程、研究結(jié)論等方面進行對比分析，指出不同測量研究方法的優(yōu)勢與薄弱環(huán)節(jié)，及其未來發(fā)展方向。

2015年，宋捷翹等[13]通過對武漢市主城區(qū)夜景照明規(guī)劃設(shè)計案例的分析研究，提出在城市夜景照明規(guī)劃中采用包括亮度分區(qū)控制、地區(qū)開發(fā)強度、光色分區(qū)控制、節(jié)能時態(tài)控制四大方面的復(fù)合控制指標(biāo)，并指出可以通過對同一亮度區(qū)域的各項指標(biāo)進行疊加，共同控制，使城市夜景照明分區(qū)指標(biāo)與城市用地性質(zhì)之間實現(xiàn)對應(yīng)和吻合，使城市夜景照明當(dāng)亮則亮，該暗則暗，達(dá)到從規(guī)劃層面指導(dǎo)室外侵?jǐn)_光防治的目的。

2018年，任帥和錢建偉[14]從設(shè)計方案審查角度入手，通過典型案例總結(jié)夜景照明設(shè)計常見的光污染問題，并從設(shè)計范圍、燈具選型、布燈設(shè)計、效果與控制等角度分析光污染問題產(chǎn)生原因，提出了有效的控制措施。

劉鳴、蘇曉明、霍小平等在夜天空檢測與保護方面又做了更深入的研究，不僅完善了天空亮度檢測方法與模型，還運用遙感技術(shù)對光污染展開了應(yīng)用研究，為夜天空檢測技術(shù)的發(fā)展提出了新的思路[15]。

2.2 城市照明安全方面的研究

2.2.1 光污染對城市交通安全的影響研究

2007年，在立交橋道路照明安全方面，王立雄等[16]以CIE技術(shù)報告中相關(guān)條文和推薦技術(shù)參數(shù)為理論依據(jù)，參考國內(nèi)外城市機動車道路照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和實例，歸納出適用于我國城市立交橋的照明質(zhì)量參數(shù)建議值。同時，采用照明模擬計算軟件的方法，從立交橋高稈燈安裝的位置、燈軒間距、安裝高度、光源和燈具的合理選擇、燈具的安裝仰角等幾個方面提出控制城市立交橋干擾光的可行性改進建議。

2008年，牛盛楠等[17]分析總結(jié)了立交橋照明的光污染問題，以綠色照明和節(jié)能為出發(fā)點，針對光源和燈具的合理選擇提出了相應(yīng)的防治立交橋光污染的技術(shù)措施。

2012年，蘇曉明和郝占國[18]通過提取典型環(huán)境特征，建立了81個沿街建筑照明環(huán)境模型，并對光侵害度進行了定義。在對近4000個相關(guān)數(shù)據(jù)分析后，指出了建筑受到光侵害度與建筑立面照度水平、光源燈具特征、燈桿高度和間距特征、燈具到建筑之間距離等因子的密切關(guān)系；并綜合影響因子，利用統(tǒng)計分析原理，提出了光侵害度的計算關(guān)系式，為全面評定建筑受光侵害程度提供了有效依據(jù)。

2012年，劉剛等[19]以天津市區(qū)為例，針對道路交會區(qū)這一特殊的空間，對夜間戶外LED屏的現(xiàn)狀進行實地調(diào)研，以期對戶外 LED顯示屏的現(xiàn)狀有一個初步的了解，對今后在城市道路交會區(qū)如何更科學(xué)合理地使用這種廣告載體，減少其對交通干擾提供一定的參考依據(jù)。

2.2.2 光污染對動植物生理上的影響研究

2013年，杜達(dá)豐等[20]從光對植物生理影響的作用機理，LED 光源特征及其對植物補光作用的應(yīng)用出發(fā)，探討 LED 夜景照明可能對植物生理產(chǎn)生的影響，并提出促進植物生理作用的主要策略。

2017年，劉剛等[21]從人工照明導(dǎo)致候鳥撞擊建筑、干擾鳥類定向機制、破壞鳥類生物節(jié)律以及擾亂鳥類生化指標(biāo)四個方面歸納總結(jié)了光生態(tài)國內(nèi)外研究動態(tài)，并分析了這些研究中所存在的不足。最后闡述了我國候鳥光生態(tài)研究亟待解決的問題與該研究的發(fā)展方向。

王立雄、王愛英、劉剛、黨睿等先后對城市照明安全展開了更為深入的研究，在城市交通安全以及光污染對動、植物生理影響上開創(chuàng)了新的研究方向，發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注，研究成果被相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多次借鑒采用，為城市的照明安全和城市生態(tài)安全做出了顯著的貢獻(xiàn)。

2.3 居住區(qū)光污染方面的研究

2010年，李卓等[22]通過對鄭州典型居住區(qū)進行的實地調(diào)研和主觀評價結(jié)果總結(jié)得出了鄭州居住區(qū)夜間室外光環(huán)境的存在問題和影響因素，為進一步改造、設(shè)計和規(guī)劃居住區(qū)夜景照明環(huán)境提供一定的參考依據(jù)。

2013年，王立雄等[23]從居住區(qū)光環(huán)境檢測研究、居住區(qū)光環(huán)境評價方法研究及居住區(qū)光污染環(huán)境綜合評價研究3個方面概述了該項研究的成果。

2014年，于娟、張明宇、李娜等發(fā)表了《居住建筑光侵?jǐn)_現(xiàn)象初步調(diào)查與研究分析——以天津居住區(qū)調(diào)研為例》《天津市居住建筑光侵?jǐn)_現(xiàn)象的主觀調(diào)查及評價研究》《LED廣告屏對居住建筑形成的典型色光侵?jǐn)_數(shù)據(jù)調(diào)查研究——以天津市為例》《城市居住區(qū)夜間光侵?jǐn)_問題調(diào)查研究》《戶外LED廣告屏色光侵?jǐn)_問題調(diào)查研究》等多篇研究論文，回顧了以往室外侵?jǐn)_光的研究成果和方法，對光侵?jǐn)_的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了廣泛調(diào)查研究，分析光侵?jǐn)_的影響程度和侵?jǐn)_源的類型，確定了侵?jǐn)_源亮度、光色、動態(tài)形式、發(fā)光時間段和發(fā)光面積等主要侵?jǐn)_因素，界定了亮度侵?jǐn)_、色光侵?jǐn)_和動態(tài)侵?jǐn)_3種主要的光侵?jǐn)_類別，并通過評價實驗、模擬實驗進一步研究了侵?jǐn)_光的亮度、色彩問題，據(jù)此給出了光侵?jǐn)_防治的相關(guān)建議指標(biāo)[24]。

以上研究成果使得居住區(qū)光污染方面的研究得到了深化，從單一的調(diào)查評價深入到了實驗?zāi)M階段，獲得了更具實際參考價值的數(shù)據(jù)和建議；同時，居住區(qū)光污染方面的研究范圍也得到了進一步的拓展，結(jié)合亮度、色彩、動態(tài)等多因素的綜合性研究完善了居住區(qū)光污染的研究體系，為提高居民區(qū)夜間光環(huán)境質(zhì)量提供了更為全面的理論和數(shù)據(jù)支撐。

2.4 玻璃幕墻建筑光污染防治方面的研究

建筑玻璃幕墻光污染作為一個新的城市問題，得到了社會的廣泛關(guān)注。與此同時，防治建筑幕墻光污染的方法、方式等研究成果的出現(xiàn)，也對城市環(huán)境的改善有著積極的意義。

2016年，楊偵[25]從反射光的成因出發(fā)，挖掘影響反射光的各類影響因素，全面了解分析反射眩光的影響機理，進而在設(shè)計層面總結(jié)控制反射光的規(guī)律方法。文章實現(xiàn)了對玻璃幕墻建筑反射光的定量化評價研究，不僅對城市玻璃幕墻反射光污染研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究方法，也為實際設(shè)計實踐提供一定的參考依據(jù)。

2017年，楊偵和張明宇[26]為研究如何在建筑設(shè)計階段通過采取設(shè)計措施預(yù)防高強度反射眩光的形成，分析了各具體影響因素的時間、空間分布特點，結(jié)合調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的玻璃幕墻反射眩光的方位、范圍、形態(tài)、強度等指標(biāo)，將各項因素歸納為環(huán)境、建筑形體、材料構(gòu)造三方面因素，并將各因素對應(yīng)于建筑設(shè)計的各個階段，提出了各設(shè)計階段控制玻璃幕墻建筑反射眩光的設(shè)計策略。

2019年，毛鶴群等[27]以上海市光反射評價體系為基礎(chǔ)，對影響道路光反射的建筑設(shè)計因素進行定量分析。在此基礎(chǔ)上，提出對建筑進行優(yōu)化設(shè)計、采用低反射率玻璃和設(shè)置外遮陽裝置等優(yōu)化建議。

2019年，高正文等[28]從光污染對人體健康的危害、交通電子監(jiān)控閃光的負(fù)面影響、城市玻璃幕墻的污染隱患以及光污染對生物多樣性的威脅等方面進行分析，對如何防治城市光污染，逐步解決“城市生態(tài)病”提出了建議。

3 總結(jié)

近年來，國內(nèi)關(guān)注光污染研究的科研人員越來越多，有關(guān)光污染研究的不同方向也得到了很大的拓展，也取得了突出成果和日漸擴大的國際學(xué)術(shù)影響。當(dāng)前，光污染的研究仍然有著巨大的空白和空間。我們應(yīng)堅持以“理論創(chuàng)新”為研究目標(biāo)，不斷探索、系統(tǒng)完善我國光污染領(lǐng)域的研究，提高科研成果的原創(chuàng)性和中國特色，同時注重創(chuàng)新研究方法和技術(shù)手段，有效地進行光污染防止、光環(huán)境保護是光污染研究的未來之路。