從需求識別到模擬驗證：城市街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對溫度的精準調(diào)控

任雨菲

楊鏡立

吳雪飛*

1 背景

為積極應(yīng)對近年來中國高度城市化所暴露的諸多“城市病”，在城市雙修和韌性城市的雙重背景下，綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green Infrastructure，GI)作為一種基于自然的解決方案，輔助、引導(dǎo)和利用自然生命體做功，以適應(yīng)性的方式有效應(yīng)對復(fù)雜挑戰(zhàn)[1]，特別是在城市微氣候調(diào)節(jié)方面具有顯著成效[2]。但GI作為韌性城市在空間上的重要支撐，其靜態(tài)化、控制式的工程設(shè)計途徑會削弱和抑制自然系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，在應(yīng)對擾動或脅迫時顯現(xiàn)出不足，一旦設(shè)計不當，不僅會降低城市韌性，甚至可能造成環(huán)境負擔和生態(tài)系統(tǒng)負面服務(wù)[3]。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需視角劃分降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的優(yōu)先級，可識別城市具體問題甚至具體地塊以提供更精準的調(diào)控策略達到城市可持續(xù)發(fā)展的目標。

首先，降溫調(diào)節(jié)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單項的研究，目前大多是在多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估時作為氣候調(diào)節(jié)指標簡單量化[4-7]，這些評估方法在降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的量化中，缺乏對評估指標的深入探討，難以在微小尺度上精準識別出優(yōu)先實施GI的空間。其次，GI提供降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的能力由生態(tài)系統(tǒng)的遮陰、蒸散和通風(fēng)3項功能決定[8]，由于風(fēng)對GI的冷卻能力的貢獻度評估復(fù)雜，在很大程度上取決于當?shù)氐某鞘袆傂詶l件[9]，因此，本文暫不考慮風(fēng)環(huán)境相關(guān)降溫因素。當前已有較多研究[10-12]探索了微小尺度中GI對周邊微氣候的影響規(guī)律，應(yīng)用仿真模擬軟件評估GI對熱舒適度的影響是最廣泛的，但目前探討實施GI策略時往往由于宏觀環(huán)境直接擇址研究，在一定程度上欠缺對空間識別的依據(jù)，因此這些方法僅作為地方性的改善研究。

因此，本文提出一種城市街區(qū)GI對溫度的精準調(diào)控方法，從需求識別到模擬驗證，形成一套系統(tǒng)性的指導(dǎo)街區(qū)GI建設(shè)的框架，切實緩解街區(qū)高溫問題。

2 研究方法

城市街區(qū)(水平尺度約102～104m)位于城市冠層內(nèi)部，其微環(huán)境(溫濕度等)直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量[13]。城市冠層相對而言是一個微尺度的概念，其定義為建筑物和樹木的表層及頂層和大氣層之間的部分，是典型的人類活動區(qū)域。因此，城市冠層對確保城市中的人類舒適健康和福祉至關(guān)重要[14]。街道是我國最小的行政單元，城市生活網(wǎng)格化管理是一種行政管理改革，將城市管理轄區(qū)按照一定的標準劃分成為單元網(wǎng)格[15]。行政街道與生活網(wǎng)格均屬于本文定義的街區(qū)范疇。

本文提出一套降溫調(diào)節(jié)服務(wù)供需視角下的街區(qū)GI精準調(diào)控的方法，整體框架如圖1所示，分為以下5個步驟。

圖1 調(diào)控方法框架

1)評估。街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)空間優(yōu)先級劃分分為2個層級，即以行政街道作為空間單元，通過高溫風(fēng)險評估對各個行政街道的降溫調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)先級進行排序；再以生活網(wǎng)格作為更小層級的精細化的空間單元，從降溫調(diào)節(jié)服務(wù)供需兩側(cè)，在微尺度中評估降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的額外需求并劃分優(yōu)先級。

2)識別。根據(jù)評估結(jié)果，空間優(yōu)先級排序完成后，可以幫助精準識別出街區(qū)內(nèi)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)額外需求最大的生活網(wǎng)格，將其作為GI精準調(diào)控的目標場地。

3)目標。在微尺度場地中，戶外人體熱舒適度是人類對熱環(huán)境滿意與否的心理狀態(tài)[16]，是評估城市小氣候質(zhì)量的重要參數(shù)[17]。本文選取當前研究最為廣泛且包含氣溫、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度和人為因素影響的生理等效溫度(PET)作為GI調(diào)控策略成效的判斷標準，生理等效溫度高于41℃則被認定為處于高溫風(fēng)險中[18]。因此將PET降低至41℃以下作為場地降溫目標。

4)策略。選取適宜場地的GI調(diào)控策略，由于方案設(shè)計存在多樣性，從GI的配置和結(jié)構(gòu)兩方面的策略進行理論歸納并設(shè)計調(diào)控方案，將之應(yīng)用于識別出的微尺度地塊，改善生活在此空間的居民的戶外熱舒適度。

5)驗證。ENVI-met軟件適合中小尺度的微環(huán)境評估，通過ENVI-met模擬現(xiàn)狀情況，可分析當前場地的空間關(guān)系和熱環(huán)境，在相同初始條件下模擬GI調(diào)控后場地?zé)岘h(huán)境并進行對比分析，完成對GI調(diào)控策略成效的模擬驗證。

2.1 街區(qū)高溫風(fēng)險評估

本文在城市街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)評估中引入自然災(zāi)害研究領(lǐng)域的高溫災(zāi)害脆弱性評價框架(表1)，利用對高溫災(zāi)害脆弱區(qū)域的識別達到對城市行政街道的降溫優(yōu)先級劃分。采用IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)提出的“脅迫性(Hazard，H)-暴露性(Exposure，E)-脆弱性(Vulnerability，V)”的自然災(zāi)害風(fēng)險(Risk，R)評價框架，根據(jù)高溫災(zāi)害評價的公式對高溫災(zāi)害風(fēng)險進行評估，表達式為：

2.2 街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)需求評估

當前大多研究已表明，城市街區(qū)尺度的熱島效應(yīng)由人為熱源、城市三維建筑結(jié)構(gòu)及下墊面3個主要因素共同形成[19-22]。如表1所示，本文選取人類活動強度、街區(qū)空間形態(tài)和下墊面作為一級評價指標，以生活網(wǎng)格為單元，進一步評估街區(qū)內(nèi)部的降溫調(diào)節(jié)服務(wù)需求，精準劃分出降溫優(yōu)先級地塊。

表1 街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)需求評價指標

2.3 街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)供應(yīng)評估

現(xiàn)已有研究證實在城市街區(qū)尺度不同植物群落的綠地及不同植物個體之間提供的生態(tài)績效存在差異[23]，用于量化微小尺度的GI供應(yīng)。本文根據(jù)經(jīng)驗研究量化降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的供應(yīng)，其值通過街區(qū)內(nèi)每種GI的供應(yīng)系數(shù)乘以每個元素的面積求得[23-24]，GI供應(yīng)能力情況如表2所示。

表2 不同類型GI供應(yīng)情況

2.4 熵值賦權(quán)及供需歸一疊加

熵值法就是根據(jù)判斷指標的離散程度來確定指標對系統(tǒng)的影響，通過衡量需求指標在總體公平性的差異程度，采用SPSSAU軟件中的熵值處理操作求得各指標權(quán)重。加權(quán)疊加量化需求后，與供應(yīng)歸一至[0-1]，求差值，并在ArcGIS中進行空間分析，精確查找降溫調(diào)節(jié)服務(wù)額外需求最大的地塊進行調(diào)控。公式如下：

式中，UESdemand表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總需求；UESsupply表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總供應(yīng)；NetUES表示額外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；對于最終的結(jié)果額外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(NetUES)來說，其數(shù)值單位可以表示供需情況，正值表示需大于供，數(shù)值越大，額外需求越強，越指向人類福祉的不利影響；負值則表示GI所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能夠滿足城市居民需求并且支持人類福祉[25-26]。

2.5 ENVI-met模擬驗證

首先，對研究區(qū)進行選點測量微氣候情況，勘察研究區(qū)建成環(huán)境；其次，將研究區(qū)中的微氣候測量值及建成環(huán)境輸入軟件模型，并進行仿真-校準-對比分析，促使模型與真實環(huán)境一致；最后，對改善方案進行模擬，分析改善前后熱舒適度變化情況[34]。

3 研究案例

本文以武漢市武昌區(qū)為例，實證探討城市街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對溫度的精準調(diào)控方法。

3.1 街區(qū)高溫風(fēng)險評估

綜合分析脅迫性、暴露性、脆弱性，其中脆弱性權(quán)重占比最大，為0.386 4，由性別、年齡、經(jīng)濟能力及醫(yī)療資源4項社會性因素組成；脅迫性占比為0.285 0；暴露性占比為0.328 6?？傮w而言，三者的權(quán)重比例相近，與人口直接相關(guān)的指標會占比稍大，熵權(quán)疊加后，武昌各街區(qū)高溫風(fēng)險評估結(jié)果如圖2所示，中華路街區(qū)為降溫需求最大的街區(qū)，為武昌內(nèi)的歷史老街區(qū)，發(fā)展成熟且老舊，人口密度高，綠地匱乏。

圖2 武昌區(qū)街區(qū)高溫風(fēng)險評估圖

3.2 降溫高需求街區(qū)識別

基于武昌內(nèi)部街區(qū)高溫風(fēng)險評估結(jié)果，中華路街區(qū)為降溫需求最大的街區(qū)，將其內(nèi)部依據(jù)城市居民生活網(wǎng)格進行單元劃分，生活網(wǎng)格由建筑、道路、植被或水體組成物理區(qū)域[33]，能夠更加直觀地反映居民生活狀態(tài)和對資源益處的指向，中華路街區(qū)共58個生活網(wǎng)格。

熵權(quán)疊加人類活動強度、下墊面及由多項因子組成的街區(qū)空間形態(tài)，三者權(quán)值比重分別為0.389 3、0.365 8及0.245 0，結(jié)果如圖3所示。當前的降溫需求點主要集中于街區(qū)中心及東部地塊，疊加供應(yīng)量(圖4)后，所得供需總圖(圖5)產(chǎn)生明顯變化。在結(jié)果供需總圖中，西城壕010網(wǎng)格地塊的額外需求最大，其各項指標值都呈降溫高需求態(tài)勢，該網(wǎng)格為老舊生活棚戶區(qū)，居住人口較多，多從事小型商鋪售賣等工作，活動強度大，內(nèi)部的建筑多為2～4層低矮型，整體的建筑密度非常高，容積率較低，網(wǎng)格的GI總量非常少，GI類型多以單喬類型為主，有少量灌木及草本型，在該地塊的居民夏季長期處于高溫風(fēng)險中，因此GI設(shè)計上存在較大的不合理性，亟待改善。

圖3 中華路街區(qū)降溫需求疊加圖

圖4 中華路街區(qū)降溫供應(yīng)圖

圖5 中華路街區(qū)降溫供需總圖

4 街區(qū)GI降溫策略精準調(diào)控

基于上文的識別結(jié)果，本文利用HOBO便攜式氣象站對多個測點距地面1.5m的空氣溫度、相對濕度和風(fēng)速進行觀測，同時利用Testo紅外熱成像儀對測點附近的空間表面溫度進行檢測[35]。所有設(shè)備在觀測前均經(jīng)過嚴格校準。經(jīng)3日數(shù)據(jù)統(tǒng)計校準確定軟件初始數(shù)值，通過ENVI-met仿真軟件模擬2021年8月3日24h氣候情況，并進行擬合驗證。

4.1 現(xiàn)狀概況

通過ENVI-met模擬，現(xiàn)狀熱舒適度空間分布情況如圖6所示，紅線范圍為西城壕010網(wǎng)格，增大建模范圍是為確保紅線范圍氣象數(shù)據(jù)不因邊緣參數(shù)受影響。圖中顏色由藍變紅，表示熱舒適度由好變差，但總體熱舒適度基本超出高溫風(fēng)險線41℃。該研究區(qū)上午10點PET值范圍為35.35～65.07℃，街區(qū)整體的熱環(huán)境十分嚴峻，基于降溫需求的GI調(diào)控十分必要。

圖6 中華路街區(qū)西城壕010地塊現(xiàn)狀PET

本文采用2組GI調(diào)控策略，一是從GI配置情況改善，二是從GI布局結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。

4.2 GI配置調(diào)控

大多實證研究[8，36-37]已確定城市GI的降溫調(diào)節(jié)能力評估可對遮陽和蒸散進行加權(quán)求和，樹冠覆蓋率與陰影之間存在線性關(guān)系[38]。在高密度城市環(huán)境中實施30%左右的綠化覆蓋率，與香港可持續(xù)城市生活空間的相關(guān)研究一致，在一定程度上具有可行性[39]。

西城壕010網(wǎng)格位處高密城市中心，應(yīng)盡可能滿足30%的綠化覆蓋率。通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，場地存在空間狹小、違建設(shè)施多及有歷史街區(qū)保護等問題，因此本文在GI配置調(diào)控上主要以綠地為主，包括居住區(qū)的宅旁綠地、道路綠地和公共綠地，但不宜增設(shè)多重的低矮灌草占用居民有限的戶外空間，主要以增加喬木類型的GI擴大遮陽面積，保證冠層以下的場地使用。保持不變更場地原有設(shè)施的條件下，該研究區(qū)的樹冠覆蓋率可增加到27.26%。模擬結(jié)果如圖7所示，整體的熱舒適度情況變好，但由于場地的客觀條件，可發(fā)揮空間小，中間區(qū)域仍然處于橙紅色檔，即PET未降至41℃以下。

圖7 GI配置策略——PET

4.3 GI結(jié)構(gòu)調(diào)控

由于該街區(qū)本身的物理屬性，通過增加樹冠冠幅，仍未能高效實現(xiàn)降溫目標。本研究在此基礎(chǔ)上，結(jié)合城市更新，適當調(diào)整街區(qū)布局，增設(shè)GI空間。在城市存量發(fā)展的背景下，應(yīng)充分考慮土地資源集約化，用地功能復(fù)合化，同時隨著城市更新的發(fā)展逐步通過用地的置換或動遷實現(xiàn)存量空間的轉(zhuǎn)型[40-41]。

通過實地調(diào)研，本研究對用地和房屋實行適當更新，拆改老舊廢棄建筑，擴大GI空間，形成社區(qū)公園化轉(zhuǎn)型，具體表現(xiàn)為在場地中間位置拆除違建破舊的低矮房屋，形成較大的集會空間，建設(shè)含喬灌草、草坪、小喬等多樣化的復(fù)層結(jié)構(gòu)的社區(qū)公園，并在周圍狹窄巷道內(nèi)適當拆除廢棄設(shè)施，點狀種植喬木形成小型遮陽降溫點。模擬PET如圖8顯示，排除邊界的特殊情況，街區(qū)的整體PET值已低于41℃，基本緩解街區(qū)的高溫風(fēng)險。

圖8 GI結(jié)構(gòu)策略——PET

5 GI調(diào)控策略的效益驗證

本文模擬的網(wǎng)格大小為0.5m×0.5m，平面共32 400個網(wǎng)格，由于設(shè)定了緩沖邊界，排除邊界網(wǎng)格后，共27 390個有效氣候數(shù)據(jù)。如表3所示，該地塊在保持基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不變的條件下，通過GI配置調(diào)控，樹冠覆蓋率可增大到27.26%，接近30%的理想標準，在該情況下，本研究繼續(xù)在相同時空條件下進行ENVI-met模擬，安全區(qū)面積(網(wǎng)格數(shù)據(jù)顯示PET≤41℃)得到了大幅提升，從現(xiàn)狀1 060.5m2的安全面積增加至2 072.5m2，高溫風(fēng)險區(qū)面積從2 233m2減少至1 221m2，高溫風(fēng)險率[高溫風(fēng)險區(qū)面積/(安全區(qū)面積+高溫風(fēng)險區(qū)面積)]從67.80%降至37.07%，降溫效益明顯。但針對此類降溫高需求的情況，需在30%樹冠覆蓋率的基礎(chǔ)上進一步提升，以求達到更好的優(yōu)化效果。

表3 GI降溫成效

進而在城市更新的背景下，僅從研究角度提出一種改善方式，嘗試拆改低矮破舊和無人居住的違建房屋，規(guī)劃出更多的GI空間，改善街區(qū)整體的布局結(jié)構(gòu)。GI結(jié)構(gòu)策略實施后，樹冠覆蓋率增加到38.85%，超出30%樹冠覆蓋率的目標值。與GI配置策略相比，安全區(qū)域面積從2 072.5m2增加到2 680.5m2，得到了大幅提升，高溫風(fēng)險區(qū)面積從1 221.00m2降至1 172.25m2，高溫風(fēng)險率從37.07%降低到30.42%，實現(xiàn)并驗證了街區(qū)GI精準調(diào)控的高成效。

6 結(jié)論與討論

本文聚焦于城市高溫問題，提出了一套適合城市街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施精準調(diào)控的方法，通過綜合考慮生態(tài)要素和社會要素，深化了城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中降溫調(diào)節(jié)服務(wù)這一單項評估的研究，構(gòu)建城市街區(qū)尺度降溫服務(wù)評估框架并進行空間制圖，精準識別出街區(qū)內(nèi)需實施GI調(diào)控策略的優(yōu)先地塊，對其采用相應(yīng)的GI降溫改善策略，并通過ENVI-met模擬驗證策略的有效性。

本文以武漢市武昌區(qū)為例，將街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對溫度精準調(diào)控的方法進行實證探討。通過評估體系識別確定中華路街區(qū)內(nèi)的老舊棚戶區(qū)——西城壕010網(wǎng)格為降溫額外需求最大的地塊，需優(yōu)先進行GI策略調(diào)控，在實地調(diào)研后，首先從GI配置上增大喬木冠幅進行調(diào)節(jié)，雖然有較大的改善效果，但仍未高效實現(xiàn)降溫目標，因此在城市更新理念下對GI結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，拆除老舊廢棄建筑，重構(gòu)GI空間結(jié)構(gòu)，在GI效益驗證對比后發(fā)現(xiàn)，GI降溫策略將高溫風(fēng)險率從67.80%降至30.42%，高溫風(fēng)險面積從2 233m2降至1 172.25m2，實現(xiàn)了較高的改善效益。

本文提出的街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對溫度精準調(diào)控的方法存在以下局限性。首先，該方法是基于最大化降溫成效提出的GI調(diào)控方法，但城市GI建設(shè)過程引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時需要考慮多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其之間的相互作用；其次，提出的降溫調(diào)節(jié)服務(wù)評估體系未來可與國土、區(qū)域尺度進行銜接，構(gòu)建全尺度的評價體系。最后，本文的調(diào)控策略是在GI配置和布局2個大方向上進行探索，未考慮GI形狀、種類等微觀屬性的影響，欠缺多因素情景的探討；在GI布局結(jié)構(gòu)上引入城市更新理念以拆改廢舊設(shè)施擴增GI面積，提出的僅是一種改善角度，未來在落地性的建議研究上，還需結(jié)合具體的城市發(fā)展方向和建設(shè)規(guī)范，在城市存量發(fā)展的背景下研究具體的規(guī)劃指導(dǎo)建議仍需進一步探索。

注：文中圖片均由作者繪制。