楊 浩， 孟 娜， 張 輝

(1.北京市社會科學院，北京 100101； 2.北京大學經(jīng)濟學院，北京 100871； 3.北京師范大學政府管理學院，北京 100875)

在2014年3月的全國環(huán)境保護工作會議中國家環(huán)保部首次提出了“最小生態(tài)安全距離(the minimum distance forecological security，MDES)”的概念。這是我國城鎮(zhèn)化進程中治理城市間復合污染問題的全新思路，包含了生態(tài)保護、安全底線、資源承載力和環(huán)境容量的綜合性概念。但迄今為止，學術(shù)界對于“最小生態(tài)安全距離”的實質(zhì)內(nèi)涵還缺乏較為明晰的界定。城市熱環(huán)境作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著城市化進程的加快，城市人口的快速增加，城市建筑密度的大幅提升，以城市熱島效應為代表所引發(fā)的一系列熱環(huán)境負面效用逐漸成為人們關(guān)注的焦點?，F(xiàn)階段城市熱環(huán)境問題已經(jīng)不是單純的氣候環(huán)境問題，而是影響城市化進程和城市生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的重大阻礙[1-6]。因此，測量基于熱環(huán)境視角的城市間最小生態(tài)安全距離，不僅能夠為設(shè)置城市發(fā)展的“剛性界限”和“生態(tài)安全底線”提供理論依據(jù)，還能夠為解決城市集中發(fā)展所顯現(xiàn)出來的城市群熱環(huán)境沖突和疊加等新型環(huán)境問題提供科學參考。

1 相關(guān)研究綜述

劃定城市增長邊界是解決城市空間蔓延帶來熱島效應的有效手段。自20世紀70年代美國俄勒岡州劃定第一條城市增長邊界后，該州的城市由粗放外延式拓展轉(zhuǎn)向內(nèi)涵式發(fā)展。此后，許多國家在城市建設(shè)中受到國際認可的城市“精明增長”等理論的啟發(fā)均通過城市增長邊界方式來劃定調(diào)控城市形態(tài)，以此來提高城市發(fā)展效率與提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[7]。2013年12月中央城鎮(zhèn)化工作會議明確要求根據(jù)區(qū)域自然條件，科學設(shè)置開發(fā)強度，劃定每個城市特別是特大城市的開發(fā)邊界。但是長期以來，我國傳統(tǒng)城市規(guī)劃建設(shè)中大多以人口邊界或經(jīng)濟規(guī)模邊界作為城市增長邊界的判定，進而劃定城市建設(shè)用地擴展的邊界線，卻沒有從真正意義上形成改善和防范城市生態(tài)環(huán)境風險的“生態(tài)環(huán)境邊界”[8]。因此，通過從建設(shè)用地需求“正向”規(guī)劃轉(zhuǎn)向以生態(tài)空間保護為目標的“逆向”規(guī)劃與之結(jié)合，具有重要的科學意義[9]?！秶倚滦统擎?zhèn)化規(guī)劃(2014—2020 年)》中也提出，要把生態(tài)文明建設(shè)理念全面融入城鎮(zhèn)化過程，劃定生態(tài)保護紅線，合理控制城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，促進城市緊湊發(fā)展。因此，通過明確城市間的熱環(huán)境“生態(tài)安全底線”是防范城市空間發(fā)展風險的重要措施，也是本研究的出發(fā)點。

近年來，許多學者從生態(tài)安全等級、格局角度對城市間的生態(tài)安全距離進行了深入的研究。李綏等基于景觀生態(tài)安全格局理論和RS、GIS技術(shù)，選擇地形條件、洪水危害、土壤侵蝕、植被覆蓋、地質(zhì)災害和生物保護6個要素作為城市空間擴展的生態(tài)約束條件，分析了南充市的生態(tài)安全等級分布，得出了南充市市域范圍內(nèi)整體生態(tài)安全狀況較好，低生態(tài)安全水平區(qū)域較集中地分布于市區(qū)南部的嘉陵江下流區(qū)域和城郊西部山地的結(jié)論[10]。胡海德等利用實地調(diào)查和Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建了大連市水土保持、水源保護、防洪3種安全格局，并在具體應用時根據(jù)城市的特點和發(fā)展階段，對3個水平的生態(tài)安全格局進行取舍，最后對生態(tài)安全格局研究的思想和構(gòu)建方法進行了梳理[11]。周銳等以河南省平頂山新區(qū)為例，結(jié)合GIS得到水資源安全、地質(zhì)災害規(guī)避、生物多樣性保護3種單一過程的生態(tài)用地數(shù)據(jù)，應用最小累積阻力模型構(gòu)建了平頂山新區(qū)生態(tài)用地的安全格局。提出了研究區(qū)域內(nèi)最小生態(tài)用地，即底線型生態(tài)用地的面積為88.44 km2，占研究區(qū)總面積的29.35%，緩沖型和理想型生態(tài)用地的面積分別為22.28 km2和43.87 km2的結(jié)論[12]。歐定華等以成都市龍泉驛區(qū)為研究區(qū)，在景觀分類與景觀格局現(xiàn)狀分析、景觀格局變化特征與驅(qū)動因子分析、景觀格局變化潛力與動態(tài)模擬、區(qū)域生態(tài)安全評價與變化趨勢預測研究基礎(chǔ)上，建立基于PSO算法原理的景觀格局空間優(yōu)化模型與算法，對經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護、統(tǒng)籌兼顧3種情景景觀空間布局進行優(yōu)化，提出了一種能有效平衡經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護矛盾關(guān)系的景觀生態(tài)安全格局[13]。江源通等結(jié)合平潭綜合實驗區(qū)總體規(guī)劃，從城市生態(tài)安全角度出發(fā)，在對平潭島生態(tài)環(huán)境本底條件的調(diào)研基礎(chǔ)上，選取與平潭島的城市生態(tài)安全關(guān)系密切的6個關(guān)鍵生態(tài)因子進行深入分析，并通過層次分析法和GIS空間疊置法綜合多要素分析了平潭島的生態(tài)敏感性，最終有針對性地提出了面向新一輪大規(guī)模城市開發(fā)熱潮的平潭島城市生態(tài)安全格局[14]。從已有研究文獻來看，不同學者盡管已注意到城市綠地、景觀格局等因素對城市生態(tài)安全影響顯著[15-20]，但僅從“城市建成區(qū)綠地率、綠化覆蓋率和人均公共綠地面積”數(shù)字指標層面上，采取“分散集團式”原則去考慮城市安全邊界布局，顯然沒有將城市空間特征與空間布局最大生態(tài)效益發(fā)揮出來，這也是現(xiàn)階段城市生態(tài)安全格局研究中普遍存在的缺陷。要合理測算和確定城市之間的生態(tài)安全距離，必須要將城市熱環(huán)境水平作為城市生態(tài)安全的重要變量加以分析，為城市熱環(huán)境自然消解提供預留空間。

2 基于熱環(huán)境的城市間最小生態(tài)安全距離內(nèi)涵

本研究在借鑒城市生態(tài)安全格局與緩沖帶等理論的基礎(chǔ)上，將科學界定基于熱環(huán)境的城市間最小生態(tài)安全距離內(nèi)涵和表現(xiàn)形式，在借鑒城市生態(tài)安全格局與緩沖帶等理論的基礎(chǔ)上，將基于熱環(huán)境的城市間最小生態(tài)安全距離界定為：為防范城市之間熱環(huán)境風險和保障人類宜居環(huán)境，要求城市間承載人類經(jīng)濟社會活動的城市用地間隔一定的距離作為生態(tài)緩沖帶，以最大限度地發(fā)揮生態(tài)用地降溫效益從而消解城市間熱環(huán)境疊加污染。城市之間對于城市用地間隔的最小要求即為城市間“最小生態(tài)安全距離”。

本從簡單到復雜，從理論到實際，從以下3個思路出發(fā)，建立基于熱環(huán)境的城市最小生態(tài)安全距離理論與模型。

2.1 假定城市A、B的內(nèi)部規(guī)劃固定，A位置固定，B位置不定

該思路假設(shè)A、B為相鄰2個建設(shè)用地較為規(guī)則的大型城市(假設(shè)理想情況呈圓形)，并且2個城市的規(guī)模、布局、功能定位一致，熱島中心均處于城市中心位置且均勻向外輻射，輻射能力一致，其中A為已建城市，且位置固定，B為規(guī)劃或擬建城市，其位置待定。

本情景方案如圖1所示，據(jù)此思路構(gòu)建數(shù)學模型如下：

設(shè)城市A的中心坐標為(XA，YA)，半徑為RA。圖1中實線圓環(huán)為城市A的建成區(qū)，虛線圓環(huán)表示城市A的熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)衰減為0，即虛線圓環(huán)外區(qū)域?qū)⒉辉偈艹鞘蠥的熱輻射影響。此時，城市A的建成區(qū)邊緣到熱島效應衰減緩沖帶邊緣的距離為d1。該情景已假設(shè)2個城市的規(guī)模、布局、功能定位一致，熱島信號函數(shù)衰減距離也一致(即d1=d2)，但城市B位置不定，假設(shè)城市B中心坐標為(XB，YB)，半徑為RB。

如果城市B的中心坐標滿足：

(1)

此時，城市A、B的建成區(qū)邊緣的距離即為2個城市的最小生態(tài)安全距離，即d1+d2。其幾何意義為城市A的熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)與城市B的熱島信號函數(shù)UHIB(x,y)同時衰減到0，即UHIA(x,y)+UHIB(x,y)=0，此時2個城市熱輻射影響范圍相切。

因此，計算城市最小生態(tài)安全距離就是計算目標函數(shù)：

(2)

式中：Xa、Ya、Xb和Yb分別為城市A、B建成區(qū)邊緣坐標。

約束條件為：城市A、B之間的熱島信號函數(shù)疊加后的最小熱島強度不超過某一安全閾值I，即：

min{UHIA(x,y)+UHIB(x,y)}

(3)

當城市熱輻射等于背景場溫度時，熱島信號函數(shù)為0，此時城市A、B的熱環(huán)境相互不干擾，即I=0。

該情景對城市最小生態(tài)安全距離進行了幾何學定義，而且在新建城市選址、規(guī)劃新建城市規(guī)模時防止城市間熱環(huán)境交叉污染具有理論價值。

2.2 假定城市A、B的位置和內(nèi)部規(guī)劃固定

該思路假定A和B分別為已建成和規(guī)劃在建的2個相鄰大型城市，且A、B這2個城市間相隔距離固定，城市功能定位、城市熱環(huán)境特征明確，熱島中心均處于城市中心位置且均勻向外輻射。城市A的熱輻射能力固定，城市B不定。在此條件下，根據(jù)A、B城市熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)和UHIB(x,y)衰減距離研判現(xiàn)有建設(shè)或規(guī)劃條件下城市間熱環(huán)境是否存在風險。

本情景如圖2所示，據(jù)此思路構(gòu)建數(shù)學模型如下：

設(shè)城市A的中心坐標為(XA，YA)，半徑為RA。圖2中黑色圓環(huán)為城市A的建成區(qū)，綠色圓環(huán)表示城市A的熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)衰減為0，即圓環(huán)外區(qū)域?qū)⒉辉偈艹鞘蠥的熱輻射影響。此時，城市A的建成區(qū)邊緣到熱島衰減緩沖帶邊緣的距離為d1。設(shè)城市B的中心坐標為(XB，YB)，半徑為RB。假設(shè)城市B的熱環(huán)境特征存在3種情況，即城市B的熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)衰減為0時距離B城市建成區(qū)邊緣的距離分別為d2、d3和d4。

當城市A的熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)與城市B的熱島信號函數(shù)UHIB(x,y)同時衰減到0時，此時d1+d2即為城市A和B的最小生態(tài)安全距離，2個城市熱島衰減緩沖帶圓環(huán)相切(綠色圓環(huán))；當d3d2時(紅色圓環(huán))，即熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)和UHIB(x,y)重疊，2個城市熱島衰減緩沖帶圓環(huán)相交，說明A、B這2個城市熱環(huán)境污染疊加，已發(fā)生熱環(huán)境沖突，必須通過優(yōu)化生態(tài)用地空間布局改善城市熱環(huán)境問題。

該情景對通過最小生態(tài)安全距離判定相鄰城市間是否存在熱環(huán)境風險、挖潛城市增長空間具有理論價值。

2.3 城市形態(tài)不規(guī)則時對模型的修正

以上2種情景均假設(shè)在理想情況下，即2個城市用地形狀規(guī)則，且城市熱環(huán)境輻射均一。但在現(xiàn)實中，絕大多數(shù)城市布局并非如此，而且城市熱環(huán)境空間異質(zhì)性較大。故本情景將假設(shè)A、B這2個城市規(guī)劃建設(shè)用地布局為不規(guī)則的多邊形，且熱環(huán)境輻射也不均一。在此基礎(chǔ)上，按照前述2種情景的思路，測算城市之間基于熱環(huán)境的最小生態(tài)安全距離。

圖3中綠色虛線為城市A熱島信號函數(shù)衰減為0的邊界，紫色虛線為城市B熱島信號函數(shù)衰減為0的邊界。由于城市形狀不規(guī)則且熱環(huán)境異質(zhì)性大，因此當A、B城市熱島信號函數(shù)衰減為0時，并非為簡單的相交、相離或相切關(guān)系。如圖3所示，僅P點為熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)和UHIB(x,y)同時衰減為0的點，即P點到城市A、B建成區(qū)邊緣的最短距離之和為2個城市的最小生態(tài)安全距離。由于A、B這2個城市上半部分建成區(qū)距離較近，因此熱島信號函數(shù)疊加，疊加區(qū)域S1存在熱環(huán)境風險，需要優(yōu)化熱島衰減緩沖區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地格局，區(qū)域S1即為熱環(huán)境風險區(qū)域；A、B這2個城市下半部分建成區(qū)距離較遠，當熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)和UHIB(x,y)衰減為0時，未出現(xiàn)熱島信號函數(shù)疊加，因此區(qū)域S2周圍仍具有城市建設(shè)用地擴展?jié)摿?，即為城市擴展?jié)摿^(qū)。

針對這種情況，利用多智能體模型，選取代表城市用地擴展需求、城市間空間形態(tài)對熱環(huán)境的影響機制、生態(tài)用地空間形態(tài)和布局降溫機制的空間指標作為輸入數(shù)據(jù)，輸出不同城市擴展情景，基于重構(gòu)的城市群熱環(huán)境曲面，尋找最佳生態(tài)安全距離，在熱環(huán)境風險區(qū)域周圍優(yōu)化生態(tài)用地空間配置，針對城市擴展?jié)摿^(qū)域劃定城市增長邊界，以此來進行城市之間的熱環(huán)境調(diào)控。

在圖4中，綠色虛線為土地利用格局優(yōu)化后熱島信號函數(shù)UHIA(x,y)和UHIB(x,y)同時衰減為0的曲線，2個城市邊緣到該曲線的距離之和是最佳生態(tài)安全距離。A、B這2個城市下半部分為城市擴展?jié)摿^(qū)域S3和S4，城市邊緣區(qū)的黑色虛線即為城市增長邊界。在這種城市增長邊界條件下，2個城市距離剛好為最佳生態(tài)安全距離，并且城市建設(shè)用地具有最大的空間擴展?jié)摿Α?/p>

該情景對通過最小生態(tài)安全距離理論研判相鄰城市間是否存在熱環(huán)境風險，對于通過劃定城市增長邊界、優(yōu)化生態(tài)用地布局、調(diào)控城市間熱環(huán)境具有重要的實踐意義。

3 城市間最小生態(tài)安全距離的測算

3.1 城市地表溫度測算

目前，城市熱環(huán)境曲面擬合模擬， 由于其精確、直觀等特點成為目前進行城市空間形態(tài)研究的重要手段之一。熱力系統(tǒng)的地表溫度可以表示為：

Ts(x,y)=Ts1(x,y)+Ts2(x,y)。

(4)

式中：(x,y)分別為像元坐標；Ts(x,y)為地表溫度；Ts1(x,y)為背景溫度；Ts2(x,y)為熱力系統(tǒng)局部熱異常導致的溫度增量。

在研究城市熱島效應時，通?？紤]鄉(xiāng)村地區(qū)地物熱慣性相對穩(wěn)定，將其作為背景場，即地表溫度R(x,y)。如果在R(x,y)溫度背景場上疊加城市地區(qū)熱異常則會表現(xiàn)出城市熱島效應。那么，由城市熱島效應導致的溫度增量Ts2(x,y)定義為熱島信號函數(shù)UHI(x,y)。因此，熱力系統(tǒng)的地表溫度可轉(zhuǎn)換為：

Ts(x,y)=R(x,y)+UHI(x,y)。

(5)

因此，根據(jù)公式(5)，分別抽象出鄉(xiāng)村地表溫度場R(x,y)和熱島信號函數(shù)UHI(x,y)，即可擬合城市熱環(huán)境曲面。

3.2 城市間最小生態(tài)安全距離的測算

為定量測算城市間熱環(huán)境最小生態(tài)安全距離，選取北京與天津2個相鄰城市作為研究區(qū)域，京津2市在區(qū)位上毗鄰，地理位置上處于京津冀城市群的中心地帶，而且在城市空間結(jié)構(gòu)中也處于核心位置，2市之間的經(jīng)濟聯(lián)系遠大于其他城市，是決定和影響整個區(qū)域的經(jīng)濟中樞和增長重心。因此，本研究主要從城市熱環(huán)境視角來測算京津2市在城市發(fā)展進程中導致的城市間“最小生態(tài)安全距離”的變化。

采用2003—2013年10年期間MODIS-LSTs數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為地表溫度數(shù)據(jù)源來生成熱環(huán)境模擬空間曲面，將京津2市的熱環(huán)境模擬空間曲面作為輸入數(shù)據(jù)，進一步測算最小生態(tài)安全距離。由于不同季相地表溫度有明顯差異，為揭示其空間分布特征規(guī)律，需要將地表溫度正規(guī)化處理并通過密度分割技術(shù)，將城市熱環(huán)境進行分級處理。

(6)

式中：Tni表示第i個像元正規(guī)化后的值；Tsi為第i個像元的地表溫度；Tsmax表示城市群地表溫度的最大值；Tsmin表示城市地表溫度的最小值。

通過密度分割技術(shù)將地表溫度劃分為低溫、次低溫、中溫、次高溫和高溫等5個熱力等級(表1)。同時，將次高溫區(qū)和高溫區(qū)作為城市熱島區(qū)域來加以研究。并依此來測量基于熱環(huán)境的城市間最小生態(tài)安全距離。

2003—2013年北京市和天津市的城市熱島面積呈逐年擴大的趨勢，從區(qū)域空間發(fā)展趨勢上來看，呈現(xiàn)出連片發(fā)展的空間分布格局(圖5)，而2市之間的最小生態(tài)安全距離呈現(xiàn)急劇衰減的趨勢(圖6)。2003年北京市城市熱島區(qū)域面積為1 096.98 km2，天津市城市熱島區(qū)域面積為370.32 km2，北京市和天津市最小生態(tài)安全距離為80.76 km。2013年北京市城市熱島區(qū)域面積增加了7 091.08 km2，城市熱島面積為 8 188.06 km2，是2003年的7.46倍，天津市城市熱島區(qū)域面積增加到4 567.54 km2，是2003年的12.33倍，北京市和天津市最小生態(tài)安全距離僅為1.44 km。10年間，北京市和天津市城市熱島面積增長率分別為709.11 km2/年和 349.77 km2/年，最小生態(tài)安全距離衰減率為7.93 km/年。

表1 地表溫度等級區(qū)間劃分標準

注：Tni為正規(guī)化后的像元值，Tmean為正規(guī)化后所有像元平均值，s為溫度標準差。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究在界定熱環(huán)境視角下城市最小生態(tài)安全距離實質(zhì)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)學模型對2003—2013年北京市與天津市的熱島容量及城市最小生態(tài)安全距離進行測算。通過以上分析得出結(jié)論：(1)2003—2013年北京市和天津市城市熱島區(qū)域從空間上逐年接近連片發(fā)展趨勢；(2)10年間，北京市和天津市的城市熱島面積迅速擴大，已由2003年的 1 096.98 km2、370.32 km2，增長為2013年的8 188.06 km2、4 567.54 km2；(3)北京市和天津市的城市間最小生態(tài)安全距離逐年接近，由2003年的80.76 km，急劇衰減為2013年的1.44 km，京、津2市的最小安全距離的演變過程表明區(qū)域熱環(huán)境水平呈逐漸惡化的趨勢。

4.2 討論

目前，國際社會已積極研究預防和解決城市熱島效應的有效方法和措施?！秶抑虚L期科學技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》也對城市熱島效應在其形成機制以及調(diào)控方法等方面的研究提出明確要求。但對城市熱環(huán)境的研究不能僅僅停留在現(xiàn)象的揭示層面，為了保證城市熱環(huán)境治理的科學性、權(quán)威性，必須對熱環(huán)境進行模擬與預測，這就要從熱環(huán)境的形成機制出發(fā)進行深入研究，并在此基礎(chǔ)上提出城市間熱環(huán)境調(diào)控措施，來保障相鄰城市的最小生態(tài)距離處于合理區(qū)間。綜上所述，提出以下政策建議：

(1)建設(shè)城市通風走廊。其原理是在城市邊緣區(qū)域營造一個通風口，將郊外的風引入城市中心區(qū)，以此來增加城市空間的空氣流動性，進而達到緩解城市熱島效應的目的。具體做法是：依據(jù)所在城市的自然地形和地貌，在確定生態(tài)冷源和熱環(huán)境控制區(qū)的相對位置上結(jié)合風向風速玫瑰圖，選擇通風截面較大的街道來建設(shè)城市通風走廊。通風廊道設(shè)置僅適合一些新城建設(shè)，在老城區(qū)改造過程中由于現(xiàn)有景觀格局已經(jīng)形成，建設(shè)進程中會面臨著許多現(xiàn)實困難。

(2)科學規(guī)劃城市綠地系統(tǒng)。對于一些無法改變城市景觀結(jié)構(gòu)的舊城區(qū)可以重點采取對綠地板塊的有效整合，優(yōu)化城市綠地設(shè)計規(guī)范，建設(shè)城市綠地數(shù)據(jù)庫，增種適合的樹木、草地等方式來有效提高城市綠地系統(tǒng)的覆蓋面積與服務效率，從而形成有效的“綠地效應”，削弱和緩解“熱島效應”所帶來的危害。

(3)利用科技手段減少熱污染排放。提倡城市利用太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能等非常規(guī)能源，提高能源效率，倡導低碳經(jīng)濟等，減少熱污染排放。同時，針對城市熱容性較高的瀝青路面和水泥路面，在市政資金充裕的情況下可以考慮逐步改造成生態(tài)透水路面，以此來減少城市“熱島效應”的形成。