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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

引言

隨著夜景照明建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)城市及周邊城區(qū)光污染問(wèn)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(lái)源，對(duì)人類諸多方面產(chǎn)生較大影響，并呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)研究，90%以上的光污染對(duì)人類產(chǎn)生危害，影響人類生活；光污染在日本每年增長(zhǎng)12%，在意大利每年增長(zhǎng)10%，在德國(guó)每年的增長(zhǎng)也有6%[1]。我國(guó)的光污染危害也呈加重態(tài)勢(shì)。

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(guó)內(nèi)提出了光污染的概念[2]，并將光污染稱之為“視覺(jué)污染”。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，光污染的問(wèn)題引起了以馬劍教授為核心的天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(cè)與保護(hù)、居住區(qū)光污染環(huán)境、照明安全等方面開(kāi)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(zhǎng)以及我國(guó)防治光污染的對(duì)策與建議，為以后光污染的深入研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

1.1 夜天空檢測(cè)與保護(hù)方面的研究工作

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

之后，馬劍教授科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(duì)城市環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)以及社會(huì)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(fèi)等6種不良影響。并從控制光污染、保護(hù)城市夜間環(huán)境資源的角度，探討了國(guó)內(nèi)外4種監(jiān)測(cè)夜天空亮度的技術(shù)與方法，以促進(jìn)我國(guó)建立連續(xù)性、系統(tǒng)性、地域性的夜天空亮度測(cè)量和治理效果的評(píng)價(jià)資料。最后，從保護(hù)全球生態(tài)、促進(jìn)夜景照明科學(xué)發(fā)展、建立我國(guó)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(tuán)隊(duì)將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法運(yùn)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(duì)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(duì)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(tuán)隊(duì)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(píng)價(jià)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)遴選的天津市具有代表性居住區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，并結(jié)合天津本地特點(diǎn)，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(diǎn)，為今后城市居住區(qū)光污染評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)體系，對(duì)于全國(guó)其他地區(qū)開(kāi)展相關(guān)研究有重要的借鑒意義。

2009年，馬劍教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)天津、長(zhǎng)沙、鄭州三座城市30個(gè)居住區(qū)的夜間室外照明情況的調(diào)查，總結(jié)了我國(guó)城市居住區(qū)光環(huán)境的現(xiàn)狀和問(wèn)題，并整理出了城市居住區(qū)光環(huán)境的特點(diǎn)，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(tuán)隊(duì)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(ài)英教授共發(fā)表4篇光污染方面的論文等。此外，該科研團(tuán)隊(duì)共培養(yǎng)博士生、研究生10余人，為光污染后續(xù)的進(jìn)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(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬動(dòng)態(tài)光環(huán)境，實(shí)驗(yàn)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(duì)人的視覺(jué)、心理、情緒的影響，得到了動(dòng)態(tài)干擾光對(duì)人的心理感受和情緒反應(yīng)干擾程度要比對(duì)人的視覺(jué)功能干擾強(qiáng)烈和影響被試總干擾評(píng)價(jià)水平的實(shí)驗(yàn)因素次序的研究成果[9]。該文也是首次關(guān)注了動(dòng)態(tài)干擾光的侵?jǐn)_影響，擴(kuò)大了已有的光污染研究領(lǐng)域。

在此基礎(chǔ)上，馬劍教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大光污染的研究對(duì)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(niǎo)類保護(hù)的室外照明光生態(tài)研究相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，并闡述了人工光照對(duì)鳥(niǎo)類影響的實(shí)驗(yàn)研究和鳥(niǎo)類友好型生態(tài)照明應(yīng)用研究的幾個(gè)發(fā)展方向，為以后的光污染對(duì)動(dòng)、植物生理影響的研究打下了堅(jiān)實(shí)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行著。

2 光污染研究的成果

回望過(guò)去，之前的相關(guān)研究涉及光污染的方方面面，為之后的進(jìn)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(duì)光污染這些研究領(lǐng)域進(jìn)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(cè)與保護(hù)方面的研究

2015年，蘇曉明等[11]通過(guò)對(duì)呼和浩特城市夜空衛(wèi)星圖像進(jìn)行等級(jí)劃分和灰度計(jì)算，結(jié)合夜空亮度實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(cè)模型，該方法解決了小范圍夜空光污染的精確評(píng)價(jià)問(wèn)題，為提高城市夜空光污染檢測(cè)的效率與精度具有一定意義；郝占國(guó)等[12]通過(guò)對(duì)夜空亮度測(cè)量方法進(jìn)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(duì)三類測(cè)量研究的研究對(duì)象、研究過(guò)程、研究結(jié)論等方面進(jìn)行對(duì)比分析，指出不同測(cè)量研究方法的優(yōu)勢(shì)與薄弱環(huán)節(jié)，及其未來(lái)發(fā)展方向。

2015年，宋捷翹等[13]通過(guò)對(duì)武漢市主城區(qū)夜景照明規(guī)劃設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)強(qiáng)度、光色分區(qū)控制、節(jié)能時(shí)態(tài)控制四大方面的復(fù)合控制指標(biāo)，并指出可以通過(guò)對(duì)同一亮度區(qū)域的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(qián)建偉[14]從設(shè)計(jì)方案審查角度入手，通過(guò)典型案例總結(jié)夜景照明設(shè)計(jì)常見(jiàn)的光污染問(wèn)題，并從設(shè)計(jì)范圍、燈具選型、布燈設(shè)計(jì)、效果與控制等角度分析光污染問(wèn)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(cè)與保護(hù)方面又做了更深入的研究，不僅完善了天空亮度檢測(cè)方法與模型，還運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)光污染展開(kāi)了應(yīng)用研究，為夜天空檢測(cè)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(duì)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(bào)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(guó)內(nèi)外城市機(jī)動(dòng)車(chē)道路照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例，歸納出適用于我國(guó)城市立交橋的照明質(zhì)量參數(shù)建議值。同時(shí)，采用照明模擬計(jì)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(gè)方面提出控制城市立交橋干擾光的可行性改進(jìn)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(wèn)題，以綠色照明和節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)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(guó)[18]通過(guò)提取典型環(huán)境特征，建立了81個(gè)沿街建筑照明環(huán)境模型，并對(duì)光侵害度進(jìn)行了定義。在對(duì)近4000個(gè)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(jì)分析原理，提出了光侵害度的計(jì)算關(guān)系式，為全面評(píng)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(duì)道路交會(huì)區(qū)這一特殊的空間，對(duì)夜間戶外LED屏的現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，以期對(duì)戶外 LED顯示屏的現(xiàn)狀有一個(gè)初步的了解，對(duì)今后在城市道路交會(huì)區(qū)如何更科學(xué)合理地使用這種廣告載體，減少其對(duì)交通干擾提供一定的參考依據(jù)。

2.2.2 光污染對(duì)動(dòng)植物生理上的影響研究

2013年，杜達(dá)豐等[20]從光對(duì)植物生理影響的作用機(jī)理，LED 光源特征及其對(duì)植物補(bǔ)光作用的應(yīng)用出發(fā)，探討 LED 夜景照明可能對(duì)植物生理產(chǎn)生的影響，并提出促進(jìn)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(niǎo)撞擊建筑、干擾鳥(niǎo)類定向機(jī)制、破壞鳥(niǎo)類生物節(jié)律以及擾亂鳥(niǎo)類生化指標(biāo)四個(gè)方面歸納總結(jié)了光生態(tài)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，并分析了這些研究中所存在的不足。最后闡述了我國(guó)候鳥(niǎo)光生態(tài)研究亟待解決的問(wèn)題與該研究的發(fā)展方向。

王立雄、王愛(ài)英、劉剛、黨睿等先后對(duì)城市照明安全展開(kāi)了更為深入的研究，在城市交通安全以及光污染對(duì)動(dòng)、植物生理影響上開(kāi)創(chuàng)了新的研究方向，發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，在國(guó)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(guò)對(duì)鄭州典型居住區(qū)進(jìn)行的實(shí)地調(diào)研和主觀評(píng)價(jià)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(wèn)題和影響因素，為進(jìn)一步改造、設(shè)計(jì)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(cè)研究、居住區(qū)光環(huán)境評(píng)價(jià)方法研究及居住區(qū)光污染環(huán)境綜合評(píng)價(jià)研究3個(gè)方面概述了該項(xiàng)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(píng)價(jià)研究》《LED廣告屏對(duì)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(wèn)題調(diào)查研究》《戶外LED廣告屏色光侵?jǐn)_問(wèn)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(duì)光侵?jǐn)_的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)態(tài)形式、發(fā)光時(shí)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(dòng)態(tài)侵?jǐn)_3種主要的光侵?jǐn)_類別，并通過(guò)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了侵?jǐn)_光的亮度、色彩問(wèn)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(píng)價(jià)深入到了實(shí)驗(yàn)?zāi)M階段，獲得了更具實(shí)際參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和建議；同時(shí)，居住區(qū)光污染方面的研究范圍也得到了進(jìn)一步的拓展，結(jié)合亮度、色彩、動(dòng)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(gè)新的城市問(wèn)題，得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。與此同時(shí)，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(duì)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(jī)理，進(jìn)而在設(shè)計(jì)層面總結(jié)控制反射光的規(guī)律方法。文章實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃幕墻建筑反射光的定量化評(píng)價(jià)研究，不僅對(duì)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(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)階段通過(guò)采取設(shè)計(jì)措施預(yù)防高強(qiáng)度反射眩光的形成，分析了各具體影響因素的時(shí)間、空間分布特點(diǎn)，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(qiáng)度等指標(biāo)，將各項(xiàng)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(duì)應(yīng)于建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，提出了各設(shè)計(jì)階段控制玻璃幕墻建筑反射眩光的設(shè)計(jì)策略。

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

2019年，高正文等[28]從光污染對(duì)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(duì)生物多樣性的威脅等方面進(jìn)行分析，對(duì)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(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)注光污染研究的科研人員越來(lái)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(kuò)大的國(guó)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(jiān)持以“理論創(chuàng)新”為研究目標(biāo)，不斷探索、系統(tǒng)完善我國(guó)光污染領(lǐng)域的研究，提高科研成果的原創(chuàng)性和中國(guó)特色，同時(shí)注重創(chuàng)新研究方法和技術(shù)手段，有效地進(jìn)行光污染防止、光環(huán)境保護(hù)是光污染研究的未來(lái)之路。