任雨菲
楊鏡立
吳雪飛*
為積極應(yīng)對(duì)近年來(lái)中國(guó)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(duì)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(jì)途徑會(huì)削弱和抑制自然系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,在應(yīng)對(duì)擾動(dòng)或脅迫時(shí)顯現(xiàn)出不足,一旦設(shè)計(jì)不當(dāng),不僅會(huì)降低城市韌性,甚至可能造成環(huán)境負(fù)擔(dān)和生態(tài)系統(tǒng)負(fù)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(jí),可識(shí)別城市具體問(wèn)題甚至具體地塊以提供更精準(zhǔn)的調(diào)控策略達(dá)到城市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。
首先,降溫調(diào)節(jié)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單項(xiàng)的研究,目前大多是在多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估時(shí)作為氣候調(diào)節(jié)指標(biāo)簡(jiǎn)單量化[4-7],這些評(píng)估方法在降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的量化中,缺乏對(duì)評(píng)估指標(biāo)的深入探討,難以在微小尺度上精準(zhǔn)識(shí)別出優(yōu)先實(shí)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(xiàng)功能決定[8],由于風(fēng)對(duì)GI的冷卻能力的貢獻(xiàn)度評(píng)估復(fù)雜,在很大程度上取決于當(dāng)?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(dāng)前已有較多研究[10-12]探索了微小尺度中GI對(duì)周邊微氣候的影響規(guī)律,應(yīng)用仿真模擬軟件評(píng)估GI對(duì)熱舒適度的影響是最廣泛的,但目前探討實(shí)施GI策略時(shí)往往由于宏觀環(huán)境直接擇址研究,在一定程度上欠缺對(duì)空間識(shí)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(duì)溫度的精準(zhǔn)調(diào)控方法,從需求識(shí)別到模擬驗(yàn)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(shí)緩解街區(qū)高溫問(wèn)題。
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(duì)而言是一個(gè)微尺度的概念,其定義為建筑物和樹(shù)木的表層及頂層和大氣層之間的部分,是典型的人類(lèi)活動(dòng)區(qū)域。因此,城市冠層對(duì)確保城市中的人類(lèi)舒適健康和福祉至關(guān)重要[14]。街道是我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)調(diào)控的方法,整體框架如圖1所示,分為以下5個(gè)步驟。
圖1 調(diào)控方法框架
1)評(píng)估。街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)空間優(yōu)先級(jí)劃分分為2個(gè)層級(jí),即以行政街道作為空間單元,通過(guò)高溫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)各個(gè)行政街道的降溫調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序;再以生活網(wǎng)格作為更小層級(jí)的精細(xì)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(píng)估降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的額外需求并劃分優(yōu)先級(jí)。
2)識(shí)別。根據(jù)評(píng)估結(jié)果,空間優(yōu)先級(jí)排序完成后,可以幫助精準(zhǔn)識(shí)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(zhǔn)調(diào)控的目標(biāo)場(chǎng)地。
3)目標(biāo)。在微尺度場(chǎng)地中,戶外人體熱舒適度是人類(lèi)對(duì)熱環(huán)境滿意與否的心理狀態(tài)[16],是評(píng)估城市小氣候質(zhì)量的重要參數(shù)[17]。本文選取當(dāng)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(biāo)準(zhǔn),生理等效溫度高于41℃則被認(rèn)定為處于高溫風(fēng)險(xiǎn)中[18]。因此將PET降低至41℃以下作為場(chǎng)地降溫目標(biāo)。
4)策略。選取適宜場(chǎng)地的GI調(diào)控策略,由于方案設(shè)計(jì)存在多樣性,從GI的配置和結(jié)構(gòu)兩方面的策略進(jìn)行理論歸納并設(shè)計(jì)調(diào)控方案,將之應(yīng)用于識(shí)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(yàn)證。ENVI-met軟件適合中小尺度的微環(huán)境評(píng)估,通過(guò)ENVI-met模擬現(xiàn)狀情況,可分析當(dāng)前場(chǎng)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(chǎng)地?zé)岘h(huán)境并進(jìn)行對(duì)比分析,完成對(duì)GI調(diào)控策略成效的模擬驗(yàn)證。
本文在城市街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)評(píng)估中引入自然災(zāi)害研究領(lǐng)域的高溫災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)框架(表1),利用對(duì)高溫災(zāi)害脆弱區(qū)域的識(shí)別達(dá)到對(duì)城市行政街道的降溫優(yōu)先級(jí)劃分。采用IPCC(聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì))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(xiǎn)(Risk,R)評(píng)價(jià)框架,根據(jù)高溫災(zāi)害評(píng)價(jià)的公式對(duì)高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,表達(dá)式為:
當(dāng)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(gè)主要因素共同形成[19-22]。如表1所示,本文選取人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度、街區(qū)空間形態(tài)和下墊面作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),以生活網(wǎng)格為單元,進(jìn)一步評(píng)估街區(qū)內(nèi)部的降溫調(diào)節(jié)服務(wù)需求,精準(zhǔn)劃分出降溫優(yōu)先級(jí)地塊。
表1 街區(qū)降溫調(diào)節(jié)服務(wù)需求評(píng)價(jià)指標(biāo)
現(xiàn)已有研究證實(shí)在城市街區(qū)尺度不同植物群落的綠地及不同植物個(gè)體之間提供的生態(tài)績(jī)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(yàn)研究量化降溫調(diào)節(jié)服務(wù)的供應(yīng),其值通過(guò)街區(qū)內(nèi)每種GI的供應(yīng)系數(shù)乘以每個(gè)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(lèi)型GI供應(yīng)情況
熵值法就是根據(jù)判斷指標(biāo)的離散程度來(lái)確定指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響,通過(guò)衡量需求指標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(duì)于最終的結(jié)果額外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(NetUES)來(lái)說(shuō),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(qiáng),越指向人類(lèi)福祉的不利影響;負(fù)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(lèi)福祉[25-26]。
首先,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行選點(diǎn)測(cè)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(cè)量值及建成環(huán)境輸入軟件模型,并進(jìn)行仿真-校準(zhǔn)-對(duì)比分析,促使模型與真實(shí)環(huán)境一致;最后,對(duì)改善方案進(jìn)行模擬,分析改善前后熱舒適度變化情況[34]。
本文以武漢市武昌區(qū)為例,實(shí)證探討城市街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)溫度的精準(zhǔn)調(diào)控方法。
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(jì)能力及醫(yī)療資源4項(xiàng)社會(huì)性因素組成;脅迫性占比為0.285 0;暴露性占比為0.328 6。總體而言,三者的權(quán)重比例相近,與人口直接相關(guān)的指標(biāo)會(huì)占比稍大,熵權(quán)疊加后,武昌各街區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)評(píng)估圖
基于武昌內(nèi)部街區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jìn)行單元?jiǎng)澐?,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(duì)資源益處的指向,中華路街區(qū)共58個(gè)生活網(wǎng)格。
熵權(quán)疊加人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度、下墊面及由多項(xiàng)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(dāng)前的降溫需求點(diǎn)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(xiàng)指標(biāo)值都呈降溫高需求態(tài)勢(shì),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(mài)等工作,活動(dòng)強(qiáng)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(lèi)型多以單喬類(lèi)型為主,有少量灌木及草本型,在該地塊的居民夏季長(zhǎng)期處于高溫風(fēng)險(xiǎn)中,因此GI設(shè)計(jì)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
基于上文的識(shí)別結(jié)果,本文利用HOBO便攜式氣象站對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)距地面1.5m的空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速進(jìn)行觀測(cè),同時(shí)利用Testo紅外熱成像儀對(duì)測(cè)點(diǎn)附近的空間表面溫度進(jìn)行檢測(cè)[35]。所有設(shè)備在觀測(cè)前均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)。經(jīng)3日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)校準(zhǔn)確定軟件初始數(shù)值,通過(guò)ENVI-met仿真軟件模擬2021年8月3日24h氣候情況,并進(jìn)行擬合驗(yàn)證。
通過(guò)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(lán)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(xiǎn)線41℃。該研究區(qū)上午10點(diǎn)PET值范圍為35.35~65.07℃,街區(qū)整體的熱環(huán)境十分嚴(yán)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)。
大多實(shí)證研究[8,36-37]已確定城市GI的降溫調(diào)節(jié)能力評(píng)估可對(duì)遮陽(yáng)和蒸散進(jìn)行加權(quán)求和,樹(shù)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(shí)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(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),場(chǎng)地存在空間狹小、違建設(shè)施多及有歷史街區(qū)保護(hù)等問(wèn)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(lèi)型的GI擴(kuò)大遮陽(yáng)面積,保證冠層以下的場(chǎng)地使用。保持不變更場(chǎng)地原有設(shè)施的條件下,該研究區(qū)的樹(shù)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(chǎng)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
由于該街區(qū)本身的物理屬性,通過(guò)增加樹(shù)冠冠幅,仍未能高效實(shí)現(xiàn)降溫目標(biāo)。本研究在此基礎(chǔ)上,結(jié)合城市更新,適當(dāng)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(shí)隨著城市更新的發(fā)展逐步通過(guò)用地的置換或動(dòng)遷實(shí)現(xiàn)存量空間的轉(zhuǎn)型[40-41]。
通過(guò)實(shí)地調(diào)研,本研究對(duì)用地和房屋實(shí)行適當(dāng)更新,拆改老舊廢棄建筑,擴(kuò)大GI空間,形成社區(qū)公園化轉(zhuǎn)型,具體表現(xiàn)為在場(chǎng)地中間位置拆除違建破舊的低矮房屋,形成較大的集會(huì)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?chē)M窄巷道內(nèi)適當(dāng)拆除廢棄設(shè)施,點(diǎn)狀種植喬木形成小型遮陽(yáng)降溫點(diǎn)。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(xiǎn)。
圖8 GI結(jié)構(gòu)策略——PET
本文模擬的網(wǎng)格大小為0.5m×0.5m,平面共32 400個(gè)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(gè)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(guò)GI配置調(diào)控,樹(shù)冠覆蓋率可增大到27.26%,接近30%的理想標(biāo)準(zhǔn),在該情況下,本研究繼續(xù)在相同時(shí)空條件下進(jìn)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(xiǎn)區(qū)面積從2 233m2減少至1 221m2,高溫風(fēng)險(xiǎn)率[高溫風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積/(安全區(qū)面積+高溫風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積)]從67.80%降至37.07%,降溫效益明顯。但針對(duì)此類(lèi)降溫高需求的情況,需在30%樹(shù)冠覆蓋率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升,以求達(dá)到更好的優(yōu)化效果。
表3 GI降溫成效
進(jìn)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(wú)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(shí)施后,樹(shù)冠覆蓋率增加到38.85%,超出30%樹(shù)冠覆蓋率的目標(biāo)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(xiǎn)區(qū)面積從1 221.00m2降至1 172.25m2,高溫風(fēng)險(xiǎn)率從37.07%降低到30.42%,實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了街區(qū)GI精準(zhǔn)調(diào)控的高成效。
本文聚焦于城市高溫問(wèn)題,提出了一套適合城市街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施精準(zhǔn)調(diào)控的方法,通過(guò)綜合考慮生態(tài)要素和社會(huì)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(xiàng)評(píng)估的研究,構(gòu)建城市街區(qū)尺度降溫服務(wù)評(píng)估框架并進(jìn)行空間制圖,精準(zhǔn)識(shí)別出街區(qū)內(nèi)需實(shí)施GI調(diào)控策略的優(yōu)先地塊,對(duì)其采用相應(yīng)的GI降溫改善策略,并通過(guò)ENVI-met模擬驗(yàn)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(duì)溫度精準(zhǔn)調(diào)控的方法進(jìn)行實(shí)證探討。通過(guò)評(píng)估體系識(shí)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(jìn)行GI策略調(diào)控,在實(shí)地調(diào)研后,首先從GI配置上增大喬木冠幅進(jìn)行調(diào)節(jié),雖然有較大的改善效果,但仍未高效實(shí)現(xiàn)降溫目標(biāo),因此在城市更新理念下對(duì)GI結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yàn)證對(duì)比后發(fā)現(xiàn),GI降溫策略將高溫風(fēng)險(xiǎn)率從67.80%降至30.42%,高溫風(fēng)險(xiǎn)面積從2 233m2降至1 172.25m2,實(shí)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(duì)溫度精準(zhǔn)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(guò)程引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)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(píng)估體系未來(lái)可與國(guó)土、區(qū)域尺度進(jìn)行銜接,構(gòu)建全尺度的評(píng)價(jià)體系。最后,本文的調(diào)控策略是在GI配置和布局2個(gè)大方向上進(jìn)行探索,未考慮GI形狀、種類(lèi)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(kuò)增GI面積,提出的僅是一種改善角度,未來(lái)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(jìn)一步探索。
注:文中圖片均由作者繪制。