刘 颂 董宇翔 邹清华

同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

城市滨水环境指城市内部陆地与河道、湖泊以及湿地等自然资源比邻的交界地带[1]。大量研究表明,滨水空间不仅是城市用水的重要来源、人类活动的重要场所,还具有相比其他空间更丰富的生物多样性,是多种陆生和水生动物的栖息地和迁徙廊道[2],具有生态敏感性。城市滨水环境的特殊性决定其设计目标的多样性,需要兼顾人类活动的活力需求和各类生物的生存需求。

为了丰富城市居民的生活,夜景照明成为提升城市活力的重要途径,夜间照明直接影响夜间活动的展开[3]。郭菲等[4]认为城市照明在夜间城市物质空间环境中对城市活力的营造具有独特的能动作用,Zheng等[5]认为平均夜间灯光指数可以反映区域内夜间人居活动的状况,可见夜景照明对城市活力有显著影响。然而,大量研究表明,夜景照明会对生物及其生境质量产生负面影响,如人工夜景照明可能对昆虫造成定向障碍、空间方向感丧失,以及吸引、脱敏的潜在影响[6],长期暴露在人工光照下的植物倾向于芽萌发提前、叶片变色推迟[7]等。研究发现照度是夜景照明产生生态和活力影响的主要影响因素[8]。因此,城市滨水空间兼顾生态—活力的特殊需求,夜景照明照度是城市滨水环境规划设计的关键。虽然现有研究评估了夜景照明产生的生态或活力效益,也有一些研究从定性角度提出滨水空间夜景设计建议[9－10],但尚未有研究利用定量方法明确何种城市滨水空间夜景照明配置方式能较好地权衡生态和活力目标,少有研究探究城市滨水空间夜景照明照度与生态和活力目标间的关系,难以指导城市滨水空间夜景照明规划设计实践。

本文选取上海市黄浦江徐汇滨江段10个样方作为研究样本,根据文献研究和适宜性评价方法量化评价夜景照明照度在生态目标和活力目标的达成情况,并以此通过帕累托前沿法对10个样方进行排序,探究能较好地权衡生态目标和活力目标的夜景照明样方特征,为城市滨水环境照明设计提供指导。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域概况

黄浦江徐汇滨水段位于上海市徐汇区,是2017年建成的典型城市滨水环境,由北向南依次布局活力示范区、文化核心区、自然体验区和生态休闲区4个区段,全长8.4 km。该区段沿途景观生境丰富,是上海市的重要生态廊道[11],对其进行人工夜景照明评价具有示范性意义。

依据生境的丰富程度和灯光的种类,本研究选取黄浦江徐汇滨水段10个面积为1 hm2、边长100 m×100 m的样方作为本研究样本区域,选取样方时尽可能覆盖各种夜景照明布置方式和尽可能多的灯具类型。

1.2 照度数据采集

由于场地灯具重复率高,缺少详细参数,本研究以灯具为基本照明单元(假设测量灯具均为点光源且无入射角度)进行照度的测定和概化建模。在测量灯光照度时参考Putri等[12]的照度测量方法,并根据实际情况予以调整,具体方法如图1所示。根据受光面中心点照度值极值Lu1、受光面边缘照度约1 lux处到中心点的距离x,基于平方反比定律求取照度衰减函数Lu,从而测算空间照度数据并采用ArcGIS进行可视化。测量采用特安斯照度计TA8123。

图1 灯具照度测量方法示意图

经统计,场地灯具类型共19种,根据实测数据进行拟合,将衰减函数经ArcGIS拟合可获得场地10个样方照度分布栅格数据,栅格粒度为0.5 m。照度数据的空间建模结果如图2。

图2 样方灯光照度建模结果

1.3 生态和活力目标达成情况评价

不同使用群体和活动类型存在不同的照明需求,导致了照度需求的差异[8],滨水区域下垫面类型决定了使用群体和活动类型,是识别不同生态、活力需求的重要依据。本研究以场地下垫面类型为依据,对样方进行类型分区,分区标准如表1所示。在此基础上,结合实地调研,在GIS中目视解译完成类型分区。

表1 基于照明需求的样方分区标准

1.3.1 基于样方照明需求分区的夜景照明目标评价标准

本文依据已有文献关于适宜照度的研究建立照度评价标准,分值区间为0~5分,最适宜相应分区需求的照度被赋予最高值5分,而最不适宜的照度被赋予最低值0分。如果区域内多个使用主体或活动类型对照度需求不同,则对照度评分加和、平均、取整,由此建立针对各类区域关于照度的适宜性评价标准(表2)。

表2 夜景照明照度对不同需求主体或活动类型的评分标准

由表2可知,照度与绿地、水体区域生态需求的实现基本遵循负相关关系,相比脊椎动物和植物,昆虫对照度最为敏感。而照度对活力需求也并非越高越好,适宜照度根据不同的人群活动存在差异,如舞蹈等活动对光照强度的需求分值接近,而球类运动的特点决定了其需要较强的照度,跑步类活动则在约10~20 lux时最佳。运动活动区与光照强度基本呈现正相关态势。

1.3.2 各样方生态－活力目标的达成情况评价及“帕累托前沿”排序

各样方不同分区内照度满足分区内主体需求的情况越好,目标达成情况评分越高,表明目标达成情况越好。计算各样方照度目标达成情况评分栅格后,利用ArcGIS将各样方水体区域、绿地区域所有栅格目标达成情况评分加和平均作为生态目标达成情况的评价指标,将运动活动区、通行休憩区所有栅格评分加和平均作为各样方活力目标达成情况的评价指标,计算公式如式(1)和式(2):

式(1)、式(2)中:Oeco为样方照度生态目标达成情况得分；Ovit为样方照度活力目标达成情况得分；G、W、S、T分别为绿地区、水体区、运动活动区、通行休憩区的栅格集合；xij、yij、zij、eij分别为第i行第j列的绿地区、水体区、运动活动区、通行休憩区栅格照度得分值；SG、SW、SS、ST分别为绿地区、水体区、运动活动区、通行休憩区的面积。

基于单个目标进行个体间优劣比较时可以直接根据目标达成情况的评价指标大小进行比对,然而多个目标下,个体间优劣难以判断。本研究中涉及到生态和活力双重目标,为了实现多重目标下的样方优劣比对,本研究引入“帕累托前沿排序”算法(Pareto front algorithm)对各样方夜景照明的生态、活力目标达成情况进行排序及分析比较,通过帕累托排序图判断生态—活力目标间关系,筛选最优样方,并整合最优样方夜景照明设计特征。

帕累托前沿排序是根据支配关系层级判断个体优劣的排序算法。该方法在基于多个准则筛选较优个体方面具有优势[26],在比较个体间关系时具有非偏性和公正性[27],许多研究利用帕累托前沿排序进行了多准则的评估筛选及分析,并取得了较好效果[28]。帕累托前沿排序根据个体之间的支配关系可以将个体分为多个支配层级,排序支配层级最高的所有个体集合即为帕累托最优解[26],该类解是多准则权衡的最优结果。相比将多个目标加权混合成单一目标的方法,帕累托前沿排序避免了赋予目标权重的主观过程,获得完整的较优个体集合,便于对较优个体进行分析和特征总结。

本研究将各个样方照明的生态—活力目标达成情况进行帕累托排序,可以明确哪些样方的照明布局较好地权衡了生态和活力目标,从而得出指导照明设计的建议。

2 结果与分析

2.1 夜景照明的生态—活力目标达成情况

根据评分结果,运动活动区、通行休憩区、水体区的照度得分相对较高(图3),说明现有灯光设计对滨水空间活力需求和水生生物的生态影响有一定考虑,但图中低值区域主要分布在绿地,说明研究区域绿地的生态需求未得到很好满足。

图3 各样方夜景照明的生态－活力目标达成情况评价结果(上)及评分空间分布图(下)

2.2 各样方生态－活力目标帕累托前沿排序结果

从图4可以看出各个样方的目标实现情况。从帕累托层级来看,样方4和样方10位于第一层级(Rank-1),即帕累托前沿解,说明样方4和样方10的照度分布在兼顾生态和活力目标上达成了相对较好的效果；样方5位于最后一个帕累托层级(Rank-6),即帕累托劣解,说明该样方的生态—活力目标达成情况最差。

图4 各样方生态－活力目标帕累托前沿排序结果

2.3 夜景照明的帕累托前沿解和劣解样方分析

本研究选取帕累托前沿解中的样方10、样方4和劣解样方5进行分析照度环境设计对达成生态和活力目标的影响。

样方10是帕累托前沿解之一,该样方相对较好地兼顾了生态—活力目标,相比另一个帕累托前沿解样方4,其生态目标的达成情况要更优,而活力层面目标达成情况相对较差(图4)。从其场地照度分布情况及各个分区得分情况(图5)可以看出,样方10照度偏低,一定程度上降低了高照度照明的负面生态影响。该样方在运动活动区得到了低于平均的评价值,但由于运动活动区占比较小,对评分影响较为微弱；该样方在绿地区、水体区都获得了较高的得分,通过观察可知,该样方中绿地、水体周边高照度的路灯数量较少,间距较大,在绿地中仅在跑道附近设置了小型的低照度景观灯,保证基本活力需求的同时大幅降低了照明的生态影响。

样方4作为另一个最优解,其在活力目标达成情况上具有相对明显的优势,可能是由于该样方不存在运动活动区,而通行休憩区的活力需求和绿地、水体区的生态需求都偏好低照度,因此,该样方的活力目标达成情况较好(图5)。从场地灯光布局情况看,该样方同样将高照度的路灯设置在远离水体和绿地的西侧,在靠近绿地和水体的广场铺装区域设置了低照度的地灯,这样的照度布局既减轻了对生境的影响,还营造了适合休憩停留的照明空间,因此其活力目标达成情况较好。

样方5是帕累托劣解,该样方照度较高,尤其在水体区域较高(图2),因此人工照明对水体不良生态影响显著增大,但需要相对较高光照的运动活动区域被忽略,场地利用率低,导致夜间活力明显不足(图5)。照明需求和供给的空间不匹配是导致该区域目标达成情况不佳的原因。

图5 样方10、样方4、样方5照度分区评分结果

3 结论与建议

3.1 结论

本文以黄浦江徐汇滨江段为研究区域,通过适宜性评价量化10个样方夜景照明照度在生态和活力目标的达成情况,并通过帕累托前沿法对其进行排序,明确生态—活力目标间关系,筛选出目标权衡较好和较差的样方进行分析比对。从各类活动类型分区的照度评价标准可知,不同主体和活动的照度需求存在权衡关系,运动活动区和其他区域的照度需求权衡最为明显,因此不存在同时满足生态和活力目标的“最佳照度”。然而,由帕累托前沿排序的结果可知,各个样方的夜景照明生态和活力目标间的权衡关系不明显,且散点分布趋势表明生态和活力目标具有一定的正向相关关系,这一定程度上表明照度在生态、活力目标上存在的权衡可以通过合理的照度空间布局得到缓解甚至消解,城市滨水空间照明设计具备兼顾生态和活力目标的可能性,协同生态—活力目标的“最优照明布局”是可能存在的。

由于样方数量较少,可能难以概括普遍规律,进而与实际照度分布存在出入。因此,引入算法布局以实现滨江夜景照明的多目标协同是下一步研究的方向。

3.2 城市滨水环境夜景照明设计建议

1)按需配置照明,依据分区需求进行照明布局。根据供需匹配原则针对性地进行照明布局,以较好满足活力需求的同时减轻照明对生境的影响,尽可能满足多主体需求是兼顾城市滨水环境生态—活力目标的关键。在绿地区域内部、水体区域等低照度需求的区域内布局高照度人工照明设施是导致样方评分较低的重要原因。如水岸面向水体一侧被布置了高照度光带,这样的布局将对水体生物夜间节律造成较大的负面影响,而该类灯带在行人游览视角可见度较低,对活力目标提升作用微弱,部分样方在绿地内部设置了高强度射灯,对陆生动植物节律存在严重生态干扰。因此在进行照明布设时,需要合理分析使用主体的照明需求,有侧重地分配照度布局；基于城市滨水环境照明需求的多样性,当需求发生矛盾时,人工夜景照明应当侧重考虑面积占比较大的分区对照明的需求。

2)注重关键矛盾,考虑运动活动区高照度需求影响。通过比对帕累托前沿解和劣解样方可见,较好地兼顾生态和活力目标的样方通常运动活动区的面积较小或未设置运动活动区,且恰好采用了低照度的照明方案,这也说明运动活动区可能是造成滨水活力和生态目标冲突的关键矛盾,是城市滨水环境照明设计需要考虑的重点区域。在具备运动活动区的滨水环境进行照明设计时,需要考虑灯光配光曲线、照度覆盖范围和周边非运动活动区的关系,尽可能避免设置于运动活动区的高照度灯具影响周边绿地及水体的生态稳定。

3)合理灯具落位,综合评估灯具特性针对性布设。一是要针对性设置合理的灯具间距。由于城市滨水环境灯具多为线状设置,应当在充分考虑灯具特性和用地分区需求的基础上确定灯具的间距,以针对性地达成生态—活力目标。二是基于灯具高度和衰减特征进行灯具筛选。由于灯光衰减特性,灯具高度越高,照度分布越均匀,因此在筛选灯具时需全面考虑灯具的高度和衰减特征。三是灯具的具体位置布局应考虑功能区对灯光的差异化需求。例如,基于运动活动区的高照度需求,应当选取照明性能更佳的高照度灯具,而在普通的通行休憩区,选取的灯具则当避免过高的照度。