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城市热污染与城市热岛

  城市所发出的巨大热量,使得城区成为好比在冷凉郊区农村包围中的温暖岛屿,因此得名“城市热岛”。城市热岛最早见之于科学记载的,可能是1818年英国出版的《伦敦气候》。作者L·赫华德对城市气候的两大发现,就是伦敦市中心气温比郊外高(各月平均分别高0.5℃一1.2℃),以及城乡温差夜间比白天大。中国曾观测到的最大城乡温差(城市热岛强度),上海是6.8℃(1979年11月13日20时),北京是9.0℃(1966年2月22日清晨)。

  世界上热岛最强的是中高纬度的大中城市,如加拿大的温哥华11℃(1972年7月4日),德国柏林13.3℃。位于北极圈附近的美国阿拉斯加首府费尔班克斯市曾达14℃。城市中人为热源的比例,据对美国一些大城市的调查估计,来自工厂、家庭炉灶、冷气、采暖等固定热源约占3/4,而汽车、摩托、电车等移动热源约占1/4。人体和家畜等新陈代谢热量一般还不到1%。城乡温差一般是随纬度的升高而增大的。因为人为热量和太阳辐射热量余额(太阳短波热量收入减去地面长波辐射支出热量)的比值,是从赤道向高纬度迅速增加的。例如,赤道和热带的新加坡和香港仅为3%一4%,而北极圈附近的费尔班克斯高达105%,也就是人为热量已比太阳热量余额还多!在一年四季之中,太阳辐射热量和余额以冬季最小,加上冬季中中高纬度还有取暖热量,因此热岛效应以冬季最强。同样道理,一天之中热岛以夜间比白天为强,尤其是日落后3-5小时内为最强。因为这时城区降温速度比农村慢得多。但是,在中高纬度城市的冬季情况有所不同,因为城市还有早晚两个取暖时段的大量人为热量。例如,加拿大卡尔加里市冬季在早08时和晚20时附近有两个煤气消耗高峰(取暖和做饭),从而城市热岛强度在09时和21时也各出现一个高峰。此外,城乡温差还有周变化,这是因为有不少国家统一规定星期日是休息日,绝大多数工厂停工,街上机动车流量也比平时少得多。例如,美国康涅狄格州纽黑文市1939-1943年5年平均,周一至周六城乡温差高达1.2℃,而星期日只有0.6℃。后因美国把星期六也定为休息日后,马里兰州巴尔的摩市观测到冬季中星期一至五城乡温差平均0.82℃,而星期六、星期日两天平均温差仅为0.30℃。

  但是,人为热量还并不是城市热岛的唯一热源,因为城乡地表吸收和储存太阳热量性能有不小差异。例如,城市下垫面对阳光热量的反射率比乡村小(一般小10%一30%),而且城市下垫面的混凝土、砖瓦、石料及钢材的热容量大,导热率也高,大量储存了白天丰富的太阳热量。另外,城市下垫面建筑密集,街道和庭院中的"天穹可见度"比开旷郊外小得多,地面长波辐射热量在墙壁地面间多次反射,从而使得地面向宇宙空间散失的热量大大减少。这两种原因都造成日落后降温缓慢,使城区夏季中傍晚和上半夜显得特别炎热。城乡温差除了上述年变化、周变化、日变化等周期性变化外,还有非周期性变化。这主要是由风速和云量变化引起的。风速大小对热岛强度极为重要。因为大风不仅造成上下对流,把城市中热空气吹到城外,而且直接把郊区冷凉新鲜空气迅速源源输进城区。有文章研究了韩国四个不同规模城市的城乡温差和风速的关系,得出了风速能明显减小城乡温差的结果。而且,如果把城乡温差小于0.5℃作为热岛消失的指标,那么840万人的汉城在11.1米/秒时热岛才开始消失,广阳等13-15万人城市在4-5米/秒时热岛消失,人口6万的薪岛在3.9米/秒时热岛已经不存在了。阴天或多云天气时城乡白天阳光短波辐射热量收入和地面长波辐射热量支出都减小,因而也使城乡温差减小。例如,上海1984年进行过4次对比观测,在风速大体相同的情况下,两次晴天(5月8日和10月20日)城乡温差分别为2.5℃和2.2℃。而多云和阴天(5月28日和11月28日)城乡温差分别只有0.4℃和0.7℃。所以上海以10-11月为全年中城乡温差最大月份的原因是因为它们正是上海全年云量最少的季节。

  城市热岛的存在,使城区冬季缩短,霜雪减少,有时甚至发生郊外降雪而城内降雨的情况(如上海1996年1月17一18日)。城市热岛也使城区冬季中取暖能耗减少。但城市热岛在夏季中中、低纬度城市造成的高温,不仅使人的工作效率降低,而且造成中暑和死亡人数的增加。例如,美国圣路易斯市1966年7月9-14日,最高气温38.1℃一41.1℃,比热浪前后高出5.0℃一7.5℃。此时城区死亡人数由原来正常情况的35人/日陡增到152人/日。1980年7月热浪再袭圣路易斯市和堪萨斯市,两市商业区死亡率分别增高57%和64%,而附近郊区只增加约10%。有人研究了美国洛杉矾市,指出由于城乡温差增加了2.8℃,全市因空调降温多耗10亿瓦电能,每小时约合15万美元。据此推算全美国夏季因热岛效应每小时多耗空调电费数达百万美元之巨。此外,夏季高温还会加重城市供水紧张,火灾多发,以及加剧光化学烟雾灾害,等等。所以城市热岛本身也是一种污染,称为热污染。

城市热污染的热源

  导致城市“热污染”的热源,主要有固定热源和流动热源两类。比如,由混凝土、砖瓦石料堆砌而成的现代建筑群,吸热多而散热慢,从而使市区变成了“贮热器”;水泥、柏油铺设的路面更像“吸热板”,常比草地表面气温高出2~10℃。迅猛增多的空调器虽能营造舒适的“小气候”,但是一个个空调器就像一块块“暖气片”,使周围空气始终处于40℃以上的高温。就连迅速普及的电脑也在向周围大量散热……狭窄的街道,愈来愈小的庭院、居室又使天地之间热量交换受阻,地面降温非常迟缓。除了众多的固定热源外,机动车辆、人群来往等便是流动热源。在炎热的夏天,城市“热污染”不仅使耗电用水量大增,人们还要耐着性子忍受持续闷热的煎熬[1]。

城市热污染解决途径

  一、汽车尾气是城市污染和热岛效应的罪魁祸首之一,中国已采取减少尾气排放和使用更清洁汽油等诸多措施来防治其危害。

  二、 从绿化城市及周边环境方面:

  1.选择高效美观的绿化形式、包括街心公园、屋顶绿化和墙壁垂直绿化及水景设置,可有效地降低热岛效应,获得清新宜人的室内外环境。

  2.居住区的绿化管理要建立绿化与环境相结合的管理机制斌且建立相关的地方性行政法规,以保证绿化用地。

  3.要统筹规划公路、高空走廊和街道这些温室气体排放较为密集的地区的绿化,营造绿色通风系统,把市外新鲜空气引进市内,以改善小气候。

  4.应把消除裸地、消灭扬尘作为城市管理的重要内容。除建筑物、硬路面和林木之外,全部地表应为草坪所覆盖,甚至在树冠投影处草坪难以生长的地方,也应用碎玉米秸和锯木小块加以遮蔽,以提高地表的比热容。

  5.建设若干条林荫大道,使其构成城区的带状绿色通道,逐步形成以绿色为隔离带的城区组团布局,减弱热岛效应;

  三、在现有的条件上,应考虑:

  1、控制使用空调器,提高建筑物隔热材料的质量,以减少人工热量的排放;改善市区道路的保水性性能。

  2、建筑物淡色化以增加热量的反射。

  3、提高能源的利用率,改燃煤为燃气。

  4、此外,“透水性公路铺设计划”,即用透水性强的新型柏油铺设公路,以储存雨水,降低路面温度。

  5、形成环市水系,调节市区气候。

  因为水的比热大于混凝土的比热,所以在吸收相同的热量的条件下,两者升高的温度不同而形成温差,这就必然加大热力环流的循环速度,而在大气的循环过程中,环市水系又起到了二次降温的作用,这样就可以使城区温度不致过高,就达到了防止城市热岛效应的目的。

  此外,市区人口稠密也是热岛效应形成的重要原因之一。所以,在新城市规划时,可以考虑,在市中心只保留中央政府和市政府、旅游、金融等部门,其余部门应迁往卫星城,再通过环城地铁连接各卫星城[2]。

城市热污染的生态学治理途径

  一.运用生态学原理改善城市热环境

  城市生态学方法是通过调节城市生态系统内生物群落和周围环境之间相互作用而平衡、改善城市热环境的方法。改善城市热环境的任务就是对生态系统施加有益影响,建立合理的热平衡系统结构,创造舒适的热环境。

  (一)鼓励生态住宅建设,发展生态建筑。所谓生态住宅就是最大限度地利用自然资源维持运行的住宅,如夜间照明、夏季降温、冬季供热依靠太阳能,部分食品自己生产等。生态住宅的支持核心是太阳能技术,即如何有效、廉价地将太阳能转化为电能并予以储存。生态建筑提倡利用风的压差对建筑物内进行自然通风,创造有利于自然通风的环境。通过对建筑物平面、剖面和立面以及外部空间进行合理设计与组织,利用由于建筑物影响而产生的“建筑风”,影响对太阳辐射的吸收率以及建筑物吸热和散热的效果.从而创造良好的城市微气候和舒适住区热环境。

  (二)采用系统综合利用的方法防治热污染。制定排放标准,加强管理,对温室气体及废热水的排放加以限制。强化环境监测。依靠科技,改善能量利用,加强点源余热的综合利用。例如,发电厂采用新技术,提高发电效率,减少废热排放;改善冷却方式,使冷却水达到排放标准。另外,综合利用温排水中携带的巨大的潜在热能,运用生态学能量转换的原理,在水产养殖、农业及林业等领域充分利用温排水余热,变废为宝。

  美国、日本、前苏联以及德国等许多国家,利用余热开展水产养殖业已有很多成果。温水养殖多是高密度的工厂化精养,这不仅可减少对土地的占用,与其它方式相比,还具有投资少、收益多的优点。美国、前苏联、瑞典及原联邦德国还发展了以生产电能和供热为双重目的的电厂。前苏联在20世纪70年代已有1000多座这样的电厂,为800多个城市、工业区和人口集中区供热。瑞典在许多城市的市区也装备了利用电厂热能的供热体系,使电厂的热效率达到85%。

  温排水作为一种低热水源,用于农林灌溉、温室种植,既能提高产量,又能使这部分余热得到利用,达到经济效益、社会效益和生态效益三者的统一。如美国的俄亥俄州,采用铺设地下管道的方法把温排水余热输送到田间土壤中,用加温土壤来促进作物的生长或延长生长时间。在法国,人们还将这种方法应用于果园和林业生产中,或采用温水喷灌法使花芽免受春季的低温冻害,初期急速生长,增加产量。对于城市热环境的监测可以用现代化手段“遥感”来完成,既迅速又准确。用红外遥感获得瞬时信息,可以对城市热环境的空间格局和动态变化进行分析。

  二.科学规划,加大城市绿色工程建设

  (一)根据城市功能定位确定城市生态容量。控制或限制城市的生态容量是减少城市释热、改善城市热环境的基础。合理的城市容量是指一个城市能够最大限度地实现经济效益和社会效益,保持生态平衡的人口数量与密度。城市容量和环境相联系,改善了环境可适当提高城市容量。因此,要通过建立生态系统,并进行系统分析,采取合理地规划用地、绿化等措施,最后得出最优化的容积率、建筑密度及绿化率等规划指标,形成优化的生态系统。人们也要转变居住观念,随着交通工具的发展和交通道路的便捷,部分人口可以住到郊区,降低城市中心区的人口密度。

  (二)根据城市生态容量规划城市绿色建设。城市要改善热环境,需建立良好的绿化系统。在城市规划时就要确定合理的绿化率,注意维护和发展城市景观的异质性,充分发挥森林植被和水体作用。尽量增加城市绿化面积,减少城市的“热岛效应”。这样不仅可以美化市容、净化空气及减轻污染,还可以为居民提供休息娱乐的场所,有利于丰富居民的生活,提高居民健康水平。在合肥市的夏天,没有草坪的土壤表面温度为40℃,沥青路面的温度为55℃,而草坪地表温度仅为32℃。多铺设草坪可减少地表放热,降低城市气温。据测定,夏季的草坪能降低气温3-5℃,而冬季的草坪却能增温6-6.5℃,极大地降低了城市的热岛强度。因而在城市设计时,要根据各地的土壤、水分及植物生长空间等条件,正确选择树种、草种,适地种植,并尽可能采用原有树木,保持地方特色。

  绿色植物的光合作用吸取太阳能,而树木的光合作用量最大,春夏尤强。每公顷森林的光合作用,平均每天能吸取1tCO2,草坪每公顷可吸取0.2tCO2。植物蒸腾作用释放大量水汽,增加空气湿度,降低气温。林木的遮光、吸热和反射长波辐射,可使夏季晴天的地表温度少4-5℃。绿色植物的生理活动,既能吸收大气中CO2,减轻热回流的反射,有利地面的积热逸散,又能遮光吸热、释放水汽、减轻太阳辐射热、降低气温和杀死病菌,对防治热污染具有巨大的生态功能。要充分认识和发挥植被以及水体对改善城市热环境的重要作用,并加以重点保护。并根据实际情况加以改造,使其充分发挥对改善整个城市热环境的有益作用。

  总之,只有综合运用上述方法,从人口容量、建筑群的容量和密度、道路网络、绿化系统及水体诸方面进行合理规划,才能有效地改善城市热环境,防治热污染[3]。

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