夜景照明對城市濱水環境生態—活力目標權衡的影響?
——以上海黃浦江徐匯濱江段為例

劉 頌 董宇翔 鄒清華

同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

城市濱水環境指城市內部陸地與河道、湖泊以及濕地等自然資源比鄰的交界地帶[1]。大量研究表明,濱水空間不僅是城市用水的重要來源、人類活動的重要場所,還具有相比其他空間更豐富的生物多樣性,是多種陸生和水生動物的棲息地和遷徙廊道[2],具有生態敏感性。城市濱水環境的特殊性決定其設計目標的多樣性,需要兼顧人類活動的活力需求和各類生物的生存需求。

為了豐富城市居民的生活,夜景照明成為提升城市活力的重要途徑,夜間照明直接影響夜間活動的展開[3]。郭菲等[4]認為城市照明在夜間城市物質空間環境中對城市活力的營造具有獨特的能動作用,Zheng等[5]認為平均夜間燈光指數可以反映區域內夜間人居活動的狀況,可見夜景照明對城市活力有顯著影響。然而,大量研究表明,夜景照明會對生物及其生境質量產生負面影響,如人工夜景照明可能對昆蟲造成定向障礙、空間方向感喪失,以及吸引、脫敏的潛在影響[6],長期暴露在人工光照下的植物傾向于芽萌發提前、葉片變色推遲[7]等。研究發現照度是夜景照明產生生態和活力影響的主要影響因素[8]。因此,城市濱水空間兼顧生態—活力的特殊需求,夜景照明照度是城市濱水環境規劃設計的關鍵。雖然現有研究評估了夜景照明產生的生態或活力效益,也有一些研究從定性角度提出濱水空間夜景設計建議[9－10],但尚未有研究利用定量方法明確何種城市濱水空間夜景照明配置方式能較好地權衡生態和活力目標,少有研究探究城市濱水空間夜景照明照度與生態和活力目標間的關系,難以指導城市濱水空間夜景照明規劃設計實踐。

本文選取上海市黃浦江徐匯濱江段10個樣方作為研究樣本,根據文獻研究和適宜性評價方法量化評價夜景照明照度在生態目標和活力目標的達成情況,并以此通過帕累托前沿法對10個樣方進行排序,探究能較好地權衡生態目標和活力目標的夜景照明樣方特征,為城市濱水環境照明設計提供指導。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區域概況

黃浦江徐匯濱水段位于上海市徐匯區,是2017年建成的典型城市濱水環境,由北向南依次布局活力示范區、文化核心區、自然體驗區和生態休閑區4個區段,全長8.4 km。該區段沿途景觀生境豐富,是上海市的重要生態廊道[11],對其進行人工夜景照明評價具有示范性意義。

依據生境的豐富程度和燈光的種類,本研究選取黃浦江徐匯濱水段10個面積為1 hm2、邊長100 m×100 m的樣方作為本研究樣本區域,選取樣方時盡可能覆蓋各種夜景照明布置方式和盡可能多的燈具類型。

1.2 照度數據采集

由于場地燈具重復率高,缺少詳細參數,本研究以燈具為基本照明單元(假設測量燈具均為點光源且無入射角度)進行照度的測定和概化建模。在測量燈光照度時參考Putri等[12]的照度測量方法,并根據實際情況予以調整,具體方法如圖1所示。根據受光面中心點照度值極值Lu1、受光面邊緣照度約1 lux處到中心點的距離x,基于平方反比定律求取照度衰減函數Lu,從而測算空間照度數據并采用ArcGIS進行可視化。測量采用特安斯照度計TA8123。

圖1 燈具照度測量方法示意圖

經統計,場地燈具類型共19種,根據實測數據進行擬合,將衰減函數經ArcGIS擬合可獲得場地10個樣方照度分布柵格數據,柵格粒度為0.5 m。照度數據的空間建模結果如圖2。

圖2 樣方燈光照度建模結果

1.3 生態和活力目標達成情況評價

不同使用群體和活動類型存在不同的照明需求,導致了照度需求的差異[8],濱水區域下墊面類型決定了使用群體和活動類型,是識別不同生態、活力需求的重要依據。本研究以場地下墊面類型為依據,對樣方進行類型分區,分區標準如表1所示。在此基礎上,結合實地調研,在GIS中目視解譯完成類型分區。

表1 基于照明需求的樣方分區標準

1.3.1 基于樣方照明需求分區的夜景照明目標評價標準

本文依據已有文獻關于適宜照度的研究建立照度評價標準,分值區間為0~5分,最適宜相應分區需求的照度被賦予最高值5分,而最不適宜的照度被賦予最低值0分。如果區域內多個使用主體或活動類型對照度需求不同,則對照度評分加和、平均、取整,由此建立針對各類區域關于照度的適宜性評價標準(表2)。

表2 夜景照明照度對不同需求主體或活動類型的評分標準

由表2可知,照度與綠地、水體區域生態需求的實現基本遵循負相關關系,相比脊椎動物和植物,昆蟲對照度最為敏感。而照度對活力需求也并非越高越好,適宜照度根據不同的人群活動存在差異,如舞蹈等活動對光照強度的需求分值接近,而球類運動的特點決定了其需要較強的照度,跑步類活動則在約10~20 lux時最佳。運動活動區與光照強度基本呈現正相關態勢。

1.3.2 各樣方生態－活力目標的達成情況評價及“帕累托前沿”排序

各樣方不同分區內照度滿足分區內主體需求的情況越好,目標達成情況評分越高,表明目標達成情況越好。計算各樣方照度目標達成情況評分柵格后,利用ArcGIS將各樣方水體區域、綠地區域所有柵格目標達成情況評分加和平均作為生態目標達成情況的評價指標,將運動活動區、通行休憩區所有柵格評分加和平均作為各樣方活力目標達成情況的評價指標,計算公式如式(1)和式(2):

式(1)、式(2)中:Oeco為樣方照度生態目標達成情況得分；Ovit為樣方照度活力目標達成情況得分；G、W、S、T分別為綠地區、水體區、運動活動區、通行休憩區的柵格集合；xij、yij、zij、eij分別為第i行第j列的綠地區、水體區、運動活動區、通行休憩區柵格照度得分值；SG、SW、SS、ST分別為綠地區、水體區、運動活動區、通行休憩區的面積。

基于單個目標進行個體間優劣比較時可以直接根據目標達成情況的評價指標大小進行比對,然而多個目標下,個體間優劣難以判斷。本研究中涉及到生態和活力雙重目標,為了實現多重目標下的樣方優劣比對,本研究引入“帕累托前沿排序”算法(Pareto front algorithm)對各樣方夜景照明的生態、活力目標達成情況進行排序及分析比較,通過帕累托排序圖判斷生態—活力目標間關系,篩選最優樣方,并整合最優樣方夜景照明設計特征。

帕累托前沿排序是根據支配關系層級判斷個體優劣的排序算法。該方法在基于多個準則篩選較優個體方面具有優勢[26],在比較個體間關系時具有非偏性和公正性[27],許多研究利用帕累托前沿排序進行了多準則的評估篩選及分析,并取得了較好效果[28]。帕累托前沿排序根據個體之間的支配關系可以將個體分為多個支配層級,排序支配層級最高的所有個體集合即為帕累托最優解[26],該類解是多準則權衡的最優結果。相比將多個目標加權混合成單一目標的方法,帕累托前沿排序避免了賦予目標權重的主觀過程,獲得完整的較優個體集合,便于對較優個體進行分析和特征總結。

本研究將各個樣方照明的生態—活力目標達成情況進行帕累托排序,可以明確哪些樣方的照明布局較好地權衡了生態和活力目標,從而得出指導照明設計的建議。

2 結果與分析

2.1 夜景照明的生態—活力目標達成情況

根據評分結果,運動活動區、通行休憩區、水體區的照度得分相對較高(圖3),說明現有燈光設計對濱水空間活力需求和水生生物的生態影響有一定考慮,但圖中低值區域主要分布在綠地,說明研究區域綠地的生態需求未得到很好滿足。

圖3 各樣方夜景照明的生態－活力目標達成情況評價結果(上)及評分空間分布圖(下)

2.2 各樣方生態－活力目標帕累托前沿排序結果

從圖4可以看出各個樣方的目標實現情況。從帕累托層級來看,樣方4和樣方10位于第一層級(Rank-1),即帕累托前沿解,說明樣方4和樣方10的照度分布在兼顧生態和活力目標上達成了相對較好的效果；樣方5位于最后一個帕累托層級(Rank-6),即帕累托劣解,說明該樣方的生態—活力目標達成情況最差。

圖4 各樣方生態－活力目標帕累托前沿排序結果

2.3 夜景照明的帕累托前沿解和劣解樣方分析

本研究選取帕累托前沿解中的樣方10、樣方4和劣解樣方5進行分析照度環境設計對達成生態和活力目標的影響。

樣方10是帕累托前沿解之一,該樣方相對較好地兼顧了生態—活力目標,相比另一個帕累托前沿解樣方4,其生態目標的達成情況要更優,而活力層面目標達成情況相對較差(圖4)。從其場地照度分布情況及各個分區得分情況(圖5)可以看出,樣方10照度偏低,一定程度上降低了高照度照明的負面生態影響。該樣方在運動活動區得到了低于平均的評價值,但由于運動活動區占比較小,對評分影響較為微弱；該樣方在綠地區、水體區都獲得了較高的得分,通過觀察可知,該樣方中綠地、水體周邊高照度的路燈數量較少,間距較大,在綠地中僅在跑道附近設置了小型的低照度景觀燈,保證基本活力需求的同時大幅降低了照明的生態影響。

樣方4作為另一個最優解,其在活力目標達成情況上具有相對明顯的優勢,可能是由于該樣方不存在運動活動區,而通行休憩區的活力需求和綠地、水體區的生態需求都偏好低照度,因此,該樣方的活力目標達成情況較好(圖5)。從場地燈光布局情況看,該樣方同樣將高照度的路燈設置在遠離水體和綠地的西側,在靠近綠地和水體的廣場鋪裝區域設置了低照度的地燈,這樣的照度布局既減輕了對生境的影響,還營造了適合休憩停留的照明空間,因此其活力目標達成情況較好。

樣方5是帕累托劣解,該樣方照度較高,尤其在水體區域較高(圖2),因此人工照明對水體不良生態影響顯著增大,但需要相對較高光照的運動活動區域被忽略,場地利用率低,導致夜間活力明顯不足(圖5)。照明需求和供給的空間不匹配是導致該區域目標達成情況不佳的原因。

圖5 樣方10、樣方4、樣方5照度分區評分結果

3 結論與建議

3.1 結論

本文以黃浦江徐匯濱江段為研究區域,通過適宜性評價量化10個樣方夜景照明照度在生態和活力目標的達成情況,并通過帕累托前沿法對其進行排序,明確生態—活力目標間關系,篩選出目標權衡較好和較差的樣方進行分析比對。從各類活動類型分區的照度評價標準可知,不同主體和活動的照度需求存在權衡關系,運動活動區和其他區域的照度需求權衡最為明顯,因此不存在同時滿足生態和活力目標的“最佳照度”。然而,由帕累托前沿排序的結果可知,各個樣方的夜景照明生態和活力目標間的權衡關系不明顯,且散點分布趨勢表明生態和活力目標具有一定的正向相關關系,這一定程度上表明照度在生態、活力目標上存在的權衡可以通過合理的照度空間布局得到緩解甚至消解,城市濱水空間照明設計具備兼顧生態和活力目標的可能性,協同生態—活力目標的“最優照明布局”是可能存在的。

由于樣方數量較少,可能難以概括普遍規律,進而與實際照度分布存在出入。因此,引入算法布局以實現濱江夜景照明的多目標協同是下一步研究的方向。

3.2 城市濱水環境夜景照明設計建議

1)按需配置照明,依據分區需求進行照明布局。根據供需匹配原則針對性地進行照明布局,以較好滿足活力需求的同時減輕照明對生境的影響,盡可能滿足多主體需求是兼顧城市濱水環境生態—活力目標的關鍵。在綠地區域內部、水體區域等低照度需求的區域內布局高照度人工照明設施是導致樣方評分較低的重要原因。如水岸面向水體一側被布置了高照度光帶,這樣的布局將對水體生物夜間節律造成較大的負面影響,而該類燈帶在行人游覽視角可見度較低,對活力目標提升作用微弱,部分樣方在綠地內部設置了高強度射燈,對陸生動植物節律存在嚴重生態干擾。因此在進行照明布設時,需要合理分析使用主體的照明需求,有側重地分配照度布局；基于城市濱水環境照明需求的多樣性,當需求發生矛盾時,人工夜景照明應當側重考慮面積占比較大的分區對照明的需求。

2)注重關鍵矛盾,考慮運動活動區高照度需求影響。通過比對帕累托前沿解和劣解樣方可見,較好地兼顧生態和活力目標的樣方通常運動活動區的面積較小或未設置運動活動區,且恰好采用了低照度的照明方案,這也說明運動活動區可能是造成濱水活力和生態目標沖突的關鍵矛盾,是城市濱水環境照明設計需要考慮的重點區域。在具備運動活動區的濱水環境進行照明設計時,需要考慮燈光配光曲線、照度覆蓋范圍和周邊非運動活動區的關系,盡可能避免設置于運動活動區的高照度燈具影響周邊綠地及水體的生態穩定。

3)合理燈具落位,綜合評估燈具特性針對性布設。一是要針對性設置合理的燈具間距。由于城市濱水環境燈具多為線狀設置,應當在充分考慮燈具特性和用地分區需求的基礎上確定燈具的間距,以針對性地達成生態—活力目標。二是基于燈具高度和衰減特征進行燈具篩選。由于燈光衰減特性,燈具高度越高,照度分布越均勻,因此在篩選燈具時需全面考慮燈具的高度和衰減特征。三是燈具的具體位置布局應考慮功能區對燈光的差異化需求。例如,基于運動活動區的高照度需求,應當選取照明性能更佳的高照度燈具,而在普通的通行休憩區,選取的燈具則當避免過高的照度。