左 翔 許博文 劉 暉
(西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院,西安 710055)
藍(lán)綠協(xié)同是城市水文與綠地之間在規(guī)模與分布上相匹配后形成的結(jié)構(gòu)和功能上的互補(bǔ)互促作用,是當(dāng)前解決城市旱澇多發(fā)、用水失衡、生境退化問題的重要突破口。研究提出藍(lán)綠協(xié)同度的概念,建立藍(lán)綠協(xié)同度的評價模型與指標(biāo)體系,提出藍(lán)綠協(xié)同度的制圖方法,并以西安市城鄉(xiāng)交錯帶為研究對象實現(xiàn)了基于藍(lán)綠協(xié)同度評價的綠地格局優(yōu)化方案的生成,優(yōu)化后藍(lán)綠協(xié)同度較低及以下區(qū)域的藍(lán)綠協(xié)同度升高到0.30,達(dá)到中等水平,證明了優(yōu)化方法的可行性。同時,運用該優(yōu)化方法對西安高鐵東站規(guī)劃核心區(qū)開展設(shè)計實踐,實現(xiàn)了藍(lán)綠問題治理與城市景觀構(gòu)建的有機(jī)結(jié)合。研究可為藍(lán)綠協(xié)同效應(yīng)研究及在城鄉(xiāng)復(fù)雜環(huán)境下開展藍(lán)綠空間規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)提供新的思路,為城市綠地規(guī)劃方法的優(yōu)化改進(jìn)研究提供參考。
藍(lán)綠協(xié)同度;綠地優(yōu)化;格局;城鄉(xiāng)交錯帶
當(dāng)前中國城市化建設(shè)處在存量提質(zhì)、存量更新的重要發(fā)展階段,然而旱澇多發(fā)、用水失衡、生境退化等城市人居環(huán)境問題仍然突出。每年政府在城市防旱排澇和生態(tài)建設(shè)上投入了數(shù)以百億計的財力物力,但這些問題仍屢治不止。誠然,這與城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理模式有直接關(guān)系,但應(yīng)當(dāng)注意城市中的降雨過程、下墊面產(chǎn)匯流過程、綠地對水分的消納與利用,本身都有著客觀的生態(tài)作用規(guī)律,這些規(guī)律是導(dǎo)致城市問題產(chǎn)生的內(nèi)在因素。在城市規(guī)劃建設(shè)中忽略這些自然規(guī)律,不利于城市“藍(lán)綠問題”的解決。
“藍(lán)綠問題”中,“藍(lán)”是指城市水文,“綠”是指綠色空間。相關(guān)研究表明[1-5],在城市生態(tài)空間中藍(lán)綠要素在功能上存在著關(guān)聯(lián)性和互補(bǔ)性,二者在規(guī)模、分布上的耦合可形成以水促綠、以綠養(yǎng)水、以綠凈水的良性協(xié)同,對改善城市生境質(zhì)量,解決旱澇問題、用水失衡問題有積極作用。目前藍(lán)綠要素相互作用原理的應(yīng)用問題已引起了學(xué)界的關(guān)注,相關(guān)研究從不同角度探討了藍(lán)綠要素的關(guān)聯(lián)作用和統(tǒng)籌規(guī)劃問題。
國外的學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識到藍(lán)綠要素與城市雨洪問題的內(nèi)在聯(lián)系,開展了藍(lán)綠要素的協(xié)同規(guī)劃實踐。如Pallathadka等[6]以阿拉斯加州兩座城市為例研究了雨季洪水風(fēng)險、藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施(BGI)與社會脆弱性的空間格局,認(rèn)為藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施的相對缺失會增加居民的洪水風(fēng)險。Ahmed等[7]探討了如何通過藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)來指導(dǎo)孟加拉國達(dá)卡特大城市的城市提升規(guī)劃,該網(wǎng)絡(luò)將藍(lán)色、綠色和灰色元素結(jié)合在一起,在不同的尺度和地點提供多功能的防洪和雨水管理方案。Bruna和Raquel等[8]評價了巴西Paraty市在水動力學(xué)方面的沖突和矛盾,使用BGI和河流恢復(fù)方法制定了未來的城市居住替代方案,并通過對比分析證明了BGI提案除了對改善流域環(huán)境質(zhì)量和制定戰(zhàn)略空間規(guī)劃有積極作用外,還降低了洪水風(fēng)險。Alves等[9]闡述了綠—藍(lán)基礎(chǔ)設(shè)施在降低洪水風(fēng)險、節(jié)約用水、節(jié)約能源、改善空氣質(zhì)量和碳封存的生態(tài)效益,提出了將綜合效益的貨幣分析納入洪水風(fēng)險緩解措施的成本效益的分析方法,證明了在改善城市洪水風(fēng)險管理而確定最佳適應(yīng)策略時,評估綜合效益具有重要性。綠色、藍(lán)色和灰色基礎(chǔ)設(shè)施的組合可能會產(chǎn)生最佳的適應(yīng)策略。Langemeyer等[10]利用藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點改善了西班牙巴塞羅那生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),指出將基于自然的解決方案與嵌套的綠藍(lán)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃進(jìn)行更強(qiáng)有力的整合將具有積極意義。
國內(nèi)研究對藍(lán)綠要素的協(xié)同規(guī)律認(rèn)識不足,多把藍(lán)、綠作為獨立的生態(tài)要素進(jìn)行規(guī)劃布局,對藍(lán)綠作用規(guī)律的機(jī)理研究與應(yīng)用方面的研究還處于探索階段。雷蕓[11]在分析了北京市6條河流的“藍(lán)”“綠”空間現(xiàn)狀后,提煉了空間分布模式與特征,提出了以“藍(lán)綠”結(jié)合為核心的北京生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建思路。周聰惠[12]在藍(lán)綠空間職能需求評價技術(shù)和發(fā)展適應(yīng)性評價技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上,建立藍(lán)綠空間一體調(diào)控方法,為規(guī)劃實踐中藍(lán)綠空間的關(guān)聯(lián)互補(bǔ)調(diào)控以及發(fā)展適應(yīng)性調(diào)控提供技術(shù)支持。馬育辰等[13]以藍(lán)綠空間識別問題為導(dǎo)向,建立了城市藍(lán)綠空間的生態(tài)敏感性評價體系,為藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中藍(lán)綠空間邊界劃定、空間分級分類管控問題提出了解決方案。陳競姝[14]在總結(jié)韌性城市建設(shè)理論和實踐的基礎(chǔ)上,提出了河流藍(lán)綠空間融合規(guī)劃策略。
相關(guān)研究為解決城市中的“藍(lán)綠問題”提出了可行的解決途徑,雖然有一定成效,但對藍(lán)綠系統(tǒng)協(xié)同做功的生態(tài)原理運用較少,對藍(lán)綠系統(tǒng)在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、分布、規(guī)模、時空的匹配性問題未作出正面回應(yīng)。為了進(jìn)一步揭示城市藍(lán)綠系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)對城市人居環(huán)境塑的影響,本文以西安市高鐵東站片區(qū)為對象,在藍(lán)綠協(xié)同度評價的基礎(chǔ)上,構(gòu)建綠地格局的優(yōu)化方法,為城市藍(lán)綠空間規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)中“藍(lán)綠問題”的解決提供參考。
協(xié)同的概念是在耦合的基礎(chǔ)上建立的。耦合是指兩個或兩個以上的系統(tǒng)或運動方式之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來的現(xiàn)象,是在各子系統(tǒng)間互動下,相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動態(tài)關(guān)聯(lián)[15]。耦合度反應(yīng)了雙方的作用強(qiáng)度,但無法分清作用的利弊。相較而言,協(xié)同度可反映出耦合相互作用關(guān)系中良性耦合程度的大小,體現(xiàn)出協(xié)調(diào)狀況的好壞。藍(lán)綠協(xié)同中,“藍(lán)”是指人居環(huán)境中的水文分布,包括江、河、湖泊等天然水系、降水產(chǎn)生的短期地表徑流、地下水流及設(shè)施排水;“綠”是指綠色空間;“藍(lán)綠協(xié)同”是指城市中地表徑流與綠地之間在規(guī)模、布局耦合后形成的互補(bǔ)互促的協(xié)調(diào)關(guān)系;過多的地表徑流能被綠地消納,促進(jìn)植被的生長,而綠地則能充分發(fā)揮節(jié)水、蓄水、凈水的生態(tài)功能。其中,藍(lán)綠規(guī)模的協(xié)同指的是一定面積的綠地的生態(tài)需水量與徑流水量相當(dāng),布局的協(xié)同是指綠地剛好位于匯流路徑或匯水分區(qū)的傾瀉點上,可就近消納徑流。
根據(jù)藍(lán)綠協(xié)同度的概念,研究嘗試建立藍(lán)綠協(xié)同度模型。借鑒物理學(xué)中的耦合度公式(1),在其基礎(chǔ)上建立藍(lán)綠耦合度模型,公式見(2):
式(1)中:Cn為耦合度,un為第n個因子,UA為耦合因子歸一化值;式(2)中:Cue為藍(lán)綠規(guī)合度,且Cue∈[0,1],u1為地表流量值,u2為綠地在場地中的面積占比值。
在此基礎(chǔ)上建立藍(lán)綠協(xié)同度模型,公式為:
式中,D為藍(lán)綠協(xié)同度,Y為系統(tǒng)綜合評價指數(shù)。Y是耦合因子歸一化值UA(u1)和UA(u2)的函數(shù),a、b為調(diào)節(jié)系數(shù)。由于地表流量和綠地規(guī)模對協(xié)同效應(yīng)同等重要,本文假設(shè)被評估子系統(tǒng)具有同等地位,即a=b=0.5。采用自然間斷點分級法對藍(lán)綠耦合指標(biāo)D進(jìn)行分級,分級情況及指標(biāo)含義見表1。
本次制圖實踐研究選取西安市城鄉(xiāng)交錯帶——高鐵東站片區(qū)為對象,該片區(qū)位于西安市東南部,西安繞城高速和浐河從中穿過。以片區(qū)規(guī)劃范圍為基本尺度,沿片區(qū)四至范圍建立6 km×6 km的規(guī)劃研究樣方(圖1)。該樣方區(qū)域?qū)儆跊汉拥臐撛诤榉簠^(qū),往年汛期曾引發(fā)較嚴(yán)重的突發(fā)性洪澇災(zāi)害,綠地分布不均,藍(lán)綠矛盾突出。樣方包含了“城區(qū)—郊區(qū)—自然地帶”完整連續(xù)譜,以及低海拔黃土區(qū)典型的黃土塬、沖溝、平原、河湖等多樣地貌,同時包含建成區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū),是研究西北城市復(fù)雜立地條件下城市生態(tài)建設(shè)的理想?yún)^(qū)域,具有一定的典型性。選取該區(qū)域開展研究可提升研究結(jié)果對西北城市多種場地類型的綠地優(yōu)化問題的普適性。
圖1 研究地點區(qū)位及范圍Fig.1 Location and scope of the study site
根據(jù)藍(lán)綠協(xié)同度模型開展藍(lán)綠協(xié)同度的制圖研究。利用Arcgis10.8對數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)進(jìn)行水文分析得到地表流量評價圖,通過解譯衛(wèi)星影像提取綠地分布數(shù)據(jù),然后以100 m×100 m網(wǎng)格對流量值和綠地面積占比值分別進(jìn)行分區(qū)(單元)統(tǒng)計和歸一化處理,再帶入藍(lán)綠耦合公式(2)得到藍(lán)綠耦合度指標(biāo)評價結(jié)果,最后再根據(jù)藍(lán)綠協(xié)同度公式(3)計算得到度指藍(lán)綠協(xié)同度標(biāo)評價圖,技術(shù)路線見圖2。
圖2 藍(lán)綠協(xié)同度分析技術(shù)路線Fig.2 Technical route of blue-green synergy analysis
藍(lán)綠協(xié)同度反映了研究區(qū)內(nèi)綠地和地表徑流良性耦合的程度。為實現(xiàn)藍(lán)綠協(xié)同度的提升,對樣方內(nèi)的綠地進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化將針對協(xié)同度低和較低區(qū)域的綠地進(jìn)行調(diào)整。區(qū)域內(nèi)的傾瀉點是集水區(qū)累積流量的集中外溢點,是徑流匯聚的關(guān)鍵節(jié)點,在傾瀉點上布局綠地可有效吸收過多徑流。首先提取低和較低協(xié)同度區(qū)域內(nèi)的集水區(qū)傾瀉點(圖3)。然后,計算區(qū)域內(nèi)協(xié)同度最高的網(wǎng)格的歸一化綠地面積和流量的比值,以此作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn),用優(yōu)化區(qū)內(nèi)各傾瀉點對應(yīng)的集水區(qū)范圍內(nèi)的流量之和乘以上述標(biāo)準(zhǔn)比值,即可得到傾瀉點所需的蓄水綠地面積。接著用ArcGIS在傾瀉點處生成對應(yīng)面積的緩沖區(qū)并刪除緩沖區(qū)內(nèi)的無效面積(水體、道路、建筑占地),即可得到最終的優(yōu)化綠地。
圖3 集水區(qū)及傾瀉點分布Fig.3 Distribution of catchment and dump points
為驗證模型與制圖法的可行性與合理性,按照上述制圖技術(shù)路線對西安高鐵東站片區(qū)研究樣方進(jìn)行藍(lán)綠協(xié)同度分析①制圖所需的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)下載自BEGEMAP平臺(1 m分辨率);綠地數(shù)據(jù)通過對高分2號衛(wèi)星影像解譯獲取,影像來自中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,具有亞米級分辨率。,得到評價圖4。經(jīng)統(tǒng)計分析(圖5),高鐵東站片區(qū)藍(lán)綠協(xié)同度均值為0.29,總體處于較低水平,其中其中低、較低、中等、較高、高協(xié)同度的面積占比構(gòu)成為24.34%、36.40%、21.94%、14.10%、3.22%。中等協(xié)同度及以下區(qū)域面積占比較大,達(dá)82.68%。在樣方中以繞城高速為界限劃分城區(qū)與郊區(qū),城區(qū)藍(lán)綠協(xié)同度平均值為0.28,其中低、較低、中等、較高、高協(xié)同度面積占比構(gòu)成為37.03%、30.21%、14.54%、12.13%、6.08%。郊區(qū)藍(lán)綠協(xié)同度平均值為0.30,較城區(qū)高0.02,其中低、較低、中等、較高、高協(xié)同度面積的占比構(gòu)成為15.67%、40.64%、27.00%、15.44%、1.26%??梢钥闯龀菂^(qū)藍(lán)綠協(xié)同度較低及以下區(qū)域的占比較郊區(qū)大,應(yīng)成為綠地優(yōu)化的重點區(qū)域。
圖4 優(yōu)化前藍(lán)綠協(xié)同度評價Fig.4 Evaluation of blue-green synergy degree before optimization
經(jīng)計算區(qū)域內(nèi)協(xié)同度最高的網(wǎng)格的歸一化綠地面積和流量的比值(4.9842∶1)以此作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn),按照上節(jié)所提方法對藍(lán)綠協(xié)同度較低及以下區(qū)域的綠地格局進(jìn)行優(yōu)化,得到優(yōu)化綠地分布圖(圖6),統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)新增綠地面積為353.73 hm2。為檢驗基于藍(lán)綠協(xié)同度的綠地優(yōu)化的效果,對優(yōu)化后的綠地進(jìn)行藍(lán)綠協(xié)同度評價,結(jié)果見圖7。經(jīng)統(tǒng)計,優(yōu)化后樣方內(nèi)的平均藍(lán)綠協(xié)同度為0.30,較優(yōu)化前提升1%,考慮樣方內(nèi)有84%不可優(yōu)化區(qū)(既有綠地、建筑、道路、水體占地3 020.22 hm2),此提升幅度實際已較為可觀。優(yōu)化前屬于低和較低協(xié)同度的區(qū)域,優(yōu)化后平均協(xié)同度為0.22,提升10%。城區(qū)平均協(xié)同度為0.3044,其中低、較低、中等、較高、高協(xié)同度面積的占比構(gòu)成為27.86%、31.83%、20.52%、13.26%、6.32%;郊區(qū)平均協(xié)同度為0.2930,其中低、較低、中等、較高、高協(xié)同度面積的占比構(gòu)成為17.22%、40.86%、27.99%、13.23%、0.69%。對比優(yōu)化前構(gòu)成情況可以看出,城區(qū)協(xié)同度提升明顯,郊區(qū)略有波動(表2)。
圖6 優(yōu)化綠地分布圖Fig.6 Distribution map of optimized green space
圖7 優(yōu)化后藍(lán)綠協(xié)同度評價Fig.7 Evaluation of the Blue-Green Synergy Degree after optimization
表2 優(yōu)化前后城郊區(qū)藍(lán)綠協(xié)同度及其結(jié)構(gòu)變化Tab.2 The blue-green synergy degree and structural changes of urban and suburban areas before and after optimization
藍(lán)綠協(xié)同度的提升意味著規(guī)劃樣方內(nèi)綠地和地表徑流在規(guī)模和分布上的耦合度更高,消洪促綠功能更強(qiáng)。以上案例研究證明了基于藍(lán)綠協(xié)同度評價的綠地優(yōu)化方法是可行的。
基于藍(lán)綠協(xié)同度的優(yōu)化原理在于:通過藍(lán)綠協(xié)同度評價發(fā)現(xiàn)協(xié)同度低下的區(qū)域,即水文與綠地的規(guī)模和布局不協(xié)調(diào)的區(qū)域,通過集水區(qū)分析找到流量累積后的傾瀉點,以傾瀉點為關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行綠地布局的優(yōu)化調(diào)整,最后實現(xiàn)區(qū)域水文與綠地在規(guī)模和布局上的整體協(xié)同,實現(xiàn)以水促綠、以綠養(yǎng)水、以綠凈水的目標(biāo)?;趯υ淼难芯浚n題組開展了相應(yīng)的設(shè)計實踐,進(jìn)一步檢驗理論的可行性與實操性。
以西安高鐵東站片區(qū)規(guī)劃用地的核心區(qū)為實踐對象(圖8)。該核心區(qū)東側(cè)與西安東站毗鄰,西側(cè)與浐河、南三環(huán)相接,占地面積1.4 km2。依據(jù)地塊建設(shè)邊界將其劃分為24個集水區(qū)。根據(jù)總體地勢高低,以東南向西北為總體匯流組織方向,通過溝渠式匯水綠鏈和自然式匯水綠鏈?zhǔn)占晁畯搅鳎⒃趨R水分區(qū)的基礎(chǔ)上,根據(jù)各匯水單元的徑流量情況,在各匯水單元內(nèi)部組織降水的產(chǎn)匯流分布,并在降水匯集點設(shè)置生境種植島,使水文分布與過程同綠地植被構(gòu)成功能系統(tǒng)體系(圖8)。最后以此布局為基礎(chǔ)建立了核心區(qū)的景觀系統(tǒng)(圖9),實現(xiàn)了藍(lán)綠問題治理與城市景觀構(gòu)建的有機(jī)結(jié)合,收到了不錯的設(shè)計效果反饋。
圖8 核心區(qū)綠地空間布局與產(chǎn)匯流分布Fig.8 Green space layout and distribution of runoff and influx in core area
圖9 核心區(qū)綠地景觀設(shè)計平面圖Fig.9 The planar graph of green space landscape design in core area
本研究提出藍(lán)綠協(xié)同度的概念,建立評價模型,提出制圖方法,通過對藍(lán)綠協(xié)同度的實例分析證明了模型的科學(xué)性與制圖方法的可行性。研究中新增的優(yōu)化綠地在區(qū)位上處于地表徑流集水區(qū)的傾瀉點上,達(dá)到了高效吸收地表徑流的目的;綠地在規(guī)模上與傾瀉點水量相適應(yīng)、相協(xié)同,起到吸收徑流、避免內(nèi)澇、促進(jìn)植被生長的作用。此方法可在實際項目中的規(guī)劃前期為綠地布局提供定量、定位的規(guī)劃指導(dǎo),從而將“綠地減澇、以水促綠”的生態(tài)功能融入傳統(tǒng)城市規(guī)劃的價值體系,為當(dāng)下城市中普遍的洪澇災(zāi)害與水資源的利用問題提供了嶄新的求解角度與思路。
低干擾的自然狀態(tài)下,植物生長茂盛之處往往也是水養(yǎng)豐富之處,藍(lán)、綠通常是天然耦合與協(xié)同的。研究中干擾較低的郊區(qū)比城區(qū)藍(lán)綠協(xié)同度較高印證了這點,也佐證了藍(lán)綠協(xié)同規(guī)律是客觀存在的。研究區(qū)屬于城鄉(xiāng)交錯帶,是城市建設(shè)的“前沿陣地”,其藍(lán)綠協(xié)同度總體偏低,說明在城市規(guī)劃建設(shè)中功能與經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先仍是一以貫之的主導(dǎo)規(guī)劃動機(jī),地表徑流的分布規(guī)律及其與綠地的相互作用規(guī)律尚未融入城市規(guī)劃方針理念中去。在城市中,尤其是在西北干旱半干旱條件下用水矛盾、旱澇多發(fā)的城市中,忽視藍(lán)綠規(guī)律成為了藍(lán)綠問題反復(fù)發(fā)生造成人居困擾和經(jīng)濟(jì)損失的病根,缺水和洪澇成為了城市持續(xù)陣痛的糾結(jié)病灶,這其中的原由應(yīng)當(dāng)引起人們的反思。
城市是一個人工生態(tài)系統(tǒng),任何生態(tài)系統(tǒng)都是由眾多生態(tài)元素與生態(tài)過程構(gòu)成的共同體,生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建不應(yīng)只為滿足個別單一主體(如人類)的需求。以藍(lán)綠協(xié)同規(guī)律進(jìn)行綠地規(guī)劃,本質(zhì)上是將城市水文、綠地元素及相互作用規(guī)律融入城市綠地規(guī)劃方法中的實踐,建立在將城市生態(tài)要素與生態(tài)過程的整體觀與價值理念之上,只有尊重生態(tài)的系統(tǒng)性、主體的多元性、規(guī)律的客觀性才能讓城市綠地規(guī)劃方法邁向更高層次的科學(xué)性。
藍(lán)綠協(xié)同理論的提出目的在于讓人在規(guī)劃時能充分利用地表徑流流動與植被生長的自然規(guī)律,但應(yīng)當(dāng)注意人的活動在藍(lán)綠協(xié)同過程中所扮演的角色具有的復(fù)雜性與矛盾性:一方面人類主導(dǎo)的規(guī)劃建設(shè)活動可能成為達(dá)成藍(lán)綠協(xié)同的推動因素。另一方面,人類的生產(chǎn)、生活需求引導(dǎo)下的復(fù)雜行為可能對藍(lán)綠協(xié)同績效造成負(fù)面影響。如何在城市規(guī)劃中發(fā)揮主觀性能動性,如何協(xié)調(diào)設(shè)施建設(shè)需求與生態(tài)建設(shè)需求,如何引導(dǎo)并促進(jìn)人與城市生態(tài)系統(tǒng)形成良性發(fā)展關(guān)系的形成,可能是基于藍(lán)綠協(xié)同原理進(jìn)行城市綠地規(guī)劃背后的關(guān)鍵問題所在。
注:圖8、圖9引自《西安高鐵東城核心區(qū)城市設(shè)計——生態(tài)景觀設(shè)計專項》項目文本,其余圖表均由作者繪制。