李 新 張倩倩 張偉捷

(1河北工程大學建筑學院;2河北工程大學科信學院;3河北工程大學城建學院,河北邯鄲 056038)

CITYgreen在城市生態(tài)綠地設計中的應用

李 新12張倩倩1張偉捷3

(1河北工程大學建筑學院;2河北工程大學科信學院;3河北工程大學城建學院,河北邯鄲 056038)

American Forests開發(fā)應用的城市綠地設計及分析軟件 CITYgreen為城市規(guī)劃中的生態(tài)綠地設計提供了科學有效、準確定量、合理實用的規(guī)劃及分析手段,在發(fā)達國家的城市建設中起到了良好的作用。結合城市綠地對城市暴雨徑流控制、空氣污染物清除、碳儲藏與吸收、樹木生長等的作用與影響,對 CITYgreen在城市生態(tài)綠地設計中的作用及功能進行了全面而簡要的介紹,旨在將這一先進的城市生態(tài)綠地設計手段引入到我國城市規(guī)劃及設計的工作中去,為城市規(guī)劃師和政府管理者提供一些輔助決策的參考依據,以使我國的城市建設健康生態(tài)、科學高效地可持續(xù)發(fā)展。

CITYgreen;城市規(guī)劃;生態(tài)綠地;效益

近年來,我國城市化進程高速發(fā)展,城市規(guī)劃、城市設計及城市建設工作在我國保持著強勁的發(fā)展勢頭,相關工作量大而面廣,其最終成果直接關系到城市功能水平的優(yōu)劣、城市及周邊自然生態(tài)環(huán)境的好壞以及城市居民生活質量的高低。城市規(guī)劃及設計在城市化進程中起到關鍵和決定性的作用,但在我國,傳統的城市規(guī)劃及設計理論與方法在城市生態(tài)規(guī)劃方面存在嚴重不足,導致我國一些城市生態(tài)環(huán)境嚴重惡化,抵御異常氣候及自然災害的功能十分脆弱,全社會為此付出了巨大而沉重的代價。到目前為止,我國大部分大中城市的規(guī)劃建設畸形發(fā)展,城市中心區(qū)域高樓密集擁擠,地面硬化嚴重,生態(tài)空間嚴重稀缺,加之交通規(guī)劃失當和疏浚設施不足,造成這些城市中心區(qū)域擁堵不堪、空氣污染嚴重、塵霾肆虐、城市熱島效應明顯、內澇不止等現象。2010年上半年以來,罕見的強降雨陸續(xù)肆虐我國多個省市,造成了一些城市的嚴重內澇災害;入夏后,南方的一些大中城市持續(xù)高溫的狀況愈演愈烈。

偶然中存在著必然,我國這些大中城市近些年來出現的諸多嚴重問題雖然是由多種因素促成的,但不可回避的重要因素是我們的城市規(guī)劃及設計存在“先天不足”,尤其是對城市的生態(tài)規(guī)劃方面存在嚴重缺陷。

城市生態(tài)綠地作為“城市之肺”,是城市生態(tài)系統的重要組成部分,是城市可持續(xù)發(fā)展的重要內容。城市生態(tài)綠地對改善城市生態(tài)環(huán)境,抵御城市化進程帶來的諸多負面影響起著巨大的作用。生態(tài)綠地不但能夠保持水土,凈化空氣,固碳釋氧,改善城市溫濕環(huán)境,緩解城市熱島效應,降低城市能源消耗,而且能夠改善城市對人們的視覺感受、生理感受和心理感受。然而,在傳統的城市規(guī)劃綠地設計中往往將綠地作為景觀要素來處理,偏重于視覺效果,很少將城市生態(tài)綠地作為一個城市建設和發(fā)展的生態(tài)承擔和改善的基礎要素加以考慮,更缺乏對于植物之間以及植物與環(huán)境之間生態(tài)影響和環(huán)境效益的定量研究,尚不能為城市規(guī)劃提供所必需的綠地規(guī)模、植物群落種類、植物的空間分布等的確切的數量指標,也難以對城市生態(tài)、經濟、社會效益等進行綜合評價,更不能為城市規(guī)劃及設計進行檢查、驗收、監(jiān)督和法規(guī)制定提供科學依據。這樣就不可避免地為我們的城市建設帶來了生態(tài)隱患。

我國近三十年高速城市化進程中的不足和經驗教訓值得總結和反思,發(fā)達國家在城市規(guī)劃及設計中的經驗和先進的理念與手段值得我們關注和借鑒。許多發(fā)達國家早已利用信息技術進行城市生態(tài)綠地設計,比較常用的就是American Forests在 1996年研發(fā)出的可以定量分析和評價生態(tài)綠地對城市生態(tài)影響和環(huán)境效益的設計工具——CITYgreen,它可以定量計算出樹木的各項指標對城市保持水土、凈化空氣、固碳釋氧、降低能耗等方面的影響和效益,在美國以及加拿大等發(fā)達國家都得到了廣泛的應用。由于 CITYgreen的分析結果比較科學準確,能夠對城市生態(tài)效果和效益做出預測評價,使規(guī)劃設計師和政府管理者對城市生態(tài)效益和相關的經濟價值有比較客觀和全面的認識和了解,為他們提供了一些輔助決策的參考依據,能夠作為設計單位和政府規(guī)劃部門的重要決策工具,從而可以更好地指導和優(yōu)化城市規(guī)劃及設計。

1 CITYgreen的應用現狀

CITYgreen是 American Forests基于 ERSI公司的 GIS軟件 Arcview3.X開發(fā)的功能擴展模塊,可以利用多光譜、高分辨率影像,通過數字化過程準確勾畫出整個研究區(qū)域的圖像,建立區(qū)域的地面覆蓋物類型的數據庫來調查城市生態(tài)綠地的現狀,統計區(qū)域內樹木的狀況,建立城市生態(tài)綠地系統,然后通過實地勘察收集數據,根據輸入數據庫中的數據對生態(tài)系統的服務功能做出量化的評估。從而,在計算機中實現城市生態(tài)綠地信息的自動提取、更新和管理,為科學地評價城市規(guī)劃及設計提供信息保障并減少大量繁重的工作,CITYgreen還可以對整個城市的生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢做出預測和模擬,為決策者提供科學的依據。

CITYgreen主要用于量化城市生態(tài)綠地所帶來的效益,并對其進行規(guī)劃管理。由于 GIS技術的應用,使其對基礎數據的分析管理變得方便快捷,能夠比較客觀地反映城市生態(tài)綠地的內在特性, CITYgreen在國際上尤其是在美國等發(fā)達國家得到了廣泛地應用,已完成了包括亞特蘭大、華盛頓特區(qū)、新奧爾良、休斯頓和圣安東尼奧等 20多個城市的生態(tài)分析。這些分析結果對于提高公眾對城市生態(tài)綠地效益的認識起到了十分重要的作用。阿卜杜拉 (Abdollahi)在《全球氣候變化與城市綠地》一書中介紹了 CITYgreen在評估城市生態(tài)綠地效益方面的作用。目前全球有 200多座城市利用其來進行土地利用和環(huán)境規(guī)劃,如美國辛辛那提市 (Cincinnati)在政府管理的 GIS中心系統中增加了植被覆蓋的數據,并且對全市 52個鄰里內的樹木進行了城市暴雨徑流減排和改善空氣質量的效益評估,幫助全體市民理解城市生態(tài)綠地的價值,并作為今后規(guī)劃的依據。美國密蘇里州 (Missouri)相關機構對城市生態(tài)綠地的研究表明傳統的鄰里單元更利于發(fā)揮樹木的效益,而且通過 CITYgreen分析發(fā)現,植被覆蓋度越高,其在改善空氣質量和減緩暴雨徑流方面的效益越大。杰夫·比蒂 (Jeff Beattie)等在樹木凈化水質的研究中應用了 CITYgreen的分析手段,其研究表明,樹木本身就能減緩暴雨徑流,凈化水質 (包括暴雨沖刷城市道路時產生的污水),還能吸收利用土壤中的氮 (N)、磷 (P)、鉀 (K)等 (城市生活的副產品)元素。

貝斯·韋德(BethWade)將 CITYgreen應用在減少城市熱島效應以及對環(huán)境的影響分析中,衡量樹木配置的模式是否能發(fā)揮其最大的效益。對美國洛杉磯市 (Los Angeles)的研究表明,每增加 10%的樹冠面積,空氣溫度會降低 1℃,城市中的煙霧就會減少 3%,城市對能量的需求就會相應地減少 2%。美國亞特蘭大市 (Atlanta)使用 CITYgreen分析城市熱島效應,運用經過計算機處理的土地利用規(guī)劃數據使每個社區(qū)確定其生態(tài)系統的價值,并做出有效的成本效益分析,城市管理者就能做出關于自然資源的預算補貼。其分析結果同樣表明,每增加 10%的樹冠面積,就會使空氣溫度降低 l～2℃。它還指出亞特蘭大應該通過植樹減少暴雨對土地的侵蝕,這種侵蝕導致了該市洪水泛濫和水質的惡化?？ǚ?(Carver)等人利用 CITYgreen預測住宅區(qū)里夏季空調高峰期時樹冠面積對降低空調能耗的具體作用,同時通過比較軟件所預測出的節(jié)能值與電力系統所提供的實際節(jié)能值來評價 CITYgreen的實用性。分析表明, CITYgreen能比較精確地估算出高植被覆蓋率的老住宅區(qū)的空調節(jié)能效率。樹木對空調節(jié)能的作用不僅與樹冠面積比有關,還取決于樹木的方位及大小。因此,把樹木種在能夠有效遮避窗戶和空調的位置并使其生長到一定的高度,就能使有限的樹木發(fā)揮最大的遮蔭效益。

CITYgreen還可以測定城市生態(tài)綠地效益的具體價值。如亞特蘭大市區(qū)樹木覆蓋率為 29%,每年暴雨減排效益價值約為 8590萬美元;每年凈化空氣價值約為 4700萬美元;每年降低能源消耗價值約為282萬美元;每年植物儲碳量達到 800萬噸,碳吸收量 5.8萬噸。對美國塞勒姆市 (Salem)12個區(qū)域的研究,樹木覆蓋率從 17%增加到 25%,則城市暴雨減排的費用就能節(jié)省 1750萬美元。同樣,對美國新奧爾良市 (New Orleans)城市生態(tài)系統的分析表明,目前該市樹木覆蓋率為 24.5%,林木每年可吸收 1.3萬噸大氣污染物,折合生態(tài)價值為 0.7103萬美元,每年暴雨減排效益價值為 741萬美元,碳儲存為 130萬噸,碳吸收為 1萬噸。另外,在美國印第安納波利斯市 (Indianapolis)和休斯頓市 (Houston)也有類似關于CITYgreen對城市林木生態(tài)效益進行量化分析的實例。

在我國,CITYgreen最先應用于城市森林生態(tài)價值的估算。胡志斌等通過ArcView 3.2的二次開發(fā)語言 Avenue,建立了基于 CITYgreen的城市森林管理信息系統,為城市森林結構的研究、效益綜合評價提供了技術依據,并利用 CITYgreen對沈陽市區(qū)土地利用和森林結構進行了分析和效益定量評價。研究證明,每年產生的森林經濟效益為 2650萬美元。王曉春等以東北林業(yè)大學哈爾濱實驗林場為例,基于CITYgreen結合航片判讀與實地調查,對哈爾濱市 7種主要喬木樹種的 SO2去除能力進行了定量評價。

我國城市生態(tài)綠地效益的定量研究發(fā)展較慢,在該方面的應用也比較少,只有沈陽、哈爾濱、南京等地有所應用,且應用較多的也只是對城市行道樹及公園植被的研究,其中中科院沈陽應用生態(tài)研究所是我國較早引進 CITYgreen的單位,并以沈陽市為試點,進行城市森林結構特征和生態(tài)效益的分析,開拓了我國城市森林生態(tài)系統結構功能評價研究。朱文泉在 GIS支持下,對城市生態(tài)綠地生態(tài)效益進行了研究,利用 CITYgreen3.0對沈陽樹木園及其周邊地區(qū)的生態(tài)效益進行了綜合評價,并將其轉換成了直觀的經濟效益,為市政建設與綠地規(guī)劃提供了決策依據。并以沈陽樹木園森林群落為例,建立了沈陽樹木園綠地管理信息系統。該系統可以定量分析沈陽樹木園植物群落的物種結構及空間格局對城市生態(tài)效益的影響。結果表明,城市綠化的生態(tài)環(huán)境效益不僅取決于綠化樹種、綠化的覆蓋面積,還取決于綠化的空間結構以及植被的生長狀況。

2 CITYgreen的作用及功能

由于建立在 GIS平臺上,CITYgreen在城市生態(tài)綠地的監(jiān)測、研究、模擬、評價和規(guī)劃等方面都有較大的應用和發(fā)展空間,充分使用和發(fā)揮 CITYgreen的作用,可以在城市建設中取得良好的生態(tài)、經濟和社會效益。CITYgreen的主要作用及功能有以下幾個方面:

2.1 暴雨徑流控制的定量分析

CITYgreen根據兩年的地表全天候暴雨徑流量研究得出,樹木和土壤的共同作用能控制暴雨徑流。

不透水地表更易產生大量的徑流,而自然地域可以減少徑流量。高大的樹木,濃密的枝葉加之與其伴生的其他灌木、地被植物和草本植物可以攔截雨水并減少暴雨量。被攔截的雨水一部分揮發(fā)到大氣中,一部分浸入土壤,有效阻擋降水、延遲雨水在地表積聚的時間,減少地表徑流量和推遲洪峰形成的時間并削減洪峰流量,從而減少了發(fā)生洪水與土壤侵蝕的可能性,也減少了暴雨沖毀房屋建筑、排水設施以及其他市政基礎設施造成的損失以及維修費。

2.2 空氣污染物清除量的計算

樹木對空氣的凈化功能主要表現在能分解、吸收和固定大氣中的有害物質,如樹葉可吸收和過濾二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)、可吸入顆粒物 (PM10)、臭氧 (O3)和一氧化碳 (CO),從而改善空氣質量。夏天,樹木通過直接的樹陰和水分蒸發(fā)來降低大氣溫度,從而降低城市區(qū)域內二次空氣污染物的產生。

在樹木吸附大氣污染物的研究中,其分析的依據是 American Forests對 10個城市進行研究后的統計結果,它不僅考慮到了樹冠面積,而且包含了大氣污染物濃度和沉積速率。

2.3 碳儲藏與吸收量的計算

CITYgreen可以計算出樹木在研究區(qū)域內的碳儲藏和吸收量。樹木對碳儲藏與吸收,主要是在樹木自身進行光合作用的過程中吸收和利用大氣中的 CO2,從而將 CO2儲藏在體內的過程。樹木可以通過兩種方式在降低城市空氣中的 CO2含量方面發(fā)揮作用并產生效益:一是樹木本身在光合作用過程中吸收和利用 CO2,從而減少大氣中的 CO2含量;二是樹木通過遮陰、擋風來降低城市的能源消耗,從而減少了為生產這部分能源而需要燃燒燃料所排放的 CO2量,繼而緩解城市“熱島效應”。

CITYgreen計算樹木對碳儲藏和吸收,是根據生物量和葉面積進行的,即根據樹木的不同年齡等級相對應的碳儲存因子和吸收因子來計算的 (見表 1),這是目前國內外廣泛采納的方法。具體公式如下:

表1 胸徑等級與碳存儲和吸收因子的換算表 (American Forests,2002)

2.4 城市節(jié)能效益的定量分析

目前我國對于城市綠地在降低城市能源消耗方面的研究較少。而 CITYgreen在這方面具有較強的功能。

樹木可為周邊的房屋在減少建筑能源消耗方面產生一定作用。栽植適當的樹種,在夏季能夠通過對房屋、汽車等遮陰以減少其空調電力的消耗,在冬季通過對房屋遮擋寒風起到保溫作用以減少加熱用天然氣或電力的消耗。CITYgreen可以計算出樹陰給居民帶來的直接效益,計算出每家節(jié)省的電量和費用。但是,這需要樹種、樹高、樹冠形狀、葉的持綠期和郁閉度、建筑屋頂的顏色及反射率、屋頂高度、建筑保溫隔熱和暖通空調系統等要素的數量描述。

2.5 樹木生長的模擬

樹木產生的上述生態(tài)功能會隨著樹齡的增加和樹木的生長而逐漸增加,CITYgreen可以根據樹木的現狀,模擬研究區(qū)域內的每一棵樹木在 50年以內的生長狀況,并且對其產生的相應效益及經濟價值做出動態(tài)預測,使之成為居住區(qū)設計和建設的一個重要決策參考依據。

進行樹木生長模擬時,模型需要以下的指標作為模擬參數 (見表 2)。

表2 樹木生長指標 (American Forests,2002)

3 結語

CITYgreen在城市綠地生態(tài)效益分析方面具有較強的功能,在一些城市的生態(tài)分析、預測與管理方面也屢有應用,但將其引入到城市規(guī)劃及設計工作中以作為城市生態(tài)規(guī)劃的強力手段仍不多見。鑒于目前在城市規(guī)劃及設計工作中,針對城市綠地對城市生態(tài)影響的定量分析嚴重不足,已造成眾多城市生態(tài)環(huán)境惡化和生態(tài)功能脆弱的嚴重后果,將 CITYgreen引入到城市生態(tài)綠地的規(guī)劃及設計中是十分必要和重要的,也是切實可行的。

應用 CITYgreen對城市規(guī)劃及設計方案進行輔助分析,并對城市生態(tài)綠地進行科學規(guī)劃與評價,使城市規(guī)劃及設計方案中的生態(tài)綠地研究有據可依,可以有效地改善我國城市建設的生態(tài)性,并增強城市的生態(tài)功能,這將是城市規(guī)劃及設計階段優(yōu)化研究方面的一個飛躍,能夠為城市規(guī)劃師和政府管理者提供很有價值的參考。

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TU985

A

1009-5462(2011)01-0047-04

2011-03-11

河北工程大學青年基金。

李新,男,河北邯鄲人,河北工程大學建筑學院助教,碩士。

[責任編校:張彩紅 ]