張軍學(xué)，孔起放，張善穩(wěn)，張巖，黃莉

（1 南京棲霞建設(shè)股份有限公司，江蘇南京 210046；2 東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇南京 210096；3 江蘇科技大學(xué)建筑系，江蘇鎮(zhèn)江 212100；4 三江學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇南京 210012；5 南京穩(wěn)中建設(shè)工程有限公司，江蘇南京 210012；6 蘭州理工大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

1 研究背景

生態(tài)城市是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)的有效模式之一，其中，景觀綠地設(shè)計(jì)是其不可或缺的部分。目前，城市景觀綠地設(shè)計(jì)由專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)完成，多數(shù)以定性為其最終指導(dǎo)方向。本研究引入能值理論，以定量角度量化評(píng)估城市綠地生態(tài)可持續(xù)性，具有一定的參考價(jià)值和意義[1-3]。

2 能值理論

2.1 能值方法

能值理論起源于20 世紀(jì)80 年代，以美國(guó)H·T·Odum 教授為代表的學(xué)者將相關(guān)理論發(fā)表到《Science》雜志為標(biāo)志，正式代表能值理論的創(chuàng)立[4]。其后，隨著能值理論推廣到世界各國(guó)及各行各業(yè)，成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要分支方向。

2.2 能值模型計(jì)算公式

城市系統(tǒng)粗略可分為輸入和產(chǎn)出兩部分，細(xì)分可分為可再生能源、不可再生資源、服務(wù)等（見(jiàn)圖1）。

2.3 能值評(píng)估指標(biāo)

能值評(píng)估指標(biāo)包括兩類(lèi)，分別為基礎(chǔ)指標(biāo)和綜合性指標(biāo)，其中，可更新能值、不可再生能值、外界輸入能值、總能值量、單位貨幣能值、能值密度等為基礎(chǔ)性指標(biāo)；環(huán)境負(fù)載率、能值產(chǎn)生率、可持續(xù)系數(shù)為綜合性指標(biāo)（見(jiàn)表1）。

表1 能值分析指標(biāo)

3 定量計(jì)算

3.1 城市綠地設(shè)計(jì)情況

以江蘇市鎮(zhèn)江市某區(qū)綠地設(shè)計(jì)為例，綠地系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)原則為生態(tài)永續(xù)、空間滲透，涉及接頭游園、核心景觀連廊、林蔭大道。城市生態(tài)公園細(xì)部設(shè)計(jì)包括生態(tài)沉淀池、生態(tài)凈化池、植被緩沖帶、特色廊架、陽(yáng)光草坪、親水平臺(tái)、特色種植池、生態(tài)駁岸、生態(tài)園路、活力游步道、健康跑道、生態(tài)綠道、生態(tài)泡泡、生態(tài)濕地等。

3.2 可再生能源能值計(jì)算

3.2.1 太陽(yáng)能值計(jì)算。

建筑面積=239800m2；光照射率=5×109～5.85×109J/m2/yr；反射率=0.3；能量=（光照射率）×（1-反射率）×（面積）=（5.43×109J/m2/yr）×0.7×（239800m2）=9.08×1014J/yr；能值轉(zhuǎn)換率=1sej/J；太陽(yáng)能值=9.08×1014J/yr×1yr×1sej/J=9.08×1014sej。

3.2.2 雨水勢(shì)能能值計(jì)算。

建筑面積=239800m2；平均降雨量=0.68m/yr、平均海拔高度=316m；水密度=1000kg/m3；徑流率=40%；能量=（面積）×（降雨量）×（徑流率）×（水密度）×（海拔高度）×（重力加速度）=（239800m2）×（0.71m/yr）×（40%）×（1000kg/m3）×（316m）×（9.8kg/m2）=2.1×1011J/yr；能值轉(zhuǎn)換率=2.79×104sej/J；雨水勢(shì)能能值=2.1×1011J/yr×1yr×2.79×104sej/J=5.85×1015sej。

3.2.3 雨水化學(xué)能能值計(jì)算。

建筑面積=239800m2；平均降雨量=0.68m/yr；水密度=1.00kg/m3；蒸散率=60%；水的吉布斯自由能=4.94×103J/kg；能量=（建筑面積）×（平均降雨量）×（蒸散率）×（水密度）×（吉布斯自由能）=（239800m2）×（0.71 m/yr）×（1×103kg/m3）×（60%）×（4.94×103J/kg）=5.03×1011J/yr；能值轉(zhuǎn)換率=18199sej/J；雨化學(xué)能能值=5.03×1011J/yr×1yr×18199sej/J=9.15×1015sej。

3.2.4 風(fēng)能能值計(jì)算。

建筑面積=239800m2；空氣密度=1.29kg/m3；自轉(zhuǎn)風(fēng)速=3.17m/s；阻力系數(shù)=0.001；能量=（建筑面積）×（空氣密度）×（阻力系數(shù)）×（自轉(zhuǎn)風(fēng)速）3=（239800m2）×（1.29kg/m3）×（1×10-3）×（3.17m/s）3×（3.15×107s/yr）=3.09×1010J/yr；能值轉(zhuǎn)換率=1496sej/J；風(fēng)能能值=3.09×1010J/yr×1yr×1496sej/J=4.62×1013sej。

3.2.5 地?zé)崮苣苤涤?jì)算。

建筑面積=239800m2；熱流=3.50×10-2J/m2/s、能量=（建筑面積）×（熱流）=（239800m2）×（3.50×10-2J/m2/s）×（3.15×107s/yr）=2.64×1011J/yr；能值轉(zhuǎn)換率=34377 sej/J；地?zé)崮苣苤?2.64×1011J/yr×1 yr×34377sej/J=1.06×1016sej。

4 綜合各類(lèi)能值分析

由表2、圖2 可知，信息熵能值的考量增加后，整個(gè)系統(tǒng)能值量變大，外界輸入能值和不可更新能值的比重增加，同時(shí)，單位貨幣能值和能值密度同時(shí)增加。由于總體能值量變大，造成城市系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)載率提升，從6.82 提升至8.55。雖然能值產(chǎn)生率比變化前增加0.88，但整個(gè)城市系統(tǒng)可持續(xù)性系數(shù)變小，從0.13 降至0.11。由此可知，信息熵會(huì)對(duì)整個(gè)城市系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，所以，此類(lèi)能值需要考量到整個(gè)系統(tǒng)中，避免系統(tǒng)可持續(xù)評(píng)估出現(xiàn)誤差。

表2 考慮信息熵能值前后的變化

5 改進(jìn)措施與效果驗(yàn)證

以城市雨水回收系統(tǒng)為例進(jìn)行效果驗(yàn)證。作為綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特征之一的雨水收集系統(tǒng)可分為兩方面：建筑雨水收集、開(kāi)敞空間雨水收集。具體原理為，通過(guò)屋頂綠化或建筑立面垂直綠化及鋪裝地面收集雨水后，匯集到地下儲(chǔ)蓄，經(jīng)過(guò)濾池處理后實(shí)現(xiàn)再利用，再與建筑衛(wèi)生用水、綠地灌溉一同排向城市水體。開(kāi)敞空間雨水收集多用于公園綠地，通過(guò)雨水溝和綠地滲透等方式灌入蓄水罐，經(jīng)處理后可用于灌溉、群落生境供水、公園噴泉等。

假設(shè)城市雨水回收系統(tǒng)覆蓋到全部的地塊，整個(gè)面積按照總的設(shè)計(jì)面積計(jì)算，根據(jù)雨水勢(shì)能和雨水化學(xué)能計(jì)算公式計(jì)算出雨水可再生能值量，公式如下：

（1）雨水勢(shì)能的能值具體計(jì)算公式：

A 為室內(nèi)設(shè)計(jì)工程面積；Tβ1為降雨量；Tβ2為徑流量；Tβ3為水密度；Tβ4為海拔高度；Tβ5為重力加速度；UEVβ為雨水勢(shì)能的能值轉(zhuǎn)換率。

（2）雨水化學(xué)能的能值具體計(jì)算公式：

A 為室內(nèi)設(shè)計(jì)工程面積；Tχ1為平均降雨量；Tχ2為蒸散率；Tχ3為水密度；Tχ4為吉布斯自由能；UEVχ為雨水化學(xué)能的的能值轉(zhuǎn)換率。

具體計(jì)算過(guò)程為：

雨水勢(shì)能能值=（面積）×（降雨量）×（徑流率）×（水密度）×（海拔高度）×（重力加速度）×（能值轉(zhuǎn)換率）=（239800m2）×（0.71m/yr）×（40%）×（1000kg/m3）×（316m）×（9.8kg/m2）×（2.79×104sej/J）=5.85×1015sej。

雨化學(xué)能能值=（建筑面積）×（平均降雨量）×（蒸散率）×（水密度）×（吉布斯自由能）×（能值轉(zhuǎn)換率）=（239800m2）×（0.71 m/yr）×（1×103kg/m3）×（60%）×（4.94×103J/kg）×（18199 sej/J）=9.15×1015sej。

綜上所述，總的可更新能值可節(jié)省1.5×1016sej，計(jì)算入總的城市系統(tǒng)，各類(lèi)指標(biāo)變化幅度見(jiàn)表3。

由表3、圖3 可知，考慮雨水回收系統(tǒng)后，整個(gè)城市系統(tǒng)可再生能值增加，單位貨幣能值和能值密度均有較大幅度提升，環(huán)境負(fù)載率基本和原有系統(tǒng)持平，能值產(chǎn)生率有較高提升，導(dǎo)致最后的可持續(xù)系數(shù)有明顯提升，說(shuō)明雨水回收系統(tǒng)對(duì)城市系統(tǒng)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展積極作用。

表3 改進(jìn)措施前后的變化

6 結(jié)論

從整個(gè)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，城市綠地系統(tǒng)的可持續(xù)性偏低，說(shuō)明整個(gè)綠地系統(tǒng)的投入過(guò)高，造成生態(tài)壓力較大。為了改善城市可持續(xù)性狀態(tài)，雨水回收系統(tǒng)的投入可以有效提高整個(gè)城市系統(tǒng)的生態(tài)狀態(tài)。研究表明：城市生態(tài)從0.13 提升到0.32，從能值角度講，說(shuō)明此類(lèi)措施的投入和實(shí)施是有價(jià)值和意義的。

（收稿：2022-08-09）