基于GISP模型的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施多功能性評估

顧康康,程 帆,楊倩倩

1 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,合肥 230022 2 安徽省城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心,合肥 230022

生態(tài)彈性力是指生態(tài)系統(tǒng)在受到外界干擾,偏離平衡狀態(tài)后表現(xiàn)出的自我維持、自我調(diào)節(jié)及抵抗外界各種壓力和擾動的能力[1]。城市通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增強(qiáng)抵御能力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,最終達(dá)到擴(kuò)大城市生態(tài)彈性力的作用[2-3]。綠色基礎(chǔ)設(shè)施多功能性是實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合效益最大化的前提,這一點(diǎn)已被眾多學(xué)者認(rèn)可[4],多功能性提供了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)、調(diào)節(jié)、支持和文化四大服務(wù)類別[5],既能提供生態(tài)功能效益,又能在社會問題上產(chǎn)生社會和環(huán)境效益[6]。例如綠色基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)城市綠色空間,如屋頂綠地、雨洪公園和綠道等,提供各種社會和生態(tài)效益,以改善公共環(huán)境和雨洪管理[7]。廣泛實(shí)證規(guī)劃以及文獻(xiàn)研究表明綠色基礎(chǔ)設(shè)施除了注重解決雨洪問題外[8],還在緩解城市熱島效應(yīng)[9]、凈化空氣[10]、景觀連通性[11]以及綠色空間可達(dá)性上有較明顯效應(yīng)[12]。雖然綠色基礎(chǔ)設(shè)施具有多功能性,但綠色基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常從單一效益進(jìn)行研究和實(shí)施,如海綿城市的角度[8,13-14]。缺乏綜合規(guī)劃模型來評估多功能性的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃,以及社會和生態(tài)效益之間的協(xié)同和權(quán)衡效應(yīng)[15]。為了解決這一問題,本文通過構(gòu)建綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃(GISP)模型,開展城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施多功能性評估,明確綠色基礎(chǔ)設(shè)施的高需求地區(qū),探討綠色基礎(chǔ)設(shè)施效益之間的權(quán)衡和協(xié)同作用,論證城市綠地系統(tǒng)相關(guān)規(guī)劃是否在戰(zhàn)略性規(guī)劃和選址上符合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大化。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Study area

合肥位于中國華東地區(qū),長三角西端,江淮之間。2016年末常駐總?cè)丝?86.9萬,城市建成區(qū)面積428 km2,GDP達(dá)到6274.3億元。合肥是安徽省省會,同時具有長三角城市群副中心城市、綜合性國家科學(xué)中心、全國文明城市、國家園林城市等榮譽(yù)。城市中心城區(qū)建成環(huán)城公園、濱湖森林公園、大蜀山森林公園、董浦水庫、大房郢水庫等生態(tài)空間,生態(tài)本底良好。隨著合肥經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城區(qū)人口持續(xù)增長、建成區(qū)擴(kuò)張加速,城市洪澇問題、熱島效應(yīng)以及空氣問題日益突出,綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面臨巨大壓力。

本研究以合肥市中心城區(qū)為研究區(qū)域,以中心城區(qū)47個街道為研究單元(圖1)。

1.2 綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃(GISP)模型

傳統(tǒng)多功能性綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃研究多運(yùn)用空間多標(biāo)準(zhǔn)(MCE)評估框架進(jìn)行評估,較多使用綠色空間可達(dá)性和緩解熱島效應(yīng)兩個指標(biāo)來進(jìn)行評估[8]。在指標(biāo)權(quán)重確定方面,較少使用利益相關(guān)者評估的權(quán)重,有的雖然考慮利益相關(guān)者的權(quán)重,但未考慮綠色基礎(chǔ)設(shè)施效益之間權(quán)衡和協(xié)同效應(yīng)[4],同時都相對較少的使用基于GIS的空間多標(biāo)準(zhǔn)評估方法[16]。本文構(gòu)建的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃(GISP)模型是基于GIS平臺集成雨洪管理、綠色空間可達(dá)性、凈化空氣、緩解熱島效應(yīng)、景觀連通性五大功能(表1),通過MCE構(gòu)建包含利益相關(guān)者優(yōu)先級的模型[17]。模型可用來識別城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施需求的優(yōu)先區(qū)域,并分析各指標(biāo)效益之間權(quán)衡和協(xié)同作用,促進(jìn)平等分配和利用效益,達(dá)到最大化多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,評價結(jié)果也可作為決策支持工具。

表1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃模型和數(shù)據(jù)來源

1.2.1 雨洪管理

為了確定區(qū)域雨洪管理的優(yōu)先級,使用能在一定程度上反應(yīng)排水能力的徑流系數(shù)來評估雨洪管理。徑流系數(shù)越大則代表降雨較不易被土壤吸收,亦會增加排水溝渠的負(fù)荷。因此,徑流系數(shù)大的區(qū)域?yàn)橛旰楣芾韮?yōu)先區(qū)。

模型基于2017年1月1日合肥市遙感圖像,通過匯水子區(qū)域劃分、地表覆蓋監(jiān)督分類、DEM坡度分析和GIS疊置分析等步驟,獲得不同地表覆蓋和坡度條件下的面積權(quán)重,并借鑒《場地規(guī)劃與設(shè)計手冊》中整合坡度之后的合理化方法的徑流系數(shù),獲得區(qū)域綜合徑流系數(shù)[18]。

1.2.2 綠色空間可達(dá)性

對于綠色空間可達(dá)性優(yōu)先級,指標(biāo)是無法在公園10 min步行距離內(nèi)的人口數(shù),其人口數(shù)越大表示可達(dá)性越差,應(yīng)為綠色空間可達(dá)性的優(yōu)先區(qū)域。

運(yùn)用GIS疊置分析計算落在公園800 m步行距離之外的每個街道區(qū)域的總面積的百分比,然后將百分比乘以街道總?cè)丝?得出每個街道無法在公園10 min步行距離內(nèi)人口。該方法不考慮公園規(guī)模和品質(zhì),同時步行距離僅使用緩沖區(qū)分析,不考慮道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[19-20]。

1.2.3 緩解熱島效應(yīng)

對于緩解熱島效應(yīng)的優(yōu)先級,是根據(jù)區(qū)域溫度來評估熱島效應(yīng)。溫度越高區(qū)域熱島效應(yīng)越明顯,應(yīng)視為緩解熱島效應(yīng)的優(yōu)先區(qū)域。

為獲得區(qū)域溫度,利用合肥市2016年7月25日landsat-8 OLI/TIRS影像數(shù)據(jù),基于大氣校正法,計算地表比輻射率、黑體輻射亮度等參數(shù),對地表溫度進(jìn)行反演,通過極差標(biāo)準(zhǔn)化處理得到合肥市地表溫度,通過GIS將街道與溫度分布圖疊加統(tǒng)計出各街道溫度[21]。

1.2.4 凈化空氣

為評估凈化空氣的優(yōu)先級使用合肥市空氣中最主要污染物PM2.5濃度來確定。PM2.5濃度大的區(qū)域應(yīng)是凈化空氣的優(yōu)先區(qū)域。

為獲得合肥市各街道PM2.5濃度,根據(jù)合肥市10個國家空氣監(jiān)測站統(tǒng)計的PM2.5數(shù)據(jù),將合肥2017年4月平均數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過GIS平臺中克里金插值分析法統(tǒng)計出合肥市PM2.5濃度分布,通過GIS將街道與PM2.5濃度分布圖疊加統(tǒng)計出各街道PM2.5濃度[22]。

1.2.5 景觀連通性

景觀連通性優(yōu)先級,是使用景觀分析中常用軟件Fragstats中的Patch Cohesion Index指標(biāo)來評估各街道生物棲息地斑塊的物理連通性[23]。根據(jù)生態(tài)土地利用互補(bǔ)理論[24],現(xiàn)有森林的區(qū)域有利于聚集附近的新植被,所以景觀連通性評分較高的區(qū)域應(yīng)作為景觀連通性的優(yōu)先區(qū)域。

1.3 評價方法及指標(biāo)權(quán)重

在構(gòu)建5個功能指標(biāo)的優(yōu)先級分析圖后,對相關(guān)利益者進(jìn)行了一次調(diào)查,通過咨詢相關(guān)專家、合肥市居民以及政府機(jī)構(gòu),讓他們綜合分析比較5個功能之間的重要性。通過對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,運(yùn)用AHP分析法得出雨洪管理、綠色空間可達(dá)性、緩解熱島效應(yīng)、凈化空氣和景觀連通性的相應(yīng)權(quán)重是0.33、0.19、0.1、0.23、0.15。然后將相應(yīng)功能的權(quán)重屬性導(dǎo)入GIS平臺,對5個功能指標(biāo)的優(yōu)先級分析圖對進(jìn)行加權(quán)疊加分析,從而得出包含利益相關(guān)者權(quán)重的合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址優(yōu)先級評價圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址優(yōu)先性評價

圖2 綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址優(yōu)先級評價圖Fig.2 Evaluation map of green infrastructure location prioritization

運(yùn)用GISP模型得到合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址優(yōu)先級評價圖(圖2),可以看出,綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址優(yōu)先性存在顯著的差異。綠色基礎(chǔ)設(shè)施雨洪管理效益需求較高的區(qū)域集中在合肥市一環(huán)周邊、東部及西南地區(qū),該地區(qū)多屬于老城區(qū),綠地覆蓋率較低,雨水收集、存儲的功能較弱；綠色基礎(chǔ)設(shè)施緩解熱島效益需求較高的區(qū)域集中在合肥東北、北部地區(qū),該地區(qū)是合肥市人口、建筑密度較高的區(qū)域,居住、商業(yè)、廣場等為主體的用地性質(zhì)也加劇了熱島效應(yīng)；綠色基礎(chǔ)設(shè)施綠色空間可達(dá)性需求總體呈現(xiàn)高、較高或中等的程度,表明合肥市綠地公園的數(shù)量及服務(wù)范圍均不夠理想；綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀連通性需求總體呈現(xiàn)高、較高或中等的程度,僅中東部少數(shù)街區(qū)有較低的需求,表明合肥市綠地斑塊的連通性一般；綠色基礎(chǔ)設(shè)施凈化空氣效益需求較高的區(qū)域集中在東北、北部地區(qū),該地區(qū)交通流量和產(chǎn)業(yè)較集中,

PM2.5濃度值是最高的區(qū)域?？傮w而言,綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址的高需求區(qū)域?yàn)槌鞘幸画h(huán)內(nèi)及東北區(qū)域,這與該地區(qū)的用地性質(zhì)和建設(shè)強(qiáng)度是緊密聯(lián)系的。運(yùn)用GISP模型可以得到綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址的高需求地區(qū),這對于城市規(guī)劃師選擇較高綠色基礎(chǔ)設(shè)施需求的場地及提升城市生態(tài)彈性力,具有重要的意義。

2.2 合肥綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不同功能的空間關(guān)系

圖3 指標(biāo)相關(guān)性Fig.3 Indicators relevance 圓圈的直徑大小和顏色描繪了GISP模型指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)。 較大的圓圈表示較強(qiáng)的負(fù)(紅色)或正性(藍(lán)色)關(guān)系。 標(biāo)有“X”的不具有統(tǒng)計意義

空間協(xié)同關(guān)系表明不同功能在空間表現(xiàn)協(xié)調(diào)共生,是一種正向關(guān)系,空間權(quán)衡關(guān)系表明不同功能在空間表現(xiàn)制約拮抗,是一種負(fù)向關(guān)系。合肥市各街區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施不同功能的需求存在顯著的空間差異,例如雨洪管理優(yōu)先級高的區(qū)域,綠色空間可達(dá)性不一定高,相反部分區(qū)域景觀連通性是最低的。特別是凈化空氣和緩解熱島效應(yīng)都與景觀連通性優(yōu)先區(qū)域差異比較大。但是,凈化空氣、緩解熱島效應(yīng)以及雨洪管理上存在著相似性。運(yùn)用SPSS軟件分析雨洪管理、緩解熱島效應(yīng)、凈化空氣、綠色空間可達(dá)性以及景觀連通性等指標(biāo)的相關(guān)性(圖3),發(fā)現(xiàn)雨洪管理與景觀連通性空間權(quán)衡關(guān)系顯著,雨洪管理與綠色空間可達(dá)性有一定空間權(quán)衡關(guān)系,雨洪管理與緩解熱島效應(yīng)、凈化空氣有一定空間協(xié)同關(guān)系,緩解熱島效應(yīng)和凈化空氣空間協(xié)同關(guān)系顯著,景觀連通性與緩解熱島效應(yīng)、凈化空氣空間權(quán)衡關(guān)系較顯著。

這些空間關(guān)系表明,爭取綠色基礎(chǔ)設(shè)施的多功能性是一個協(xié)調(diào)的目標(biāo)。例如,構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)以加強(qiáng)生態(tài)斑塊之間的連接,提升景觀連通性,而增加的綠地空間可以緩解熱島效應(yīng)和凈化空氣。因此,如果能處理好綠色基礎(chǔ)設(shè)施功能空間協(xié)同和權(quán)衡的關(guān)系,最大潛力的加強(qiáng)城市生態(tài)彈性力。

3 討論

運(yùn)用GISP模型得到合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址高需求區(qū)域是否與合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)規(guī)劃一致？以合肥市生態(tài)建設(shè)方面的規(guī)劃為對象,選取合肥生態(tài)空間體系控制規(guī)劃以及合肥市域空間綠道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃,對比GISP模型得到合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址高需求區(qū)域與合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃(圖4),可以看出規(guī)劃中綠地選址并不在綠色基礎(chǔ)設(shè)施的熱點(diǎn)區(qū)域,尤其合肥市東北作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施需求最高的區(qū)域,規(guī)劃中僅有綠道,缺少綠地公園等塊狀綠地斑塊。進(jìn)一步分析合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)規(guī)劃與綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)服務(wù)功能多樣性之間的關(guān)系(圖5),發(fā)現(xiàn)合肥生態(tài)空間體系控制規(guī)劃對景觀連通性促進(jìn)作用最強(qiáng),同時在綠色空間可達(dá)性上也有一定的加強(qiáng)作用,但與雨洪管理、凈化空氣以及緩解熱島效應(yīng)上呈現(xiàn)著負(fù)相關(guān),體現(xiàn)在綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃沒有布置在雨洪管理、凈化空氣及緩解熱島效應(yīng)優(yōu)先區(qū)域。同樣分析合肥市域空間綠道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃結(jié)果亦然,且只在景觀連通性上表現(xiàn)較大正相關(guān)?？傮w而言,綠色基礎(chǔ)設(shè)施多功能性是規(guī)劃的依據(jù),GISP模型得到合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施選址高需求區(qū)域不僅體現(xiàn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間布局的合理性,還顯示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的多樣性,合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)規(guī)劃應(yīng)綜合考慮綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間布局及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能多樣性,進(jìn)而獲得更大的城市生態(tài)彈性力。

圖4 合肥綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃圖Fig.4 Hefei green infrastructure planning

圖5 功能優(yōu)先級與規(guī)劃相關(guān)性分析 Fig.5 Correlation analyses of functional priorities and planning “**”表示相關(guān)性在P<0.01時具有統(tǒng)計顯著性; “*”表示在P<0.05時顯著

4 結(jié)論

GISP模型提供了一個靈活的工具,運(yùn)用綠色基礎(chǔ)設(shè)施多樣性評估來促進(jìn)土地利用治理,通過增強(qiáng)非生物、生物和社會系統(tǒng)之間的積極協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)多功能生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力,獲得更大的城市生態(tài)彈性力。綠色基礎(chǔ)設(shè)施模型為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供了方法,改變了城市綠地規(guī)劃中只注重點(diǎn)、線、面的形態(tài)分析,綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)及其功能的完善,將綠地建設(shè)的質(zhì)量因素和生態(tài)功能上的評判標(biāo)準(zhǔn)：包括綠地景觀的多樣化、綠地系統(tǒng)的連續(xù)性、綠地連通性、緩解熱島效應(yīng)等納入綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃模型,實(shí)現(xiàn)的諸如雨洪管理、凈化空氣以及綠色空間可達(dá)性等生態(tài)目標(biāo)效果評價,同時以及綠色基礎(chǔ)規(guī)劃模型的優(yōu)先級為綠地系統(tǒng)分期規(guī)劃提供了參考。合肥市綠色基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)規(guī)劃中綠地選址并不在綠色基礎(chǔ)設(shè)施的高需求區(qū)域,并沒有在戰(zhàn)略上整合綠地多功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),以獲得更大的生態(tài)彈性力。最后,本研究在存區(qū)域的整體情況與居民調(diào)查缺少相應(yīng)的評析,此處需進(jìn)一步研究,但整體效益的優(yōu)先級是將來研究的方向。