基于耦合模型的城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境空間層次劃分不夠明確，導(dǎo)致廊道空間布局較差，影響了城市物種遷移。針對(duì)這一問題，文章提出一種基于耦合模型的城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過廊道、中心控制點(diǎn)和場地三要素，構(gòu)建城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，選取城市連接節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中心，建立不同尺度的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合實(shí)際空間資源進(jìn)行評(píng)估調(diào)整，通過耦合模型整合各尺度綠色空間，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)環(huán)境空間整體規(guī)劃。設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別規(guī)劃城市空間，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)提高了廊道連通性和連續(xù)性，使物種遷移更加順暢，且廊道斷裂時(shí)，通過其他廊道進(jìn)行遷移的概率更高。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)提高了雨水處理能力，進(jìn)一步改善了物種遷移活動(dòng)空間。

0 引 言

現(xiàn)代城市發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，承載功能和開發(fā)強(qiáng)度也不斷提高，產(chǎn)生了城市物種遷移的空間容量不足、活動(dòng)環(huán)境惡化等問題，為城市發(fā)展帶來負(fù)面影響。因此，在生態(tài)環(huán)境視角下，對(duì)城市進(jìn)行空間規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)自然在城市空間的必要性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。國外城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃研究較早，利用地下、地面和地上三種形式，緩解城市環(huán)境惡劣問題。從生態(tài)保護(hù)出發(fā)，以形態(tài)連通性、功能復(fù)合性、生物多樣性為原則，注重土地的精明增長?？臻g規(guī)劃考慮的生態(tài)環(huán)境要素如下：林地、水系、濕地、森林等自然區(qū)；本土及野生生物棲息地；公園、綠道等自然保護(hù)區(qū)；牧場、農(nóng)場等。國內(nèi)城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃研究，同樣取得較大發(fā)展，將城市結(jié)構(gòu)分為非空間和空間兩種屬性，通過空間屬性的時(shí)間特性，確定空間結(jié)構(gòu)的活動(dòng)要素和物質(zhì)要素，通過要素之間的相互關(guān)系，得到城市空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)各種城市功能，整合生態(tài)環(huán)境空間要素，使其離散分布在空間規(guī)劃區(qū)域［2］。在以上理論的基礎(chǔ)上，提出基于耦合模型的城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)，對(duì)各生態(tài)環(huán)境空間要素進(jìn)行整合。

1 基于耦合模型的城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 構(gòu)建城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)

將綠色基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建作為空間規(guī)劃系統(tǒng)基本概念，結(jié)合城市服務(wù)功能，連接生態(tài)環(huán)境和景觀［3］。將城市的灰色和灰綠色基礎(chǔ)設(shè)施考慮在內(nèi)，通過廊道、中心控制點(diǎn)和場地三要素，形成一個(gè)連通性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)體系，將城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃問題，轉(zhuǎn)換為綠色空間網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建問題［4］。構(gòu)建尺度選取半自然形式的景觀設(shè)施、場地的樹木灌草及城市內(nèi)的山體景觀，利用自然與服務(wù)社會(huì)的多重功能，確定三種宏觀到微觀的空間尺度，分別為場地與室外、街區(qū)與社區(qū)、城市與城區(qū)［5］。其構(gòu)建要素與聯(lián)系如圖1所示。

如圖1所示，在環(huán)境生態(tài)學(xué)概念的基礎(chǔ)上，該綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)增加孤島和生態(tài)跳點(diǎn)兩種類型。作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的核心區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中心承擔(dān)了居民活動(dòng)和動(dòng)植物棲息的空間；作為綠色空間的紐帶，廊道為居民休閑休憩、城市交通、動(dòng)物遷徙以及城市不同景觀和生態(tài)的連接提供空間；作為等級(jí)較低的綠色基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域，為動(dòng)物遷徙、城市生產(chǎn)和保留用地提供空間；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中心和廊道不能相互連接時(shí)，通過生態(tài)跳躍來補(bǔ)充；在城市生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，利用孤島進(jìn)行生態(tài)改造，將社區(qū)尺度轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐓^(qū)級(jí)網(wǎng)絡(luò)中心［6］。至此完成城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

1.2 規(guī)劃各尺度城市生態(tài)環(huán)境空間

部署綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使其涵蓋個(gè)人空間到城市范圍的大型保護(hù)區(qū)域。構(gòu)建不同尺度的生態(tài)環(huán)境空間。形成綠色基礎(chǔ)設(shè)施的開放空間網(wǎng)絡(luò)，劃分綠色基礎(chǔ)設(shè)施的層級(jí)，其劃分尺度如表1所示。

在表1所示要素的基礎(chǔ)上，將空地、廢棄地和農(nóng)業(yè)用地考慮在內(nèi)，對(duì)不同尺度的生態(tài)環(huán)境空間進(jìn)行逐層規(guī)劃。根據(jù)城市的實(shí)際情況，收集綠色基礎(chǔ)設(shè)施要素的詳細(xì)目錄，從生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，確定生態(tài)環(huán)境規(guī)劃希望達(dá)到的效果，在目錄中選取該城市的連接節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中心，設(shè)定不同節(jié)點(diǎn)的等級(jí)［7］。規(guī)劃方案中，對(duì)生態(tài)環(huán)境空間的廊道連通度進(jìn)行評(píng)估調(diào)整，綠色網(wǎng)絡(luò)連通度 r1計(jì)算公式為：

式中：L為城市未規(guī)劃前，綠色網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的連接線數(shù)量；ξ 為綠色網(wǎng)絡(luò)的連接節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)［8］。節(jié)點(diǎn)連通度r2計(jì)算公式為：

式中：K為節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的最大可能連接線數(shù)；Q為兩處網(wǎng)絡(luò)中心的有效連接線數(shù)；ζ為兩處網(wǎng)絡(luò)中心的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)［9］。結(jié)合式（1）和式（2）對(duì)廊道連通度進(jìn)行排序，優(yōu)先規(guī)劃并改造連通性小的廊道，規(guī)劃的廊道寬度如表2所示。

規(guī)劃調(diào)整過程中，結(jié)合實(shí)際空間資源，保證場地與網(wǎng)絡(luò)中心的錯(cuò)落布局，優(yōu)先完善網(wǎng)絡(luò)中心的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，盡可能增加連通廊道數(shù)量、減少社區(qū)孤島數(shù)量，將生態(tài)跳點(diǎn)規(guī)劃在公共活力高的區(qū)域，重視連通節(jié)點(diǎn)的位置，在城市交通空間、街道、廊道、線性公共空間的交叉處，設(shè)置立體交通模式，重點(diǎn)將廊道與城市非機(jī)動(dòng)道相結(jié)合，使廊道連通性在可控范圍之內(nèi)［10］。至此完成各尺度城市生態(tài)環(huán)境空間的規(guī)劃。

1.3 基于耦合模型整體規(guī)劃城市生態(tài)環(huán)境空間

利用耦合模型，整合各個(gè)尺度的生態(tài)環(huán)境空間。通過土地利用空間網(wǎng)格單元，構(gòu)成耦合模型的運(yùn)行環(huán)境C，公式表示如下：

式中：c為土地利用空間網(wǎng)格單元集合，具體為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境要素；i， j分別為網(wǎng)格行號(hào)和列號(hào)；Si， j為每個(gè)單元包含的環(huán)境要素狀態(tài)信息［11］。建立各尺度生態(tài)環(huán)境空間的耦合機(jī)制，將空間面積作為支配變量，建立生態(tài)環(huán)境空間耦合模型Z，公式為：

式中：a為耦合模型的增益系數(shù)；u為模型損耗系數(shù)；xm為系統(tǒng)中第m種生態(tài)環(huán)境要素，在規(guī)劃時(shí)刻的空間面積；Bm第m種生態(tài)環(huán)境要素，在系統(tǒng)中獨(dú)自發(fā)展所能達(dá)到的最大空間面積；σ m為第m種生態(tài)環(huán)境要素的競爭能力系數(shù)［12］。通過耦合模型，演化城市空間規(guī)劃過程中不同尺度規(guī)劃的競爭關(guān)系，確定生態(tài)環(huán)境要素發(fā)展對(duì)其他要素發(fā)展的抑制作用，整合不同功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，具體如圖2所示。

按照上述流程，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)環(huán)境空間的整體規(guī)劃，至此完成基于耦合模型，城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)［13］。結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成基于耦合模型的城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)記為實(shí)驗(yàn)A組， 兩種傳統(tǒng)城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)分別記為實(shí)驗(yàn)B組、實(shí)驗(yàn)C組，比較三組系統(tǒng)規(guī)劃城市生態(tài)環(huán)境空間后，物種遷移效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

三組系統(tǒng)分別對(duì)同一城市的生態(tài)環(huán)境空間進(jìn)行規(guī)劃，該城市可供開發(fā)的空間較為豐富，主城區(qū)為山水格局，主要山體參數(shù)如表3所示。

城市水體流域面積為10km2，存在一、二、三級(jí)支流，保持了連續(xù)的河道和河床岸線，存在河岸線，城區(qū)界面和河道岸線關(guān)系生硬，生態(tài)緩沖的空間保護(hù)距離不夠。三組系統(tǒng)的規(guī)劃區(qū)域如圖3所示。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)A組通過劃分區(qū)域的熱力地圖，得到規(guī)劃區(qū)域的公共活力與生態(tài)敏感性，提取綠色基礎(chǔ)設(shè)施。利用公共活力較高的空間，主導(dǎo)自然程度較高的大面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施，使其分離自然保護(hù)用地，并保持一定距離，將公共活力不足的空間轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色基礎(chǔ)設(shè)施要素，形成該城區(qū)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)［14］。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 第1組實(shí)驗(yàn)

三組系統(tǒng)首先對(duì)城市廊道進(jìn)行空間規(guī)劃，主要包括河道綠帶、河岸線形步道、河岸與主城區(qū)的緩沖帶，共8條廊道。實(shí)驗(yàn)A組在維持空間廊道寬度的基礎(chǔ)上，共形成了9個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，3處以上節(jié)點(diǎn)都不在一條直線上，且沒有場地和孤島，每處節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中心都具有8條互不重疊的廊道，節(jié)點(diǎn)連接度為0.039。通過廊道的連通性和連續(xù)性，比較三組系統(tǒng)對(duì)城市廊道的規(guī)劃效果，連通性對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，三組系統(tǒng)規(guī)劃過程中，對(duì)不同城市廊道的側(cè)重都不相同，但實(shí)驗(yàn)A組的廊道連通性一直大于另外兩組實(shí)驗(yàn)，廊道連通性越高，說明城市中不同區(qū)域節(jié)點(diǎn)的連通程度越好，生態(tài)脆弱點(diǎn)的格局結(jié)構(gòu)越完善。實(shí)驗(yàn)A組城市廊道連通性平均為4.2，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組平均連通性分別為3.2，2.3。相比B組和C組，A組廊道連通性分別提高了1.0，1.9。連續(xù)性對(duì)比結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，由于實(shí)驗(yàn)A組選取的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、廊道互不重疊，因此廊道連續(xù)性較為平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)B組、C組的連續(xù)性則有所波動(dòng)，且A組連續(xù)性明顯大于另外兩組實(shí)驗(yàn)。連續(xù)性反映了廊道斷裂時(shí)，其他廊道的彈性處理能力，連續(xù)性越高，該廊道能夠代替其他廊道的概率就越高。實(shí)驗(yàn) A 組城市廊道連續(xù)性平均為4.3，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組平均連續(xù)性分別為3.2，1.7。相比B組和C組，A組廊道連續(xù)性分別提高了1.1，2.6。

2.2.2 第 2組實(shí)驗(yàn)

比較三組系統(tǒng)關(guān)于雨水處理的綠地規(guī)劃效果，統(tǒng)計(jì)城市空間規(guī)劃的綠地斑塊，將斑塊破碎度和離散值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。破碎度D計(jì)算公式如下：

式中：d為綠地斑塊總數(shù)量；gb為b類型的綠地斑塊面積；F為城市空間規(guī)劃的總面積。破碎度D越高，表明綠地斑塊的密度越高，綠地規(guī)劃布局越合理，能夠打破不透水面之間的連通性，對(duì)城市排水壓力的減緩效果更好［15］。共選取10種類型的綠地斑塊，分別為植物淺溝、生物滯留地、下沉綠地、池塘、濕地等，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表4所示。

由表4可知，A組綠地斑塊破碎度明顯高于另外兩組實(shí)驗(yàn)，破碎度平均為0.259，實(shí)驗(yàn)B 組和實(shí)驗(yàn)C組斑塊破碎度分別為0.208，0.193，相比B組和C組，A組破碎度分別提高了0.051，0.066。綠地斑塊的離散值 E 計(jì)算公式為：

式中：e為綠地斑塊的規(guī)劃總數(shù)量；qhp為斑塊h至其他斑塊p，邊緣到邊緣的最近距離。離散值E越低，表明綠地斑塊與相鄰斑塊的距離越近，越不易積水。三組實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表5所示。

由表5可知，A組綠地斑塊離散值明顯高于另外兩組實(shí)驗(yàn)，離散值平均為10.94，實(shí)驗(yàn)B 組和實(shí)驗(yàn)C組斑塊離散值分別為14.00，16.69，相比B組和C組，A組離散值分別降低了 3.06，5.75。綜上所述，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，提高了城市廊道的連通性和彈性處理能力，使物種遷移更加順暢，且廊道斷裂時(shí)，物種通過其他廊道進(jìn)行遷移的概率更高；在此基礎(chǔ)上，還提高了城市的雨水處理能力，減緩了綠地排水壓力，更不易積水，進(jìn)一步改善了生物遷移的活動(dòng)空間。

3 結(jié) 語

為使生態(tài)環(huán)境空間層次劃分更加明確，提高廊道空間布局效果，避免影響城市物種遷移，設(shè)計(jì)城市生態(tài)環(huán)境空間規(guī)劃系統(tǒng)，利用耦合模型合理整合和規(guī)劃綠色空間，使規(guī)劃空間更適合物種遷移。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的規(guī)劃系統(tǒng)城市廊道連通性平均為 4.2，連續(xù)性平均為4.3，提高了城市廊道的利用率，避免因廊道斷裂影響物種遷移；綠地斑塊破碎度平均值為0.259，離散值平均值為10.94，減緩了雨水造成的綠地排水壓力。在今后的研究中，將通過計(jì)算機(jī)模擬工具，對(duì)耦合機(jī)制進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、可視化處理，進(jìn)一步規(guī)范空間分布形態(tài)，完善城市空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯 ：李倩