CITYgreen在城市生態(tài)綠地設(shè)計中的應(yīng)用

李 新 張倩倩 張偉捷

(1河北工程大學(xué)建筑學(xué)院;2河北工程大學(xué)科信學(xué)院;3河北工程大學(xué)城建學(xué)院,河北邯鄲 056038)

CITYgreen在城市生態(tài)綠地設(shè)計中的應(yīng)用

李 新12張倩倩1張偉捷3

(1河北工程大學(xué)建筑學(xué)院;2河北工程大學(xué)科信學(xué)院;3河北工程大學(xué)城建學(xué)院,河北邯鄲 056038)

American Forests開發(fā)應(yīng)用的城市綠地設(shè)計及分析軟件 CITYgreen為城市規(guī)劃中的生態(tài)綠地設(shè)計提供了科學(xué)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(shè)中起到了良好的作用。結(jié)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(shè)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(shè)計手段引入到我國城市規(guī)劃及設(shè)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(jù),以使我國的城市建設(shè)健康生態(tài)、科學(xué)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(shè)計及城市建設(shè)工作在我國保持著強勁的發(fā)展勢頭,相關(guān)工作量大而面廣,其最終成果直接關(guān)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(zhì)量的高低。城市規(guī)劃及設(shè)計在城市化進程中起到關(guān)鍵和決定性的作用,但在我國,傳統(tǒng)的城市規(guī)劃及設(shè)計理論與方法在城市生態(tài)規(guī)劃方面存在嚴重不足,導(dǎo)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(zāi)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(shè)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(dāng)和疏浚設(shè)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(yīng)明顯、內(nèi)澇不止等現(xiàn)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(nèi)澇災(zāi)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(xiàn)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(shè)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(tǒng)的重要組成部分,是城市可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)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(yīng),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(tǒng)的城市規(guī)劃綠地設(shè)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(shè)和發(fā)展的生態(tài)承擔(dān)和改善的基礎(chǔ)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(shù)量指標,也難以對城市生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益等進行綜合評價,更不能為城市規(guī)劃及設(shè)計進行檢查、驗收、監(jiān)督和法規(guī)制定提供科學(xué)依據(jù)。這樣就不可避免地為我們的城市建設(shè)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(jīng)驗教訓(xùn)值得總結(jié)和反思,發(fā)達國家在城市規(guī)劃及設(shè)計中的經(jīng)驗和先進的理念與手段值得我們關(guān)注和借鑒。許多發(fā)達國家早已利用信息技術(shù)進行城市生態(tài)綠地設(shè)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(shè)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(yīng)用。由于 CITYgreen的分析結(jié)果比較科學(xué)準確,能夠?qū)Τ鞘猩鷳B(tài)效果和效益做出預(yù)測評價,使規(guī)劃設(shè)計師和政府管理者對城市生態(tài)效益和相關(guān)的經(jīng)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(jù),能夠作為設(shè)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(dǎo)和優(yōu)化城市規(guī)劃及設(shè)計。

1 CITYgreen的應(yīng)用現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)庫來調(diào)查城市生態(tài)綠地的現(xiàn)狀,統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)樹木的狀況,建立城市生態(tài)綠地系統(tǒng),然后通過實地勘察收集數(shù)據(jù),根據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能做出量化的評估。從而,在計算機中實現(xiàn)城市生態(tài)綠地信息的自動提取、更新和管理,為科學(xué)地評價城市規(guī)劃及設(shè)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(yù)測和模擬,為決策者提供科學(xué)的依據(jù)。

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(shù)的應(yīng)用,使其對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(nèi)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(yīng)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(jié)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(tǒng)中增加了植被覆蓋的數(shù)據(jù),并且對全市 52個鄰里內(nèi)的樹木進行了城市暴雨徑流減排和改善空氣質(zhì)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(jù)。美國密蘇里州 (Missouri)相關(guān)機構(gòu)對城市生態(tài)綠地的研究表明傳統(tǒng)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(xiàn),植被覆蓋度越高,其在改善空氣質(zhì)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(zhì)的研究中應(yīng)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(zhì) (包括暴雨沖刷城市道路時產(chǎn)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(chǎn)品)元素。

貝斯·韋德(BethWade)將 CITYgreen應(yīng)用在減少城市熱島效應(yīng)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(yīng)地減少 2%。美國亞特蘭大市 (Atlanta)使用 CITYgreen分析城市熱島效應(yīng),運用經(jīng)過計算機處理的土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)使每個社區(qū)確定其生態(tài)系統(tǒng)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(guān)于自然資源的預(yù)算補貼。其分析結(jié)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(yīng)該通過植樹減少暴雨對土地的侵蝕,這種侵蝕導(dǎo)致了該市洪水泛濫和水質(zhì)的惡化?？ǚ?(Carver)等人利用 CITYgreen預(yù)測住宅區(qū)里夏季空調(diào)高峰期時樹冠面積對降低空調(diào)能耗的具體作用,同時通過比較軟件所預(yù)測出的節(jié)能值與電力系統(tǒng)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(diào)節(jié)能效率。樹木對空調(diào)節(jié)能的作用不僅與樹冠面積比有關(guān),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(diào)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(tǒng)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(guān)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(yīng)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(tǒng),為城市森林結(jié)構(gòu)的研究、效益綜合評價提供了技術(shù)依據(jù),并利用 CITYgreen對沈陽市區(qū)土地利用和森林結(jié)構(gòu)進行了分析和效益定量評價。研究證明,每年產(chǎn)生的森林經(jīng)濟效益為 2650萬美元。王曉春等以東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實驗林場為例,基于CITYgreen結(jié)合航片判讀與實地調(diào)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(yīng)用也比較少,只有沈陽、哈爾濱、南京等地有所應(yīng)用,且應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成了直觀的經(jīng)濟效益,為市政建設(shè)與綠地規(guī)劃提供了決策依據(jù)。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(tǒng)。該系統(tǒng)可以定量分析沈陽樹木園植物群落的物種結(jié)構(gòu)及空間格局對城市生態(tài)效益的影響。結(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)中取得良好的生態(tài)、經(jīng)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(jù)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(chǎn)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(shè)施以及其他市政基礎(chǔ)設(shè)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(xiàn)在能分解、吸收和固定大氣中的有害物質(zhì),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(zhì)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(nèi)二次空氣污染物的產(chǎn)生。

在樹木吸附大氣污染物的研究中,其分析的依據(jù)是 American Forests對 10個城市進行研究后的統(tǒng)計結(jié)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(fēng)來降低城市的能源消耗,從而減少了為生產(chǎn)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(yīng)”。

CITYgreen計算樹木對碳儲藏和吸收,是根據(jù)生物量和葉面積進行的,即根據(jù)樹木的不同年齡等級相對應(yīng)的碳儲存因子和吸收因子來計算的 (見表 1),這是目前國內(nèi)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(chǎn)生一定作用。栽植適當(dāng)?shù)臉浞N,在夏季能夠通過對房屋、汽車等遮陰以減少其空調(diào)電力的消耗,在冬季通過對房屋遮擋寒風(fēng)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?shù)念伾胺瓷渎省⑽蓓敻叨?、建筑保溫隔熱和暖通空調(diào)系統(tǒng)等要素的數(shù)量描述。

2.5 樹木生長的模擬

樹木產(chǎn)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(jù)樹木的現(xiàn)狀,模擬研究區(qū)域內(nèi)的每一棵樹木在 50年以內(nèi)的生長狀況,并且對其產(chǎn)生的相應(yīng)效益及經(jīng)濟價值做出動態(tài)預(yù)測,使之成為居住區(qū)設(shè)計和建設(shè)的一個重要決策參考依據(jù)。

進行樹木生長模擬時,模型需要以下的指標作為模擬參數(shù) (見表 2)。

表2 樹木生長指標 (American Forests,2002)

3 結(jié)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(yù)測與管理方面也屢有應(yīng)用,但將其引入到城市規(guī)劃及設(shè)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(shè)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(shè)計中是十分必要和重要的,也是切實可行的。

應(yīng)用 CITYgreen對城市規(guī)劃及設(shè)計方案進行輔助分析,并對城市生態(tài)綠地進行科學(xué)規(guī)劃與評價,使城市規(guī)劃及設(shè)計方案中的生態(tài)綠地研究有據(jù)可依,可以有效地改善我國城市建設(shè)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(shè)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。

[1]American Forests.CITYgreen 5.0 User′sManual[Z].American Forests,2002

[2]BethWade.Putting the freeze on heat islands[J].The American City&County,Feb2000;115,2; AB I/ INFORM Global,30～37

[3]Carver,Andrew D.,Unger,Daniel R.,Parks,CourtneyL.Modeling energy savings from urban shade trees:An assessmentof the CITYgreen energy conservation module EnvironmentalManagement[J].November,2004:650～655

[4]ESR I Inc.,曲國勝,李亦綱,黃向榮,許建東等譯.ArcView?GIS使用手冊[M].北京:地震出版社,2000.8

[5]韓紅霞,高峻,劉廣亮.遙感和 GIS支持下的城市植被生態(tài)效益評價[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(12):2301～2304

[6]胡志斌,何興元,李月輝等.基于 CITYgreen的城市森林管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)雜志,2003,22(6):181～185

[7]胡志斌,何興元等.沈陽城市森林結(jié)構(gòu)與生態(tài)效益[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(2):2108～2112

[8]JeffBeattie,Cheryl Kollin.GaryMoll Trees tackle cleanwater regs[J].American Forests,Academic ResearchLibrary Summer2000,106(2):18～19

[9]Vivian Encarnacion.More trees please:Utilizing natural resources in the urban environmentalmanagement ofNew York city [J].Fordham Urban law Journal,1999,May

[10]王惠想,張偉捷.建筑空調(diào)能耗與城市熱島效應(yīng)[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報,2004,21(1):23～27

[11]王曉春,李輝等.7種喬木對 SO2清除能力的定量評價[J].中國城市林業(yè),2005,3(2):57～60

[12]張偉捷,靳松,孫建平等.建筑能量系統(tǒng)對都市熱島形成的影響[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報,2002,19(4):15～17

[13]朱文泉,何興元,陳瑋等.GIS支持下的城市綠地健康及生態(tài)效益分析[A].城市綠地生態(tài)研究進展[C].北京:中國林業(yè)出版社,2002

[14]朱文泉,何興元,陳瑋等.城市森林結(jié)構(gòu)的量化研究——以沈陽樹木園森林群落為例 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14 (12):2090～2094

TU985

A

1009-5462(2011)01-0047-04

2011-03-11

河北工程大學(xué)青年基金。

李新,男,河北邯鄲人,河北工程大學(xué)建筑學(xué)院助教,碩士。

[責(zé)任編校:張彩紅 ]