低碳導(dǎo)向下的采煤沉陷水域城市設(shè)計研究

侯欣杉 胡藝瀟 季翔

關(guān)鍵詞：低碳導(dǎo)向；采煤沉陷水域；城市設(shè)計；優(yōu)化利用

21 世紀人類面臨著巨大的氣候挑戰(zhàn)，而氣候變化多受碳排放的影響，因此全球采取了降低碳排放的重要舉措。麥肯錫公司對2030 年前的減排技術(shù)成本進行研究評估后發(fā)現(xiàn)，低成本的減排技術(shù)都集中于建筑和城市領(lǐng)域[1]。作為碳排放的主要載體，我國50% 的城市排放了全國80% 的二氧化碳。面對空前的國際減排壓力和龐大的碳排放基數(shù)，正處于城市化發(fā)展關(guān)鍵時期的我國確立了雙碳目標，并決定全面推行低碳建設(shè)以按期按量實現(xiàn)減排承諾。傳統(tǒng)的城市發(fā)展模式如今具有較大的局限性，而新型城市發(fā)展模式較前者局限性較小，能夠構(gòu)建綠色低碳、活力安全的城市[2]，因此探索一種適用于新建低碳城市設(shè)計的發(fā)展模式勢在必行。依據(jù)現(xiàn)行低碳城市設(shè)計的經(jīng)驗，建設(shè)用地需具備可供調(diào)整優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)的清潔能源，如風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、天然氣等[3]。宜有一定的可固碳釋氧、降低自身碳排放、城市熱島效應(yīng)與建筑能耗的自然碳匯，當?shù)卣吲c低碳城市試點政策一致，且城市綠色創(chuàng)新水平較高，愿意為雙碳目標采用新技術(shù)與新思路[4-6]。而采煤沉陷水域具有低碳能源開發(fā)的天然優(yōu)勢，塌陷水體及水生植物的良好利用可增加自然碳匯[7]。采煤沉陷水域大多位于資源型城市，在面對雙碳目標時迫切需要進行低碳轉(zhuǎn)型[8]。礦區(qū)治理轉(zhuǎn)型的迫切與人地矛盾的加劇催生了利用采煤沉陷水域拓展用地空間的新思路，低碳政策與采煤沉陷水域環(huán)境條件的結(jié)合誕生了低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計想法。綜上所述，文章從雙碳目標、低碳城市設(shè)計的發(fā)展需求、建設(shè)用地需求出發(fā)嘗試提出一種新的低碳城市設(shè)計思路，即采煤沉陷水域低碳城市設(shè)計，并進行相關(guān)研究。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究綜述

1.1 低碳導(dǎo)向下的城市設(shè)計

當下國內(nèi)基于低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計研究重點多聚焦于空間結(jié)構(gòu)、城市形態(tài)、城市建設(shè)政策與碳排放的關(guān)系等方面。劉銳等分析城市的空間結(jié)構(gòu)與碳排放的耦合關(guān)系發(fā)現(xiàn)，較為緊湊的城市空間結(jié)構(gòu)有利于降低碳排放[9]。陳天等發(fā)現(xiàn)在中觀層面多方面考慮氣候、土地、植被、水體組合的設(shè)計，有助于實現(xiàn)城市轉(zhuǎn)型期的低碳生態(tài)[10]。彭璟等從政策層面出發(fā)進行模型評估與分析發(fā)現(xiàn)，推廣低碳政策的城市減排效果卓有成效[11]。石龍域、孫靜在綜合評價城市低碳發(fā)展水平后發(fā)現(xiàn)低碳導(dǎo)向下的城市設(shè)計需協(xié)調(diào)經(jīng)濟、社會、交通及環(huán)境[12]。張小平等指出低碳的城市設(shè)計需從減少固定碳源、減少移動碳源、促進自然碳匯三方面構(gòu)建一條從碳源到碳匯的發(fā)展路徑[13]。國外關(guān)于低碳城市設(shè)計的研究早于我國，并在低碳城市設(shè)計理論、方法和策略方面有一定的研究。Kim &Young-Hwan 研究證實采用高密度、緊湊的城市開發(fā)可以減少碳排放[14]。Jin， Ryu Yoon 等研究國內(nèi)外水環(huán)境規(guī)劃中關(guān)于低碳生態(tài)和可持續(xù)城市建設(shè)的要素確定水是在低碳城市設(shè)計中可積極利用的規(guī)劃元素[15]。Philp， M 研究關(guān)注城市設(shè)計細節(jié)，旨在實現(xiàn)“城市設(shè)計—土地利用—交通一體化”，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議[16]。Aj A 等以干旱地區(qū)為例表明清潔能源和可再生能源應(yīng)用于城市設(shè)計能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[17]。

1.2 采煤沉陷水域

沉陷水域的治理利用與沉陷區(qū)治理相伴而行。國外對沉陷水域的治理始于21 世紀，初始的治理思路是對沉陷水域進行生態(tài)恢復(fù)與水環(huán)境治理[18]。開展了諸如采礦沉陷地對生態(tài)環(huán)境的影響機制與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)策略、土地復(fù)墾與其他環(huán)境因子對生態(tài)恢復(fù)的影響等研究[19-20]。此后，在生態(tài)學(xué)觀點影響下開始更多考慮人與自然和諧共生的可持續(xù)發(fā)展問題，如3S 等技術(shù)在沉陷地復(fù)墾及生物技術(shù)與植被恢復(fù)在沉陷地重建中的應(yīng)用等[21-23]。國外研究側(cè)重于土地復(fù)墾，且國外地廣人稀，復(fù)墾土地?zé)o需承擔(dān)擴張城市的壓力，多成為綠地景觀。因此，沉陷水域的治理研究多走向生態(tài)修復(fù)、濕地保護與公共景觀的方向，研究重點集中于水環(huán)境監(jiān)測和水質(zhì)研究等。國外多樣的開發(fā)模式與立異的規(guī)劃方式在一定程度上可作為我國采煤沉陷區(qū)治理研究的參考依據(jù)。

國內(nèi)采煤沉陷區(qū)的治理基于國外的治理經(jīng)驗，結(jié)合我國國情，產(chǎn)生了新的利用方式，如表1 所示。初始的采煤沉陷區(qū)治理呈點狀分布，對沉陷水域無專門研究，治理方式多是生態(tài)修復(fù)與土地復(fù)墾。隨著環(huán)境保護的入法，修復(fù)破損的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了重視[24]，沉陷區(qū)修復(fù)獲得了集約增長，也取得了采煤沉陷地的綜合修復(fù)技術(shù)、塌陷預(yù)報警系統(tǒng)與建筑抗形變等成果。對沉陷水域的治理也轉(zhuǎn)為水質(zhì)監(jiān)測及水環(huán)境治理，多與農(nóng)漁養(yǎng)殖、景觀重建相結(jié)合。杜建平等深入梳理了煤礦區(qū)土地復(fù)墾理論技術(shù)成果，提出復(fù)墾方向科學(xué)化、復(fù)墾技術(shù)生態(tài)化、復(fù)墾模式綜合化，這也是今后煤礦區(qū)土地復(fù)墾的研究重點[25]。結(jié)合我國人地矛盾突出、城市擴張空間不足的情況，賈寧等對沉陷水域進行研究發(fā)現(xiàn)，沉陷水域具備轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的可能性[26]，同時也可借助沉陷水域自然資源助力雙碳目標。

1.3 低碳導(dǎo)向的采煤沉陷水域城市設(shè)計相關(guān)研究現(xiàn)狀

雙碳目標下我國迫切需要進行低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計，研究發(fā)現(xiàn)作為礦區(qū)廢棄地組成的采煤沉陷水域的自然環(huán)境有利于低碳城市的建設(shè)。儲量豐富的清潔能源降低了碳排放，水體可引入建筑減少建筑的碳排放，交通可轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕履茉礊閯恿Γ菟w資源可增加自然碳匯。且依靠現(xiàn)有技術(shù)，就能支持采煤沉陷水域拓展建設(shè)用地。賈寧在提出采煤沉陷水域構(gòu)建漂浮建設(shè)用地的新思路時，已對采煤沉陷水域構(gòu)建漂浮建設(shè)用地進行了必要性和可行性的研究[26]。而文章提出的是在穩(wěn)沉水域嵌入大體量混凝土從而圍護建設(shè)用地，技術(shù)流程可參考賈寧學(xué)者的漂浮城鎮(zhèn)與大壩等大體量混凝土的建造方式，沉陷地殘余變形可通過注漿技術(shù)解決。在擬建區(qū)外圍設(shè)置一圈現(xiàn)澆混凝土擋墻施工圍堤，再進行圍堰內(nèi)吹填砂和圍堰外側(cè)邊坡的防護施工，內(nèi)部鋪填片石基礎(chǔ)，最后澆筑混凝土，形成建設(shè)用地平臺[27]。還可通過鋼圍堰的使用阻擋堰外的水和土涌入圍堰內(nèi)[28]。主要建造流程擬為鋼圍堰預(yù)制與運輸、樁基礎(chǔ)施工、圍堰的定位與安裝、刃腳混凝土的澆筑、搭建吸泥平臺、壁艙混凝土澆筑、水下封底混凝土、抽水完成[29]。

從長遠和整體的視角來看，沉陷水體將呈良性發(fā)展。穩(wěn)沉水域伴隨著沉陷時間的增長，水中浮游生物和植物種類越來越多，對污染物的降解能力也越來越強[30]，生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。利用沉陷水域的自然資源進行低碳導(dǎo)向城市設(shè)計時，應(yīng)挖掘出沉陷水域的潛在資源價值，以可持續(xù)的發(fā)展獲取良好的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益，為低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計提供新的思路。

各城市因發(fā)展特征不同，存在各自不同的特性，這對在采煤沉陷水域進行低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計具有一定的意義。因城市的發(fā)展支撐與資源稟賦不同，在設(shè)立減少碳排放的各種舉措時應(yīng)各有側(cè)重。首先應(yīng)注意碳排放的影響因素，了解碳排放結(jié)構(gòu)，其次要結(jié)合城市設(shè)計對碳排放的調(diào)整手段，考慮采煤沉陷水域?qū)Φ吞紝?dǎo)向城市設(shè)計的影響因素，設(shè)定行之有效的減排措施。

2 低碳導(dǎo)向下的采煤沉陷水域城市設(shè)計目標與建設(shè)原則

2.1 設(shè)計目標

研究擬以安徽省淮南市采煤沉陷水域為基地，遵循將淮南市打造成宜游宜業(yè)宜居的淮河經(jīng)濟帶與文化旅游城市，結(jié)合碳中和目標、沉陷水域利用與礦區(qū)轉(zhuǎn)型發(fā)展的機遇，滿足以低碳為導(dǎo)向、沉陷水域增強活力、礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的需求，將低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計與采煤沉陷區(qū)治理相結(jié)合，建設(shè)集生態(tài)園區(qū)、文教科研、商務(wù)辦公和休閑度假等諸多功能于一體的新型體驗式低碳創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)，或以點帶面輻射沿岸的發(fā)展，進而聯(lián)動外圍城市形成發(fā)展圈，共同構(gòu)成區(qū)域的發(fā)展體系。

淮南沉陷水域良好的山水格局與文化積淀為低碳導(dǎo)向下采煤沉陷水域的城市設(shè)計提供了較為優(yōu)越的自然環(huán)境[31]，可使沉陷水域城市設(shè)計與水互動，從而構(gòu)建一個在碳排放、城市布局、綠化景觀有綜合考慮的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園。與此同時，可帶動周邊地區(qū)，在隔水岸邊發(fā)展環(huán)湖產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并利用沉陷水體構(gòu)建以水源熱泵為主的新型能源供給系統(tǒng)，結(jié)合雙碳目標與生態(tài)文明建設(shè)形成低碳導(dǎo)向的采煤沉陷水域城市設(shè)計發(fā)展模式，協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系，形成良性循環(huán)。

2.2 建設(shè)原則

按照雙碳與可持續(xù)發(fā)展的要求，將低碳導(dǎo)向下的采煤沉陷水域城市設(shè)計與低碳發(fā)展相結(jié)合，發(fā)揮沉陷水域的資源開發(fā)潛力和區(qū)位優(yōu)勢。通過利用研究區(qū)清潔能源實現(xiàn)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型，應(yīng)用建筑水屋頂，交通體系也向綠色低碳轉(zhuǎn)型，利用塌陷水體資源形成多維生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

在設(shè)計時需從沉陷水域區(qū)域資源的特點出發(fā)，以低碳為導(dǎo)向，使采煤沉陷水域低碳城市設(shè)計各組成之間相互配合、相互協(xié)調(diào)，創(chuàng)建一個低碳綠色、經(jīng)濟高效、環(huán)境友好的城市空間。低碳導(dǎo)向下的采煤沉陷水域的城市設(shè)計不僅可以探索低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計與沉陷水域治理方法的新思路，而且可以推動雙碳目標的達成，并加強各類規(guī)劃的配合，以推動區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

3 低碳導(dǎo)向下的采煤沉陷水域城市設(shè)計策略

城市的碳排放來源于能源生產(chǎn)、能源消費、工業(yè)生產(chǎn)，以及農(nóng)林畜牧等[32]。因此，結(jié)合采煤沉陷水域的自然、社會、經(jīng)濟條件與低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計經(jīng)驗，從減少碳源、增加碳匯的角度提出低碳導(dǎo)向的采煤沉陷水域城市設(shè)計方法。

3.1 推動能源供應(yīng)低碳轉(zhuǎn)型

為加快達到雙碳目標，需轉(zhuǎn)變能源系統(tǒng)，低碳城市建設(shè)必須在可再生能源和新能源的利用上抓住機會。與傳統(tǒng)的城市設(shè)計相比，利用采煤沉陷水域進行低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計具有較強的能源轉(zhuǎn)型優(yōu)勢，在進行城市設(shè)計時可利用水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等清潔能源為城市提供運轉(zhuǎn)所需的能量[33]。研究區(qū)沉陷水域面積約100 km2，水資源儲備豐富，作為城市可直接利用的清潔能源，沉陷水體四季穩(wěn)定的溫度是很好的熱泵熱源及空調(diào)冷源[34]。如采取相應(yīng)措施將它構(gòu)建為水源熱泵系統(tǒng)并作為主能源（如圖1），以水為載體設(shè)置水源熱泵機組。冬季采集來自水體的熱能，借助熱泵系統(tǒng)，將所獲取的能量供給室內(nèi)取暖；夏季將室內(nèi)排除的熱負荷通過敷設(shè)在水中的盤管換熱，把室內(nèi)熱量釋放到水中，以達到調(diào)溫的目的。城市的節(jié)能評價指標將大大提升，運行費用也會有所減少，同時大面積的水域也可作為冷卻塔使用進行能量轉(zhuǎn)換，與常規(guī)能源利用相比，廢物及煙塵的排放可忽略不計。

采煤沉陷水域與風(fēng)光核能源帶地理分布一致，具備可利用的太陽能與風(fēng)能等清潔能源，沉陷水域所處地帶與我國核能風(fēng)光能源帶一致，有可供利用的風(fēng)能及太陽能，可在適宜位置架設(shè)風(fēng)力發(fā)電裝置與太陽能光伏發(fā)電裝置進行能源的收集與轉(zhuǎn)化（如圖2），通過光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，經(jīng)陽光聚合能量產(chǎn)生熱水、蒸汽和電力等。

沉陷水域所在水域蘊含豐富的生物能源是太陽能以化學(xué)形式儲存在生物質(zhì)中的能量[26]，也是可再生能源。生物吸收的太陽能以熱能或動能等形式進行采集，可將太陽能轉(zhuǎn)換為城市的可用能源，以及固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料等。

采煤沉陷水域城市設(shè)計中多種清潔能源的利用將推動轉(zhuǎn)變能源的利用方式，區(qū)別于傳統(tǒng)城市供能，低碳導(dǎo)向下采煤沉陷水域的城市設(shè)計如能做到對區(qū)域內(nèi)能源的自產(chǎn)自用，將大大減少能源的碳排放，達到低碳甚至是零碳目標。

3.2 減少建筑碳排放

利用采煤沉陷水域進行的城市設(shè)計在建筑層面有它獨特的優(yōu)勢，在建筑設(shè)計時可將沉陷水域的水體抽取到墻內(nèi)及屋頂內(nèi)循環(huán)，使建筑內(nèi)部大幅降溫，節(jié)省能源[35]。利用綠色植被、太陽能采集薄膜和光伏板組成建筑屋頂，收集和轉(zhuǎn)化能量且有效調(diào)節(jié)房屋溫度，保證室內(nèi)外能量交換的智能性。屋頂和外墻均設(shè)置植被覆蓋層，結(jié)合雨水收集，形成多功能的高效綠化生態(tài)系統(tǒng)，對建筑起到良好的保溫、隔熱、隔聲的作用。

3.3 增加自然碳匯

結(jié)合雙碳目標及生態(tài)文明建設(shè)的背景，以資源節(jié)約、環(huán)境友好為原則，采煤沉陷水域城市設(shè)計以綠色低碳為基礎(chǔ)，在不影響自然系統(tǒng)循環(huán)的情況下，采用現(xiàn)代科技措施減少碳排、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境，建立水、人、環(huán)境之間的密切互動關(guān)系，獲得持久的發(fā)展?jié)摿Αf(xié)調(diào)各方最終創(chuàng)建低碳友好的城市場所，協(xié)調(diào)人類活動與自然環(huán)境的和諧共生，構(gòu)成“自然—社會—經(jīng)濟”的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。

采煤沉陷水域中豐富的塌陷水體資源如得到充分利用，可形成多維生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合沉陷水域自然資源因地制宜地構(gòu)建城市綠地系統(tǒng)，作為發(fā)揮碳匯功能的主要空間載體，除直接固碳釋氧外，不同綠地類型還可以發(fā)揮諸如節(jié)能降碳等綜合性的碳清除作用（表2）。

依照生物和氣候規(guī)律實現(xiàn)以綠地和水體為主的增匯要素在城市空間內(nèi)部的合理分布，從而達到有效固碳的過程，本質(zhì)是從碳循環(huán)與能量管理的角度對城市進行“生態(tài)修復(fù)”。低碳策略則包括保護恢復(fù)生態(tài)功能以穩(wěn)定碳匯、整合完善綠地格局以擴大碳匯，以及保育優(yōu)化生態(tài)過程以增強碳匯三個方面。

3.4 發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)并推動區(qū)域聯(lián)合

采煤沉陷水域城市設(shè)計可加強生態(tài)產(chǎn)業(yè)與休閑娛樂服務(wù)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快城市轉(zhuǎn)型。在依托區(qū)域資源發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)的同時輻射周邊產(chǎn)業(yè)，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與轉(zhuǎn)型。

結(jié)合低碳、文化、休閑娛樂及采礦工業(yè)遺存形成多種主題的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，豐富產(chǎn)業(yè)類型，對區(qū)域資源進行開發(fā)再利用。此外依托沉陷水域特有的自然資源，打造具有特色的旅游產(chǎn)業(yè)及城市風(fēng)貌，形成新型空間體系與城市景觀。

淮南市鳳臺縣沉陷水域可依托此城市設(shè)計形成競爭優(yōu)勢，如發(fā)展得當，可連接南北兩城區(qū)并推動相鄰發(fā)展區(qū)的建設(shè)，加強區(qū)域聯(lián)系。低碳導(dǎo)向的采煤沉陷水域城市設(shè)計為低碳城市設(shè)計的發(fā)展提供了新的視角，同時利用沉陷水域置換出建設(shè)用地，緩解了人地矛盾，促進了區(qū)域的整體發(fā)展。

4 結(jié)語

在雙碳目標和低碳城市的建設(shè)背景下，結(jié)合低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計經(jīng)驗與沉陷水域特點，文章提出在采煤沉陷水域進行低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計，并進行相關(guān)戰(zhàn)略與策略的探討。為使研究更加系統(tǒng)和科學(xué)，文章以低碳城市建設(shè)的需求為基礎(chǔ)，從沉陷水域自身資源與低碳導(dǎo)向的城市設(shè)計的關(guān)聯(lián)性入手，綜合國內(nèi)外相關(guān)研究，設(shè)立建設(shè)目標與原則，從而探析低碳導(dǎo)向下的采煤沉陷水域城市設(shè)計策略，以期在一定程度上合理推進并創(chuàng)新低碳導(dǎo)向下的城市設(shè)計方法，還可為相關(guān)研究提供一定參考和借鑒。