CITYgreen在城市生态绿地设计中的应用

李 新 张倩倩 张伟捷

(1河北工程大学建筑学院;2河北工程大学科信学院;3河北工程大学城建学院,河北邯郸 056038)

CITYgreen在城市生态绿地设计中的应用

李 新12张倩倩1张伟捷3

(1河北工程大学建筑学院;2河北工程大学科信学院;3河北工程大学城建学院,河北邯郸 056038)

American Forests开发应用的城市绿地设计及分析软件 CITYgreen为城市规划中的生态绿地设计提供了科学有效、准确定量、合理实用的规划及分析手段,在发达国家的城市建设中起到了良好的作用。结合城市绿地对城市暴雨径流控制、空气污染物清除、碳储藏与吸收、树木生长等的作用与影响,对 CITYgreen在城市生态绿地设计中的作用及功能进行了全面而简要的介绍,旨在将这一先进的城市生态绿地设计手段引入到我国城市规划及设计的工作中去,为城市规划师和政府管理者提供一些辅助决策的参考依据,以使我国的城市建设健康生态、科学高效地可持续发展。

CITYgreen;城市规划;生态绿地;效益

近年来,我国城市化进程高速发展,城市规划、城市设计及城市建设工作在我国保持着强劲的发展势头,相关工作量大而面广,其最终成果直接关系到城市功能水平的优劣、城市及周边自然生态环境的好坏以及城市居民生活质量的高低。城市规划及设计在城市化进程中起到关键和决定性的作用,但在我国,传统的城市规划及设计理论与方法在城市生态规划方面存在严重不足,导致我国一些城市生态环境严重恶化,抵御异常气候及自然灾害的功能十分脆弱,全社会为此付出了巨大而沉重的代价。到目前为止,我国大部分大中城市的规划建设畸形发展,城市中心区域高楼密集拥挤,地面硬化严重,生态空间严重稀缺,加之交通规划失当和疏浚设施不足,造成这些城市中心区域拥堵不堪、空气污染严重、尘霾肆虐、城市热岛效应明显、内涝不止等现象。2010年上半年以来,罕见的强降雨陆续肆虐我国多个省市,造成了一些城市的严重内涝灾害;入夏后,南方的一些大中城市持续高温的状况愈演愈烈。

偶然中存在着必然,我国这些大中城市近些年来出现的诸多严重问题虽然是由多种因素促成的,但不可回避的重要因素是我们的城市规划及设计存在“先天不足”,尤其是对城市的生态规划方面存在严重缺陷。

城市生态绿地作为“城市之肺”,是城市生态系统的重要组成部分,是城市可持续发展的重要内容。城市生态绿地对改善城市生态环境,抵御城市化进程带来的诸多负面影响起着巨大的作用。生态绿地不但能够保持水土,净化空气,固碳释氧,改善城市温湿环境,缓解城市热岛效应,降低城市能源消耗,而且能够改善城市对人们的视觉感受、生理感受和心理感受。然而,在传统的城市规划绿地设计中往往将绿地作为景观要素来处理,偏重于视觉效果,很少将城市生态绿地作为一个城市建设和发展的生态承担和改善的基础要素加以考虑,更缺乏对于植物之间以及植物与环境之间生态影响和环境效益的定量研究,尚不能为城市规划提供所必需的绿地规模、植物群落种类、植物的空间分布等的确切的数量指标,也难以对城市生态、经济、社会效益等进行综合评价,更不能为城市规划及设计进行检查、验收、监督和法规制定提供科学依据。这样就不可避免地为我们的城市建设带来了生态隐患。

我国近三十年高速城市化进程中的不足和经验教训值得总结和反思,发达国家在城市规划及设计中的经验和先进的理念与手段值得我们关注和借鉴。许多发达国家早已利用信息技术进行城市生态绿地设计,比较常用的就是American Forests在 1996年研发出的可以定量分析和评价生态绿地对城市生态影响和环境效益的设计工具——CITYgreen,它可以定量计算出树木的各项指标对城市保持水土、净化空气、固碳释氧、降低能耗等方面的影响和效益,在美国以及加拿大等发达国家都得到了广泛的应用。由于 CITYgreen的分析结果比较科学准确,能够对城市生态效果和效益做出预测评价,使规划设计师和政府管理者对城市生态效益和相关的经济价值有比较客观和全面的认识和了解,为他们提供了一些辅助决策的参考依据,能够作为设计单位和政府规划部门的重要决策工具,从而可以更好地指导和优化城市规划及设计。

1 CITYgreen的应用现状

CITYgreen是 American Forests基于 ERSI公司的 GIS软件 Arcview3.X开发的功能扩展模块,可以利用多光谱、高分辨率影像,通过数字化过程准确勾画出整个研究区域的图像,建立区域的地面覆盖物类型的数据库来调查城市生态绿地的现状,统计区域内树木的状况,建立城市生态绿地系统,然后通过实地勘察收集数据,根据输入数据库中的数据对生态系统的服务功能做出量化的评估。从而,在计算机中实现城市生态绿地信息的自动提取、更新和管理,为科学地评价城市规划及设计提供信息保障并减少大量繁重的工作,CITYgreen还可以对整个城市的生态环境发展趋势做出预测和模拟,为决策者提供科学的依据。

CITYgreen主要用于量化城市生态绿地所带来的效益,并对其进行规划管理。由于 GIS技术的应用,使其对基础数据的分析管理变得方便快捷,能够比较客观地反映城市生态绿地的内在特性, CITYgreen在国际上尤其是在美国等发达国家得到了广泛地应用,已完成了包括亚特兰大、华盛顿特区、新奥尔良、休斯顿和圣安东尼奥等 20多个城市的生态分析。这些分析结果对于提高公众对城市生态绿地效益的认识起到了十分重要的作用。阿卜杜拉 (Abdollahi)在《全球气候变化与城市绿地》一书中介绍了 CITYgreen在评估城市生态绿地效益方面的作用。目前全球有 200多座城市利用其来进行土地利用和环境规划,如美国辛辛那提市 (Cincinnati)在政府管理的 GIS中心系统中增加了植被覆盖的数据,并且对全市 52个邻里内的树木进行了城市暴雨径流减排和改善空气质量的效益评估,帮助全体市民理解城市生态绿地的价值,并作为今后规划的依据。美国密苏里州 (Missouri)相关机构对城市生态绿地的研究表明传统的邻里单元更利于发挥树木的效益,而且通过 CITYgreen分析发现,植被覆盖度越高,其在改善空气质量和减缓暴雨径流方面的效益越大。杰夫·比蒂 (Jeff Beattie)等在树木净化水质的研究中应用了 CITYgreen的分析手段,其研究表明,树木本身就能减缓暴雨径流,净化水质 (包括暴雨冲刷城市道路时产生的污水),还能吸收利用土壤中的氮 (N)、磷 (P)、钾 (K)等 (城市生活的副产品)元素。

贝斯·韦德(BethWade)将 CITYgreen应用在减少城市热岛效应以及对环境的影响分析中,衡量树木配置的模式是否能发挥其最大的效益。对美国洛杉矶市 (Los Angeles)的研究表明,每增加 10%的树冠面积,空气温度会降低 1℃,城市中的烟雾就会减少 3%,城市对能量的需求就会相应地减少 2%。美国亚特兰大市 (Atlanta)使用 CITYgreen分析城市热岛效应,运用经过计算机处理的土地利用规划数据使每个社区确定其生态系统的价值,并做出有效的成本效益分析,城市管理者就能做出关于自然资源的预算补贴。其分析结果同样表明,每增加 10%的树冠面积,就会使空气温度降低 l～2℃。它还指出亚特兰大应该通过植树减少暴雨对土地的侵蚀,这种侵蚀导致了该市洪水泛滥和水质的恶化。卡佛 (Carver)等人利用 CITYgreen预测住宅区里夏季空调高峰期时树冠面积对降低空调能耗的具体作用,同时通过比较软件所预测出的节能值与电力系统所提供的实际节能值来评价 CITYgreen的实用性。分析表明, CITYgreen能比较精确地估算出高植被覆盖率的老住宅区的空调节能效率。树木对空调节能的作用不仅与树冠面积比有关,还取决于树木的方位及大小。因此,把树木种在能够有效遮避窗户和空调的位置并使其生长到一定的高度,就能使有限的树木发挥最大的遮荫效益。

CITYgreen还可以测定城市生态绿地效益的具体价值。如亚特兰大市区树木覆盖率为 29%,每年暴雨减排效益价值约为 8590万美元;每年净化空气价值约为 4700万美元;每年降低能源消耗价值约为282万美元;每年植物储碳量达到 800万吨,碳吸收量 5.8万吨。对美国塞勒姆市 (Salem)12个区域的研究,树木覆盖率从 17%增加到 25%,则城市暴雨减排的费用就能节省 1750万美元。同样,对美国新奥尔良市 (New Orleans)城市生态系统的分析表明,目前该市树木覆盖率为 24.5%,林木每年可吸收 1.3万吨大气污染物,折合生态价值为 0.7103万美元,每年暴雨减排效益价值为 741万美元,碳储存为 130万吨,碳吸收为 1万吨。另外,在美国印第安纳波利斯市 (Indianapolis)和休斯顿市 (Houston)也有类似关于CITYgreen对城市林木生态效益进行量化分析的实例。

在我国,CITYgreen最先应用于城市森林生态价值的估算。胡志斌等通过ArcView 3.2的二次开发语言 Avenue,建立了基于 CITYgreen的城市森林管理信息系统,为城市森林结构的研究、效益综合评价提供了技术依据,并利用 CITYgreen对沈阳市区土地利用和森林结构进行了分析和效益定量评价。研究证明,每年产生的森林经济效益为 2650万美元。王晓春等以东北林业大学哈尔滨实验林场为例,基于CITYgreen结合航片判读与实地调查,对哈尔滨市 7种主要乔木树种的 SO2去除能力进行了定量评价。

我国城市生态绿地效益的定量研究发展较慢,在该方面的应用也比较少,只有沈阳、哈尔滨、南京等地有所应用,且应用较多的也只是对城市行道树及公园植被的研究,其中中科院沈阳应用生态研究所是我国较早引进 CITYgreen的单位,并以沈阳市为试点,进行城市森林结构特征和生态效益的分析,开拓了我国城市森林生态系统结构功能评价研究。朱文泉在 GIS支持下,对城市生态绿地生态效益进行了研究,利用 CITYgreen3.0对沈阳树木园及其周边地区的生态效益进行了综合评价,并将其转换成了直观的经济效益,为市政建设与绿地规划提供了决策依据。并以沈阳树木园森林群落为例,建立了沈阳树木园绿地管理信息系统。该系统可以定量分析沈阳树木园植物群落的物种结构及空间格局对城市生态效益的影响。结果表明,城市绿化的生态环境效益不仅取决于绿化树种、绿化的覆盖面积,还取决于绿化的空间结构以及植被的生长状况。

2 CITYgreen的作用及功能

由于建立在 GIS平台上,CITYgreen在城市生态绿地的监测、研究、模拟、评价和规划等方面都有较大的应用和发展空间,充分使用和发挥 CITYgreen的作用,可以在城市建设中取得良好的生态、经济和社会效益。CITYgreen的主要作用及功能有以下几个方面:

2.1 暴雨径流控制的定量分析

CITYgreen根据两年的地表全天候暴雨径流量研究得出,树木和土壤的共同作用能控制暴雨径流。

不透水地表更易产生大量的径流,而自然地域可以减少径流量。高大的树木,浓密的枝叶加之与其伴生的其他灌木、地被植物和草本植物可以拦截雨水并减少暴雨量。被拦截的雨水一部分挥发到大气中,一部分浸入土壤,有效阻挡降水、延迟雨水在地表积聚的时间,减少地表径流量和推迟洪峰形成的时间并削减洪峰流量,从而减少了发生洪水与土壤侵蚀的可能性,也减少了暴雨冲毁房屋建筑、排水设施以及其他市政基础设施造成的损失以及维修费。

2.2 空气污染物清除量的计算

树木对空气的净化功能主要表现在能分解、吸收和固定大气中的有害物质,如树叶可吸收和过滤二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)、可吸入颗粒物 (PM10)、臭氧 (O3)和一氧化碳 (CO),从而改善空气质量。夏天,树木通过直接的树阴和水分蒸发来降低大气温度,从而降低城市区域内二次空气污染物的产生。

在树木吸附大气污染物的研究中,其分析的依据是 American Forests对 10个城市进行研究后的统计结果,它不仅考虑到了树冠面积,而且包含了大气污染物浓度和沉积速率。

2.3 碳储藏与吸收量的计算

CITYgreen可以计算出树木在研究区域内的碳储藏和吸收量。树木对碳储藏与吸收,主要是在树木自身进行光合作用的过程中吸收和利用大气中的 CO2,从而将 CO2储藏在体内的过程。树木可以通过两种方式在降低城市空气中的 CO2含量方面发挥作用并产生效益:一是树木本身在光合作用过程中吸收和利用 CO2,从而减少大气中的 CO2含量;二是树木通过遮阴、挡风来降低城市的能源消耗,从而减少了为生产这部分能源而需要燃烧燃料所排放的 CO2量,继而缓解城市“热岛效应”。

CITYgreen计算树木对碳储藏和吸收,是根据生物量和叶面积进行的,即根据树木的不同年龄等级相对应的碳储存因子和吸收因子来计算的 (见表 1),这是目前国内外广泛采纳的方法。具体公式如下:

表1 胸径等级与碳存储和吸收因子的换算表 (American Forests,2002)

2.4 城市节能效益的定量分析

目前我国对于城市绿地在降低城市能源消耗方面的研究较少。而 CITYgreen在这方面具有较强的功能。

树木可为周边的房屋在减少建筑能源消耗方面产生一定作用。栽植适当的树种,在夏季能够通过对房屋、汽车等遮阴以减少其空调电力的消耗,在冬季通过对房屋遮挡寒风起到保温作用以减少加热用天然气或电力的消耗。CITYgreen可以计算出树阴给居民带来的直接效益,计算出每家节省的电量和费用。但是,这需要树种、树高、树冠形状、叶的持绿期和郁闭度、建筑屋顶的颜色及反射率、屋顶高度、建筑保温隔热和暖通空调系统等要素的数量描述。

2.5 树木生长的模拟

树木产生的上述生态功能会随着树龄的增加和树木的生长而逐渐增加,CITYgreen可以根据树木的现状,模拟研究区域内的每一棵树木在 50年以内的生长状况,并且对其产生的相应效益及经济价值做出动态预测,使之成为居住区设计和建设的一个重要决策参考依据。

进行树木生长模拟时,模型需要以下的指标作为模拟参数 (见表 2)。

表2 树木生长指标 (American Forests,2002)

3 结语

CITYgreen在城市绿地生态效益分析方面具有较强的功能,在一些城市的生态分析、预测与管理方面也屡有应用,但将其引入到城市规划及设计工作中以作为城市生态规划的强力手段仍不多见。鉴于目前在城市规划及设计工作中,针对城市绿地对城市生态影响的定量分析严重不足,已造成众多城市生态环境恶化和生态功能脆弱的严重后果,将 CITYgreen引入到城市生态绿地的规划及设计中是十分必要和重要的,也是切实可行的。

应用 CITYgreen对城市规划及设计方案进行辅助分析,并对城市生态绿地进行科学规划与评价,使城市规划及设计方案中的生态绿地研究有据可依,可以有效地改善我国城市建设的生态性,并增强城市的生态功能,这将是城市规划及设计阶段优化研究方面的一个飞跃,能够为城市规划师和政府管理者提供很有价值的参考。

[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.,曲国胜,李亦纲,黄向荣,许建东等译.ArcView?GIS使用手册[M].北京:地震出版社,2000.8

[5]韩红霞,高峻,刘广亮.遥感和 GIS支持下的城市植被生态效益评价[J].应用生态学报,2003,14(12):2301～2304

[6]胡志斌,何兴元,李月辉等.基于 CITYgreen的城市森林管理信息系统的构建与应用[J].生态学杂志,2003,22(6):181～185

[7]胡志斌,何兴元等.沈阳城市森林结构与生态效益[J].应用生态学报,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,张伟捷.建筑空调能耗与城市热岛效应[J].河北建筑科技学院学报,2004,21(1):23～27

[11]王晓春,李辉等.7种乔木对 SO2清除能力的定量评价[J].中国城市林业,2005,3(2):57～60

[12]张伟捷,靳松,孙建平等.建筑能量系统对都市热岛形成的影响[J].河北建筑科技学院学报,2002,19(4):15～17

[13]朱文泉,何兴元,陈玮等.GIS支持下的城市绿地健康及生态效益分析[A].城市绿地生态研究进展[C].北京:中国林业出版社,2002

[14]朱文泉,何兴元,陈玮等.城市森林结构的量化研究——以沈阳树木园森林群落为例 [J].应用生态学报,2003,14 (12):2090～2094

TU985

A

1009-5462(2011)01-0047-04

2011-03-11

河北工程大学青年基金。

李新,男,河北邯郸人,河北工程大学建筑学院助教,硕士。

[责任编校:张彩红 ]