基于混沌论的绿地系统布局多情景优化模拟∗

金云峰 李 涛 王淳淳 周晓霞

1同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

2 浙江理工大学艺术与设计学院 杭州 3100180

3 上海同济城市规划设计研究院有限公司 上海 200092

生态文明发展驱动下,生态园林建设已成为我国城市建设的重要内容。新一轮上海城市总体规划的发展目标是成为全球城市。崇明岛所具有的独特滩涂湿地资源、丰富的生物多样性和河口岛屿型生态环境等,使其拥有上海市最优质的生态资源本底,是上海这个未来的全球城市最核心的生态空间以及生态环境可持续发展的重要战略空间。2016年崇明岛“十三五”规划和2018年新一轮《崇明区总体规划暨土地利用总体规划(2017—2035)》(简称新一轮“崇规”)指出,将崇明岛建设成为包括自然生态和智慧发展双维度上的“世界级生态岛”。因此,“崇明案例”在“绿水青山就是金山银山”理念的践行路径将对全国生态岛建设起到重要的示范作用。

混沌论(Chaos Theory)是在1963年美国气象学家Edward N.Lorenz的著作《Chaos》中被首次提出,Kellert将其定义为“确定性非线性动力系统中不稳定非周期行为的定性研究”[1],可简化描述为:不可预测的秩序(Order without Predictability)[2]。目前尚无严格定义,通常将由确定性内因引起的具有随机性的运动状态称为混沌[3],属于复杂系统理论的研究范畴之一。与机械性的可以预测的传统平衡论思维模式不同,混沌论研究看似是矛盾的复杂与简单、不确定性与确定性、无序与有序等融合共生,目前已渗透到物理学、数学、生态学等自然科学以及社会学、经济学等社会科学领域。

1 作为一个混沌体系的绿地系统

混沌存在于所有具有复杂自适应能力的系统,并且通过复杂组织能力创造“秩序”。兼具组织创造性和混沌开放性的城市是典型的混沌体系[4],绿地系统作为城市复杂巨系统中的一个子系统,同样是复杂、动态的混沌体系[5-6],其内部存在多元复杂的“流”(物质流、能量流、信息流等)和多维交织的“网”(社会网、文化网、经济网、虚拟网络等),并且相互作用、相互制约。

混沌论结合绿地空间的相关研究集中在城市规划学和生态学领域。Manson等[7]认为城市土地利用具有混沌结构和分形模式,Dendrinos等[8]直接指出城市就是混沌吸引子,Schaffer等[9]认为混沌现象普遍存在于生态系统,邓群等[10]深入点明大多数生态集聚格局是由存在于自然界中的非线性变换所致。以上研究为未来运用混沌论定性定量研究城市和绿地演化过程及优化奠定了基础。

2 研究范围与研究方法

2.1 研究案例和数据来源

崇明岛(广义概念上包括崇明岛、长兴岛、横沙岛)位于上海东北部的长江入海口,是世界第一大的河口冲积岛,中国第三大岛,素有“长江门户、东海瀛洲”之称。目前崇明岛整体空间绩效偏低[11-12]:绿地系统空间格局破碎化、分散化；生态承载力和生态环境本底脆弱化；生态要素单一、部分水体存在污染；林种多样性单一,空间格局分布极化。

选取崇明岛作为研究案例的原因在于:1)作为上海市最核心的生态空间,建设“世界级生态岛”具有重要战略地位。2)现实生态环境情况与“世界级生态岛”目标之间存在一定落差,生态系统和绿地系统空间格局亟待优化。3)风景资源丰富的外围地区呈现出强劲的发展潜力,是生态岛建设的重要保障,探讨绿地系统的优化格局利于空间精细化调控[13-14],利于在有限用地指标下发挥更大的生态、游憩、防护等综合效能。4)目前对于崇明岛绿色空间的宏观研究仍停留在景观格局演变、生态承载力[15]、旅游发展方式和对世界级生态岛建设的实施建议上[16],而从整合生态和游憩的绿地系统规划视角[17]探讨世界级生态岛的宏观构建研究较少。

研究数据参照上海市统计局官网、崇明统计信息网、历年《崇明年鉴》、2016年崇明岛国民经济和社会发展统计公报、新一轮“崇规”现状用地数据、Google地图数据和实地调研数据。

2.2 研究方法：情景规划

混沌动力学和非平衡物理学衍生出的不确定性思想认为,混沌系统通常表现为局部或整体的短期可预见性和长期不可预见性。绿地系统演化过程中种种不确定性(绿地功能需求的此消彼长等)和非确定因素(天气变化、政治导向、人为灾害等)客观存在,加之系统演化规律难以把握、数据时间序列短、参数不能被控制、指标体系不完善、操作难以避免误差等不确定性因素,均表明绿地系统定量描述和预测方面的局限性,也就难以准确预测系统长期的演化结果。

由于未来政策和经济走势引导下的绿地空间格局具有不确定性,因此应完善多情景规划策略以应对不确定性的可能情况(图1),由单因素分析转向多因素综合,由单方案预测转向多情景描述。

图1 认识世界的划分和多情景规划对不确定性的预测

情景规划(或称多情景规划)是处理复杂系统不确定性问题的有效工具,学术界普遍认为情景规划是基于对历史经验外推、未来终端状态鉴别和预测事件的综合考虑得到的关于未来的场景[18]。

情景规划在应对解决系统未来演化的不确定性问题和发挥主观能动性方面具有传统规划无法比拟的优越性(表1)。情景规划方法流程是“问题辨析—情景界定—情景评估—决策选择”[20]:通过历史经验、未来状态和不同条件下的变化情况,结合不同利益主体的不同诉求,确定其重要性和不确定性排序,进而选择情景逻辑主线编制情景规划,并评估不同方案的情景意义,从而制定最终决策和行动计划。其目的不是准确预测未来,而是应对未来演变。

表1 传统规划与情景规划的特征比较[19]

3 绿地系统布局多情景优化模拟

3.1 驱动力识别和不确定性排序

3.1.1 影响绿地空间格局的驱动力识别

影响绿地空间格局的驱动力主要有生态驱动、社会驱动、经济驱动和政策驱动。1)生态驱动:由于崇明岛东、西和北部边滩处于淤涨状态,而南部边滩处于被侵蚀状态,因此岛屿不同的冲淤态势导致绿地景观资源的空间差异和不同预期。2)社会驱动:近年来崇明岛常住人口基本持稳,但旅游人数逐年增加,随着生态岛的完善建设可以预见旅游人数增幅将会加大。3)经济驱动:经济的发展是生态岛绿地空间建设最主要的制约因子,是提升生态岛绿地建设水平、补足生态岛绿地建设短板的最紧迫任务[21]。4)政策驱动[22]:政策引导和激励机制对崇明岛绿地空间格局的影响不亚于其他驱动因子[23]。新一轮“崇规”提出的“生态+”行动、乡村建设、交通提升、设施提升等实践措施,是对“世界级生态岛”最直接的建设路径指引。

3.1.2重要性和不确定性排序

通过实地考察和文献资料综合判断,确定崇明岛绿地空间格局的驱动因子的重要性和不确定性排序,计算结果显示:生态驱动为高重要性、中不确定性,属于Ⅰ级别；政策驱动为中重要性、高不确定性,属于Ⅱ级别；经济驱动为高重要性、低不确定性,属于Ⅲ级别；社会驱动为低重要性、低不确定性,属于Ⅳ级别。

对影响绿地空间格局的各驱动因素进行整合,可构成多种组合情景。选取综合排序靠前的生态驱动和政策驱动,通过实际背景情况分析确定可能性最大的3类情景:1)“世界级生态岛”驱动下的生态导向；2)政策着力推动多层级公园体系、构建多旅融合的“大旅游”格局的游憩导向；3)耦合生态和游憩的空间引导协调式导向。

3.2 不同目标导向下的多情景优化模拟

3.2.1 生态导向下的情景优化模拟

1)从被动保育到主动框定生态本底。转变生态保育的被动姿态,明确框定生态保育底线；最大限度地划定现有的4处自然保护区和水源保护区的生态红线(图2),对生态敏感地区进行自然或人工整治修复,提升生物多样性和复杂性[24]；连通河流廊道和道路防护绿地,构建蓝绿生态空间网络。

图2 生态导向下的崇明岛绿地系统布局的情景优化模拟

2)从城镇增量走向生态全域统筹。以城镇增量为主规划,在人口持稳的发展背景下,基本没有培育强大新城的空间[25]。因此应转变这种规划思路,在“世界级生态岛”时代要求下,转而培植广大乡村地区的生态多样性有机更新[26],结合地方文化、资源等打造特色庄园或特色休闲农业地区,激发乡村的产业转型。

图3 游憩导向下的崇明岛绿地系统布局的情景优化模拟

3.2.2 游憩导向下的情景优化模拟

1)形成中心集聚—两极发展的风景游憩公园体系。“中心集聚”是以城桥为游憩接待中心,以东平森林公园、港西郊野公园、东平庄园、前进庄园为重点,形成以森林、度假村、生态园林、农家乐为吸引子的生态游憩聚集区[27]；“两极发展”是依托东部东滩国家公园、陈家镇郊野公园、滨江郊野公园、前哨庄园等形成崇明东部游憩发展极,依托西部明珠湖郊野公园、跃淞庄园、跃进庄园及其休闲配套设施等形成崇明西部游憩发展极(图3)。

2)构建环岛—郊野—滨河—城镇4类游憩绿道。环岛绿道为崇明岛绿环、长兴岛绿环和横沙岛绿环,设置大型绿环以便应对多样化的生态友好型活动赛事,方便国际级生态学术交流和生态教育；郊野绿道主要为连通崇明岛内郊野公园的“三横”绿道；滨河绿道为12条纵向河流水系的沿河绿带。城镇绿道为城镇内部和周边的城镇乡野特色交融绿带。

3.2.3 协调导向下的情景优化模拟

协调发展情境下,绿地系统布局优化将同时考虑生态安全约束和游憩建设适宜性。这种空间增长方式一方面保留了绿地增长过程的功能性需求,另一方面也兼顾了绿地生态格局对城镇发展的制约。从协调导向下的布局优化图(图4)可以看出,在锚固生态本底的前提下,优化中心集聚—两级发展的风景游憩绿地空间,特别是东滩国家公园既要满足国家公园的规模要求、游憩定位、资源代表性等设置条件,同时又应实现自然资源的科学保护。这种兼顾生态和游憩的绿地空间格局与“世界级生态岛”建设和“大旅游”格局建设的发展要求基本一致,既保障了区域生态安全,增强了崇明对于上海大都市区的战略生态能力,同时也最大限度满足了崇明游憩业发展和大都市区生态之城建设的示范地。

图4 协调导向下的崇明岛绿地系统布局情景优化模拟

3.3 多情景优化模拟方案评价

在不同目标导向下,本研究分别模拟了不同发展情景模式的绿地系统空间布局优化思路。借鉴相关文献基于城市生态二元胁迫CA模型,依托不同空间状态演化规则模拟,探讨城市空间边缘性增长、生态性增长和协调性增长的方案择优研究[28],对如上3个情景模拟优化方案的游憩建设适宜性、生态安全性和斑块紧凑性(考察空间形态的聚集度、规整度)3项指标进行定量化赋值对比。结果发现,尽管协调导向性布局在单个属性上均未达到最优,但复杂系统发展通常是对多元目标导向综合衡量的结果,从而更加优化整体空间耦合效能。因此,崇明岛绿地系统的协调导向性布局是综合效能最大化的方案,这也是“自然生态”和“生态发展”双维度“世界级”的生态岛空间建设要求所在。

4 结语

目前混沌论正逐步耦合大数据、人工智能、云计算等技术[29],持续向各个科学领域渗透发展、蓬勃开创。混沌论不确定性衍生的情景规划方法,通过“问题辨析—情景界定—情景评估—决策选择”研究路径,选择不同情景逻辑主线主导规划方案,并评估不同方案的情景意义,从而制定最终的决策和行动计划。不同于传统规划的单方案预测,情景规划是多情景方案的模拟,因此在应对系统未来演化的不确定性问题方面具有传统规划无法比拟的优越性,为城市绿地系统的演化及优化提供了新的思维视角。