基于GISP模型的城市綠色基礎設施多功能性評估

顧康康,程 帆,楊倩倩

1 安徽建筑大學建筑與規劃學院,合肥 230022 2 安徽省城鎮化發展研究中心,合肥 230022

生態彈性力是指生態系統在受到外界干擾,偏離平衡狀態后表現出的自我維持、自我調節及抵抗外界各種壓力和擾動的能力[1]。城市通過綠色基礎設施建設增強抵御能力和生態系統服務功能,最終達到擴大城市生態彈性力的作用[2-3]。綠色基礎設施多功能性是實現城市生態系統服務功能綜合效益最大化的前提,這一點已被眾多學者認可[4],多功能性提供了生態系統服務供應、調節、支持和文化四大服務類別[5],既能提供生態功能效益,又能在社會問題上產生社會和環境效益[6]。例如綠色基礎設施開發城市綠色空間,如屋頂綠地、雨洪公園和綠道等,提供各種社會和生態效益,以改善公共環境和雨洪管理[7]。廣泛實證規劃以及文獻研究表明綠色基礎設施除了注重解決雨洪問題外[8],還在緩解城市熱島效應[9]、凈化空氣[10]、景觀連通性[11]以及綠色空間可達性上有較明顯效應[12]。雖然綠色基礎設施具有多功能性,但綠色基礎設施經常從單一效益進行研究和實施,如海綿城市的角度[8,13-14]。缺乏綜合規劃模型來評估多功能性的綠色基礎設施規劃,以及社會和生態效益之間的協同和權衡效應[15]。為了解決這一問題,本文通過構建綠色基礎設施規劃(GISP)模型,開展城市綠色基礎設施多功能性評估,明確綠色基礎設施的高需求地區,探討綠色基礎設施效益之間的權衡和協同作用,論證城市綠地系統相關規劃是否在戰略性規劃和選址上符合生態系統服務效益最大化。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區范圍Fig.1 Study area

合肥位于中國華東地區,長三角西端,江淮之間。2016年末常駐總人口786.9萬,城市建成區面積428 km2,GDP達到6274.3億元。合肥是安徽省省會,同時具有長三角城市群副中心城市、綜合性國家科學中心、全國文明城市、國家園林城市等榮譽。城市中心城區建成環城公園、濱湖森林公園、大蜀山森林公園、董浦水庫、大房郢水庫等生態空間,生態本底良好。隨著合肥經濟的快速發展,城區人口持續增長、建成區擴張加速,城市洪澇問題、熱島效應以及空氣問題日益突出,綠色基礎設施建設面臨巨大壓力。

本研究以合肥市中心城區為研究區域,以中心城區47個街道為研究單元(圖1)。

1.2 綠色基礎設施規劃(GISP)模型

傳統多功能性綠色基礎設施規劃研究多運用空間多標準(MCE)評估框架進行評估,較多使用綠色空間可達性和緩解熱島效應兩個指標來進行評估[8]。在指標權重確定方面,較少使用利益相關者評估的權重,有的雖然考慮利益相關者的權重,但未考慮綠色基礎設施效益之間權衡和協同效應[4],同時都相對較少的使用基于GIS的空間多標準評估方法[16]。本文構建的綠色基礎設施規劃(GISP)模型是基于GIS平臺集成雨洪管理、綠色空間可達性、凈化空氣、緩解熱島效應、景觀連通性五大功能(表1),通過MCE構建包含利益相關者優先級的模型[17]。模型可用來識別城市綠色基礎設施需求的優先區域,并分析各指標效益之間權衡和協同作用,促進平等分配和利用效益,達到最大化多個生態系統服務功能,評價結果也可作為決策支持工具。

表1 綠色基礎設施規劃模型和數據來源

1.2.1 雨洪管理

為了確定區域雨洪管理的優先級,使用能在一定程度上反應排水能力的徑流系數來評估雨洪管理。徑流系數越大則代表降雨較不易被土壤吸收,亦會增加排水溝渠的負荷。因此,徑流系數大的區域為雨洪管理優先區。

模型基于2017年1月1日合肥市遙感圖像,通過匯水子區域劃分、地表覆蓋監督分類、DEM坡度分析和GIS疊置分析等步驟,獲得不同地表覆蓋和坡度條件下的面積權重,并借鑒《場地規劃與設計手冊》中整合坡度之后的合理化方法的徑流系數,獲得區域綜合徑流系數[18]。

1.2.2 綠色空間可達性

對于綠色空間可達性優先級,指標是無法在公園10 min步行距離內的人口數,其人口數越大表示可達性越差,應為綠色空間可達性的優先區域。

運用GIS疊置分析計算落在公園800 m步行距離之外的每個街道區域的總面積的百分比,然后將百分比乘以街道總人口,得出每個街道無法在公園10 min步行距離內人口。該方法不考慮公園規模和品質,同時步行距離僅使用緩沖區分析,不考慮道路網絡結構[19-20]。

1.2.3 緩解熱島效應

對于緩解熱島效應的優先級,是根據區域溫度來評估熱島效應。溫度越高區域熱島效應越明顯,應視為緩解熱島效應的優先區域。

為獲得區域溫度,利用合肥市2016年7月25日landsat-8 OLI/TIRS影像數據,基于大氣校正法,計算地表比輻射率、黑體輻射亮度等參數,對地表溫度進行反演,通過極差標準化處理得到合肥市地表溫度,通過GIS將街道與溫度分布圖疊加統計出各街道溫度[21]。

1.2.4 凈化空氣

為評估凈化空氣的優先級使用合肥市空氣中最主要污染物PM2.5濃度來確定。PM2.5濃度大的區域應是凈化空氣的優先區域。

為獲得合肥市各街道PM2.5濃度,根據合肥市10個國家空氣監測站統計的PM2.5數據,將合肥2017年4月平均數據作為基礎數據通過GIS平臺中克里金插值分析法統計出合肥市PM2.5濃度分布,通過GIS將街道與PM2.5濃度分布圖疊加統計出各街道PM2.5濃度[22]。

1.2.5 景觀連通性

景觀連通性優先級,是使用景觀分析中常用軟件Fragstats中的Patch Cohesion Index指標來評估各街道生物棲息地斑塊的物理連通性[23]。根據生態土地利用互補理論[24],現有森林的區域有利于聚集附近的新植被,所以景觀連通性評分較高的區域應作為景觀連通性的優先區域。

1.3 評價方法及指標權重

在構建5個功能指標的優先級分析圖后,對相關利益者進行了一次調查,通過咨詢相關專家、合肥市居民以及政府機構,讓他們綜合分析比較5個功能之間的重要性。通過對調查結果進行統計,運用AHP分析法得出雨洪管理、綠色空間可達性、緩解熱島效應、凈化空氣和景觀連通性的相應權重是0.33、0.19、0.1、0.23、0.15。然后將相應功能的權重屬性導入GIS平臺,對5個功能指標的優先級分析圖對進行加權疊加分析,從而得出包含利益相關者權重的合肥市綠色基礎設施選址優先級評價圖。

2 結果與討論

2.1 合肥市綠色基礎設施選址優先性評價

圖2 綠色基礎設施選址優先級評價圖Fig.2 Evaluation map of green infrastructure location prioritization

運用GISP模型得到合肥市綠色基礎設施選址優先級評價圖(圖2),可以看出,綠色基礎設施選址優先性存在顯著的差異。綠色基礎設施雨洪管理效益需求較高的區域集中在合肥市一環周邊、東部及西南地區,該地區多屬于老城區,綠地覆蓋率較低,雨水收集、存儲的功能較弱；綠色基礎設施緩解熱島效益需求較高的區域集中在合肥東北、北部地區,該地區是合肥市人口、建筑密度較高的區域,居住、商業、廣場等為主體的用地性質也加劇了熱島效應；綠色基礎設施綠色空間可達性需求總體呈現高、較高或中等的程度,表明合肥市綠地公園的數量及服務范圍均不夠理想；綠色基礎設施景觀連通性需求總體呈現高、較高或中等的程度,僅中東部少數街區有較低的需求,表明合肥市綠地斑塊的連通性一般；綠色基礎設施凈化空氣效益需求較高的區域集中在東北、北部地區,該地區交通流量和產業較集中,

PM2.5濃度值是最高的區域。總體而言,綠色基礎設施選址的高需求區域為城市一環內及東北區域,這與該地區的用地性質和建設強度是緊密聯系的。運用GISP模型可以得到綠色基礎設施選址的高需求地區,這對于城市規劃師選擇較高綠色基礎設施需求的場地及提升城市生態彈性力,具有重要的意義。

2.2 合肥綠色基礎設施生態系統服務不同功能的空間關系

圖3 指標相關性Fig.3 Indicators relevance 圓圈的直徑大小和顏色描繪了GISP模型指標的Pearson相關系數。 較大的圓圈表示較強的負(紅色)或正性(藍色)關系。 標有“X”的不具有統計意義

空間協同關系表明不同功能在空間表現協調共生,是一種正向關系,空間權衡關系表明不同功能在空間表現制約拮抗,是一種負向關系。合肥市各街區綠色基礎設施不同功能的需求存在顯著的空間差異,例如雨洪管理優先級高的區域,綠色空間可達性不一定高,相反部分區域景觀連通性是最低的。特別是凈化空氣和緩解熱島效應都與景觀連通性優先區域差異比較大。但是,凈化空氣、緩解熱島效應以及雨洪管理上存在著相似性。運用SPSS軟件分析雨洪管理、緩解熱島效應、凈化空氣、綠色空間可達性以及景觀連通性等指標的相關性(圖3),發現雨洪管理與景觀連通性空間權衡關系顯著,雨洪管理與綠色空間可達性有一定空間權衡關系,雨洪管理與緩解熱島效應、凈化空氣有一定空間協同關系,緩解熱島效應和凈化空氣空間協同關系顯著,景觀連通性與緩解熱島效應、凈化空氣空間權衡關系較顯著。

這些空間關系表明,爭取綠色基礎設施的多功能性是一個協調的目標。例如,構建城市生態網絡以加強生態斑塊之間的連接,提升景觀連通性,而增加的綠地空間可以緩解熱島效應和凈化空氣。因此,如果能處理好綠色基礎設施功能空間協同和權衡的關系,最大潛力的加強城市生態彈性力。

3 討論

運用GISP模型得到合肥市綠色基礎設施選址高需求區域是否與合肥市綠色基礎設施相關規劃一致？以合肥市生態建設方面的規劃為對象,選取合肥生態空間體系控制規劃以及合肥市域空間綠道網絡系統建設總體規劃,對比GISP模型得到合肥市綠色基礎設施選址高需求區域與合肥市綠色基礎設施規劃(圖4),可以看出規劃中綠地選址并不在綠色基礎設施的熱點區域,尤其合肥市東北作為綠色基礎設施需求最高的區域,規劃中僅有綠道,缺少綠地公園等塊狀綠地斑塊。進一步分析合肥市綠色基礎設施相關規劃與綠色基礎設施生態服務功能多樣性之間的關系(圖5),發現合肥生態空間體系控制規劃對景觀連通性促進作用最強,同時在綠色空間可達性上也有一定的加強作用,但與雨洪管理、凈化空氣以及緩解熱島效應上呈現著負相關,體現在綠色基礎設施規劃沒有布置在雨洪管理、凈化空氣及緩解熱島效應優先區域。同樣分析合肥市域空間綠道網絡系統建設總體規劃結果亦然,且只在景觀連通性上表現較大正相關。總體而言,綠色基礎設施多功能性是規劃的依據,GISP模型得到合肥市綠色基礎設施選址高需求區域不僅體現綠色基礎設施空間布局的合理性,還顯示生態系統服務功能的多樣性,合肥市綠色基礎設施相關規劃應綜合考慮綠色基礎設施空間布局及其生態系統服務功能多樣性,進而獲得更大的城市生態彈性力。

圖4 合肥綠色基礎設施規劃圖Fig.4 Hefei green infrastructure planning

圖5 功能優先級與規劃相關性分析 Fig.5 Correlation analyses of functional priorities and planning “**”表示相關性在P<0.01時具有統計顯著性; “*”表示在P<0.05時顯著

4 結論

GISP模型提供了一個靈活的工具,運用綠色基礎設施多樣性評估來促進土地利用治理,通過增強非生物、生物和社會系統之間的積極協同作用實現多功能生態系統服務潛力,獲得更大的城市生態彈性力。綠色基礎設施模型為城市綠地系統規劃提供了方法,改變了城市綠地規劃中只注重點、線、面的形態分析,綜合考慮生態系統及其功能的完善,將綠地建設的質量因素和生態功能上的評判標準：包括綠地景觀的多樣化、綠地系統的連續性、綠地連通性、緩解熱島效應等納入綠色基礎設施規劃模型,實現的諸如雨洪管理、凈化空氣以及綠色空間可達性等生態目標效果評價,同時以及綠色基礎規劃模型的優先級為綠地系統分期規劃提供了參考。合肥市綠色基礎設施相關規劃中綠地選址并不在綠色基礎設施的高需求區域,并沒有在戰略上整合綠地多功能的生態系統服務,以獲得更大的生態彈性力。最后,本研究在存區域的整體情況與居民調查缺少相應的評析,此處需進一步研究,但整體效益的優先級是將來研究的方向。