廈門城市水環境景觀格局調整與建設探討

陳希冀, 郭青海, 黃碩, 楊一夫, 孫艷偉, 肖黎姍

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廈門城市水環境景觀格局調整與建設探討

陳希冀1, 2, 郭青海1, *, 黃碩3, 楊一夫4, 孫艷偉5, 肖黎姍1

1. 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2. 中國科學院大學, 北京 100049 3. 福州市環境科學研究院, 福州 350011 4. 廈門市城市規劃設計研究院, 廈門 361021 5. 寧波大學地理與空間信息技術系, 寧波 315211

城市是由多個相對獨立的子系統構成的復合人工生態系統, 城市的可持續發展與建設依賴于自然-社會-經濟各子系統之內的健康、協調發展。伴隨城市的開發建設過程, 水資源短缺、水質污染等多種水環境問題正威脅城市的持續性發展, 亟需一個綜合全面的解決方案。基于對海綿城市建設的內涵與存在問題的討論, 結合可持續發展與景觀生態學理論, 提出“城市水環境景觀格局調整與建設”這一解決城市水環境問題的思路與實踐框架, 并據此建立逐步實現城市子系統到城市整個生態系統健康發展的可持續城市建設新途徑。以廈門市為研究案例, 分析流域水質在不同尺度條件下與景觀格局的關系, 模擬估算城市建設用地面積閾值, 從而規范廈門城市用地開發利用, 達到改善城市流域水環境目標。通過廈門市的實證研究, 驗證了以水環境可持續為切入點調整城市景觀格局, 進而解決城市發展中突出的水環境問題并實現整個城市的可持續發展建設的思路, 最后對城市未來水環境與景觀格局調整提出展望。

城市化; 水環境; 可持續城市; 海綿城市; 景觀格局

1 前言

城市化給城市帶來新的發展契機, 同時也造成了一系列生態環境問題, 這已在我國和發達國家城市化進程中突出體現[1-2], 伴隨城市發展產生的生態功能低下、環境污染嚴重、資源短缺與環境惡化的問題, 影響著城市、區域、國家甚至全球尺度的生態安全[3]。其中, 我國城市正面臨著愈加交織復雜的水環境危機, 大面積城市不透水硬表面取代了自然植被為主的透水軟表面, 使徑流過程、水體質量發生變化; 城市開發建設、社會經濟生產活動導致水污染而引發的“水質型”缺水; 人類活動誘發的河湖水系格局和微地形變化, 使水生物棲息地喪失、城市洪澇災害頻發, 這些問題對我國城市的公共安全和人居環境構成了威脅, 嚴重制約了城市的持續性發展[4-6]。

城市水環境如何與城市生態規劃、城市景觀建設統籌結合, 是城市建設中不可規避的問題, 作為城市系統運行的重要方面, 水環境與城市建設和發展密切相關。城市發展的水資源需求與水污染排放的循環過程就是經濟再生產與自然再生產的循環過程, 水環境是城市持續發展的前提, 又是城市規劃與建設中重要節點, 而城市的可持續發展建設又是解決城市水環境危機的有效途徑[7]。實現水環境健康的可持續城市建設是在滿足經濟發展、社會進步和生態平衡統一的條件下, 從水生態-經濟-社會復合系統的全局出發, 以水環境承載力為約束, 以水資源安全為導向, 將水安全格局協同到當代經濟發展與城市建設的整體規劃中, 解決人類經濟社會活動與水環境之間的矛盾, 最終實現既能滿足人類社會根本利益, 又符合水生態系統健康基本要求的城市規劃建設[8]。本文在對可持續城市建設、海綿城市建設的理解基礎上, 提出了以改善城市水環境為切入點, 通過調整景觀格局, 促進城市實現從“點”到“面”的建設途徑, 基于對廈門市的案例研究, 驗證“水環境景觀格局調整與建設”城市建設途徑的可行性, 以期為城市規劃建設提供參考依據。

2 海綿城市

針對我國城市化進程中的水環境問題, 2013年12月, 中央城鎮化工作會議提出“建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”[9], 自此海綿城市成為眾多行業和科技領域討論的熱門話題之一, 并在全國30個城市開展了試點工程。

海綿城市建設是國外城市水系統治理理念與方法的中國化表達, 在國外, 代表性理念有美國的最佳管理措施(BMP) 及低影響開發體系( LID)[10]、澳大利亞的水敏感城市設計( WSUD)[11]、英國的可持續排水系統( SUDS ) 、新西蘭的低影響城市設計和開發( LIUDD) 等[12]。受國外理念影響, 國內積極開展了相關研究與實踐探索, “海綿城市建設”以能實現城市雨洪管理目標的方案措施, 進入政府決策與公眾視野。根據我國公布的《海綿城市建設技術指南》, 海綿城市的內涵是“通過加強城市規劃建設管理, 充分發揮建筑、道路和綠地、水系等生態系統對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用, 有效控制雨水徑流”[13], 其實質是通過在城市中建設綠色、生態的基礎工程設施, 加大對城市徑流水量和水質的剛性約束, 一方面實現城市水生態修復和水環境保護目的, 另一方面使城市減緩或降低受自然災害和環境變化的影響。

自國家發布30個海綿城市建設試點城市以來, 全國各地對于建設海綿城市的熱情空前高漲, 已有130余城市制定了構建海綿城市相關的規劃措施或政策方案。截止2016年, 試點城市項目陸續落地, 三年實施計劃試點區域總面積達435平方公里, 總投資865億, 首批試點城市項目開工率已達到19%, 完成計劃投資21%, 項目實施的力度和速度超出預期。在中國推行的海綿城市建設是一個相對新興的概念和領域, 各城市進行的海綿城市建設實踐仍處于起步和摸索階段。海綿城市建設不僅需要對城市水文過程及其伴生規律的科學理解, 還與水工程、城市規劃等多個專業部門相關聯, 面對這樣一個復雜的系統工程, 現下在全國多地“如火如荼”迅速開展的海綿城市建設項目大多局限在對雨洪管理的應用中, 多以工程探討為主, 對雨水的管控僅限于儲存、導排、利用的層面[14]。

通過對首批16個試點城市的方案研究發現, 海綿城市建設試點區存在主要問題有; (1)前期工作基礎薄弱, 城市現有基礎設施不完善, 缺乏規劃支持; (2)建設目標不合理, 總量控制率、排水防澇等指標不符實情, 難以通過考核; (3)實施方案可行性不足, 指標缺乏量化, “因地制宜、一城一策”體現不夠; (4)試點示范尺度有限, 試點項目主要從局域的重點地塊和主要工程出發, 缺乏全市(縣、區)范圍的海綿體建設[15-18]。總體而言, 在海綿城市建設熱潮之下, 既有相關研究工作以規劃和工程設計為主、缺少生態要素研究, 存在面對中國城市水環境問題的復雜性和工程實施技術的難度性上的科學研究和科技儲備的不足, 缺乏對城市或流域全局的把握, 僅停留在一些簡單盲目的“碎片式”項目上, 以及不同行業領域對海綿城市的內涵、構建途徑與指標體系的不同認識與爭議等問題[19-22]。

城市整體水環境問題若僅依賴于局部性工程設施和“末端處理”將難以取得顯著成效, 水環境保護應從源頭控制著手, 從城市流域開始, 為實現持續性城市建設中的水環境安全和水質健康目標, 對城市土地提出合理的利用模式以及引導策略[23-25]。水環境作為城市自然子系統的關鍵部分, 同時又是經濟子系統和社會子系統順利運行的重要支撐, 為實現水環境健康與水安全格局的目標, 以改善城市水環境為著手點, 以景觀格局為載體, 通過研究城市水環境對景觀變化的響應機制, 調整基于水環境響應的城市景觀, 形成局部(自然子系統)到整體(社會-經濟-自然復合耦合系統)的持續性城市建設(圖1)。鑒于此, 本文就城市水環境問題以及持續城市建設提出一種思路框架, 即城市水環境景觀格局調整與建設途徑。

3 案例研究

以廈門市為研究案例, 探討城市水環境景觀格局調整與建設的可行性。廈門市地處福建省東南沿海地區, 是我國第一批經濟特區城市。廈門本島為廈門市的城市中心區域, 由城市化起步早、發展快、水平高、人口密集的湖里區和思明區兩個行政區構成; 廈門島外由城市化進程正逐步加快的集美區、同安區、翔安區及海滄區組成(圖2)。

圖1 基于水環境改善的持續性城市建設框架圖

Fig. 1 The building framework of a sustainable city based on water environment improvement

圖2 廈門市區位示意圖

廈門是典型的“海灣城市”, 城市生態系統內部及外圍均發育著豐富的水系, 隨著城市發展的土地開發利用等人類活動, 地表景觀格局和功能發生了巨大改變, 這對廈門水系的水質水量產生了影響。廈門多年平均水資源量為12.34億m3, 人均水資源量331m3, 人均水資源占有量僅為全省的10.9%; 對境外調水依賴度高, 城鎮供水比例中漳州九龍江調水占比70%以上[26]。由于本地水資源條件支撐能力的不足, 廈門也是一個典型的“缺水型城市”。根據2015年廈門市環境質量公報, 廈門主要湖庫水質一般, 其中筼筜湖水質營養級別為中營養, 杏林灣水庫水質劣于V類, 主要污染物為總磷、總氮、氨氮與活性磷酸鹽等。在水生態方面, 主要流域水體生態用水量不足, 環境承載力低, 自凈能力較差, 受人為干擾的生態退化和生物多樣性缺失。在水安全方面, 廈門常受臺風天氣影響, 短歷時降雨強度大, 城市排澇問題凸顯。為解決城市水環境問題, 廈門市積極開展海綿城市建設等應對措施。

廈門是全國首批海綿城市試點城市中唯一的濱海城市, 海綿城市建設試點區域包括海滄區的馬鑾灣片區和翔安區的南部新城片區, 總面積達35.4平方公里。在海綿城市試點區域外, 目前正開展多項工作包括全市黑臭水體整治、島外九大溪流整治等, 這些項目均需要整合在廈門構建城市“大海綿”的重大任務中, 反映出海綿城市建設作為一個大系統、大工程實施的復雜性。廈門的流域雖已開展了系列環境治理工作, 但總體治理水平仍滯后于社會經濟發展需求, 而海綿城市建設不能一蹴而就, 是一項需要長期規劃與管理才得見總體成效的系統工程。隨著城市化進程的高速推進, 廈門仍面臨著水環境容量質量和經濟快速發展的矛盾, 水環境問題仍較突出。

基于廈門市水環境現狀以及海綿城市試點的基礎, 本文提出城市水環境景觀格局調整與建設途徑, 技術路線如圖3。通過統計數據分析城市化進程中的社會經濟發展特征, 利用遙感影像數據獲取區域或流域景觀格局特征, 分析其演變規律, 結合水質歷史數據和實測數據, 分析和模擬水質動態變化, 尤其是富營養化物質和重金屬的時空分布特征。在實測研究的基礎上, 運用多元統計方法、空間統計方法等進行水環境特征與景觀格局特征分析, 并發現二者的內在關聯, 在可持續城市理論與景觀生態學格局與過程方法指導下, 構建模型并優化模擬, 運用相適應的模型設置模擬情景[27-28], 探討何種或哪幾種景觀格局能夠保護和促進水環境系統的穩定和健康發展, 據此提出基于水環境響應的城市規劃建議與措施。

圖3 水環境景觀格局調整技術路線圖

以廈門市完全城市化的筼筜湖流域、半城市化的馬鑾灣流域和正處于快速城市化階段的杏林灣流域作為研究區域, 數據來源于廈門市國土資源局編制的廈門市土地利用現狀圖, 空間分辨率30m的Landsat-TM遙感影像以及三大流域的實測水質數據。提取流域尺度、50 m 緩沖區、200 m 緩沖區(圖4), 選取景觀水平的斑塊密度指數(PD)、景觀形狀指數(LSI)、Shannon多樣性指數(SHDI)3個景觀指數和平均高程(ELEV)、平均坡度(SLO)2個地形因子作為pH、Sal、Se、Chl、TN和TP這 6 個水質指標的解釋變量, 其中, 景觀指數通過Fragstats3.3計算獲得, 地形因子通過Arcgis9.3對廈門市DEM數據進行提取獲得。

通過Arcgis9.3的地理加權回歸(GWR)模塊對解釋變量和水質指標進行運算。表1中, 局域回歸系數中位數絕對值越大, 說明各變量與水質指標關聯性越強; 系數正負值的變化, 表明變量對水質影響存在空間差異。對三個流域GWR 模型調整判定系數統計結果表明, 各變量與水質指標之間的相關關系的強弱依賴于不同尺度范圍; 筼筜湖, 流域尺度上SHDI與水質指標相關性最強, 在200 m 緩沖區尺度上pH 和TN 受景觀指數影響大, 表明城市景觀多樣性越大, 水環境質量越差; 馬鑾灣, 流域尺度上PD 和SHDI與水質指標相關性最強, 表明景觀斑塊與多樣性與水環境關系密切; 杏林灣, 流域尺度的SHDI 和200 m 緩沖區尺度的SLO 與水質指標的相關性較好, 200 m 緩沖區尺度的坡度、流域尺度的城市景觀類型多樣性對水環境影響較大[29]。研究結果驗證了城市景觀格局對流域水環境質量確會產生影響, 并且這種影響依賴于不同尺度范圍的變化[30-33];同時, 水環境對城市化發展水平有不同響應, 相較于高城市化地區, 低城市化地區的解釋變量和水質指標的空間變化關系更加多元化和復雜化[34]。

以總氮(TN)和總磷(TP)水質指標為分析對象, 2020年土地利用規劃和人口預測為基礎, 探究流域內污染物負荷的年際、月際變化規律, 通過區域污染物管理模型(ReNuMa)分別模擬3種情景, 即預留地為非城市建設用地、預留地為城市建設用地和僅有城市建設用地和水體情況下, 在水體污染物環境容量上限內估算流域城市建設用地面積閾值。如圖5所示: 目前筼筜湖的污染物環境容量暫未達飽和, 未來筼筜湖流域內的城市建設用地面積閾值約為1320 ha; 馬鑾灣污染物總量接近環境容量, 未來馬鑾灣流域內的城市建設用地面積閾值約為5600 ha; 杏林灣污染物總量接近環境容量, 并呈現明顯上升趨勢, 未來杏林灣流域內的城市建設用地面積閾值約為4750 ha。

圖4 水環境響應的尺度效應[29]

表1 三大流域GWR模型局域回歸系數對比[29]

圖5 基于TP和TN年負荷的三大流域城市建設用地面積閾值[35]

廈門市的實證研究表明, 水環境對不同城市化發展水平、不同尺度范圍的景觀格局表現出不同的響應, 可見調整城市景觀格局、優化土地利用結構能成為改善城市水環境的重要舉措。為促使廈門市城市建設與水環境協調發展, 應對的策略有: 位于城區中心位置的筼筜湖流域應在閾值范圍內控制城市建設用地, 擴大人工和自然植被斑塊, 在200 m 緩沖區內設置如公園、濱水景觀帶及自然植被生態護岸等面積較大的綠地空間; 馬鑾灣流域位于工業制造業組團區內, 需重視工業用地的設置應遠離水域, 并配置阻截、消解污染物污染的植被斑塊, 對海灣灘涂進行生態修復, 建設沿海濕地生態園; 杏林灣流域目前水環境狀況在三個流域中最不容樂觀, 建議放緩城市擴張速度, 農村用地向城市用地轉移的過程中, 保留部分耕地、園地等景觀緩沖帶, 擴大以園博苑為主的城市綠地建設, 提高流域的景觀多樣性; 對于廈門北部地區大面積綠地和農業用地, 要繼續保育這樣的自然生態屏障與綠色過濾帶(圖6)。通過流域景觀格局的調整改善水生態環境, 可提高城市生產活力, 提升城市居住品質, 進而推動城市全方面的可持續發展與建設。

4 討論與展望

通過廈門市的案例研究, 論證了以水環境改善為切入點調整城市景觀格局, 從而促進整個城市的可持續發展建設的思路是可行的。城市建設包羅萬象, 不是一種方案和模式就能完成的; 城市建設沒有統一的模式, 但存在開展規劃建設的相似途徑, 從開展景觀格局的調整以解決城市水環境問題的城市建設不失為一種新途徑。

城市水環境景觀格局調整建設與海綿城市建設具有理念遞進的相輔相成的聯系。海綿城市建設的提出直接應對“逢雨必澇、遇澇則癱、城里看海”的城市雨洪問題, 而城市水環境景觀格局調整建設源自于水環境系統對經濟社會運作、人類活動以及自然子系統中的其他要素變化的全局響應, 盡管兩者理念都注重于城市建設與水環境系統的關系, 都能成為城市與資源環境協調發展的具體生態建設途徑, 但“和而不同”(表2)。

在海綿城市建設試點的基礎上, 對廈門市城市水環境景觀格局調整與建設途徑的探討, 明確了水生態系統對城市經濟與社會發展帶來景觀格局變化的響應機制, 通過保護和提升水環境 “倒逼”能夠形成可持續城市生態經濟模式、人居環境體系和生態環境保護制度體系, 從而解決城市水環境問題并促進可持續城市建設。在新型城鎮化發展戰略背景下,如何將生態系統健康發展目標整合到城市規劃與城市建設中, 如何實現城市社會、經濟與自然的協調發展, 不僅是生態學家的問題, 也為社會學家、經濟學家提出了新的課題。

圖6 基于水環境改善的廈門城市景觀調整與規劃示意圖

表2 與海綿城市的比較

城市建設過程中城市規劃設計和可持續發展是兩個并行的活動[38], 現今的城市生態規劃與建設已普遍應用景觀生態學的理論與方法以滿足城市建設與持續發展的雙向訴求。從景觀生態學觀點看, 城市是受人類活動強烈干擾下形成的各種景觀斑塊的混合鑲嵌體[39], 人類的一切活動均發生在這些景觀類型上。城市流域因為水體的存在使得不同類型景觀斑塊之間的聯系變得更為緊密, 水環境系統與景觀格局在城市化進程中的耦合關系, 使景觀格局對水環境系統有明顯空間、時間的影響, 流域水體也對不同尺度、不同類型的景觀結構表現出不同響應[40-41]。就目前研究現狀, 景觀指數被廣泛應用于景觀空間格局表達與分析, 但尚少見基于城市水文過程的景觀格局指數, 盡管少量學者做了嘗試, 如Li[42]等建立新的景觀指數指標SHLI, 但這些指標局限于養分、水土流失過程, 景觀格局指數與實際的城市水環境過程的聯系依然不足。目前國內外城市景觀格局水環境響應研究方法以空間分析和統計方法為主[43-44], 基于土地利用的水質污染模型也是近年來發展較快的技術手段[45, 47], 城市景觀格局的水環境機制模型有待進一步開發。城市流域基于水質改善的景觀規劃和調控方案往往是土地利用總體規劃和景觀變量等要素的系統集成[25, 49], 城市用地規劃、景觀格局調控、雨洪管理等在建設施工和設計管理等方面仍有待進一步探索。

繼續深入研究城市景觀-水環境響應機制, 提出科學合理的基于水環境保護的城市景觀格局調整與空間優化模式, 進而協調城市建設與水生態安全和水環境健康的關系迫在眉睫。未來開展的工作可立足于完善水環境的城市景觀規劃和城市空間優化, 加強流域和城市尺度的控制性用地規劃及相關標準, 以“城市水質監測預警-流域景觀調整-城市景觀調整”為思路, 權衡流域空間局部與城市整體景觀格局的兼容性, 探討在尺度轉換下的景觀格局調整方法, 形成大尺度上的城市景觀調整為頂層設計、小尺度流域范圍為關鍵位點, 城市整體大系統與各子系統的信息互通與反饋的城市景觀格局動態調整模式。

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Study on the regulation and construction of urban landscape pattern for water environment in Xiamen

CHEN Xiji1, 2, GUO Qinghai1, *, HUANG Shuo3, YANG Yifu5, SUN Yanwei4, XIAO Lishan1

1. Key Lab of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. Fuzhou Research Academy of Environmental Sciences, Fuzhou 350011, China 4. Xiamen Urban Planning & Design Institute, Xiamen 361012, China 5. Geography & Spatial Information Techniques Department of Ningbo University, Ningbo 315211, China

Urban is a complex ecosystem composed of several relatively independent subsystems. The urban sustainable development and construction depend on the harmonious relationship among the subsystems of nature, society and economy. However, with the advance of cities, urban areas are threatened by aquatic ecosystem destruction and water environment deterioration at varying degrees. There is an urgent need to provide a comprehensive countermeasure. Based on the discussion and comparison of sponge city, this study proposes an approach to build sustainable city by regulating urban landscape patterns to promote healthy development of water environment, which based on the theory and method of sustainable development and landscape ecology. The new approach that water environment sustainable development is operated to implement of urban sustainability from subsystem scale to whole city scale. This study verified this approach from a case study in Xiamen. We studied the spatial relationships between landscape metrics and water quality indicators, then predicted the water environment effects caused by the change of urban landscape patterns in the future which aimed at improving water environment of the urban watershed by regulating land use in Xiamen City. Our study indicates that the regulation of landscape patterns is a key method to solving prominent water environmental problems and contributing to sustainable development of the whole city. Furthermore, the study puts forward prospects on urban water environment and landscape pattern regulation in the future.

urbanization; water environment; sustainable city; sponge city; landscape pattern

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.013

X22

A

1008-8873(2018)06-097-09

2017-11-03;

2017-12-12

國家重點研發計劃項目(2017YFC0505803); 福建省自然科學基金(2015J01177 ); 中國科學院知識創新工程青年人才領域前沿項目(IUEQN201302)

陳希冀(1992—), 女, 福建福州人, 碩士研究生, 主要從事城市流域景觀和可持續發展研究, E-mail:xjchen@iue.ac.cn

郭青海, 男, 博士, 副研究員, 主要從事城市景觀生態和城市可持續發展等研究, E-mail: qhguo@ iue.ac.cn

陳希冀, 郭青海, 黃碩,等. 廈門城市水環境景觀格局調整與建設探討[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 97-105.

CHEN Xiji, GUO Qinghai, HUANG Shuo, et al. Study on the regulation and construction of urban landscape pattern for water environment in Xiamen[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 97-105.