基于混沌論的綠地系統布局多情景優化模擬?

金云峰 李 濤 王淳淳 周曉霞

1同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

2 浙江理工大學藝術與設計學院 杭州 3100180

3 上海同濟城市規劃設計研究院有限公司 上海 200092

生態文明發展驅動下,生態園林建設已成為我國城市建設的重要內容。新一輪上海城市總體規劃的發展目標是成為全球城市。崇明島所具有的獨特灘涂濕地資源、豐富的生物多樣性和河口島嶼型生態環境等,使其擁有上海市最優質的生態資源本底,是上海這個未來的全球城市最核心的生態空間以及生態環境可持續發展的重要戰略空間。2016年崇明島“十三五”規劃和2018年新一輪《崇明區總體規劃暨土地利用總體規劃(2017—2035)》(簡稱新一輪“崇規”)指出,將崇明島建設成為包括自然生態和智慧發展雙維度上的“世界級生態島”。因此,“崇明案例”在“綠水青山就是金山銀山”理念的踐行路徑將對全國生態島建設起到重要的示范作用。

混沌論(Chaos Theory)是在1963年美國氣象學家Edward N.Lorenz的著作《Chaos》中被首次提出,Kellert將其定義為“確定性非線性動力系統中不穩定非周期行為的定性研究”[1],可簡化描述為:不可預測的秩序(Order without Predictability)[2]。目前尚無嚴格定義,通常將由確定性內因引起的具有隨機性的運動狀態稱為混沌[3],屬于復雜系統理論的研究范疇之一。與機械性的可以預測的傳統平衡論思維模式不同,混沌論研究看似是矛盾的復雜與簡單、不確定性與確定性、無序與有序等融合共生,目前已滲透到物理學、數學、生態學等自然科學以及社會學、經濟學等社會科學領域。

1 作為一個混沌體系的綠地系統

混沌存在于所有具有復雜自適應能力的系統,并且通過復雜組織能力創造“秩序”。兼具組織創造性和混沌開放性的城市是典型的混沌體系[4],綠地系統作為城市復雜巨系統中的一個子系統,同樣是復雜、動態的混沌體系[5-6],其內部存在多元復雜的“流”(物質流、能量流、信息流等)和多維交織的“網”(社會網、文化網、經濟網、虛擬網絡等),并且相互作用、相互制約。

混沌論結合綠地空間的相關研究集中在城市規劃學和生態學領域。Manson等[7]認為城市土地利用具有混沌結構和分形模式,Dendrinos等[8]直接指出城市就是混沌吸引子,Schaffer等[9]認為混沌現象普遍存在于生態系統,鄧群等[10]深入點明大多數生態集聚格局是由存在于自然界中的非線性變換所致。以上研究為未來運用混沌論定性定量研究城市和綠地演化過程及優化奠定了基礎。

2 研究范圍與研究方法

2.1 研究案例和數據來源

崇明島(廣義概念上包括崇明島、長興島、橫沙島)位于上海東北部的長江入海口,是世界第一大的河口沖積島,中國第三大島,素有“長江門戶、東海瀛洲”之稱。目前崇明島整體空間績效偏低[11-12]:綠地系統空間格局破碎化、分散化；生態承載力和生態環境本底脆弱化；生態要素單一、部分水體存在污染；林種多樣性單一,空間格局分布極化。

選取崇明島作為研究案例的原因在于:1)作為上海市最核心的生態空間,建設“世界級生態島”具有重要戰略地位。2)現實生態環境情況與“世界級生態島”目標之間存在一定落差,生態系統和綠地系統空間格局亟待優化。3)風景資源豐富的外圍地區呈現出強勁的發展潛力,是生態島建設的重要保障,探討綠地系統的優化格局利于空間精細化調控[13-14],利于在有限用地指標下發揮更大的生態、游憩、防護等綜合效能。4)目前對于崇明島綠色空間的宏觀研究仍停留在景觀格局演變、生態承載力[15]、旅游發展方式和對世界級生態島建設的實施建議上[16],而從整合生態和游憩的綠地系統規劃視角[17]探討世界級生態島的宏觀構建研究較少。

研究數據參照上海市統計局官網、崇明統計信息網、歷年《崇明年鑒》、2016年崇明島國民經濟和社會發展統計公報、新一輪“崇規”現狀用地數據、Google地圖數據和實地調研數據。

2.2 研究方法：情景規劃

混沌動力學和非平衡物理學衍生出的不確定性思想認為,混沌系統通常表現為局部或整體的短期可預見性和長期不可預見性。綠地系統演化過程中種種不確定性(綠地功能需求的此消彼長等)和非確定因素(天氣變化、政治導向、人為災害等)客觀存在,加之系統演化規律難以把握、數據時間序列短、參數不能被控制、指標體系不完善、操作難以避免誤差等不確定性因素,均表明綠地系統定量描述和預測方面的局限性,也就難以準確預測系統長期的演化結果。

由于未來政策和經濟走勢引導下的綠地空間格局具有不確定性,因此應完善多情景規劃策略以應對不確定性的可能情況(圖1),由單因素分析轉向多因素綜合,由單方案預測轉向多情景描述。

圖1 認識世界的劃分和多情景規劃對不確定性的預測

情景規劃(或稱多情景規劃)是處理復雜系統不確定性問題的有效工具,學術界普遍認為情景規劃是基于對歷史經驗外推、未來終端狀態鑒別和預測事件的綜合考慮得到的關于未來的場景[18]。

情景規劃在應對解決系統未來演化的不確定性問題和發揮主觀能動性方面具有傳統規劃無法比擬的優越性(表1)。情景規劃方法流程是“問題辨析—情景界定—情景評估—決策選擇”[20]:通過歷史經驗、未來狀態和不同條件下的變化情況,結合不同利益主體的不同訴求,確定其重要性和不確定性排序,進而選擇情景邏輯主線編制情景規劃,并評估不同方案的情景意義,從而制定最終決策和行動計劃。其目的不是準確預測未來,而是應對未來演變。

表1 傳統規劃與情景規劃的特征比較[19]

3 綠地系統布局多情景優化模擬

3.1 驅動力識別和不確定性排序

3.1.1 影響綠地空間格局的驅動力識別

影響綠地空間格局的驅動力主要有生態驅動、社會驅動、經濟驅動和政策驅動。1)生態驅動:由于崇明島東、西和北部邊灘處于淤漲狀態,而南部邊灘處于被侵蝕狀態,因此島嶼不同的沖淤態勢導致綠地景觀資源的空間差異和不同預期。2)社會驅動:近年來崇明島常住人口基本持穩,但旅游人數逐年增加,隨著生態島的完善建設可以預見旅游人數增幅將會加大。3)經濟驅動:經濟的發展是生態島綠地空間建設最主要的制約因子,是提升生態島綠地建設水平、補足生態島綠地建設短板的最緊迫任務[21]。4)政策驅動[22]:政策引導和激勵機制對崇明島綠地空間格局的影響不亞于其他驅動因子[23]。新一輪“崇規”提出的“生態+”行動、鄉村建設、交通提升、設施提升等實踐措施,是對“世界級生態島”最直接的建設路徑指引。

3.1.2重要性和不確定性排序

通過實地考察和文獻資料綜合判斷,確定崇明島綠地空間格局的驅動因子的重要性和不確定性排序,計算結果顯示:生態驅動為高重要性、中不確定性,屬于Ⅰ級別；政策驅動為中重要性、高不確定性,屬于Ⅱ級別；經濟驅動為高重要性、低不確定性,屬于Ⅲ級別；社會驅動為低重要性、低不確定性,屬于Ⅳ級別。

對影響綠地空間格局的各驅動因素進行整合,可構成多種組合情景。選取綜合排序靠前的生態驅動和政策驅動,通過實際背景情況分析確定可能性最大的3類情景:1)“世界級生態島”驅動下的生態導向；2)政策著力推動多層級公園體系、構建多旅融合的“大旅游”格局的游憩導向；3)耦合生態和游憩的空間引導協調式導向。

3.2 不同目標導向下的多情景優化模擬

3.2.1 生態導向下的情景優化模擬

1)從被動保育到主動框定生態本底。轉變生態保育的被動姿態,明確框定生態保育底線；最大限度地劃定現有的4處自然保護區和水源保護區的生態紅線(圖2),對生態敏感地區進行自然或人工整治修復,提升生物多樣性和復雜性[24]；連通河流廊道和道路防護綠地,構建藍綠生態空間網絡。

圖2 生態導向下的崇明島綠地系統布局的情景優化模擬

2)從城鎮增量走向生態全域統籌。以城鎮增量為主規劃,在人口持穩的發展背景下,基本沒有培育強大新城的空間[25]。因此應轉變這種規劃思路,在“世界級生態島”時代要求下,轉而培植廣大鄉村地區的生態多樣性有機更新[26],結合地方文化、資源等打造特色莊園或特色休閑農業地區,激發鄉村的產業轉型。

圖3 游憩導向下的崇明島綠地系統布局的情景優化模擬

3.2.2 游憩導向下的情景優化模擬

1)形成中心集聚—兩極發展的風景游憩公園體系。“中心集聚”是以城橋為游憩接待中心,以東平森林公園、港西郊野公園、東平莊園、前進莊園為重點,形成以森林、度假村、生態園林、農家樂為吸引子的生態游憩聚集區[27]；“兩極發展”是依托東部東灘國家公園、陳家鎮郊野公園、濱江郊野公園、前哨莊園等形成崇明東部游憩發展極,依托西部明珠湖郊野公園、躍淞莊園、躍進莊園及其休閑配套設施等形成崇明西部游憩發展極(圖3)。

2)構建環島—郊野—濱河—城鎮4類游憩綠道。環島綠道為崇明島綠環、長興島綠環和橫沙島綠環,設置大型綠環以便應對多樣化的生態友好型活動賽事,方便國際級生態學術交流和生態教育；郊野綠道主要為連通崇明島內郊野公園的“三橫”綠道；濱河綠道為12條縱向河流水系的沿河綠帶。城鎮綠道為城鎮內部和周邊的城鎮鄉野特色交融綠帶。

3.2.3 協調導向下的情景優化模擬

協調發展情境下,綠地系統布局優化將同時考慮生態安全約束和游憩建設適宜性。這種空間增長方式一方面保留了綠地增長過程的功能性需求,另一方面也兼顧了綠地生態格局對城鎮發展的制約。從協調導向下的布局優化圖(圖4)可以看出,在錨固生態本底的前提下,優化中心集聚—兩級發展的風景游憩綠地空間,特別是東灘國家公園既要滿足國家公園的規模要求、游憩定位、資源代表性等設置條件,同時又應實現自然資源的科學保護。這種兼顧生態和游憩的綠地空間格局與“世界級生態島”建設和“大旅游”格局建設的發展要求基本一致,既保障了區域生態安全,增強了崇明對于上海大都市區的戰略生態能力,同時也最大限度滿足了崇明游憩業發展和大都市區生態之城建設的示范地。

圖4 協調導向下的崇明島綠地系統布局情景優化模擬

3.3 多情景優化模擬方案評價

在不同目標導向下,本研究分別模擬了不同發展情景模式的綠地系統空間布局優化思路。借鑒相關文獻基于城市生態二元脅迫CA模型,依托不同空間狀態演化規則模擬,探討城市空間邊緣性增長、生態性增長和協調性增長的方案擇優研究[28],對如上3個情景模擬優化方案的游憩建設適宜性、生態安全性和斑塊緊湊性(考察空間形態的聚集度、規整度)3項指標進行定量化賦值對比。結果發現,盡管協調導向性布局在單個屬性上均未達到最優,但復雜系統發展通常是對多元目標導向綜合衡量的結果,從而更加優化整體空間耦合效能。因此,崇明島綠地系統的協調導向性布局是綜合效能最大化的方案,這也是“自然生態”和“生態發展”雙維度“世界級”的生態島空間建設要求所在。

4 結語

目前混沌論正逐步耦合大數據、人工智能、云計算等技術[29],持續向各個科學領域滲透發展、蓬勃開創。混沌論不確定性衍生的情景規劃方法,通過“問題辨析—情景界定—情景評估—決策選擇”研究路徑,選擇不同情景邏輯主線主導規劃方案,并評估不同方案的情景意義,從而制定最終的決策和行動計劃。不同于傳統規劃的單方案預測,情景規劃是多情景方案的模擬,因此在應對系統未來演化的不確定性問題方面具有傳統規劃無法比擬的優越性,為城市綠地系統的演化及優化提供了新的思維視角。