低碳導向下的采煤沉陷水域城市設計研究

侯欣杉 胡藝瀟 季翔

關鍵詞：低碳導向；采煤沉陷水域；城市設計；優化利用

21 世紀人類面臨著巨大的氣候挑戰，而氣候變化多受碳排放的影響，因此全球采取了降低碳排放的重要舉措。麥肯錫公司對2030 年前的減排技術成本進行研究評估后發現，低成本的減排技術都集中于建筑和城市領域[1]。作為碳排放的主要載體，我國50% 的城市排放了全國80% 的二氧化碳。面對空前的國際減排壓力和龐大的碳排放基數，正處于城市化發展關鍵時期的我國確立了雙碳目標，并決定全面推行低碳建設以按期按量實現減排承諾。傳統的城市發展模式如今具有較大的局限性，而新型城市發展模式較前者局限性較小，能夠構建綠色低碳、活力安全的城市[2]，因此探索一種適用于新建低碳城市設計的發展模式勢在必行。依據現行低碳城市設計的經驗，建設用地需具備可供調整優化能源消費結構的清潔能源，如風能、水能、太陽能、生物質能、地熱能、天然氣等[3]。宜有一定的可固碳釋氧、降低自身碳排放、城市熱島效應與建筑能耗的自然碳匯，當地政策與低碳城市試點政策一致，且城市綠色創新水平較高，愿意為雙碳目標采用新技術與新思路[4-6]。而采煤沉陷水域具有低碳能源開發的天然優勢，塌陷水體及水生植物的良好利用可增加自然碳匯[7]。采煤沉陷水域大多位于資源型城市，在面對雙碳目標時迫切需要進行低碳轉型[8]。礦區治理轉型的迫切與人地矛盾的加劇催生了利用采煤沉陷水域拓展用地空間的新思路，低碳政策與采煤沉陷水域環境條件的結合誕生了低碳導向的城市設計想法。綜上所述，文章從雙碳目標、低碳城市設計的發展需求、建設用地需求出發嘗試提出一種新的低碳城市設計思路，即采煤沉陷水域低碳城市設計，并進行相關研究。

1 國內外相關研究綜述

1.1 低碳導向下的城市設計

當下國內基于低碳導向的城市設計研究重點多聚焦于空間結構、城市形態、城市建設政策與碳排放的關系等方面。劉銳等分析城市的空間結構與碳排放的耦合關系發現，較為緊湊的城市空間結構有利于降低碳排放[9]。陳天等發現在中觀層面多方面考慮氣候、土地、植被、水體組合的設計，有助于實現城市轉型期的低碳生態[10]。彭璟等從政策層面出發進行模型評估與分析發現，推廣低碳政策的城市減排效果卓有成效[11]。石龍域、孫靜在綜合評價城市低碳發展水平后發現低碳導向下的城市設計需協調經濟、社會、交通及環境[12]。張小平等指出低碳的城市設計需從減少固定碳源、減少移動碳源、促進自然碳匯三方面構建一條從碳源到碳匯的發展路徑[13]。國外關于低碳城市設計的研究早于我國，并在低碳城市設計理論、方法和策略方面有一定的研究。Kim &Young-Hwan 研究證實采用高密度、緊湊的城市開發可以減少碳排放[14]。Jin， Ryu Yoon 等研究國內外水環境規劃中關于低碳生態和可持續城市建設的要素確定水是在低碳城市設計中可積極利用的規劃元素[15]。Philp， M 研究關注城市設計細節，旨在實現“城市設計—土地利用—交通一體化”，并提出了相應的優化建議[16]。Aj A 等以干旱地區為例表明清潔能源和可再生能源應用于城市設計能實現可持續發展[17]。

1.2 采煤沉陷水域

沉陷水域的治理利用與沉陷區治理相伴而行。國外對沉陷水域的治理始于21 世紀，初始的治理思路是對沉陷水域進行生態恢復與水環境治理[18]。開展了諸如采礦沉陷地對生態環境的影響機制與生態環境恢復策略、土地復墾與其他環境因子對生態恢復的影響等研究[19-20]。此后，在生態學觀點影響下開始更多考慮人與自然和諧共生的可持續發展問題，如3S 等技術在沉陷地復墾及生物技術與植被恢復在沉陷地重建中的應用等[21-23]。國外研究側重于土地復墾，且國外地廣人稀，復墾土地無需承擔擴張城市的壓力，多成為綠地景觀。因此，沉陷水域的治理研究多走向生態修復、濕地保護與公共景觀的方向，研究重點集中于水環境監測和水質研究等。國外多樣的開發模式與立異的規劃方式在一定程度上可作為我國采煤沉陷區治理研究的參考依據。

國內采煤沉陷區的治理基于國外的治理經驗，結合我國國情，產生了新的利用方式，如表1 所示。初始的采煤沉陷區治理呈點狀分布，對沉陷水域無專門研究，治理方式多是生態修復與土地復墾。隨著環境保護的入法，修復破損的礦區生態環境得到了重視[24]，沉陷區修復獲得了集約增長，也取得了采煤沉陷地的綜合修復技術、塌陷預報警系統與建筑抗形變等成果。對沉陷水域的治理也轉為水質監測及水環境治理，多與農漁養殖、景觀重建相結合。杜建平等深入梳理了煤礦區土地復墾理論技術成果，提出復墾方向科學化、復墾技術生態化、復墾模式綜合化，這也是今后煤礦區土地復墾的研究重點[25]。結合我國人地矛盾突出、城市擴張空間不足的情況，賈寧等對沉陷水域進行研究發現，沉陷水域具備轉變為建設用地的可能性[26]，同時也可借助沉陷水域自然資源助力雙碳目標。

1.3 低碳導向的采煤沉陷水域城市設計相關研究現狀

雙碳目標下我國迫切需要進行低碳導向的城市設計，研究發現作為礦區廢棄地組成的采煤沉陷水域的自然環境有利于低碳城市的建設。儲量豐富的清潔能源降低了碳排放，水體可引入建筑減少建筑的碳排放，交通可轉變為以新能源為動力，塌陷水體資源可增加自然碳匯。且依靠現有技術，就能支持采煤沉陷水域拓展建設用地。賈寧在提出采煤沉陷水域構建漂浮建設用地的新思路時，已對采煤沉陷水域構建漂浮建設用地進行了必要性和可行性的研究[26]。而文章提出的是在穩沉水域嵌入大體量混凝土從而圍護建設用地，技術流程可參考賈寧學者的漂浮城鎮與大壩等大體量混凝土的建造方式，沉陷地殘余變形可通過注漿技術解決。在擬建區外圍設置一圈現澆混凝土擋墻施工圍堤，再進行圍堰內吹填砂和圍堰外側邊坡的防護施工，內部鋪填片石基礎，最后澆筑混凝土，形成建設用地平臺[27]。還可通過鋼圍堰的使用阻擋堰外的水和土涌入圍堰內[28]。主要建造流程擬為鋼圍堰預制與運輸、樁基礎施工、圍堰的定位與安裝、刃腳混凝土的澆筑、搭建吸泥平臺、壁艙混凝土澆筑、水下封底混凝土、抽水完成[29]。

從長遠和整體的視角來看，沉陷水體將呈良性發展。穩沉水域伴隨著沉陷時間的增長，水中浮游生物和植物種類越來越多，對污染物的降解能力也越來越強[30]，生態系統趨于穩定。利用沉陷水域的自然資源進行低碳導向城市設計時，應挖掘出沉陷水域的潛在資源價值，以可持續的發展獲取良好的經濟、生態和社會效益，為低碳導向的城市設計提供新的思路。

各城市因發展特征不同，存在各自不同的特性，這對在采煤沉陷水域進行低碳導向的城市設計具有一定的意義。因城市的發展支撐與資源稟賦不同，在設立減少碳排放的各種舉措時應各有側重。首先應注意碳排放的影響因素，了解碳排放結構，其次要結合城市設計對碳排放的調整手段，考慮采煤沉陷水域對低碳導向城市設計的影響因素，設定行之有效的減排措施。

2 低碳導向下的采煤沉陷水域城市設計目標與建設原則

2.1 設計目標

研究擬以安徽省淮南市采煤沉陷水域為基地，遵循將淮南市打造成宜游宜業宜居的淮河經濟帶與文化旅游城市，結合碳中和目標、沉陷水域利用與礦區轉型發展的機遇，滿足以低碳為導向、沉陷水域增強活力、礦區可持續發展的需求，將低碳導向的城市設計與采煤沉陷區治理相結合，建設集生態園區、文教科研、商務辦公和休閑度假等諸多功能于一體的新型體驗式低碳創意產業園區，或以點帶面輻射沿岸的發展，進而聯動外圍城市形成發展圈，共同構成區域的發展體系。

淮南沉陷水域良好的山水格局與文化積淀為低碳導向下采煤沉陷水域的城市設計提供了較為優越的自然環境[31]，可使沉陷水域城市設計與水互動，從而構建一個在碳排放、城市布局、綠化景觀有綜合考慮的創意產業園。與此同時，可帶動周邊地區，在隔水岸邊發展環湖產業園區，并利用沉陷水體構建以水源熱泵為主的新型能源供給系統，結合雙碳目標與生態文明建設形成低碳導向的采煤沉陷水域城市設計發展模式，協調人與自然的關系，形成良性循環。

2.2 建設原則

按照雙碳與可持續發展的要求，將低碳導向下的采煤沉陷水域城市設計與低碳發展相結合，發揮沉陷水域的資源開發潛力和區位優勢。通過利用研究區清潔能源實現能源供應轉型，應用建筑水屋頂，交通體系也向綠色低碳轉型，利用塌陷水體資源形成多維生態網絡。

在設計時需從沉陷水域區域資源的特點出發，以低碳為導向，使采煤沉陷水域低碳城市設計各組成之間相互配合、相互協調，創建一個低碳綠色、經濟高效、環境友好的城市空間。低碳導向下的采煤沉陷水域的城市設計不僅可以探索低碳導向的城市設計與沉陷水域治理方法的新思路，而且可以推動雙碳目標的達成，并加強各類規劃的配合，以推動區域的可持續發展。

3 低碳導向下的采煤沉陷水域城市設計策略

城市的碳排放來源于能源生產、能源消費、工業生產，以及農林畜牧等[32]。因此，結合采煤沉陷水域的自然、社會、經濟條件與低碳導向的城市設計經驗，從減少碳源、增加碳匯的角度提出低碳導向的采煤沉陷水域城市設計方法。

3.1 推動能源供應低碳轉型

為加快達到雙碳目標，需轉變能源系統，低碳城市建設必須在可再生能源和新能源的利用上抓住機會。與傳統的城市設計相比，利用采煤沉陷水域進行低碳導向的城市設計具有較強的能源轉型優勢，在進行城市設計時可利用水能、風能、太陽能、生物質能等清潔能源為城市提供運轉所需的能量[33]。研究區沉陷水域面積約100 km2，水資源儲備豐富，作為城市可直接利用的清潔能源，沉陷水體四季穩定的溫度是很好的熱泵熱源及空調冷源[34]。如采取相應措施將它構建為水源熱泵系統并作為主能源（如圖1），以水為載體設置水源熱泵機組。冬季采集來自水體的熱能，借助熱泵系統，將所獲取的能量供給室內取暖；夏季將室內排除的熱負荷通過敷設在水中的盤管換熱，把室內熱量釋放到水中，以達到調溫的目的。城市的節能評價指標將大大提升，運行費用也會有所減少，同時大面積的水域也可作為冷卻塔使用進行能量轉換，與常規能源利用相比，廢物及煙塵的排放可忽略不計。

采煤沉陷水域與風光核能源帶地理分布一致，具備可利用的太陽能與風能等清潔能源，沉陷水域所處地帶與我國核能風光能源帶一致，有可供利用的風能及太陽能，可在適宜位置架設風力發電裝置與太陽能光伏發電裝置進行能源的收集與轉化（如圖2），通過光熱轉換、光電轉換和光化學轉換，經陽光聚合能量產生熱水、蒸汽和電力等。

沉陷水域所在水域蘊含豐富的生物能源是太陽能以化學形式儲存在生物質中的能量[26]，也是可再生能源。生物吸收的太陽能以熱能或動能等形式進行采集，可將太陽能轉換為城市的可用能源，以及固態、液態和氣態燃料等。

采煤沉陷水域城市設計中多種清潔能源的利用將推動轉變能源的利用方式，區別于傳統城市供能，低碳導向下采煤沉陷水域的城市設計如能做到對區域內能源的自產自用，將大大減少能源的碳排放，達到低碳甚至是零碳目標。

3.2 減少建筑碳排放

利用采煤沉陷水域進行的城市設計在建筑層面有它獨特的優勢，在建筑設計時可將沉陷水域的水體抽取到墻內及屋頂內循環，使建筑內部大幅降溫，節省能源[35]。利用綠色植被、太陽能采集薄膜和光伏板組成建筑屋頂，收集和轉化能量且有效調節房屋溫度，保證室內外能量交換的智能性。屋頂和外墻均設置植被覆蓋層，結合雨水收集，形成多功能的高效綠化生態系統，對建筑起到良好的保溫、隔熱、隔聲的作用。

3.3 增加自然碳匯

結合雙碳目標及生態文明建設的背景，以資源節約、環境友好為原則，采煤沉陷水域城市設計以綠色低碳為基礎，在不影響自然系統循環的情況下，采用現代科技措施減少碳排、優化結構、改善環境，建立水、人、環境之間的密切互動關系，獲得持久的發展潛力。協調各方最終創建低碳友好的城市場所，協調人類活動與自然環境的和諧共生，構成“自然—社會—經濟”的生態環境系統。

采煤沉陷水域中豐富的塌陷水體資源如得到充分利用，可形成多維生態網絡。結合沉陷水域自然資源因地制宜地構建城市綠地系統，作為發揮碳匯功能的主要空間載體，除直接固碳釋氧外，不同綠地類型還可以發揮諸如節能降碳等綜合性的碳清除作用（表2）。

依照生物和氣候規律實現以綠地和水體為主的增匯要素在城市空間內部的合理分布，從而達到有效固碳的過程，本質是從碳循環與能量管理的角度對城市進行“生態修復”。低碳策略則包括保護恢復生態功能以穩定碳匯、整合完善綠地格局以擴大碳匯，以及保育優化生態過程以增強碳匯三個方面。

3.4 發展特色產業并推動區域聯合

采煤沉陷水域城市設計可加強生態產業與休閑娛樂服務，優化產業結構，加快城市轉型。在依托區域資源發展特色產業的同時輻射周邊產業，推動產業結構的調整與轉型。

結合低碳、文化、休閑娛樂及采礦工業遺存形成多種主題的產業園區，豐富產業類型，對區域資源進行開發再利用。此外依托沉陷水域特有的自然資源，打造具有特色的旅游產業及城市風貌，形成新型空間體系與城市景觀。

淮南市鳳臺縣沉陷水域可依托此城市設計形成競爭優勢，如發展得當，可連接南北兩城區并推動相鄰發展區的建設，加強區域聯系。低碳導向的采煤沉陷水域城市設計為低碳城市設計的發展提供了新的視角，同時利用沉陷水域置換出建設用地，緩解了人地矛盾，促進了區域的整體發展。

4 結語

在雙碳目標和低碳城市的建設背景下，結合低碳導向的城市設計經驗與沉陷水域特點，文章提出在采煤沉陷水域進行低碳導向的城市設計，并進行相關戰略與策略的探討。為使研究更加系統和科學，文章以低碳城市建設的需求為基礎，從沉陷水域自身資源與低碳導向的城市設計的關聯性入手，綜合國內外相關研究，設立建設目標與原則，從而探析低碳導向下的采煤沉陷水域城市設計策略，以期在一定程度上合理推進并創新低碳導向下的城市設計方法，還可為相關研究提供一定參考和借鑒。