城市生態(tài)基礎設施對于保障城市生態(tài)安全、提高城市生態(tài)品質和推進城市生態(tài)文明具有不可忽視的重要作用。本文從目前城市基礎設施的現狀、問題及解決途徑等方面出發(fā),解析了從城市“灰色基礎設 施”及“綠色基礎設施”到“生態(tài)基礎設施”轉變的必然性和必要性,提出新型城市生態(tài)基礎設施是腎(濕地)、 肺(綠地)、皮(地面及建筑物表面)、口(資源和廢棄物進出口)、脈(交通和水系)在生態(tài)系統(tǒng)尺度上的 有機整合,能夠為城市生產、生活活動提供必要的生態(tài)服務。并在對其概念、內涵、結構和功能進行詳細闡述的基礎上提出生態(tài)基礎設施工程建設的標準化和規(guī)范化、基于功能的生態(tài)補償及整合聯(lián)動的生態(tài)調控 等城市生態(tài)基礎設施的復合管理方法,以期為城市生態(tài)基礎設施的構建、整合和優(yōu)化以及城市生態(tài)服務功能和生態(tài)品質的提高提供科學依據。
1. 引言
有關研究表明:到2025年末全球將有超過60%的人口生活在城市里,2050年城市居民將 占70%(Cohen, 2003),隨著城市人口的急劇膨脹和建設用地的不斷擴張,自然開敞空間的 面積大幅減少,生境破碎化愈加嚴重,城市熱島效應、灰霾效應、雨洪雨污效應及水體富營 養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出,直接影響了城市生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉。因此,加強生態(tài) 系統(tǒng)復合管理,優(yōu)化和提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能,構建可持續(xù)的城市生態(tài)系統(tǒng),已成為全球關 注的熱點和焦點問題。
城市基礎設施狀況是社會生產、人民生活和各種社會活動得以順利進行的重要物質條 件,是城市發(fā)展水平和文明程度的重要支撐(Patterson and Apostolakis, 2007)。城市傳統(tǒng)市 政的“灰色基礎設施”,由交通、市政、環(huán)衛(wèi)以及其它確保工業(yè)化經濟正常運作所必須的工程 性和社會性公共設施構成,為整個城市經濟的發(fā)展提供了基礎條件,對于促進城市經濟和其 它各項城市事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。然而,灰色基礎設施往往是單一功能的設計,例如, 河道以防洪為單一目的,被截彎取直和硬化,忽視了基礎設施和城市開敞空間的協(xié)同與融合,以及它們還應具有的社會、審美和生態(tài)等方面的功能,進而 嚴重影響了其對城市的整體貢獻。 頻繁發(fā)生的城市洪澇、氣象災害及交通擁堵等現象一次次證實:光靠城市的“灰色基礎設施” 不僅無法解決城市的復雜問題,還將給城市帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題,如生態(tài)空間隔離、 生物多樣性降低、開敞空間不足等(Cagno et al., 2011;Kessler, 2011; Kjolle et al., 2012)。因此,許多城市對傳統(tǒng)的灰色基礎設施重新審視,并試圖尋求一種更具彈性、適應 性和功能復合性的城市基礎設施。
城市綠地、濕地、農田、生態(tài)廊道等綠色空間具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務,對于維持城市 生態(tài)平衡和改善城市環(huán)境具有無可替代的重要作用,越來越受到國內外學者們的關注(Li et al., 2005; Jim and Chen, 2008)。20世紀90年代中期,綠色基礎設施(GI)的概念正式提出, 其核心是自然環(huán)境決定土地使用,是人們對自然生態(tài)系統(tǒng)“生命支撐”功能的充分肯定。一般 認為,GI是由城市內或城市周圍的公園、森林、濕地、保護區(qū)、綠帶、泄洪道或其他生態(tài) 廊道組成的綠色網絡系統(tǒng),是基礎設施工程的生態(tài)化,在雨水調控、防洪減災、調節(jié)氣候等 方面發(fā)揮著具有重要功能。目前,國內外學者們對GI的規(guī)劃方法和工程構建方法做了大量 研究,特別是在城市屋頂綠化、透水鋪裝和下沉式綠地等工程應用方面做了深入的實踐 (Bryant,2006;Gill et al., 2007;吳偉和付喜娥,2009)。研究表明:透水人行道可以減少 雨水徑流量的70~90%,相當于草坪和林地的透水性能。屋頂綠化能有效降低室溫3°C-6°C, 不僅緩減城市熱島效應、節(jié)約用電,還具有蓄水減排、凈化屋面徑流污染和美化環(huán)境等諸多 生態(tài)效益(Getter and Rowe, 2006)。然而,盡管“綠色基礎設施”彌補了傳統(tǒng)“灰色基礎設 施”的諸多不足,對于提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)品質具有一定的作用,但綠色基礎設施 不能完全代替灰色基礎設施,不可擯棄灰色基礎設施而獨立存在。
因此,城市生態(tài)系統(tǒng)需要更具復雜性的“生態(tài)基礎設施”,將無生命的“灰色基礎設施” 與有生命的“綠色基礎設施”有機整合,形成協(xié)同共生、循環(huán)再生的基礎設施支撐體系,以 更好地維持城市生態(tài)服務功能的完整性及生命活力。
2.生態(tài)基礎設施的概念和內涵
2.1 生態(tài)基礎設施的概念的發(fā)展
生態(tài)基礎設施(Ecological Infrastructure,EI)一詞最早見于聯(lián)合國教科文組織的“人與 生物圈計劃”(MAB)1984 年發(fā)布的生態(tài)城市規(guī)劃報告中,這里生態(tài)基礎設施主要指自然景 觀和腹地對城市的持久支持能力。1990 年代,一些科學家和研究組織提升了生態(tài)基礎設施 的概念和內涵,將生態(tài)基礎設施分為生態(tài)斑塊、廊道及基質等 3 種組分,強調自然環(huán)境和生命支撐系統(tǒng)在城市土地利用規(guī)劃(包括雨水花園、屋頂綠化和濕地等)以及促進環(huán)境健康方 面的重要作用(Weberet al., 2008;Mell, 2009;Lockhart, 2009)。
我國俞孔堅課題組于 2002 年率先引入“生態(tài)基礎設施”(EI)名詞并將其應用于城市規(guī) 劃工作中(俞孔堅等,2001;2004;2007)。研究認為,城市生態(tài)基礎設施是城市所依賴的 自然系統(tǒng),是城市及其居民持續(xù)獲得自然生態(tài)服務的保障,也是城市及其居民能持續(xù)地獲得 自然服務的基礎,這些生態(tài)服務包括提供新鮮空氣、食物、體育、休閑娛樂、安全庇護以及 審美和教育等。其他學者研究提出了與 EI 概念相關的棲息地網絡、生態(tài)廊道、綠色通道、 生境網絡、環(huán)境廊道、生態(tài)網絡、框架景觀、生態(tài)結構等(Ahern,1995, Kjolle et al., 2012)。 經過二十多年的發(fā)展,城市生態(tài)基礎設施的概念和優(yōu)勢受到越來越多科學家、工程師和決策 者的重視,也逐漸豐富和生態(tài)基礎設施的內涵和意義(劉海龍等,2005;張帆等,2007;杜 士強和于德永,2010)。
然而,作為一個嶄新的概念,目前的研究更多地停留在概念與定性分析階段,定量的研究較為缺乏。此外,城市化是一個包括經濟、環(huán)境、社會和人文等多因素作用的結果,生 態(tài)基礎設施作為其重要的一項內容,應該從多角度多尺度綜合考慮,統(tǒng)籌安排,單方面強調 生態(tài)基礎設施建設的做法也不可取。
王如松院士認為生態(tài)基礎設施應包括流域匯水系統(tǒng)和城市排水系統(tǒng)、區(qū)域能源供給和光 熱耗散系統(tǒng)、城市土壤活力和土地滲濾系統(tǒng)、城市生態(tài)服務和生物多樣性網絡、城市物質代 謝和循環(huán)系統(tǒng)、區(qū)域大氣流場和下墊面生態(tài)格局等。通過城市的水、土、氣、生、礦五大生 態(tài)要素的支撐能力,以及腎(濕地)、肺(綠地)、皮(地面及建筑物表面)、口(資源和廢 棄物進出口)、脈(交通和水系)五類生態(tài)設施的服務功能,維持城市生態(tài)系統(tǒng)的活力和可 持續(xù)性。城市生態(tài)基礎設施是腎、肺、皮、口、脈在生態(tài)系統(tǒng)尺度上的有機整合,為城市生 產、生活活動提供必要的生態(tài)服務。
2.2 生態(tài)基礎設施相關概念辨析
生態(tài)基礎設施、灰色基礎設施、綠色基礎設施及生態(tài)網絡等概念的內涵、關注點有很大 不同,但相互之間存在一定的聯(lián)系?；疑A設施是一種完全人工化的剛性基礎設施,往往 成本較高,且僅具有單一功能。與灰色基礎設施相比,綠色基礎設施是以自然環(huán)境為基底的 生命支撐系統(tǒng),更具靈活性和功能復合性,建設和維護成本相對較低(Tzoulas et al., 2007)。 生態(tài)基礎設施將灰色基礎設施和綠色基礎設施中的各類要素進行整合,進而形成更綜合、穩(wěn) 定、可持續(xù)的基礎設施。作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展的基本支持系統(tǒng),城市生態(tài)基礎設施更強調城市人工子系統(tǒng)與自然子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)各要素之間的相互關聯(lián)、相互協(xié)調 和有機整合。因此,生態(tài)基礎設施汲取了前兩類基礎設施各自的優(yōu)點,使整個系統(tǒng)的服務功 能趨于最大化。而生態(tài)網絡指生態(tài)系統(tǒng)內生物組織由對抗或共生作用所形成的物種關系網 絡,強調物種之間的連接和生物多樣性的保護。
3. 城市生態(tài)基礎設施的結構和功能
完善健康的城市生態(tài)基礎設施為人類生產和生活提供了生態(tài)服務的物質工程設施和公 共服務系統(tǒng),保證了自然和人文生態(tài)功能正常運行,是社會賴以生存發(fā)展的基本物質條件。 保障生態(tài)基礎設施的結構完整性和功能完善性,保證適宜的生態(tài)服務用地規(guī)模和格局,對于 維持城市生態(tài)平衡和改善城市環(huán)境具有無可替代的重要作用。城市生態(tài)基礎設施包括腎(濕 地)、肺(綠地)、皮(地面及建筑物表面)、口(資源和廢棄物進出口)、脈(交通和水系) 五大部分(見圖 1)。
圖 1 生態(tài)基礎設施的構成示意圖
(1)腎:包括河流、湖泊、水庫、坑塘等濕地和水域。城市濕地被譽為“自然之腎”, 具有城市其他生態(tài)系統(tǒng)不可替代的多種生態(tài)服務功能,如蓄洪防旱、調節(jié)徑流、降解污染、 凈化水質、保持生物多樣性以及娛樂觀賞等,是城市生態(tài)基礎設施的重要組成部分。
(2)肺:包括城市森林、園林綠地、都市農業(yè)、綠色廊道、濱水綠地以及立體空間 綠化等在內的綠色空間系統(tǒng)。綠地作為城市的“肺”,是城市生態(tài)基礎設施中不可或缺的重要 組成部分,具有改善城市空氣質量、調節(jié)小氣候、美化城市景觀等多種生態(tài)功能。
(3)皮:包括軟化與活化的城市地表、墻面、路面、河床、堤壩等。經過生態(tài)改造 之后,城市原來的不透水地表轉變?yōu)?span>“會呼吸”的鋪裝表面,提高了城市土壤存儲、調節(jié)、過濾和生物質生產等生態(tài)服務功能,避免硬化地表的諸多不利影響。
(4)口:主要指污染物排放口及其周邊的生態(tài)緩沖帶和處置設施的還原凈化體系的集成化與生態(tài)化,包括污染排放、人工處置系統(tǒng)、自然緩沖系統(tǒng)、循環(huán)反饋系統(tǒng)。
(5)脈:山形水系是和交通網絡是城市生態(tài)系統(tǒng)的骨架和經脈。合理和疏通經脈有助于緩解交通堵塞、排水不暢、空氣污染等城市生態(tài)環(huán)境問題。
4. 城市生態(tài)基礎設施的整合方法
目前,腎功能衰竭、肺功能減退、皮功能失調、腸胃消化不良、經絡不暢已經構成了城 市生態(tài)健康問題。在城市生態(tài)系統(tǒng)的尺度,對城市生態(tài)基礎設施的腎肺皮口脈等組成部分進 行配置和整合能夠有效提高其整體的生態(tài)服務功能,對于改善城市人居環(huán)境和降低城市自然 災害具有重要意義。
4.1 各要素內部的整合
4.1.1 腎:濕地
在濕地生態(tài)基礎設施的規(guī)劃和建設中,要加強濕地與河流之間的聯(lián)系以及各類濕地之間的整合。河流和湖泊之間的聯(lián)系能夠促進水體內的物質循環(huán)、能量流動和物種交換,提高 水體的自凈能力、調蓄能力、納污能力......有助于保護城市水生生物的多樣性,維護 水生態(tài) 系統(tǒng)的完整性。相反,城市 河流和湖泊之間的阻塞將直接導致濕地功能的退化和生物多樣性 的衰退,從而加劇城市生態(tài)環(huán)境保護和社會經濟發(fā)展的矛盾。
此外,通過有機整合和合理布 局不同類型、不同功能的濕地,充分發(fā)揮濕地的多種生態(tài)系統(tǒng)服務,對于有效解決城市水體 富營養(yǎng)化、洪澇災害、生物多樣性降低等城市生態(tài)環(huán)境問題具有重要作用。
4.1.2 肺:綠地
目前,大多數城市的綠化重形式不重功能、重數量不重質量,走入形式化的誤區(qū),城市 綠地破碎化、單調化日趨嚴重,生態(tài)服務功能明顯下降。因此,在城市綠地生態(tài)基礎設施規(guī) 劃中,應當使離散分割的城市綠地通過生態(tài)廊道相連接,形成完整的綠色空間網絡體系。將 城市綠地和濕地相結合,變景觀綠地為功能綠地,使綠地的功能從單純怡神悅目的景觀功能 向涵養(yǎng)水資源、凈化水環(huán)境、調節(jié)微氣候的復合生態(tài)功能轉化。
4.1.3 皮:城市地表
城市大量的硬化的路面、建筑物表面,溝渠,堤岸嚴重阻礙土壤和大氣之間的物質和能量的交換,改變了能量平衡、水分利用、養(yǎng)分循環(huán)、氣體交換等典型的生態(tài)過程,進而對城市生態(tài)系統(tǒng)服務和人居環(huán)境造成不同程度的影響(趙丹等,2010)。然而,將硬質的不透 水鋪裝改為透水型鋪裝,將平面綠化改為立體綠化將有效地降低城市硬化地表帶來的負面生 態(tài)效益,打破城市“水泥森林”的窘況,進而提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務和人居環(huán)境。
4.1.4 口:排放口
傳統(tǒng)的排污系統(tǒng),如倫敦、巴黎“集中式排污管道”,把城市里所有的污染物、污水全部 運到郊區(qū)去。當郊區(qū)環(huán)境承載力足夠大時,這種做法確實能夠凈化和分解一部分廢棄物和污 染物,但大多時候嚴重增加郊區(qū)的環(huán)境壓力,導致郊區(qū)環(huán)境容量嚴重超載的現象。而新型的 “口”生態(tài)基礎設施是一種生態(tài)凈化、處置、循環(huán)、再生的系統(tǒng),通過人工設施和生態(tài)設施的 有機結合,達到減量化、無害化、資源化、產業(yè)化和社會化。例如,集城市污水、垃圾、糞 便、固體和危險廢棄物代謝的運輸、儲存、凈化、處理和循環(huán)再生為一體的靜脈循環(huán)系統(tǒng), 將單一污染排放轉變向生態(tài)系統(tǒng)循環(huán),對于減少三廢排放量,降低環(huán)境污染具有重要意義。
4.1.5 脈:交通主干道及河流水系
山形水系是和交通網絡是城市生態(tài)系統(tǒng)的骨架和經脈。目前,城市攤大餅的格局已成為 城市化過程中的無奈模式,但也是城市無度擴張的必然趨勢。這種格局雖然具有一定的社會 經濟合理性,反映了緊湊型城市發(fā)展的需求,但是生態(tài)效率低下,生態(tài)服務功能疲軟,造成 城市景觀破碎、交通擁堵、風水失調等問題,并導致了一系列的“城市病”。因此,未來的城 市發(fā)展必須從功能上進行調整,打破板結的“大餅”格局,疏浚、活化城市人、物、氣、水的 流通網絡,特別是城區(qū)的風道、水道、交通和靜脈網線。
4.2 各要素之間的整合
城市生態(tài)基礎設施各要素之間不是孤立存在的,而是通過相互聯(lián)系、有機整合發(fā)揮其更 高效、更多元的生態(tài)功能。由此,各要素的統(tǒng)一規(guī)劃、設計、施工和管理對于城市生態(tài)基礎 設施的整合顯得尤為重要。以合肥市水污染治理為例,巢湖的污染 98%來自于外源污染, 其中面源污染占 71%,是城市污染的主要源頭(見表 1)。在合肥市生態(tài)基礎設施規(guī)劃中, 通過分析城市和農村面源污染的來源和形成機制,提出活化城市地表、面源入土不入湖、腎 肺皮口聯(lián)動,廢物生態(tài)排放等生態(tài)修復的新理念,通過恢復城市濕地的“腎功能”,變死水為 活水,增加濕地的調蓄凈化能力;改善的“皮”(地表)滲透能力,變硬化為軟化,增強土壤 的自然凈化能力;同時使城市脈(河道)通暢、流動并在排放口周圍設置一定的自然緩沖凈 化地帶等一系列的生態(tài)工程措施,大幅度削減了面源污染,保證入湖水質全面達標。
表 1 巢湖入湖污染源類型及比例表
5.城市生態(tài)基礎設施的復合生態(tài)管理
城市是一類以人為主體的社會—經濟—自然的復合生態(tài)系統(tǒng)(馬世駿和王如松,2004)。 城市生態(tài)基礎設施的復合生態(tài)管理需要從生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)工程建設和生態(tài)管理等層面出發(fā), 采取有效的適應性管理方法,使得城市生態(tài)基礎設施結構得以完善,功能進一步提高,進而 提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務和人居生活品質。
5.1 生態(tài)規(guī)劃
由于城市的建設往往侵占原有的自然生態(tài)系統(tǒng),對原來生態(tài)系統(tǒng)應有的水、植被和土 壤造成不同程度的占用和破壞,因此,在城市生態(tài)基礎設施的生態(tài)規(guī)劃中,應該考慮如何生 態(tài)補償的問題,即如何對城市的建設對過程中所造成的自然資源的損耗、污染的排放及生態(tài) 品質的惡化進行補償,進而減少對城市生態(tài)環(huán)境的破壞,維持城市生態(tài)系統(tǒng)平衡。
另外,城市空間規(guī)劃只按照建設用地的控制性詳規(guī)對建設用地進行控制,缺乏針對生 態(tài)用地的結構、功能和恢復效果等方面的生態(tài)控制詳規(guī)。因此,有必要建立一套完備的生態(tài) 控制性詳規(guī)的控制指標,如地表徑流、地下水位平衡、生態(tài)占水的補償、地表植被的變遷等 多項指標對生態(tài)占用進行測量,并通過控制性詳細規(guī)劃進行生態(tài)補償,以保證城市建設與生 態(tài)環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展。
5.2 生態(tài)工程
為保障城市建設過程中進一步推進生態(tài)基礎設施的貫徹落實,有必要對城市生態(tài)基礎設 施進行標準化和規(guī)范化。盡管,目前國內外學者在城市生態(tài)基礎設施的工程設計和實踐應用 等方面做了不少嘗試也有較好的示范效果,城市生態(tài)基礎設施標準和規(guī)范的缺乏,阻礙其進 一步推廣和發(fā)展。
針對城市腎、肺、皮、口、脈某一單項生態(tài)基礎設施的工程設計及規(guī)范雖然已有較多的 研究和探討,但對于不同自然資源條件和城市生態(tài)環(huán)境特點的城市生態(tài)基礎設施的主要技術 和模式的選擇以及適應性的工程設計方法還鮮見報道。另外,缺乏基于城市生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)基礎設施的系統(tǒng)集成和整合方法。城市生態(tài)基礎設施是一個統(tǒng)一有機整體,不同組分之 間緊密聯(lián)系、協(xié)同共生、互相補充,其中某一部分滯后或失衡,都會造成生態(tài)服務功能整體 貢獻率的降低。因此,有必要建立一套適應性的城市生態(tài)基礎設施整合規(guī)范,以指導不同城 市進行城市基礎設施的工程設計和建設,進而為城市的社會經濟發(fā)展提供可靠的支撐和保 障。
5.3 生態(tài)管理
城市生態(tài)基礎設施是一類集多種要素為一體的綜合基礎支撐體系,涵蓋山、水、林、田、 湖等自然要素和交通、市政設施等人工要素。因此,城市生態(tài)基礎設施的管理必須首先破解 現行條塊分割的管理體制和模式,避免職能交叉、管制空白等問題,從分割走向整合、從分 隔走向聯(lián)動、從單一的部門管制轉向綜合性的整體調控。在城市生態(tài)基礎設施生態(tài)管理中有 必要引入專門的管理機構,對生態(tài)基礎設施的設計、建設、運行、維護等各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)督 和管理,以保障整個系統(tǒng)結構和功能的完整性。
6. 小結
城市生態(tài)基礎設施建設是城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎,是城市居民的生活品質的重要保 障。隨著社會的進步和城市現代化的發(fā)展,具有前瞻性的城市生態(tài)基礎設施建設有著非常重 要的戰(zhàn)略意義。完善的城市生態(tài)基礎設施建設是現代城市建設的需要,也是建設生態(tài)城市的 重要保證。因此,有必要建設完整的城市生態(tài)基礎設施體系,從系統(tǒng)尺度上進行腎肺皮口脈 的有機整合,從而有效地提高其城市生態(tài)服務功能。另外,應從城市生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)工程和 生態(tài)管理等方向進行適應性的復合生態(tài)管理,將單一的生物環(huán)節(jié)、物理環(huán)節(jié)、經濟環(huán)節(jié)和社 會環(huán)節(jié)組裝成一個有強生命力的生態(tài)系統(tǒng),從技術革新、體制改革和行為誘導入手,調節(jié)城 市生態(tài)基礎設施的系統(tǒng)結構與功能,進而促進社會、經濟、自然的協(xié)調發(fā)展。
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