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随着城市化水平的不断提高,城市内部空间不断重组、城市外部空间不断扩展。尽管城市区域占整个地球面积的比例不大,然而快速的城市扩展与土地利用格局变化将影响人类社会和自然的能量转换,带来严重的城市生态环境问题。随着中国城市化进程的加快,中国CO2排放量在快速增长,在低碳城市规划与建设过程中,城市绿地的生态建设将发挥重要作用。要解决目前自然和人类的不和谐发展问题,需构建一个满足城市居民和城市生态环境需求、可持续的绿地系统。城市绿地与环境交互作用产生的三维生态效应空间称为生态效应场,包括温度效应场、湿度效应场、气体效应场等(祝宁等,2004)。在此基础之上,本研究将以绿地为中心释放的氧气的空间梯度变化范围称为释氧效应场。目前许多学者侧重于对城市绿地生态功能的静态量化分析,释氧效应场的空间分布及动态模拟研究较少涉及。
本文利用“3S”技术,解译沈阳市QuickBird遥感影像,提取城市绿地的分布信息;测定主要树种光合固碳释氧能力,结合实地样方调查,计算城市绿地固碳释氧量;利用计算流体力学FLUENT软件对绿地释氧功能进行动态模拟,结合GIS空间分析功能,揭示城市绿地释氧效应场的空间变化特征及其分布规律,构建基于动态释氧效应场的城市绿地空间优化布局;构建基于定量分析的城市绿地绿地适宜空间布局;探讨基于动态释氧效应场的绿地系统生态规划方法,通过优化城市绿地空间布局,让有限的绿地空间发挥出最大的生态功能。本文得到如下主要结论:
(1)沈阳市三环以内绿地年固碳总量为163.5万吨,释氧总量为120.9万吨;平均每日单位面积固碳、释氧量(不包括耕地)分别为:105.3g/d.m2、78.2g/d.m2;平均每日单位面积固碳、释氧量(包括耕地)分别为:91.7g/d.m2、68g/d.m2。平均每日单位面积固碳、释氧量从大到小依次为:防护绿地(117.01、88.79g/d.m2)>公园绿地(106.49、79.41g/d.m2)生产绿地(100.89、73.97g/d.m2)>附属绿地(96.86、70.49g/d.m2)>耕地(37.35、27.17g/d.m2)。防护绿地由于其乔灌草混植的覆盖比例高达68%,相应单位面积固碳释氧量最高,耕地的单位面积固碳释氧量虽然较低,但由于其面积较大,占总绿地面积的58.9%,年平均固碳、释氧总量分别为45.5、33.1万t,其生态效应也不容忽视。
(2)沈阳市三环以内24个公园年固碳、释氧总量分别为20.9万t和15.5万t。单位面积固碳释氧量最大的为北陵公园,最小的为五里河公园。乔灌草覆盖类型及所占比例是决定公园绿地固碳释氧功能大小的重要因素之一,不同覆盖类型公园绿地日平均固碳释氧量分别为:乔灌组合覆盖(QG)>单独乔木覆盖(Q)>乔灌草组合覆盖(QGC)>单独灌木覆盖(G)>灌草组合覆盖(GC)>乔草组合覆盖(QC)>单独草本覆盖(C)。因此,城市绿地的建设,特别是公园绿地应尽量减少设置大量的草坪,尽管草坪的观赏性能和视野都非常好,但是固碳释氧功能较弱,在面积有限的城市绿地中要发挥最大的生态功能,则树种选择、种植密度、覆盖类型的合理搭配都是重要的影响因子。
(3)FLUENT软件动态模拟沈阳市绿地释氧效应场结果表明:
大尺度(沈阳市三环以内),在不考虑三环以外绿地释氧效应的前提条件下,沈阳三环以内南部、西部和东南部一部分释氧效应低,在春季尤为明显;东部和北部绿地释氧效应较好;依照氧气扩散规律和范围,沈阳市二环以内的模拟结果较真实,可作为绿地规划的参考。中尺度(5个公园),绿地氧气扩散的范围与空间分布与主导风向、建筑高度与密度(尤其是主导风向上建筑高度与密度)、道路走向、道路宽度等关系密切。总的来说,主导风向上建筑密度和高度越低、道路越宽、道路走向与主导风向方向一致的情况下,绿地释氧效应越好,空间扩散范围越大。小尺度(中海国际社区)模拟结果表明:在高层住区中,高度越低则氧气浓度越高,绿地释氧效应的影响范围就越大;高度越高则反之。其中,0-24M高度,释氧效应良好;30-60M高度,释氧效应次之;60-90M,绿地释氧效应弱,其影响几乎可以忽略不计。因此,绿地释氧效应在垂直梯度上为递减趋势,即高度越高,释氧效应场越小。在所有梯度变化趋势图中,等级4(释氧效应较好的等级)在60m的高度往上呈突然递减趋势,因此,在城市风环境的影响下,高层住区在60m以上的高度,绿地释氧效应开始减弱,园区地面绿地释氧效应对60m高度以上的空间影响较小。
(4)对沈阳市三环以内绿地进行适宜性评价,按照适宜建绿地的程度分为了5个等级:最适宜、很适宜、较适宜、较不适宜、不适宜。评价结果表明:沈阳城市绿地适宜性等级总体分布规律为北高南低,中间低外围高,且城市生态环境敏感、脆弱地区整体上较多。应用GIS空间统计与空间分析功能将沈阳市三环以内释氧三季效应场空间叠加,结合各等级释氧浓度,将三季综合释氧效应场按照绿地释氧浓度分为5级,即最低、很低、较低、较高、最高。而后,将适宜性分析结果与释氧效应场分级结果进行空间叠置,得出沈阳市绿地适宜性与释氧效应场相结合的空间等级及其面积:最适宜且最低、很适宜且很低、较低适宜且较低、较不适宜且较高、不适宜且最高。
(5)结合《沈阳市城市总体规划(2011-2020)》提出的以“金廊、银带”为骨架,构建“两城、两区、多中心”的城市空间结构与“两廊”、“三环”、“六楔”的中心城区绿地系统结构,本研究提出以下城市绿地空间布局优化策略:西部新城区主要是工业区,同时也是生态环境较差的区域,且有很大一部分处于最适宜且浓度最低的区域,因此,此区域应在发展中考虑建设绿色生态工业园区,而不仅仅只是考虑作为单位附属绿地的建设。这一区域的生态环境质量的提高不仅能改善工业区生态环境,同时对沈阳中心城区的生态环境也会起到积极的作用。“六楔”中,东南楔、南楔和西南楔位于浑南主城,处于沈阳市春、夏、秋三季的主导风向上风向,因此,这三个绿楔将起到释氧、生物多样性、城市风道等多重生态功能。这三个绿楔在建设过程中应严格控制建成区的的比例,并结合公园形成能够发挥其生态功能的绿楔,起到承接市域林地和中心城区的生态节点的作用,与市域绿地、中心城区公园和绿地以及其他绿地斑块共同形成有效地绿色生态网络。东北楔主要依托棋盘山坡地,属长白山余脉,对生物多样性保护起到积极作用,应予以保护,可以发展为风景游憩林等以保护为主的绿地类型,建成区的比例也要严格控制。西北楔、北楔位于沈阳市冬季的主导风向,结合本研究,它们的释氧效应对中心城区影响不大,其主要功能应是形成中心城外围的防护林屏障,缓解沈阳春季沙尘暴天气,绿地建设应重点考虑防风滞尘的生态屏障功能。植被类型、树种选择、绿地空间形态以及与建成区空间相互关系尤为重要。
综合以上各因素,本文提出沈阳市三环以内绿地空间优化方案,包括:沈阳市三环以内需加建公园的数量(11个)和空间位置,新增公园面积为1042.24hm2;沈阳市三环以内公园分布规划以及沈阳市三环以内绿地空间优化方案。以期提出一种量化分析绿地释氧生态功能的规划方法,为绿地系统规划提供一定的参考。