基于共轭生态理论的低碳城市规划策略

1基于共轭生态理论的低碳城市规划策略阳文锐何永（北京市城市规划设计研究院，北京100045）摘要：共轭是一种以动态平衡为主要目的的控制论方法，其目的在于通过调节系统内各组分之间的生态关系，实现组分之间的高效、和谐、平衡发展。本文分析了共轭生态、生态服务以及低碳的相关理论，并以缘煤而生的高碳城市淮北为例，将共轭控制论与生态服务理论结合，探讨了淮北低碳城市规划的策略。通过不同的情景分析，结果显示以自然与人工生态修复和低碳经济转型策略下城市发展的复合生态效益最高，低碳规划是建设可持续发展城市的必然选择。关键词：共轭；生态；低碳规划城市化、工业化以及化石能源的高强度利用引发的全球气候变暖已经在科学界形成共识。从1992年的《联合国气候变化框架公约》到2009年的哥本哈根会议，人类一直在寻求通过自身的发展方式的转变扭转全球变暖带来的一系列生态环境问题。历史总结告诉我们，单纯依靠环境技术的进步改变不了气候变暖的长期趋势，究其原因在于传统的“头痛医头，脚痛医脚”的单向思维模式，未能从系统的观点深刻认识问题的实质所在。“可持续发展”“生态经济”“循环经济”“清洁生产”等新理念不断涌现是人类对于自身发展方式的深刻反省。2009年哥本哈根会议结束后，最为引人瞩目的是各国争相寻求低碳发展模式，世界主要的经济体相继公布了自己的减排目标，而我国也提前公布了未来我国的减排目标，即到2020年在2005年的基础上减少碳排放40~45%。如此高强度的减排目标需要各个领域都要对自己传统的发展模式进行逐步转变，低碳经济的发展是必然选择，城市规划领域同样需要实现低碳的途径。近来，在城市规划领域掀起了一股以低碳为目标的规划浪潮。低碳并非一个全新的领域，但是在此之前将低碳概念运用于城市规划领域还未见过相关的报道和研究。生态规划从霍华德的《明日的田园城市》到麦肯哈格的《设计结合自然》发展至今已经形成了自身完整的体系，而低碳规划还仅仅处于摸索阶段。但低碳与生态密不可分，其最终的目的都是为了实现可持续发展的目标。因此从该角度而言，生态规划的发展为低碳规划奠定了相应的理论和方法积累。所谓低碳，并非“零排放”就称为低碳，低碳是一个相对的量，而非绝对的量，它是在保持社会经济不断进步的前提下，通过现有的技术和手段所能达到的相对低的碳排放水平。本文采用共轭控制论与生态服务理论探讨了低碳城市规划策略的方法，期待本研究能对处于起步阶段的低碳城市规划研究起到抛砖引玉的作用。1共轭生态理论轭（yoke）是马车行驶时套在马颈上用于拉车的人字形马具，要求左右两轮平衡，车马前后默契，节奏快慢和谐，车马一体共生。如果共轭关系调控不当，就会翻车或偏离前进方向。共轭(conjugate)是常见于数学和有机化学学科的一个概念，在数学中共轭的定义是以某轴为对称。例如，复平面上的两点以实数共轭轴为对称，则称这两点共轭。在有机化学中，有分子的共轭体系理论。分子共轭体系中原子群体之间城市规划与交通网，相互配合和相互影响，结构和性质发生变化，可以产生共轭效应，表现为单双键交替部分的键长均匀化，即单键键长缩短，双键键长增加；原子趋于共平面；体系的能量降低，趋于稳定化；从而使整个有机化合物的分子结构更加趋于稳定，内能内耗减少，分子极性增大，抗力增加，外力对它不容易破坏。共轭生态运用于城市规划是指协调人与自然、资源与环境、生产与生活、城市与乡村以及空间与时间之间共轭关系的复合生态系统规划。这里的共轭指矛盾的双方相反相成、协同共生；生态包括自然生态（水、土、气、生、矿等自然生态要素间的系统关系）、经济生态（生产、消费、流通、还原、调控等经济生态活动间的系统关系）和人文生态（认知、体制、文化等上层建筑间的系统关系）三层含义。由此可见，共轭事实上是一种以动态平衡为主要目的的控制方法。共轭的生态方法在城市土地管理中主要体现在，协调城市建设用地增长和非建设用地保护、城市土地生态服务正向服务和逆向服务、城市与乡村之间共轭关系。在生态学方法的基础上，将共轭生态引入到城市规划，从时间、空间、数量、结构、序理五方面去调控共轭组分间的整合、协同、循环和自生机制及耦合关系，以协调城市土地内部之间的各种矛盾，是对现代城市规划理念、技术方法的更新和改进。2生态服务理论生态服务功能在一定的时空范围内为人类提供的产出构成生态服务功效。是生态服务功能实际发挥的效应。如合成生物质，维持生物多样性，涵养水分与水文循环，调节气候，保护土壤与维持土壤肥力，对环境污染的净化作用，贮存必须的营养元素，促进元素循环，维持大气化学的平衡与稳定等。生态服务功能的强弱取决于人类活动对生态系统的胁迫效应和生态建设效果的大小，并通过生态服务功效和生态反馈机制作用于人类活动。城市土地生态服务功能所依赖的主要是由农田、绿地、河流、湖泊、湿地、支持条件及其与太阳能、气候、大气、土壤、景观、植被、生物多样性形成的生态耦合关系。城市土地生态系统提供的生态服务有正向和逆向的服务两种，正向的生态服务包括：生境孕育与水土涵养、物质和能量的供给、水文气候调节、地球化学循环与环境净化、资源支持和动植物生长支持等。逆向的生态服务包括热岛效应、土壤污染和退化、水污染、大气污染以及对城市居民健康的危害等。3低碳相关理论3.1低碳经济低碳经济的发展理念最早起源于英国。2003年英国颁布了《能源白皮书》（我图1共轭示意图城市规划与交通网——创建低碳经济），成为世界上最早提出“低碳经济（Low-CarbonEconomy）”的国家。中国环境与发展国际合作委员会2009年发布的《中国发展低碳经济途径研究》将低碳经济界定为“一个新的经济、技术和社会体系，与传统经济体系相比在生产和消费中能够节省能源，减少温室气体排放，同时还能保持经济和社会发展的势头”。低碳经济是人类社会面临日益加剧的全球气候变暖的压力下提出的一种新的发展理念，它强调以低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率、高效益为基础，以应对碳基能源对于气候变暖的影响为基本要求，实现经济社会的可持续发展为目的，实质在于提升能源的搞笑利用、推行区域的清洁发展，减少经济社会对于全球生态的冲击。循环经济与低碳经济的区别在于，前者侧重于产品整个生命过程中强调“3R”原则，实现资源节约和环境保护，在生产、流通、消费全过程的资源节约和充分利用。生态经济以生态学理论为基础，突出产业或产品对自然生态的影响最小化，核心是经济与生态协调发展。低碳经济主要针对碳排放减少而言，宗旨是应对全球变化，强调能源利用效率和采用清洁能源，降低二氧化碳的排放量并减缓温室气候效应，实现在较高的经济发展水平上维持较低的碳排放目标。循环经济、生态经济、低碳经济三者的共同特点都在于追求人类对于外部生态环境的影响最小化，减缓人类在传统发展模式下导致的生态胁迫，促进社会-经济-自然的可持续发展。3.2低碳城市规划到目前为止，国内外还没有低碳城市规划较为详尽的概念。但是低碳规划的实践却不乏其例。英国的贝丁顿零能耗生态社区，是英国首个完整的“零能耗”的生态村。众多节能减排的措施集中于这个小生态社区中，有效减少了二氧化碳的排放。这些措施有：以生物质燃料热电联产为小区实现集中供暖；通过屋顶铺设光伏板为电动汽车充电；增加保温绝热材料厚度；使用节能电器等。与同类居住区相比，该生态社区住户的采暖能耗降低了88%，用电量减少25%。用水量只相当于英国平均用水量的50%，而居民的生活质量并没有降低。依笔者从生态学的角度将低碳城市规划定义为：运用城市规划和管理的工具，采用现代先进的环境技术和能源利用集成手段，结合公众参与，实现以整体、协调、可持续为目的的城市土地利用战略；以节约、高效、清洁为目的的能源利用策略；以及以低影响、低消耗、低排放为宗旨的社会参与的行动方略。因此低碳城市规划是一项系统工程，涵盖了社会-经济-环境的各个方面。包括低碳产业、低碳交通、高效土地利用、节能建筑、节约能源利用与清洁能源开发、低碳行为等方面。由于篇幅有限，以下本文仅就城市土地利用的低碳规划进行探讨。4案例分析——以安徽省淮北市为例淮北市是我国典型的煤矿城市，其缘煤而生、因煤而发，是典型高碳发展模式下形成的城市。在过去的50年中，淮北市的煤炭资源输出为区域经济发展乃至国家的经济建设做出了重大的贡献。如今，城市的地下煤炭资源几近枯竭，城市的发展转型面临着严峻的考验，但因煤炭开采造成了72km2的土地塌陷，已经城市规划与交通网，随着土地的继续塌陷，湿地水域的面积将继续增加，蓝色的水域生态服务给城市的发展带来了新的机遇，但城市同时也面临着经济发展与生态服务保育之间的矛盾。如何平衡两者之间的关系是共轭生态的实质，核心在于协调建设用地开发与湿地生态修复、利用和建设的生态关系，利用低碳手段实现城市土地利用的可持续发展。4.1研究区概况淮北市位于安徽省北部，东经116°23′--117°02′，北纬33°16′-34°14′之间。地处苏、鲁、皖、豫四省之交，总面积2770km2，占全省总面积的1.95％，其中濉溪县2399km2，淮北市区371km2。市区建成区面积59.2km2。图2淮北市的地理区位图淮北市建立于1958年，至今为止已经发展成一个中等城市。城市主城区1958年人口不到2000人。1980年之前，淮北市内闸河煤田有大型煤矿8座，电厂一座，建成区面积15.1km2。上世纪90年代，由于城市煤炭工业及相关产业的发展，许多相关产业绕主城相山区发展，城市建成区面积25km2。本世纪以来，由于煤炭价格的增长，城市煤炭开采量不断增加，城市经济发展迅速，城市扩展也极为迅速，2005年城市建成区面积已达53km2。2006年底市区总人口已达到107万，城镇人口75万人。城市主城区发展变迁见下图3：城市规划与交通网，主要以煤炭工业为主，淮北市矿产资源丰富，以煤为最，地质储量百亿吨，年产原煤2000多万吨，是中国十大煤炭出口基地之一，也是华东地区最大的电力供应基地。近年来淮北市经济发展迅速，居民收入由1990年的人均1407元增加到2005年的人均8603元，人均GDP由206元增加至1267元，增长近5倍。4.2淮北城市发展的驱动力和压力据勘查结果显示淮北市储煤面积约6912km2，储量80亿余吨，保有储量78亿余吨。其中濉萧矿区探明储量19.49亿吨。根据统计资料显示，1978年至2006年，淮北市的原煤资源总的开采量约5.34亿吨。现有煤矿的可开采量为1.21亿吨，预计在未来10年内，规划区的煤炭资源将近枯竭。淮北城市的发展依赖于丰富的煤矿资源，同其他矿产资源型城市一样，城市的发展有明显的边缘效应特征。1990年以前，老城区位于北部相山和南边的矿区铁路线之间，后来逐渐向南部扩展，直到塌陷区边缘，与此同时，沿着铁路线和高压走廊沿线自发形成城中村。近年来城市东北部和南部地区煤炭工业相关产业迅速发展带动了所在区域的城镇化发展。自地下煤矿开采以来，主城区的土地不断塌陷，现今已造成的塌陷面积为72km2，据估计未来10年土地塌陷面积将总计达100km2。城市未来的发展受到土地资源的限制，城市建设用地扩张和现有湿地湖泊保育之间的矛盾突出。为谋求城市的发展，已经有部分湿地被填埋用于城市建设。根据淮北市矿务局的统计显示，每生产10000吨煤炭就有700吨煤矸石产生，0.28-0.30hm2的土地被损。在过去50年中，由于煤炭的开采造成了约160km2的农田塌陷或即将塌陷，使得近30万农民丧失土地，产生了三千万吨废弃煤矸石。大约近60万农村移民居住在矿区。城市的农业生产急剧下降。城市规划与交通网，煤矿的开采对于淮北市生态系统的影响巨大，特别是对于城郊区的土地的生态影响尤为突出。包括：景观破碎，农民丧失耕