基于耦合模型的城市生态环境空间规划系统设计

摘 要：传统系统对生态环境空间层次划分不够明确，导致廊道空间布局较差，影响了城市物种迁移。针对这一问题，文章提出一种基于耦合模型的城市生态环境空间规划系统，在传统系统硬件基础上，对软件进行设计。通过廊道、中心控制点和场地三要素，构建城市绿色基础设施网络，选取城市连接节点和网络中心，建立不同尺度的绿色基础设施，结合实际空间资源进行评估调整，通过耦合模型整合各尺度绿色空间，实现城市生态环境空间整体规划。设计系统与传统系统进行对比实验，分别规划城市空间，结果表明，设计系统提高了廊道连通性和连续性，使物种迁移更加顺畅，且廊道断裂时，通过其他廊道进行迁移的概率更高。在此基础上，设计系统提高了雨水处理能力，进一步改善了物种迁移活动空间。

0 引 言

现代城市发展规模不断扩大，承载功能和开发强度也不断提高，产生了城市物种迁移的空间容量不足、活动环境恶化等问题，为城市发展带来负面影响。因此，在生态环境视角下，对城市进行空间规划，强调自然在城市空间的必要性，具有重要的现实意义［1］。国外城市生态环境空间规划研究较早，利用地下、地面和地上三种形式，缓解城市环境恶劣问题。从生态保护出发，以形态连通性、功能复合性、生物多样性为原则，注重土地的精明增长。空间规划考虑的生态环境要素如下：林地、水系、湿地、森林等自然区；本土及野生生物栖息地；公园、绿道等自然保护区；牧场、农场等。国内城市生态环境空间规划研究，同样取得较大发展，将城市结构分为非空间和空间两种属性，通过空间属性的时间特性，确定空间结构的活动要素和物质要素，通过要素之间的相互关系，得到城市空间结构的内在联系，根据各种城市功能，整合生态环境空间要素，使其离散分布在空间规划区域［2］。在以上理论的基础上，提出基于耦合模型的城市生态环境空间规划系统，对各生态环境空间要素进行整合。

1 基于耦合模型的城市生态环境空间规划系统设计

在传统城市生态环境空间规划系统的硬件基础上，对软件进行设计。

1.1 构建城市绿色基础设施网络

将绿色基础设施的构建作为空间规划系统基本概念，结合城市服务功能，连接生态环境和景观［3］。将城市的灰色和灰绿色基础设施考虑在内，通过廊道、中心控制点和场地三要素，形成一个连通性强的网络体系，将城市生态环境空间规划问题，转换为绿色空间网络体系的构建问题［4］。构建尺度选取半自然形式的景观设施、场地的树木灌草及城市内的山体景观，利用自然与服务社会的多重功能，确定三种宏观到微观的空间尺度，分别为场地与室外、街区与社区、城市与城区［5］。其构建要素与联系如图1所示。

如图1所示，在环境生态学概念的基础上，该绿色基础设施网络增加孤岛和生态跳点两种类型。作为绿色基础设施的核心区域，网络中心承担了居民活动和动植物栖息的空间；作为绿色空间的纽带，廊道为居民休闲休憩、城市交通、动物迁徙以及城市不同景观和生态的连接提供空间；作为等级较低的绿色基础设施区域，为动物迁徙、城市生产和保留用地提供空间；当网络中心和廊道不能相互连接时，通过生态跳跃来补充；在城市生态环境脆弱地区，利用孤岛进行生态改造，将社区尺度转变为社区级网络中心［6］。至此完成城市绿色基础设施网络的构建。

1.2 规划各尺度城市生态环境空间

部署绿色基础设施网络，使其涵盖个人空间到城市范围的大型保护区域。构建不同尺度的生态环境空间。形成绿色基础设施的开放空间网络，划分绿色基础设施的层级，其划分尺度如表1所示。

在表1所示要素的基础上，将空地、废弃地和农业用地考虑在内，对不同尺度的生态环境空间进行逐层规划。根据城市的实际情况，收集绿色基础设施要素的详细目录，从生态效益、社会效益和经济效益出发，确定生态环境规划希望达到的效果，在目录中选取该城市的连接节点和网络中心，设定不同节点的等级［7］。规划方案中，对生态环境空间的廊道连通度进行评估调整，绿色网络连通度 r1计算公式为：

式中：L为城市未规划前，绿色网络现有的连接线数量；ξ 为绿色网络的连接节点个数［8］。节点连通度r2计算公式为：

式中：K为节点产生的最大可能连接线数；Q为两处网络中心的有效连接线数；ζ为两处网络中心的节点个数［9］。结合式（1）和式（2）对廊道连通度进行排序，优先规划并改造连通性小的廊道，规划的廊道宽度如表2所示。

规划调整过程中，结合实际空间资源，保证场地与网络中心的错落布局，优先完善网络中心的绿色基础设施，尽可能增加连通廊道数量、减少社区孤岛数量，将生态跳点规划在公共活力高的区域，重视连通节点的位置，在城市交通空间、街道、廊道、线性公共空间的交叉处，设置立体交通模式，重点将廊道与城市非机动道相结合，使廊道连通性在可控范围之内［10］。至此完成各尺度城市生态环境空间的规划。

1.3 基于耦合模型整体规划城市生态环境空间

利用耦合模型，整合各个尺度的生态环境空间。通过土地利用空间网格单元，构成耦合模型的运行环境C，公式表示如下：

式中：c为土地利用空间网格单元集合，具体为绿色基础设施的环境要素；i， j分别为网格行号和列号；Si， j为每个单元包含的环境要素状态信息［11］。建立各尺度生态环境空间的耦合机制，将空间面积作为支配变量，建立生态环境空间耦合模型Z，公式为：

式中：a为耦合模型的增益系数；u为模型损耗系数；xm为系统中第m种生态环境要素，在规划时刻的空间面积；Bm第m种生态环境要素，在系统中独自发展所能达到的最大空间面积；σ m为第m种生态环境要素的竞争能力系数［12］。通过耦合模型，演化城市空间规划过程中不同尺度规划的竞争关系，确定生态环境要素发展对其他要素发展的抑制作用，整合不同功能的绿色基础设施网络，具体如图2所示。

按照上述流程，实现城市生态环境空间的整体规划，至此完成基于耦合模型，城市生态环境空间规划系统的软件设计［13］。结合硬件设计和软件设计，完成基于耦合模型的城市生态环境空间规划系统设计。

2 实验论证分析

进行对比实验，将此次设计系统记为实验A组， 两种传统城市生态环境空间规划系统分别记为实验B组、实验C组，比较三组系统规划城市生态环境空间后，物种迁移效果。

2.1 实验准备

三组系统分别对同一城市的生态环境空间进行规划，该城市可供开发的空间较为丰富，主城区为山水格局，主要山体参数如表3所示。

城市水体流域面积为10km2，存在一、二、三级支流，保持了连续的河道和河床岸线，存在河岸线，城区界面和河道岸线关系生硬，生态缓冲的空间保护距离不够。三组系统的规划区域如图3所示。

如图3所示，实验A组通过划分区域的热力地图，得到规划区域的公共活力与生态敏感性，提取绿色基础设施。利用公共活力较高的空间，主导自然程度较高的大面积绿色基础设施，使其分离自然保护用地，并保持一定距离，将公共活力不足的空间转变为绿色基础设施要素，形成该城区的绿色基础设施网络［14］。

2.2 实验结果

2.2.1 第1组实验

三组系统首先对城市廊道进行空间规划，主要包括河道绿带、河岸线形步道、河岸与主城区的缓冲带，共8条廊道。实验A组在维持空间廊道宽度的基础上，共形成了9个网络节点，3处以上节点都不在一条直线上，且没有场地和孤岛，每处节点的网络中心都具有8条互不重叠的廊道，节点连接度为0.039。通过廊道的连通性和连续性，比较三组系统对城市廊道的规划效果，连通性对比结果如图4所示。

由图4可知，三组系统规划过程中，对不同城市廊道的侧重都不相同，但实验A组的廊道连通性一直大于另外两组实验，廊道连通性越高，说明城市中不同区域节点的连通程度越好，生态脆弱点的格局结构越完善。实验A组城市廊道连通性平均为4.2，实验B组和实验C组平均连通性分别为3.2，2.3。相比B组和C组，A组廊道连通性分别提高了1.0，1.9。连续性对比结果如图5所示。由图5可知，由于实验A组选取的网络节点、廊道互不重叠，因此廊道连续性较为平稳，实验B组、C组的连续性则有所波动，且A组连续性明显大于另外两组实验。连续性反映了廊道断裂时，其他廊道的弹性处理能力，连续性越高，该廊道能够代替其他廊道的概率就越高。实验 A 组城市廊道连续性平均为4.3，实验B组和实验C组平均连续性分别为3.2，1.7。相比B组和C组，A组廊道连续性分别提高了1.1，2.6。

2.2.2 第 2组实验

比较三组系统关于雨水处理的绿地规划效果，统计城市空间规划的绿地斑块，将斑块破碎度和离散值作为衡量标准。破碎度D计算公式如下：

式中：d为绿地斑块总数量；gb为b类型的绿地斑块面积；F为城市空间规划的总面积。破碎度D越高，表明绿地斑块的密度越高，绿地规划布局越合理，能够打破不透水面之间的连通性，对城市排水压力的减缓效果更好［15］。共选取10种类型的绿地斑块，分别为植物浅沟、生物滞留地、下沉绿地、池塘、湿地等，实验对比结果如表4所示。

由表4可知，A组绿地斑块破碎度明显高于另外两组实验，破碎度平均为0.259，实验B 组和实验C组斑块破碎度分别为0.208，0.193，相比B组和C组，A组破碎度分别提高了0.051，0.066。绿地斑块的离散值 E 计算公式为：

式中：e为绿地斑块的规划总数量；qhp为斑块h至其他斑块p，边缘到边缘的最近距离。离散值E越低，表明绿地斑块与相邻斑块的距离越近，越不易积水。三组实验对比结果如表5所示。

由表5可知，A组绿地斑块离散值明显高于另外两组实验，离散值平均为10.94，实验B 组和实验C组斑块离散值分别为14.00，16.69，相比B组和C组，A组离散值分别降低了 3.06，5.75。综上所述，此次设计系统相比传统系统，提高了城市廊道的连通性和弹性处理能力，使物种迁移更加顺畅，且廊道断裂时，物种通过其他廊道进行迁移的概率更高；在此基础上，还提高了城市的雨水处理能力，减缓了绿地排水压力，更不易积水，进一步改善了生物迁移的活动空间。

3 结 语

为使生态环境空间层次划分更加明确，提高廊道空间布局效果，避免影响城市物种迁移，设计城市生态环境空间规划系统，利用耦合模型合理整合和规划绿色空间，使规划空间更适合物种迁移。通过对比实验证明，本文设计的规划系统城市廊道连通性平均为 4.2，连续性平均为4.3，提高了城市廊道的利用率，避免因廊道断裂影响物种迁移；绿地斑块破碎度平均值为0.259，离散值平均值为10.94，减缓了雨水造成的绿地排水压力。在今后的研究中，将通过计算机模拟工具，对耦合机制进行标准化、可视化处理，进一步规范空间分布形态，完善城市空间规划标准。

审核编辑 ：李倩