气候变化适应性与韧性城市视角下的滨水绿地设计
摘要：气候变化是人类面临的共同挑战，全球变暖导致海平面上升以及极端气候事件对城市有灾难性的影响。如何建设韧性城市使之具有气候适应性与降低洪水对城市的潜在威胁？基于韧性城市理论与气候适应性设计理念，讨论工程韧性与生态韧性差别及其在风景园林规划设计中的具体应用以建设面向未来的城市滨水绿地；案例为美国哈德逊市南湾公园，作为城市气候韧性的研究性设计，以期供城市可持续发展提供决策及类似实践参考。
关键词：风景园林；气候适应性；城市韧性；工程韧性；生态韧性；滨水绿地；南湾公园
文章编号：1000-6664(2018)04-0041-06中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2016-12-13
修回日期：2017-09-04
基金项目：国家留学基金委(编号[2015]3069号)资助
Abstract: Climate change challenges the entire mankind. The extreme climate events caused by global warming and sea level rising can generate catastrophic disasters in cities. Since cities have their own distinctive vulnerabilities, how do they build resilience to adapt to climate change and mitigate its potential threat from flooding? This paper distinguishes the difference between engineering resilience and ecological resilience in the context of the theory of urban resilience and climate change adaption as well. Their implementation in landscape planning & design is applied in the design of future urban waterfront green space. The authors highlight their implementation in South Bay Park in city of Hudson, USA in an exploration of the feasibility of the concepts through design research. Hopefully it can benefit decision-making and landscape design of same kinds.
Key words: landscape architecture; climate change adaption; urban resilience; engineering resilience; biological resilience; waterfront green space; South Bay Park
全世界已观测到的气候变化对城市有多方面显著影响，且以不利影响为主，造成更高强度与更频繁的灾害。这些灾害碾压建成系统，给城市的未来带来更多破坏性。“物竞天择，适者生存”，面对气候变化，人类需要采取措施适应未来气候变化，并减轻由此引发的灾害事件给城市居民生命、生活与财产带来的不利影响。具有一定韧性的城市才能快速在灾害后恢复，也就是说，要让城市具备气候韧性并与自然和谐相处是城市发展的重要命题。美国哈德逊市(Hudson)南湾公园(south bay park)不失为韧性城市视角下滨河公园气候适应性设计的一个案例。
1 气候变化适应性设计与韧性城市理论
联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)2014年发布第5次报告(AR5)[1]指出，气候系统的变暖与海平面上升是毋庸置疑的。自20世纪50年代以来，观测到的许多变化在几十年乃至上千年时间里都是前所未有的。过去3个10年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个10年[1]。中国政府高度重视全球气候变化问题，先后签署和批准了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》，并采取了一系列行动应对全球气候变化的挑战。
城市是全世界大多数人口的聚居地，其环境、经济与社会系统具有其脆弱性，对气候的变化非常敏感；具体表现包括全球变暖致海平面上升，及更频繁的极端气候事件如风暴潮导致城市部分地方被淹、热浪对城市的影响等。虽然未来还存在不确定性，但以抵抗洪水为主的策略在特大洪水面前漏洞频出，严重威胁人民生命财产安全；持续的海平面上升会使这种情况变得更糟。相比抵抗措施所需要的巨大成本，适应洪水并减轻气候变化带来的影响成本更经济可行。这样从“抵御洪水”到“适应洪水”或者二者并重，增强城市韧性，增加城市功能冗余从而趋利避害，减轻城市洪灾发生带来的影响，目的是建设“智慧城市”(smart city)促进城市可持续发展。
1.1 气候变化与适应
温室气体排放增加导致全球变暖，引发一系列基于气候变化的事件如生物多样性减少、海平面上升以及更频繁与强度更大的台风、干旱、洪水、极端高温、山火、滑坡等灾害，其中最为常见的是洪水泛滥[2]，其频率与强度超过以往。
气候变化适应策略意味着城市具备一定的韧性，能从灾害状态恢复。以洪水为例，城市的主要策略有3种：第一种是城市抵抗策略，第二种是韧性城市策略，第三种是复合策略，将抵抗与适应策略结合起来。我国大部分沿江城市过去是以设定防洪标准的抵抗策略为主，设定一旦遇到洪水大于设防门槛的极端事件，城市功能迅速瘫痪[3](图1)。这种抵抗策略对上游洪水基本有效，但对暴雨形成的内涝洪水，则会漏洞百出。受气候变化影响，武汉市近年来暴雨频次与雨量加大，由于其长江设防水位高于城市大部分地面，加之城市建设过程中可蓄纳洪水的湖泊面积锐减，直接带来频繁的城市内涝灾害。
韧性城市策略使城市可承受的洪水规模更大(图2)。结合两者的复合策略，赋予了城市一定的韧性，产生更大的功能冗余。在因气候变化引起的更大洪水面前，城市容忍的社会经济波动增大。
水岸是防洪最直接的物理存在，在滨水公园规划设计中习见适应策略、抵抗策略、搬迁策略以及复合策略(图3、4)。较之“抗洪”，本文主要讨论的是“治水”，即如何适应洪水带来的变化。一方面，从宏观上根据洪水威胁程度规划绿地系统；另一方面，从微观上优化绿色基础设施设计以创建功能冗余培植城市韧性[4]。
1.2 韧性城市思考与概念发展
“韧性”一词，来自拉丁语resilire，在社会心理学、工程学中长期应用。在社会学科中，2006年Campanella定义韧性城市是“城市从破坏中反弹的能力”[5]；在生态环境学科中，1973年C. S. Holling定义韧性城市是“在干扰面前保持基本功能的特征”；为了更好地应用韧性概念细分相应的作用，1996年Holling定义的生态韧性与工程韧性2种类型[6]，虽然同样强调从干扰中恢复，但工程韧性强调是韧性的工程体系稳定的、静态的、描述单一的平衡；而生态韧性强调韧性的生态系统是稳固的、动态的，描述多重平衡。
总体而言，城市韧性是指城市系统及其所有组成部分的社会生态能力和跨时间和空间尺度的社会技术网络，面对干扰，适应变化来维持或迅速恢复到所期望的功能，以及快速转换限制当前并适应未来能力的系统[7]。城市的气候韧性，主要指其干扰为气候变化[7](图5)。
图1 城市抵抗策略(resistant city)(改绘自参考文献[3])
图2 韧性城市策略(resilient city)和复合策略(韧性与抵抗相结合)图示(改绘自参考文献[3])
图3 潮汐性河流的水岸洪水图解
图4 对待洪水的4种水岸策略2 工程韧性与生态韧性
工程韧性是指当干扰威胁到工程系统的稳定性时出现更少差错，一旦出现差错也能恢复到工程的常态功能，具有稳健性、冗余性、智能性、快捷性的特点。工程韧性强调相关干扰消失时反弹回原始状况的能力，都江堰水利工程是工程韧性的范例。
生态韧性用于描述观察到的生态系统的动态性。这对传统的生态系统最终从干扰状态恢复至事先确定的稳定状态而言是一种挑战。研究表明，一些生态系统由于频繁干扰从未稳定过，而在干扰后某种稳定的生态系统也存在多种平衡。这就意味着由于生态系统具有动态持续与存留性，可从一种平衡状况转换至另一种平衡状态。工程韧性反映了恢复到初始状态，而生态韧性可能是从一种平衡到另一种平衡，不一定恢复到初始状态。从本质上讲，工程韧性是工程保持稳定的能力，保持系统或者保持系统基本功能；而生态韧性是生态系统的生存能力，可能越过一定门槛，到达另外一种平衡状态。无论什么状态，需要避免生态系统的退化与生物多样性的缺失。这2种韧性高低不能等同，有时甚至相反：高工程韧性的系统可能只有低生态韧性，低工程韧性的系统可能具有高生态韧性[8]。
2.1 园林工程中的工程韧性措施
园林建筑物及其他工程设施(建构筑物)的韧性应主要考虑洪水位以下建构筑物是否安全、其内部空间能否使用、承受洪水浸泡能力等，常用措施可归纳为：防水密封、洪水贯穿及抬升上浮[9](图6)。
2.2 针对生物多样性缺失的生态韧性措施
气候变化导致的极端事件会带来生物多样性散失甚至生态系统的退化。因此生态韧性措施宜应用于风景园林生态系统、生态种群、生态群落等。比方园林的水域生态系统、低势绿地、植草沟等能够在一定时间内滞纳一定的洪水。植物生态群落结构从林地到草地、浅水湿地与深水湿地等的动态变化，就需要做出一定的预见性安排。动物的生态系统也存在类似情况。工程韧性与生态韧性，针对静态与动态安排，对应着不同的气候事件[2](图7)。
图5 可持续的城市与气候韧性城市概念脉络
图6 基地应对洪水策略图示
图7 工程韧性与生态韧性措施应对不同的气候变化事件3 气候变化适应性设计咨询案例：哈德逊市南湾公园
美国哈德逊市南湾公园，系潮汐性河流的低海拔滨水公园，由于气候变化及相应海平面上升，它正在也即将面对各种不同成因洪水的冲击。未来气候变化对公园的影响以及如何适应，需要研究论证相应设计策略。美国康奈尔大学风景园林系师生受当地政府委托，对该公园进行了研究性的探索设计，包括概念设计与详细设计2个阶段，最终设计研究成果提交当地政府供决策咨询，实施时间是2016年1—5月。设计研究的前提是立足现状，适应未来64年(2016—2080年)气候变化；对洪水采取适应性的韧性策略而非抵抗策略，这意味着该公园是一个未来会被洪水部分淹没的公园。
3.1 现状分析
现场勘查及分析研究是工作的第一步。哈德逊市坐落于哈德逊河东岸的哥伦比亚县，往南193km是纽约市，向北53km是纽约州州府阿尔巴尼市(Albany)。哈德逊河与大西洋相连，从纽约市到阿尔巴尼市都是潮水水域，属于潮汐性河流。哈德逊市滨河地区主要由三部分组成：南湾、市中心和北湾。哈德逊市总面积约为6km2，2010年美国人口普查的数据显示居民有6 713人。
南湾公园场地是哈德逊市的南湾地区，高程0~3m。南湾地区河岸有哈德逊市重要的货运及客运码头和铁路线。从南湾地区向东有一条铁轨连通南湾地区和哈德逊市的东部，目前用于货运但并不频繁。现状有多栋旧厂房与仓库。最大的一间厂房，如今被用做古董商铺及小型手工作坊，其他多半处于废弃状态但确有仓库造型非常经典。基于经济发展与产业的转移，当地政府规划此场地为公园用地。
3.2 未来气候变化影响
如何适应未来气候，基于对未来气候的趋势预测。南湾地区面临3个主要气候变化的影响。第一是洪涝灾害。随着气候变化及海平面上升的问题越来越显著，南湾地区面临着洪灾的威胁。在2011年夏天的飓风艾琳和2012年的飓风桑迪(Sandy)中，南湾地区成为洪泛重灾区。第二是气温上升易带来短期干旱和热浪。第三是降水量增加，极端天气将会促使全年降水量分布不均匀[9]。据纽约州气候变化报告显示，相应的平面图上的表示见图8[10]。
3.3 设计方法与设计目标
设计方法是基于循证设计，实事求是选取设计标准与征询当地居民的需求。对于设计证据的选取，需要考察现场、阅读文献、访谈专家、举行设计听证会并进行相关模拟试验，来共同确定设计目标。文献资料来自联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)、美国全国气候评估和发展咨询委员会(NCADAC)与纽约州能源研究与发展局(NYSERDA)关于本区域内气候变化与气候变化应对的报告；专家来自纽约州环保局(DEC)与美国风景园林师协会(ASLA)；听证会人员由相关地方政府官员与当地居民代表组成。模拟试验法，主要是针对当地的历史建筑与工业建筑，采用洪水通过试验与洪水密封试验以测试其在洪水到达时的耐受力与密封性。气候变化及生态方面的数据来自非政府组织“美丽哈德逊”(Scenic Hudson)以及现状勘查。根据以上研究及收集到的反馈，铁路、工厂建筑将予以保留，需要强化韧性措施以应对未来气候变化及水面上升情况。
韧性设计目标确定为公园在适应洪水方面有一定冗余度，确保在气候变化干扰下在目前预计的2080年海平面上升与洪水状况时能保持公园基本功能，即公园受海平面上升且经受百年一遇洪水的仍能正常运行。据“美丽哈德逊”预测此段河面届时最高出现水面上升914mm、气温上升5.4℃、年降水量增加21%[9]等干扰因素，设计据此确定相应的工程韧性与生态韧性措施。
3.4 总体布局
基于洪水可进入公园，将交通、文化、历史、生态及水文等连通为四大系统进而使得南湾公园2080年具备可达性与城市气候韧性。设计将随气候变化分阶段安排，包括2016—2020年，2020—2050年，2050—2080年，与对海平面上升与百年一遇洪水的预测对应(图8)。2016—2020年，在防洪方面，将对河岸进行软化，用植物替代现有的石基以面临将要到来的洪水；利用现有的铁路交叉处的空地进行雨水的收集过滤。2020—2050年，由于海平面上升和更集中的降水，需要把低洼的主要交通道路架高以应对洪水；2050—2080年，由于气候变化带来的集中降水和海平面上升，南湾地区的铁路线面临洪涝的威胁，主要铁路线将被架高1.8m以应对洪灾(图9)。
图8 公园选址范围海平面上升与百年一遇洪水预测(引自http://www.scenichudson.org/slr/mapper)3.5 气候变化事件应对：工程韧性与生态韧性策略
对气候变化事件中最频繁的洪水，采用与洪水为伍的韧性而非抵抗策略。保护生态环境，尽可能维持地形现状，即便该区域被水淹没也不修筑防洪堤坝。韧性措施分为工程韧性与生态韧性，其中工程韧性措施分为气候变化适应性措施与气候变化减缓措施。
第一类是适应措施(adaptation)。河岸可间种植物层代替现有的石基以增加对洪水的缓冲力；滨河公园可改造成可淹没的公园，并通过阶梯设计展示河水潮汐变化及气候变化对于河岸的影响，让人们进一步更直观地了解气候变化的影响。河岸地区面临洪水威胁的建筑物，短期内较为经济的应对方法为洪水通过试验法(即建筑的一部分浸泡于水中)，即将住宅空间上移到二层以上，将一层空出让洪水浸没。历史建筑物，可采用洪水密封试验，测试建筑部分在洪水中时内部的密封性，将建筑物外围做防水，不让洪水浸入建筑物。对于面临洪水威胁的道路及铁路，采取高架道路和架空铁轨的方法防洪。
第二类是缓解措施(mitigation)。增加绿色基础设施，如利用现有空地及低洼地区建造雨水公园；在街道设计中加入沿街的生态湿地以收集和过滤街道雨水；在建筑设计中加入屋顶花园以吸收雨水并缓解城市热岛效应。通过利用太阳能等可再生能源，减低对化石燃料的使用(表1)。
在水文方面，南湾地区紧临哈德逊河，有大面积水体与湿地，水面随潮汐涨迭；在生态方面，南湾地区还拥有着大面积的芦苇湿地，为各种生物提供生存环境，河流是洄游鱼类必经之处。为避免生物多样性的缺失，图上设计了人工运河，在多处连通芦苇湿地和哈德逊河，为洄游鱼类提供了避难所和产卵地。人工运河则扩大了水体面积，为水生生物尤其是浅水型河流生物提供了新的生存环境。哈德逊河的潮汐进退通过人工运河连通到南湾地区加强了南湾地区不同水体间的水体循环，促进水体中物质及能量交换，为各种生物提供充足的养分。
图9 南湾公园设计
设计概念与区位
公园设计总平面图
设计效果评估
4 讨论
越来越多的数据显示，气候变化将在未来对城市尤其是滨海滨河城市带来巨大的影响，洪涝灾害将成为城市面临的主要灾害之一。在未来城市规划和设计中，应针对气候变化采取相应的适应措施和缓解措施以帮助降低气候变化对于城市的影响。
将适应气候与减缓气候影响相结合。哈德逊市南湾公园设计研究，探讨了潮汐性河流的气候变化适应性设计与韧性设计，主要是将应对措施和缓解措施相结合，在城市韧性中，区别工程韧性与生态韧性，能从静态与动态角度细化韧性设计工作，积极有效地应对气候变化并尽可能减缓城市发展对环境的影响及污染。
探索气候适应性设计框架。从项目本身及项目所处的环境考虑问题，为洪水的到来留出暴雨储存场地，注重减少对现在市政设施的冲击，保持低影响发展；从工程韧性角度考虑工程的设计，增强绿地可达性；从生态韧性出发，避免生物多样性散失，规划生态廊道并减轻城市热岛效应。
哈德逊市南湾公园设计研究，虽然主要针对潮汐性河流的滨水公园，但对内陆性公园也有一定的参考意义。其洪水威胁主要来自海岸性洪水，包括海平面上升、风暴潮与相应涌浪；而内陆公园主要来自强降雨与河流洪水(沿河)或山洪(靠山)，但就韧性设计以适应强降雨引发的内涝而言，与哈德逊市南湾公园有一定的共通性；也有不同之处，如对地表径流的生物滞流(bio detention)与生物系流(bio retention)设计非常重要，前者注重通过低势绿地减轻雨水对排水系统的冲击，后者注重通过低势绿地收集与净化径流雨水。
由于城市的脆弱性，需要基于对人民生命安全与财产的分析，需要有抵御与适应相结合的措施；而适应性设计需要综合生态韧性与工程韧性，以减轻未来的气候变化影响。尽管建设韧性城市需花一定的费用，但研究表明这比起抵御措施来说，费效比相对偏低[11]。
5 结语
气候适应性设计方兴未艾，滨水公园的气候适应性设计的前提来自地理学、水文学对地域气候变化引起洪水变化的认识。由于目前所能提供的信息还不充足，对气候变化的研究不够深入，及未来气候变化的各种不确定性，气候变化适应性设计必将随着各学科的发展而发展。韧性城市也是一个跨学科的概念，只有各学科通力合作，量化城市各个区域洪水危险程度，包括暴雨洪水、上游洪水、海岸洪水、地下水甚至城市下沉趋势等多方因素，韧性城市才能在风景园林学科的气候适应性设计中发挥更大作用。
注：文中图片除注明外，均由作者绘制或拍摄。
致谢：感谢美国康奈尔大学风景园林系副教授 Joshua F. Cerra、城市与区域规划系副教授George R. Frantz及风景园林系学生Kimberly Martin MLA'17对本文所作的贡献！
参考文献：
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[11]Cerra J F. Inland Adaptation: Developing a studio Model for Climate-adaptive Design as a Frameworkfor Design Practice[J]. Landscape Journal, 2016,35(1): 37-55.(编辑/金花)
作者简介：
朱黎青
1972年生/男/湖北监利人/华中农业大学博士/上海交通大学讲师/研究方向为风景园林规划设计理论与可持续风景园林规划设计(上海 200240)
彭菲
1990年生/女/北京人/美国康奈尔大学(Cornell University)风景园林系在读硕士研究生
高翅
1965年生/男/安徽合肥人/华中农业大学党委书记，教授，博士生导师/研究方向为可持续风景园林规划设计/本刊顾问编委(武汉 430070)
* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: [email protected]