基于混沌論的綠地系統(tǒng)布局多情景優(yōu)化模擬?

金云峰 李 濤 王淳淳 周曉霞

1同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 上海 200092

2 浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院 杭州 3100180

3 上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200092

生態(tài)文明發(fā)展驅(qū)動(dòng)下,生態(tài)園林建設(shè)已成為我國(guó)城市建設(shè)的重要內(nèi)容。新一輪上海城市總體規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)是成為全球城市。崇明島所具有的獨(dú)特灘涂濕地資源、豐富的生物多樣性和河口島嶼型生態(tài)環(huán)境等,使其擁有上海市最優(yōu)質(zhì)的生態(tài)資源本底,是上海這個(gè)未來的全球城市最核心的生態(tài)空間以及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間。2016年崇明島“十三五”規(guī)劃和2018年新一輪《崇明區(qū)總體規(guī)劃暨土地利用總體規(guī)劃(2017—2035)》(簡(jiǎn)稱新一輪“崇規(guī)”)指出,將崇明島建設(shè)成為包括自然生態(tài)和智慧發(fā)展雙維度上的“世界級(jí)生態(tài)島”。因此,“崇明案例”在“綠水青山就是金山銀山”理念的踐行路徑將對(duì)全國(guó)生態(tài)島建設(shè)起到重要的示范作用。

混沌論(Chaos Theory)是在1963年美國(guó)氣象學(xué)家Edward N.Lorenz的著作《Chaos》中被首次提出,Kellert將其定義為“確定性非線性動(dòng)力系統(tǒng)中不穩(wěn)定非周期行為的定性研究”[1],可簡(jiǎn)化描述為:不可預(yù)測(cè)的秩序(Order without Predictability)[2]。目前尚無(wú)嚴(yán)格定義,通常將由確定性內(nèi)因引起的具有隨機(jī)性的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為混沌[3],屬于復(fù)雜系統(tǒng)理論的研究范疇之一。與機(jī)械性的可以預(yù)測(cè)的傳統(tǒng)平衡論思維模式不同,混沌論研究看似是矛盾的復(fù)雜與簡(jiǎn)單、不確定性與確定性、無(wú)序與有序等融合共生,目前已滲透到物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生態(tài)學(xué)等自然科學(xué)以及社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。

1 作為一個(gè)混沌體系的綠地系統(tǒng)

混沌存在于所有具有復(fù)雜自適應(yīng)能力的系統(tǒng),并且通過復(fù)雜組織能力創(chuàng)造“秩序”。兼具組織創(chuàng)造性和混沌開放性的城市是典型的混沌體系[4],綠地系統(tǒng)作為城市復(fù)雜巨系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng),同樣是復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的混沌體系[5-6],其內(nèi)部存在多元復(fù)雜的“流”(物質(zhì)流、能量流、信息流等)和多維交織的“網(wǎng)”(社會(huì)網(wǎng)、文化網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)等),并且相互作用、相互制約。

混沌論結(jié)合綠地空間的相關(guān)研究集中在城市規(guī)劃學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域。Manson等[7]認(rèn)為城市土地利用具有混沌結(jié)構(gòu)和分形模式,Dendrinos等[8]直接指出城市就是混沌吸引子,Schaffer等[9]認(rèn)為混沌現(xiàn)象普遍存在于生態(tài)系統(tǒng),鄧群等[10]深入點(diǎn)明大多數(shù)生態(tài)集聚格局是由存在于自然界中的非線性變換所致。以上研究為未來運(yùn)用混沌論定性定量研究城市和綠地演化過程及優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2 研究范圍與研究方法

2.1 研究案例和數(shù)據(jù)來源

崇明島(廣義概念上包括崇明島、長(zhǎng)興島、橫沙島)位于上海東北部的長(zhǎng)江入海口,是世界第一大的河口沖積島,中國(guó)第三大島,素有“長(zhǎng)江門戶、東海瀛洲”之稱。目前崇明島整體空間績(jī)效偏低[11-12]:綠地系統(tǒng)空間格局破碎化、分散化；生態(tài)承載力和生態(tài)環(huán)境本底脆弱化；生態(tài)要素單一、部分水體存在污染；林種多樣性單一,空間格局分布極化。

選取崇明島作為研究案例的原因在于:1)作為上海市最核心的生態(tài)空間,建設(shè)“世界級(jí)生態(tài)島”具有重要戰(zhàn)略地位。2)現(xiàn)實(shí)生態(tài)環(huán)境情況與“世界級(jí)生態(tài)島”目標(biāo)之間存在一定落差,生態(tài)系統(tǒng)和綠地系統(tǒng)空間格局亟待優(yōu)化。3)風(fēng)景資源豐富的外圍地區(qū)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿?是生態(tài)島建設(shè)的重要保障,探討綠地系統(tǒng)的優(yōu)化格局利于空間精細(xì)化調(diào)控[13-14],利于在有限用地指標(biāo)下發(fā)揮更大的生態(tài)、游憩、防護(hù)等綜合效能。4)目前對(duì)于崇明島綠色空間的宏觀研究仍停留在景觀格局演變、生態(tài)承載力[15]、旅游發(fā)展方式和對(duì)世界級(jí)生態(tài)島建設(shè)的實(shí)施建議上[16],而從整合生態(tài)和游憩的綠地系統(tǒng)規(guī)劃視角[17]探討世界級(jí)生態(tài)島的宏觀構(gòu)建研究較少。

研究數(shù)據(jù)參照上海市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)、崇明統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)、歷年《崇明年鑒》、2016年崇明島國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、新一輪“崇規(guī)”現(xiàn)狀用地?cái)?shù)據(jù)、Google地圖數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法：情景規(guī)劃

混沌動(dòng)力學(xué)和非平衡物理學(xué)衍生出的不確定性思想認(rèn)為,混沌系統(tǒng)通常表現(xiàn)為局部或整體的短期可預(yù)見性和長(zhǎng)期不可預(yù)見性。綠地系統(tǒng)演化過程中種種不確定性(綠地功能需求的此消彼長(zhǎng)等)和非確定因素(天氣變化、政治導(dǎo)向、人為災(zāi)害等)客觀存在,加之系統(tǒng)演化規(guī)律難以把握、數(shù)據(jù)時(shí)間序列短、參數(shù)不能被控制、指標(biāo)體系不完善、操作難以避免誤差等不確定性因素,均表明綠地系統(tǒng)定量描述和預(yù)測(cè)方面的局限性,也就難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期的演化結(jié)果。

由于未來政策和經(jīng)濟(jì)走勢(shì)引導(dǎo)下的綠地空間格局具有不確定性,因此應(yīng)完善多情景規(guī)劃策略以應(yīng)對(duì)不確定性的可能情況(圖1),由單因素分析轉(zhuǎn)向多因素綜合,由單方案預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向多情景描述。

圖1 認(rèn)識(shí)世界的劃分和多情景規(guī)劃對(duì)不確定性的預(yù)測(cè)

情景規(guī)劃(或稱多情景規(guī)劃)是處理復(fù)雜系統(tǒng)不確定性問題的有效工具,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為情景規(guī)劃是基于對(duì)歷史經(jīng)驗(yàn)外推、未來終端狀態(tài)鑒別和預(yù)測(cè)事件的綜合考慮得到的關(guān)于未來的場(chǎng)景[18]。

情景規(guī)劃在應(yīng)對(duì)解決系統(tǒng)未來演化的不確定性問題和發(fā)揮主觀能動(dòng)性方面具有傳統(tǒng)規(guī)劃無(wú)法比擬的優(yōu)越性(表1)。情景規(guī)劃方法流程是“問題辨析—情景界定—情景評(píng)估—決策選擇”[20]:通過歷史經(jīng)驗(yàn)、未來狀態(tài)和不同條件下的變化情況,結(jié)合不同利益主體的不同訴求,確定其重要性和不確定性排序,進(jìn)而選擇情景邏輯主線編制情景規(guī)劃,并評(píng)估不同方案的情景意義,從而制定最終決策和行動(dòng)計(jì)劃。其目的不是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來,而是應(yīng)對(duì)未來演變。

表1 傳統(tǒng)規(guī)劃與情景規(guī)劃的特征比較[19]

3 綠地系統(tǒng)布局多情景優(yōu)化模擬

3.1 驅(qū)動(dòng)力識(shí)別和不確定性排序

3.1.1 影響綠地空間格局的驅(qū)動(dòng)力識(shí)別

影響綠地空間格局的驅(qū)動(dòng)力主要有生態(tài)驅(qū)動(dòng)、社會(huì)驅(qū)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)和政策驅(qū)動(dòng)。1)生態(tài)驅(qū)動(dòng):由于崇明島東、西和北部邊灘處于淤漲狀態(tài),而南部邊灘處于被侵蝕狀態(tài),因此島嶼不同的沖淤態(tài)勢(shì)導(dǎo)致綠地景觀資源的空間差異和不同預(yù)期。2)社會(huì)驅(qū)動(dòng):近年來崇明島常住人口基本持穩(wěn),但旅游人數(shù)逐年增加,隨著生態(tài)島的完善建設(shè)可以預(yù)見旅游人數(shù)增幅將會(huì)加大。3)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng):經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是生態(tài)島綠地空間建設(shè)最主要的制約因子,是提升生態(tài)島綠地建設(shè)水平、補(bǔ)足生態(tài)島綠地建設(shè)短板的最緊迫任務(wù)[21]。4)政策驅(qū)動(dòng)[22]:政策引導(dǎo)和激勵(lì)機(jī)制對(duì)崇明島綠地空間格局的影響不亞于其他驅(qū)動(dòng)因子[23]。新一輪“崇規(guī)”提出的“生態(tài)+”行動(dòng)、鄉(xiāng)村建設(shè)、交通提升、設(shè)施提升等實(shí)踐措施,是對(duì)“世界級(jí)生態(tài)島”最直接的建設(shè)路徑指引。

3.1.2重要性和不確定性排序

通過實(shí)地考察和文獻(xiàn)資料綜合判斷,確定崇明島綠地空間格局的驅(qū)動(dòng)因子的重要性和不確定性排序,計(jì)算結(jié)果顯示:生態(tài)驅(qū)動(dòng)為高重要性、中不確定性,屬于Ⅰ級(jí)別；政策驅(qū)動(dòng)為中重要性、高不確定性,屬于Ⅱ級(jí)別；經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)為高重要性、低不確定性,屬于Ⅲ級(jí)別；社會(huì)驅(qū)動(dòng)為低重要性、低不確定性,屬于Ⅳ級(jí)別。

對(duì)影響綠地空間格局的各驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行整合,可構(gòu)成多種組合情景。選取綜合排序靠前的生態(tài)驅(qū)動(dòng)和政策驅(qū)動(dòng),通過實(shí)際背景情況分析確定可能性最大的3類情景:1)“世界級(jí)生態(tài)島”驅(qū)動(dòng)下的生態(tài)導(dǎo)向；2)政策著力推動(dòng)多層級(jí)公園體系、構(gòu)建多旅融合的“大旅游”格局的游憩導(dǎo)向；3)耦合生態(tài)和游憩的空間引導(dǎo)協(xié)調(diào)式導(dǎo)向。

3.2 不同目標(biāo)導(dǎo)向下的多情景優(yōu)化模擬

3.2.1 生態(tài)導(dǎo)向下的情景優(yōu)化模擬

1)從被動(dòng)保育到主動(dòng)框定生態(tài)本底。轉(zhuǎn)變生態(tài)保育的被動(dòng)姿態(tài),明確框定生態(tài)保育底線；最大限度地劃定現(xiàn)有的4處自然保護(hù)區(qū)和水源保護(hù)區(qū)的生態(tài)紅線(圖2),對(duì)生態(tài)敏感地區(qū)進(jìn)行自然或人工整治修復(fù),提升生物多樣性和復(fù)雜性[24]；連通河流廊道和道路防護(hù)綠地,構(gòu)建藍(lán)綠生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)。

圖2 生態(tài)導(dǎo)向下的崇明島綠地系統(tǒng)布局的情景優(yōu)化模擬

2)從城鎮(zhèn)增量走向生態(tài)全域統(tǒng)籌。以城鎮(zhèn)增量為主規(guī)劃,在人口持穩(wěn)的發(fā)展背景下,基本沒有培育強(qiáng)大新城的空間[25]。因此應(yīng)轉(zhuǎn)變這種規(guī)劃思路,在“世界級(jí)生態(tài)島”時(shí)代要求下,轉(zhuǎn)而培植廣大鄉(xiāng)村地區(qū)的生態(tài)多樣性有機(jī)更新[26],結(jié)合地方文化、資源等打造特色莊園或特色休閑農(nóng)業(yè)地區(qū),激發(fā)鄉(xiāng)村的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

圖3 游憩導(dǎo)向下的崇明島綠地系統(tǒng)布局的情景優(yōu)化模擬

3.2.2 游憩導(dǎo)向下的情景優(yōu)化模擬

1)形成中心集聚—兩極發(fā)展的風(fēng)景游憩公園體系。“中心集聚”是以城橋?yàn)橛雾哟行?以東平森林公園、港西郊野公園、東平莊園、前進(jìn)莊園為重點(diǎn),形成以森林、度假村、生態(tài)園林、農(nóng)家樂為吸引子的生態(tài)游憩聚集區(qū)[27]；“兩極發(fā)展”是依托東部東灘國(guó)家公園、陳家鎮(zhèn)郊野公園、濱江郊野公園、前哨莊園等形成崇明東部游憩發(fā)展極,依托西部明珠湖郊野公園、躍淞莊園、躍進(jìn)莊園及其休閑配套設(shè)施等形成崇明西部游憩發(fā)展極(圖3)。

2)構(gòu)建環(huán)島—郊野—濱河—城鎮(zhèn)4類游憩綠道。環(huán)島綠道為崇明島綠環(huán)、長(zhǎng)興島綠環(huán)和橫沙島綠環(huán),設(shè)置大型綠環(huán)以便應(yīng)對(duì)多樣化的生態(tài)友好型活動(dòng)賽事,方便國(guó)際級(jí)生態(tài)學(xué)術(shù)交流和生態(tài)教育；郊野綠道主要為連通崇明島內(nèi)郊野公園的“三橫”綠道；濱河綠道為12條縱向河流水系的沿河綠帶。城鎮(zhèn)綠道為城鎮(zhèn)內(nèi)部和周邊的城鎮(zhèn)鄉(xiāng)野特色交融綠帶。

3.2.3 協(xié)調(diào)導(dǎo)向下的情景優(yōu)化模擬

協(xié)調(diào)發(fā)展情境下,綠地系統(tǒng)布局優(yōu)化將同時(shí)考慮生態(tài)安全約束和游憩建設(shè)適宜性。這種空間增長(zhǎng)方式一方面保留了綠地增長(zhǎng)過程的功能性需求,另一方面也兼顧了綠地生態(tài)格局對(duì)城鎮(zhèn)發(fā)展的制約。從協(xié)調(diào)導(dǎo)向下的布局優(yōu)化圖(圖4)可以看出,在錨固生態(tài)本底的前提下,優(yōu)化中心集聚—兩級(jí)發(fā)展的風(fēng)景游憩綠地空間,特別是東灘國(guó)家公園既要滿足國(guó)家公園的規(guī)模要求、游憩定位、資源代表性等設(shè)置條件,同時(shí)又應(yīng)實(shí)現(xiàn)自然資源的科學(xué)保護(hù)。這種兼顧生態(tài)和游憩的綠地空間格局與“世界級(jí)生態(tài)島”建設(shè)和“大旅游”格局建設(shè)的發(fā)展要求基本一致,既保障了區(qū)域生態(tài)安全,增強(qiáng)了崇明對(duì)于上海大都市區(qū)的戰(zhàn)略生態(tài)能力,同時(shí)也最大限度滿足了崇明游憩業(yè)發(fā)展和大都市區(qū)生態(tài)之城建設(shè)的示范地。

圖4 協(xié)調(diào)導(dǎo)向下的崇明島綠地系統(tǒng)布局情景優(yōu)化模擬

3.3 多情景優(yōu)化模擬方案評(píng)價(jià)

在不同目標(biāo)導(dǎo)向下,本研究分別模擬了不同發(fā)展情景模式的綠地系統(tǒng)空間布局優(yōu)化思路。借鑒相關(guān)文獻(xiàn)基于城市生態(tài)二元脅迫CA模型,依托不同空間狀態(tài)演化規(guī)則模擬,探討城市空間邊緣性增長(zhǎng)、生態(tài)性增長(zhǎng)和協(xié)調(diào)性增長(zhǎng)的方案擇優(yōu)研究[28],對(duì)如上3個(gè)情景模擬優(yōu)化方案的游憩建設(shè)適宜性、生態(tài)安全性和斑塊緊湊性(考察空間形態(tài)的聚集度、規(guī)整度)3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定量化賦值對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管協(xié)調(diào)導(dǎo)向性布局在單個(gè)屬性上均未達(dá)到最優(yōu),但復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展通常是對(duì)多元目標(biāo)導(dǎo)向綜合衡量的結(jié)果,從而更加優(yōu)化整體空間耦合效能。因此,崇明島綠地系統(tǒng)的協(xié)調(diào)導(dǎo)向性布局是綜合效能最大化的方案,這也是“自然生態(tài)”和“生態(tài)發(fā)展”雙維度“世界級(jí)”的生態(tài)島空間建設(shè)要求所在。

4 結(jié)語(yǔ)

目前混沌論正逐步耦合大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)[29],持續(xù)向各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域滲透發(fā)展、蓬勃開創(chuàng)。混沌論不確定性衍生的情景規(guī)劃方法,通過“問題辨析—情景界定—情景評(píng)估—決策選擇”研究路徑,選擇不同情景邏輯主線主導(dǎo)規(guī)劃方案,并評(píng)估不同方案的情景意義,從而制定最終的決策和行動(dòng)計(jì)劃。不同于傳統(tǒng)規(guī)劃的單方案預(yù)測(cè),情景規(guī)劃是多情景方案的模擬,因此在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)未來演化的不確定性問題方面具有傳統(tǒng)規(guī)劃無(wú)法比擬的優(yōu)越性,為城市綠地系統(tǒng)的演化及優(yōu)化提供了新的思維視角。