Study on the Principle of Urban Open Space Eco-logical Planning
WANG Shao-zeng；LI Min
Abstract: Open space is very important to keep the stabilization of urban ecologi-cal environment and optimize it. This the-sis put forward to more integrated ideas about the principle of Open Space First and methods of urban open space system plan-ning, linked the practice in Guangzhou city, emphasized to exert the ecological func-tion of urban green space system, and given attention to its other functions.
Key words: Open space; Green space planning; City ecology
3 城市绿地系统布局的生态机理
3.1 氧源及氧平衡机理
城市氧平衡理论，是期望城市绿地自身产生的氧气能够相等于市区人群活动所需的氧气量。许多研究报告都指出：单从人呼吸的氧平衡来讲，在温带地区一个人有10m2左右的林地或25m2的草地就够了。这个结论正好与平均每人需要10m2游憩绿地的理论相吻合，它曾经长期主导了城市绿地规划理论。
然而，这是一种基于自我平衡和封闭系统的理论。此种思维方式不仅表现在城市供氧问题上，也表现在污染物的净化等方面[17]。应该说，它是一种基于希望城市的问题由城市自己解决，不要危及或麻烦他人的善良愿望。
但是，深究起来，氧平衡理论有很多问题。大家知道，城市的本质就是一个开放系统，一旦封闭，失去了与周围地区的产品、材料、能源和信息的交换，就失去了城市存在的意义和条件。城市是为了整个社会而存在的，在道义上也没有理由要求城市的问题完全要自己解决。而且，自然规律并不以人们行为的善良与否而改变。对城市提出过分的要求，只能引导人们在误解的道路上越走越远。如果说古代城市还能够做到氧气和污染净化的自我平衡，现代城市已经完全不同了。现代社会，特别在静风的条件下，由于工业交通大量消耗化学燃料，城市地区人均的耗氧量已是单纯呼吸耗氧的数十倍。显然，单纯从城市自身解决氧平衡已经十分困难了[18、19]。
面临这个难题，有学者提出从城市的行政大区来计算氧平衡问题。然而，这种想法比较牵强。即使做到了氧平衡，其他污染的平衡能做到吗？仅以植物处理SO2的能力为例，已见的报道相差达数百倍之多，依较低的数据，城市绿地比现在扩大数百倍才够需要[17、20]。即使我们真的做到了这点，城市实际已经退回到乡村状态，城市的系统效益、规模效应等皆荡然无存。可以肯定的是，如果人们希望乡村型分散居住而又保持现代化、城市化生活方式的话，所制造的污染一定会比集约型城市大得多。
现代城市需要多少绿地才能维持氧平衡呢？以每人需10m2林地的20倍估计，为200m2。假设城市中可以解决30m2，则城外需要170m2的林地。设我国大城市的人均用地为85m2(现在还没有达到这个水平)，则正好是其2倍。总之，按照氧平衡理论，每人的城市用地标准应该是250m2左右，而且其中的70%应是森林型绿地。世界上可以做到这个标准的国家不是没有，但也不多。
显然，我国的国情总体上不可能为城市在近郊提供这么多的林地。于是，又有学者提出城市郊区农田种植的也是绿色植物，可以补偿一部分森林的作用。关于农作物的制氧功能还没见详细的报道，但考虑到农田的休耕以及作物黄熟耗氧等问题，宜采用较低的折算率。例如，以有效叶面积为树木的1/5来估算[21]，则需要170×5=850m2。加上人在城市中100余m2的用地，大约是一个人应该拥有1000m2(1.5亩)土地。
这样，我们得到一个概念上的结论：当一个城市居民用地约100m2时，大约需要10倍于其城市用地面积的农田来维持大环境的氧平衡。这可称之为10倍面积论。如果其中有一部分是林地，则折换率可以减低，若全是森林，可减低为2倍面积论。这种绿地，我们暂且称之为氧源绿地。不过，必须强调指出，这个数值是一个具有临界性质的低标准，位于一个临近危险状态的不稳定平衡点。
具体到一个城市，问题显然要复杂得多。城市周围的绿地产生的氧气不可能都供给城市，只有上风向的氧气才能进入城市。设城市的直径为10km，是城市面积的10倍，这个距离内应该全是农田或草地。在城内实测风速不低于1m/s的条件下，这可以保证城市一天换气10次以上以抵消城内的耗氧。上述概念，可概括为城市间隔的上风向10倍直径论。当然，如果用森林代替农田草地，则不需要这么多的绿地，全是森林时，可减低为2倍直径论。但在我国现状条件下，大城市附近能够用作培育森林的土地数量有限，必需的森林用地也要精打细算。
因此，如果在区域规划进行城市布局时，全方位都采取10倍直径论，城市的占地面积只有绿色国土的1%，按此得到的国土绿地面积应为人均约1万m2(1hm2)，比10倍用地论大10倍，可见这是一个保险系数很大的概念(图10)。
图10 全方位按10倍直径布局城市的区域规划模式
据国土资源部近来完成全国土地资源调查[22]，截止1996年10月30日，我国耕地为19.51亿亩(130万km2，人均1000m2，即1.5亩耕地)，园地为1.5亿亩(10万km2)，林地为34.14亿亩(227万km2)，牧草地为39.91亿亩(266万km2)。上述绿地总计95亿亩(633km2，人均7亩)，约占国土面积的2/3。而居民点和工矿用地总共3.61亿亩(2.4万km2)，为国土的2.5%、绿地的3.8%。(另有报道说，据国家环保局数据，我国城市建成区面积为21514km2，人口3.76亿，折合每km21.75万人，人均57m2[23])。可见，从全国土地资源情况来看，采用临界标准的10倍用地论是有实施余地的；按照高标准的10倍直径论则有些差距。但是，若将森林植被的系数考虑进去，差距也不大。
所以，实际上我们有许多理由将城市布局得更密一些而不致对环境产生很大影响。例如，在有固定主导风向的地区，与风向成垂直的方向上就可把城市间距作较大压缩。在最为不利的风向互为垂直的季风地区，也可在大城市之间的空心处插入许多中小城市。
城市郊区氧源绿地具体的布局方法可以这样：将城市的风向玫瑰图叠加在城市平面图上，将风向玫瑰图按某种倍数(X)放大，即可得到城市氧源绿地的布局。X值可以这样确定：当氧源绿地全为森林时，X=2；氧源绿地全为农田时，X=6。
具体算式为：设城市半径为R，风玫瑰瓣长为 L，则L=XR
休疗养城市：取风玫瑰最短瓣的长度为 Ld，可令Ld=XR ,(X=2～6),保证全年有充分的氧气供应；
重要城市：取风玫瑰瓣长的平均值为 Lp，可令Lp=XR ,(X=2～6),保证全年大多数风向时有充分的氧气供应；
一般城市：取风玫瑰最长瓣的长度为 Lc，可令Lc=XR ,(X=2～6)，保证全年主导风向时有充分的氧气供应(注：人少地多地区可以取消这一级)(图11)。
图11 根据风玫瑰图布置城效氧源绿地的办法
也许有人会问，上述计算忘记了城市化还要继续占用土地，因而很有问题。我们的回答是：城市化只会节约土地，原因很简单，占用土地的是人，不管他是在城市还是在农村。上述调查显然没有包括农村非耕作用地。实际上，我国农村人均占用的非耕作用地比城市要多许多。例如，据人口高密度地区的江苏无锡市统计：自然村人均占用的建设用地达170m2[24]，浙江海宁的调查结果也差不多。又据全国政协副主席李贵鲜率领的专题调查组报告，我国农村居民点人均占地192m2[22]。更加严重的是：农村人口的出生率比城市高得多。所以，我国应该优先通过推进城市化来节约土地。
从上述计算来看，在现代化生活方式下，如果一个地域(例如数万km2)平均人口密度达到的话，从氧平衡角度看就该处于生态危机的边缘了。由于这种计算的依据目前尚不很精确，只是一个比较笼统的数量级概念[25]，随着人类对于生活环境的要求不断提高，城市生活的化学污染、热污染和氧平衡问题将日益严重，必须大力发展科技和采用先进的节能技术，才能使上述城市空气的污染问题有所缓解。
3.2 降温及制造城市环流
在静风条件下，污染物一旦排入大气，减轻其浓度的方法主要是靠扩散稀释和绿地净化。过去的理论基本主张是尽量在城市中平均地普遍多种绿色植物[26]，有人还专门为此提出考虑城市景观均一度的数学方法[27]。我们对此提出一些疑义，分析如下：
在城市内部平均分布绿地的主要理论基础是减轻热岛效应。对于热岛效应的误解，已经在上文纠正过了。简单地说，如果我们真的能利用平均绿化的方法把城市热岛效应降低到零，其结果只会是静风天气里污染源附近的污染物堆积。所以，静风时有必要利用城市热岛和城郊森林的共同作用来制造城市环流，尽量稀释污染空气。有文献指出，成片的绿地足可以制造与相邻建筑密集区之间风速达1m/s以上的林源风[28]。何况森林还同时具有过滤、清洁空气的作用(图12)。
图12 利用热岛环流为城市制造气流
当然，人们也不喜欢过度的热岛效应。比如，强热岛与郊区的温差可高达4℃～6℃，甚至7℃～8℃，夏季令市民难以忍受。所以，应该适当控制热岛强度。其方法一是在城市中进行恰当的绿化；二是控制城市的高层建筑；三是控制城市及其组团的规模；四是控制城市的耗能，大力推广生态建筑。
3.3 空气降尘与过滤
气溶胶是加重城市污染的重要因子。他的自然清除有干、湿两个途径，湿途径就是雨水，这是清除飘尘的主力。干途径是自然沉降和过滤，此途径与植物的关系很大，故是本文讨论的重点。
城市的气溶胶因在有风时会被刮走，所以它对城市的危害以静风天气为主。据研究，静风时气溶胶的自然沉降速度为1cm/s～0.5cm/s，而在草地上可达3cm/s，森林树冠处更可比开阔地大2～16倍[14]。这就是绿地使我们感觉空气比较清新的重要原因。
有关文献还提供了一个计算林带过滤作用的公式[14]：在林带疏密得当，2m/s的微风，粒子大小为平均值，大气中性(即没有垂直对流也没有逆温层)的条件下，当污染源靠近地面并距离林带仅10m2时，50m2宽的林带可过滤掉80%的气溶胶；若污染源距林带100m2远，则吸尘效率下降到38%；若150m2远，则仅有30%的吸尘效率。此外，树林越高，层次搭配越合理，过滤效果越好。因此，静风天气依靠城市环流来减轻污染时，森林越是紧靠城市就越有效，远郊的森林此时几乎没有什么作用，城市近郊的草皮和农作物作用也很小。
紧靠城市的森林，必然与城市建设用地的规划有密切的关系，涉及城市的发展规模、发展方向、街道布局、对外交通、工业、仓储及特殊用地等，应该与城市统一规划和建设，划入城市规划区范畴，不可仅视为一般的林业用地。
3.4 城市组团的生态化规划布局模式
(1) 将城市或其组团的面积划小，可以减小城市中心污染集中的程度
城市组团的大小应该如何确定？单纯从生态学角度来说，当然是越小越好。但是，城市规划除了自然规律，还要顾及经济规律和社会发展条件。1985年国家科委蓝皮书第6号《城乡建设卷》的统计及其援引的国外专家理论，认为50万人左右的城市规模比较恰当，经济效益和城市环境都较好。据此，设城市居住区的人口密度为每km22万人，则50万人需要25km2的面积，大体折合正方形的边长为5km，或圆形的直径5.6km。概要而言，是城市组团直径的5～6km论。
那么，城市组团间的分隔带宽度如何确定？这是个难题。理论上，分隔带面积应该与城市组团面积相当，才能使上升气流与下降气流的横截面积相近，有利于大气环流的运动。但是，由于林带的过滤效能并不与林带的宽度成正比，所以带宽是可以适当压缩的。所以，根据上文所提到的公式，在最好的条件下，50m宽的林带可以减少50%左右的气溶胶，则100m宽林带可减少75%，200m宽林带可减少85%以上，500m宽林带可减少95%左右。实际上综合条件很难都达到理想，所以一般情况下的效果不会那么好。
如果城市是组团结构，则绿带要分两边共同利用。因此，我们认为组团之间的分隔带至少需要300～400m宽，最好达到500～1000m以上。当气流的下降通道比上升通道狭窄时，下降速度会加快，反而比较有利于充分发挥绿带的过滤效能。
(2) 城市组团中心的一块大型“绿心”，可以大大分散污染的集中程度
图13 城市中心污染的分散
图13 城市中心污染的分散
决定绿心的直径有两种方法：其一，绿心的面积等于半宽分隔带的面积，则绿心的直径应该是组团分隔带宽度的3倍左右，亦即600～1500m2左右，相应的面积达100～700hm2，这是理想状态，但占地面积较大；其二，绿心的直径等于分隔带的直径，即200～500m2，占地面积为13～80 hm2，可在标准不高的城市采用。需要强调指出，这里所说的“绿心”，是指直径5～6km大小的城市组团中的绿心，而不是指在直径十几km甚至几十km的“城市大饼”中挖一个绿心。许多人将后者誉为“市肺”，但从城市无风天气的微气候原理来看，这种“市肺”的作用范围只有其边缘一圈，对于整个城市环境的生态改善意义不大。
因此，在静风条件下一个城市需要多少公共生态绿地呢？设每个城市组团50万人口，居住人口密度为2万人/km2，组团间分隔绿带宽度500m2(合计5.25km×0.5km=10.5km2)，组团绿心宽度1000m(面积1 km2)，则生态绿地总面积为11.5km2。如果大城市由数个这样的组团组成，每个组团分隔带的面积只摊到一半，则生态绿地面积为6.25km2，大致为组团面积25+5.25+1=31.25km2的20%，人均12.5m2。
此外，在城市组团内部仍然需要布置一些绿地作为通风、排气的生态廊道和提供居民休憩、美化、遮荫等服务，并适当调节热岛效应。
关于需要多少绿地来减低城市的热岛效应，不少文章是通过计算植物的蒸腾效应来说明绿地在这方面的作用，但仍然给不出对气温影响方面的数据[9]。据我们目前看到的资料，城市绿化覆盖率大约在20%以上时，可以维持热岛强度在2℃左右；覆盖率40%以上时，植物开始从环境中吸收能量，对环境发挥明显的作用[10]。据一项日本学者的研究成果[11]，在风速小于1m/s条件下，设ΔT为城市与郊区的温差，X为建筑密度，则：
ΔT=0.95＋0.16X(℃)
依此推算，当建筑密度为75%(即绿地率在25%)时，热岛强度是2.1℃。
因此，设单位附属绿地率为25%，为人均15m2，可以维持热岛强度为2℃左右，并产生1m/s的风速，可造成每天30次以上的气流循环，足可维持林带的过滤功能。又由于城市组团绿心的存在，将原本集中在组团中心的高浓度污染物分散到大约半径为2km的圆周上，把城市局部污染的最高浓度降低数倍，保护全体市民健康生活在合乎标准的空气环境下。
将上述两个数字相加，便可得出结论：静风条件下城市的绿地总量应为总用地的45%左右(图14)。
图14 理想模式
3.5 城市空气通道与绿地集中布局原则
适合于作进气通道的开敞空间有水面、体育场、非交通广场、游乐场、高压走廊和绿地。其中，真正比较能够进行建设控制的，还是各类城市绿地。
城市进气通道的布置：进气通道不宜完全顺从城市的主导风向，宜有一定偏角，以利于气流向侧旁分流一部分，可称之为平行四边形原理(图15)。进气通道应以不太阻挡气流的草坪和低矮植物为主，不宜只追求自身的绿量。城市排气通道则要尽量顺从城市的主导风向，宜通直。
图15 利用平等四边形原理分配新鲜空气流
也许有人会问：上述想法可能很好，但是这么大量的土地从哪里来？我们认为，在目前的国情条件下，真正大量浪费土地和使国土沙漠化的现象是发生在农村地区。所以，仅仅为了节约建设土地和资金，也应该积极推进城市化，并适当给城市用地指标松绑。当然，人多地少确实是我国国情，能节约的土地最好还是节约。为此，我们提出城市绿地应尽量集中布局的规划模式。
“绿地集中布局”规划模式的要点是：
(1) 在城市总体规划阶段，同步进行绿地系统规划，并执行“开敞空间优先”的原则，用规划绿地承担起改善城市环境的主要任务。
(2) 不要将城市绿地的主要分量让各个单位去负责，即应将目前占城市建成区绿地总量2/3左右的“单位附属绿地”的分量减少。实际上许多巴掌大又不让人们进入的小块绿地，生态作用和休憩作用都很小，反而给交通、采光、通风带来了不便。对于多数单位来讲，内部绿地的主要作用应是休憩、美化和遮荫。
(3) 腾出的城市用地指标交给公共绿地、防护绿地、生态景观绿地等类型集中使用，主要用以建设城市的微风通道和组团间的隔离绿带及各种必要的防护林带，构成城市生态绿地系统的基本骨架。
城市进气通道的宽度应与常年平均风速成反比，与通风面积成正比。其设计的通风量，应保证一天内的区域氧平衡。因此，设城市边长为L(km)，风速为V(km/h)，城市的每天换气次数为T，进气通道的总宽度W占城市边长的比例应是T的倒数。即W/L=1/T,W=L/T；其中，T=24V/L。
例如，设某特大城市人口为400万，城市面积为400km2，城市边长为20km，年均风速7.2 km/h(2m/s)代入上式，得到T=8.64,W=2.3km。设每隔1000m设置一条进气通道，总共20条进气通道，则平均每条宽约为100m，而进气通道总面积为46km2，约占城市总面积的11.5%。将此11.5%加到上述20%的静风条件下的生态绿地指标中，则得到该特大城市公共生态绿地的总指标应为32%左右为好。考虑到隔离绿带也具有进气通道作用，因此该指标可以降低到30%以下。若城市总绿地率为45%，单位附属绿地控制指标只需15%左右就够了，这样，在保证足够的楼间距的条件下，体育运动和停车面积也就有了着落。
通过类似的计算可知：在城市的平均风速为2m/s左右时，20万人以下的中小城市面积小、边长短，公共生态绿地总指标可减少到25%左右。反之，人口上千万的大都市生态问题严重，公共生态绿地最好增加到30%以上，考虑到大城市的用地指标紧而经济效益远高于小城市，这点土地指标还是值得的。如果当地的年均风速大，此指标还可以适当减小。
上述城市生态绿地指标(25%～30%)，再加上单位附属绿地指标(15%)，得到城市建成区合理的总绿地率指标，中小城市是40%，大城市是45%左右。这个指标，兼顾了微风和无风的天气，也照顾了我国人多地少的国情。由于小城市用地指标比大城市宽，控制也不严，所以实际人均绿地用地面积几乎相等。这个绿地率规划指标，虽然与我们目前执行的国家园林城市的评选标准相差约10%，但对城市环境改善的生态效果却差别很大(图16)。
图16 季风地区城市生态绿地系统的一种理想模式
3.6 影响绿地布局的其他因素
城市绿地还有许多其他生态功能，都会对绿地系统的布局提出一定的要求，并影响城市的规划。其中，有些可以和生态绿地系统规划结合起来。例如：
(1) 要求按需分布的 防护作用(防灾、防风、防沙、水土保持、水源防护等)；社会功能作用(生产苗木、花卉、水果、蔬菜，组织交通等)；卫生作用(杀菌、隔噪、降尘、养眼等)。
(2) 要求均匀分布的 社会生活作用(休闲、社交、游玩、体育、美化、教育、旅游、陶冶性情等)。
关于上述两个方面，前人有过许多论述，其基本原理是分级服务半径理论。大致来讲，居民至居住区公园或小区公园的步行时间，应控制在5分钟以内，即小型公园的间距应在600～1000m左右。如果城市的进气通道间距为1000m的话，其网格的中心正好应该布置一个小区级公园。此外，还可以灵活布置密度更高的微型休憩绿地。至于中、大型公园，除利用自然山水资源外，宜与生态绿地相结合为好。
(3) 绿地保护文物原理 改造旧城时，建设进气通道和隔离绿带都可能遇到文物保护单位，这些单位都不必拆除，反而可由绿地将文物更好地保护起来。
4 城市绿地系统的协同规划问题
4.1 城市绿地系统与城市交通系统的关系
(1)城市干道两侧适宜种植紧密的林带，以将干道交通空间与两侧的生活隔离。由于此林带主要不是用作空气过滤的，所以可用密林，宽度宜20～30m为好。如将干道同时用作进气通道，密林后边的绿地宜种植稀疏、低矮的植物以利于空气流通。干道上方不宜采用树冠开张的乔木覆盖，以利于污浊空气的便捷排出(图17)。
图17 一种比较理想的城市干道模式
(2)改造城市旧干道时，因用地限制两侧不可能形成宽大的绿带时，可以采用物理方法(如隔离罩)进行隔离，仅用一两排植物作美化。
(3)高架路有利于上层汽车的排污，但其下层却是污染的重灾区,所以，有条件时可将高架路下方作为停车场，而在两侧有阳光区域种植隔离绿带。强行在桥下阴性区域进行种植，技术困难、成本高，生态效益也不高，不值得大力提倡。
(4)干道与商业街分离模式：干道等于城市的废气通道，在干道不能与两侧相隔离的情况下，不宜与商业街混合，宜相互分离。干道可做成步行商业街的后街，使商店成为前店后库(厂)模式。而步行商业街则可以和进气通道相结合。
(5)小区内部道路车流量不高，可以考虑与新鲜空气通道相结合。小区间的城市干道不宜作为进气通道，应在干道之间另行开辟。
4.2 城市建筑空间布局与城市生态的关系
除了上面涉及过的一些城市建筑空间问题，如平均屋顶界面高度、街道峡谷系数、街道两侧建筑高度的差异对峡谷涡流的影响等以外，城市建筑空间规划时还应注意以下问题：
(1)如果将高层建筑布置在城市的上风向，就相当于为城市建造了一道防风墙，将会严重影响城内的空气交换频度。
(2)如果在城市周边布置一圈高层建筑，就等于把城市建成一个
“大盆”，在无风天气里也将影响城市内的空气交换频度。城市道路的走向，对城市的进气和排气作用亦产生很大影响。
所以，比较理想的城市建筑空间布局模式应该是：在市中心可以布置一些摩天大楼，越靠近城市边缘就越应该布置低矮的建筑，低层高密度可能是较好的选择。反之，若城市周边是一圈高楼而中心是古老的矮小房屋时，城市内会形成一个容纳污浊空气的人工盆地，生态环境必然恶化(图18)。
图18 生态效果不同的城市建筑总体空间的布局
5 小结
(1)我国城市用地的紧张程度是世界罕见的。所以，城市规划工作应该更加强调系统性和科学性，否则将给国家和人民造成重大的决策失误。从保护生态、促进城市可持续发展的角度来看，“开敞空间优先”是值得推荐的规划路线。
(2)从生态学的研究得知，微风天气条件下的城市功能布局，要注意城市的氧源基地和微风通道的设置及其与风向的关系。特别要注意不能简单地将交通干道附属绿地规划作为城市的微风通道。在静风天气条件下，城市规划要注意保持合理的组团规模、隔离绿带的宽度和中心绿地的大小。从长远看，今后必须将现在“摊大饼”式建筑密集、平面铺展的大城市，逐步用绿带加以分隔。
(3)按照生态维护与建设用地功能的综合平衡需求，我国城市绿地率的规划指标应提高到40%～45%，提倡“集中使用绿地”的规划原则，并将现有公共绿地约占1/3、单位附属绿地约占2/3的规划布局比例颠倒过来，强化城市生态绿地的系统性。
由于我们学习的国内外资料有限，本文所援引的基本数据(如植物的吸收CO2和污染物能力，城市中气流的运动规律等)都是属于耗资巨大的大型科研内容，远非现阶段所能完成或验证，今后有关科学研究的成果发生变化时，本文所涉及的研究结论也会有所修正。
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作者简介：
王绍增/1942年生/男/硕士/教授/华南农业大学林学院专业首席教师/本刊编委 (广州 510642)
李 敏/1957年生/男/博士/教授/广州市城市绿地系统规划办公室副主任/中国风景园林学会理事，本刊常务编委(广州 510060)
收稿日期：2001-02-08；修回日期；2001-07-11
