气候变化影响下城市基础设施规划战略的国际经验与启示

2019-07-20王江波苟爱萍

四川建筑 2019年6期

王江波，苟爱萍

(1. 南京工业大学建筑学院, 江苏南京 210000; 2. 上海应用技术大学生态学院, 上海 200000)

[通信作者]苟爱萍(1971～)，女，博士，教授，从事韧性城市方面的研究与教学工作。

新世纪以来，全球气候变化趋势明显，为了提升应对气候变化的能力，各国做了大量的工作。2015年12月12日，在法国参加联合国气候大会的195个国家的代表一致同意通过《巴黎协议》，承诺控制温室气体的排放，以确保从工业化之前到2100年的全球平均气温升高不超过2 ℃，并且朝着不超过1.5 ℃的目标努力；同时，要求减少温室气体排放和增强气候抗御力，使资金流动符合温室气体低排放和气候适应型发展的路径[1]。另一方面，中国的碳排放量约占全球碳排放量的20 %，是全球第一大碳排放国。中国在巴黎大会上提交的国家自主贡献文件中提出，将于2030年左右使CO2排放达到峰值，并争取尽早实现；2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60 %～ 65 %，非化石能源占一次能源消费比重达到20 %左右[2]。

市政基础设施领域在消耗大量资源和能源的同时，也排放了大量的温室气体。而且，极端气象灾害在我国引发了诸多城市生态和安全危机，如暴雨频率增加，洪水内涝增多，大范围的“看海”、供水供电紧张、基础设施事故频发等，这些都迫使基础设施未来的发展模式亟需转型，以提高其应急能力，并促使国家减排目标的实现。本文研究了多个国际大都市的总体规划、战略规划和基础设施规划，以期发现其在气候变化影响下，基础设施的最新发展趋势，并对我国的相关规划提出一些可借鉴的建议。

1 低碳化与中立化

低碳是一种低能耗、低污染、低排放的经济模式。工业革命以来，依赖煤炭和石油的世界经济，走了一条高碳化的道路，导致高碳消耗和高碳排放，也造成了全球变暖和极端气象灾害频发，代价极高。未来，全球经济由高碳化走向低碳化是必然之路[3]。

1.1 零碳城市与碳中立

“零碳”是一种极致的目标，“零碳城市”的理念要求最大限度地减少温室气体排放，实现城市各功能板块的节能化、环保化，即“零碳交通”“零碳建筑”“零碳能源”。同时，“碳中立”的理念也开始流行。所谓“碳中立”是指通过使用可再生能源或者利用碳减排设施，使排放到空气中的CO2总量和从大气中移除的CO2总量达到平衡。

2009年，在联合国气候变化大会举办前夕，丹麦的哥本哈根提出，希望到2025年成为世界上第一个碳中立城市，将该市CO2总排量降低到零[4]。在减排的50项具体措施中，有6项已被指定为“灯塔”项目，如大力推动使用电动车和氢动力车，并免费停车和免费在街角充电，加大投入风力涡轮机项目，鼓励市民投资绿色能源，通过使用生物质能源，使发电厂使用的能源实现碳中立等。

2011年，悉尼成为澳大利亚第一个接受国家碳补偿标准为碳中立认证的城市。该市继续实施减排项目，开发一个独立的验证温室气体排放量清单；计划到2030年，减少70 %的碳排放量，努力把悉尼变成一个不需要依靠燃煤发电的低碳城市[5]。

1.1.1 低碳能源

能源领域的低碳化，主要体现在四个方面，首先是强调减少对能源的需求；其次是提高能源使用效率；然后是使用可再生能源；最后，需要形成健康的认知和行为，减少不必要的浪费能源的行为，减少温室气体排放。纽约最为典型，在经历过2012年的桑迪飓风之后，提出要建设一个更强大、更有韧性的纽约。它针对桑迪飓风带来的教训，制定了韧性战略，并提出了城市适应海平面上升和极端气候事件的建议措施。对基础设施的要求是更可靠和更灵活，以适应增长、可持续性和韧性[6]。在减排领域，纽约为实现到2050年减少温室气体排放80 %的目标，将总计4 300×104t的CO2当量减排任务分解到四个关键部门，即从电力生产中减少900×104t，从个人和商业车辆中减少700×104t，从固体废物处理中减少200×104t，从建筑节能中减少其余的2 500×104t。支持举措包括：以更高效的发电和可再生能源提高电力生产，核电将占全市电力供应的30 %，增加风电的份额，在城市污水处理厂实现净零能耗[7](图1)。

图1 纽约市各行业的减排目标 (资料来源：The City of New York. One New York: The Plan for a Strong and Just City[R].2013.)

伦敦市政府将提高可再生能源的比重，来减缓气候变化带来的影响，减少CO2的排放。同时，制定更为详细的实施政策和建议，所有可再生能源系统的设计应尽量减少对生物多样性、自然环境和历史遗产的任何潜在的负面影响，并避免对空气质量的不利影响。未来，从垃圾中产生的能源将为伦敦提供一个特别显著的机会。政府支持先进的废弃物转换技术，并资助这些项目，以提高发电效率，实现更大的温室气体减排。此外，政府还成立了一个食品燃料联盟计划，将把伦敦的食品垃圾转变成可再生能源，包括运输用的可再生燃料[8]。

部分国际大都市在编制基础设施规划时，除了有专门的能源规划篇章外，还有一些比较有特色的指标，如核电、可再生能源、天然气、太阳能发电量的比例，分布式能源比例、无碳能源比例、本地发电率、温室气体排放减少比例、碳排放减少量、碳排放减少比例等。这也反映出一个重要的趋势，就是根据不同阶段温室气体排放的减少量来设定新能源发电比例(表1)。

表1 各城市能源系统主要规划指标

1.1.2 碳强度底线

为支持低碳经济的转变，伦敦已经开发出了一种从不可回收的废弃物中产生能源的最小温室气体排放技术。这个最小的性能指标，就是碳强度底线，已被设置为每1 kWh电力产生400 g CO2当量。伦敦所有的垃圾能源转换设施产生的能量需要达到这个水平。同时，也开发了一个免费的在线测定工具，帮助相关部门来管理这类活动。

1.2 水中立社区与净蓝计划

近二十年来，全球很多地区都面临着干旱危机，水资源短缺和供应不足是不容忽视的问题，在很大程度上限制了城市的发展。以美国为例，在未来十年中，50个州中有将近40个将面临水资源短缺和干旱，这给社区和企业发展带来了很大挑战；因为，城市面对的是有限的水源。在现有供水条件下如何满足城市未来更大的发展需求，就成为各地抓紧研究的紧迫课题。于是，水中立的概念就产生了。水中立是以其碳当量为基础，是在2002年可持续发展问题世界首脑会议上首次提出的。水中立意味着通过用水者的有意干预来平衡水的需求和供应，参与者通过减少用水量和投资增加清洁淡水供应的项目来定量平衡用水账户。

2015年，伦敦在其战略规划中提出了水中立的概念，其基本涵义是指，城市发展不应该导致对水需求的全面崛起；换言之，对于每一个新的发展项目，开发之后在更广泛的区域用水总量必须等于或小于之前的区域用水总量。为了达到这一目标，必须要提高用水效率，减少消耗量；同时，提高雨水的利用率，并提高中水回用的比例。在项目实施方面，位于伦敦泰晤士河口的重建项目，采用了“水中立”的理念，该地区不需要使用额外的水，主要措施是使用大量节水措施。

2015年初，美国水资源联盟(AWE)推出净蓝计划以支持社区应对气候变化。项目合作伙伴正在共同制定示范条例，要求新开发项目的预计用水需求将被现有建筑的用水量减少所抵消。社区的水需求方案，包括水需求抵消政策或水中立增长政策，以创造“净零”的地区用水需求，最常见的配套政策是与发放建筑许可证相结合。

2 减量化与资源化

减量化，主要是指减少城市废弃物产生总量、城市用水量和高碳能源的使用量，以减少相关行业的温室气体排放量。资源化是指将废弃物、中水和雨水进行回收再利用，提高利用率。资源化是减量化的必然结果，资源化比例的提升也反过来进一步促进减排工作的开展。

2.1 零废弃物

从全球层面来看，废弃物处理在温室气体排放方面的贡献是相对较小的；但是，它的作用也不能被忽视。目前，全球基本认同：避免废弃物产生带来的气候益处，远远超过任何废弃物处理技术。废弃物处理部门在减少温室气体排放方面的三大战略包括：一是减少废弃物的产生量，提高回收率；二是用废弃物发电取代化石燃料发电，包括废弃物焚烧发电和利用填埋废弃物产生的甲烷气体发电；三是在废弃物填埋场进行碳储存并对土壤进行堆肥[9]。近些年来，一些城市陆续提出了零废弃物的计划。以纽约为例，规划要求在2030年，送往垃圾场进行填埋的垃圾量为0，全面实现零废弃物的目标(图2)。

图2 纽约的废弃物处理方式的变迁 (资料来源：The City of New York. A Greener, Greater New York[R].2011.)

2.1.1 多渠道实施减量计划

2.1.1.1 开展有机计划

1993年，纽约创建了堆肥项目，教育纽约人把他们的食物和庭院垃圾堆肥。2013年，纽约市有225个社区堆肥站，未来还将努力建设新场地。同年，纽约推出一个试点项目，在污水处理厂建餐厨垃圾厌氧沼气池，开始生产沼气，并利用沼气发电。纽约的污水处理厂处理有机废物能力高达每天500 t，占全市总餐厨垃圾约8 %，已产生的能源足够5 200户家庭取暖，每年减少9×104t温室气体的排放。

2.1.1.2 使所有学校实现零废弃物

纽约的学校教育下一代要回收废弃物。这里有一个巨大的机会，将从学校每年减少超过4×104t的废弃物。110万名学生适当的回收行为，帮助提高废弃物的再利用率，并将这种可持续的做法灌输给学生，使其能够持续一生。教育部门和卫生部门将合作推出第一批100所零废弃物学校；在5年内，实现这些学校的废弃物全部可回收或可堆肥。

2.1.1.3 减少商业垃圾90 %

纽约市的办公场所、餐厅、酒店和商店每年产生300×104t吨废弃物；目前，只有不到1/3被回收。政府提出在这些地区，要减少90 %的废弃物产生量。具体措施包括鼓励大型商业建筑垃圾的定期审计和制定针对大型商业废物产生者的零废物挑战计划。2013年，纽约市启动了自愿商业食品垃圾分流方案，超过100多家餐馆参与，承诺实现50 %的食品废弃物转移的目标。最初的6个月内，减少了食品废弃物2 500 t。在此基础上，纽约将打造大型商业企业零废弃物的挑战计划，要求所有餐饮服务场所，分离食物废弃物。

2.1.2 提高循环利用率

在一些国际大都市的基础设施规划中，比较有特色的指标是生活垃圾堆肥比例、各类垃圾的再循环利用率和减少量(表2)。例如，伦敦提出，到2020年，商业和工业废物再循环或堆肥的比例超过70 %，建筑施工、挖掘、拆迁垃圾的循环或堆肥的比例达到95 %；到2026年，将实现生物降解垃圾和可回收垃圾被填埋的量为0。

2.2 减少用水量

2.2.1 用水指标的全面降低

有一个趋势需要得到特别关注，就是在一些国际大都市中，未来的人均用水量是要求减少的，而不是随着生活水平的提高而增加，这个跟国内存在很大差别。这其中的代表城市包括纽约、伦敦、芝加哥、悉尼、新加坡等。例如，2015年，伦敦每人每天的用水量为164 L，比全国水平高20 L；未来，伦敦通过采用节水设备和措施，使得自来水消费量每人每天不高于105 L，人均每天减少了59 L的用水量。其背景是：泰晤士河提供了伦敦用水的3/4；而未来，伦敦东南部地区人口持续增长，同时，发生干旱的可能性很高。类似的情况还有，芝加哥提出要减少约20 %的用水；悉尼要减少10 %的饮用水需求；新加坡要减少7 %的户均用水量[10]。

表2 各城市废弃物规划的主要指标

2.2.2 节水措施

在伦敦，家庭和工作场所的节约用水，通过既有建筑改造来提高用水效率。更换伦敦的水管的滚动计划将减少浪费，达到成本效益的最小泄漏水平。发展替代水源，如雨水和中水，将对减少自来水的消耗越来越重要，对提供一个更加可持续和安全的供水基础设施也是重要的。

另一通过节水措施来降低水用量的典型案例是纽约。城市人口增长增加了对住房、能源和交通基础设施的需求；然而目前，纽约的日均用水量比50年前少很多(图3)，成功来自技术进步和更严格的节水标准。从1985年开始，城市开始安装水表跟踪水的消耗量，这使居民和企业看到每天的用水量和花费；第二年，全市每天的用水量下降了7.57×108L。1994年，纽约推出了世界上最大的厕所更新计划，淋浴头和水龙头都换成低流量装置，平均减少了37 %的用水量。

图3 1955-2010年纽约市平均每天的水消耗量 (资料来源：The City of New York. A Greener, Greater New York[R].2011.)

芝加哥的许多地区正受到洪水的威胁。因此，采取的措施是制定雨水管理条例、建设蓄洪水库和绿色基础设施。其在水资源管理方面最主要的特征有两个，一是减少用水需求量；二是在制定土地使用政策和土地规划时要考虑水资源，鼓励紧凑型发展的土地使用政策能减少住宅用水和降低供水设施的成本和维持费用。

此外，一些比较新颖的做法也正在逐步得到推广，包括水足迹标签和水足迹计算器，以加强对民众的节水教育。例如，在食品和饮料产品应附上一种新的标签，以便让消费者了解更多有关产品水足迹的信息，目的是在水资源日益紧张的今天给人以更直观的刺激。澳大利亚政府早在2006年就开始推行水效率标签计划，以国家行政力量强制水效率标签应用于日常用水产品，成为呼吁节水的先行者[11]。

3 分散化与本地化

3.1 推广分布式能源

分布式能源是指分布在用户端的能源综合利用系统。一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅；二次能源以分布在用户端的热电冷联产为主，其他中央能源供应系统为辅，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充；在能源的输送和利用上分片布置，减少长距离输送能源的损失，有效地提高了能源利用的安全性和灵活性；在环境保护上，将部分污染物的排放分散化，便于周边植被的吸收；同时，将主要排放物实现资源化再利用，如排放气体肥料化，争取实现适度排放的目标[12]。

有些城市还专门编制了分布式能源总体规划，代表如伦敦和悉尼。从2010年开始，悉尼制定了《分布式能源总体规划》。规划显示：30 %的城市电力将来自无碳能源，如风力和太阳能发电，70 %来自废弃物再生气三联供；到2030年，可再生能源可以提供100 %的未来电力，并为之提供了一个路线图，指导悉尼通过技术手段和具体行动计划，来减少整个城市的能源消耗和温室气体排放量[13]。

在伦敦，未来的区域供热网络将由天然气热电联产演化而来，由废物产生的能源将供应给该系统。未来，该系统将能够接入成熟的低温网络，以能够利用低等级余热，最大限度地减少最初能源输入的需求。分布式能源的更多使用将有助于伦敦变得更加自给自足，并确保其能源需求的安全。伦敦有潜力增加十倍的分布式能源，并大幅增加投资；逐步替代传统化石燃料，以减少使用化石燃料和CO2排放量，改善空气质量。

本地化，主要是指提高本地发电和能源的比例，减少外来电的使用比例；对于减排而言，就是可以减少能源在传输过程中的消耗，提高能源利用率，减少整个系统的CO2排放量。例如，悉尼提出：到2030年，将具有由本地发电来满足100 %供电需求的能力。伦敦提出：到2025年，使用的25 %的热量和电力将是通过本地化的分布式能源系统获得的，每年将减少257×104t的CO2排放。阿姆斯特丹也提出：选择产生很大比例的自需能源，包括收集太阳能的屋顶，建设能够传输余热的封闭式传热系统，以及安装风力涡轮机[14]。

3.2 发展分散式供水

分散式供水，主要是为了应对长期干旱和水资源短缺而采取的一系列供水措施，如控制需水量增长和水源多样化，以便维持供需平衡，降低供应中断的风险。悉尼是分散式供水的典型代表。自2006年起，该市已经制定出一套更加可靠且多样化的供水方案，减小了城市对于降雨的依赖性，降低了干旱断水的风险，并且延缓了近期对建坝存水的需求。该方案包括节水、深层储水、水回用和海水淡化。2010年，水循环占悉尼供水总量的6.6 %，并持续增加。2012年，悉尼制定了《分散式供水总体规划2012-2030》，包括水效率计划、区域和雨水基础设施报告、水管理体制、再生水计划、水平衡和分散式供水系统及机会等内容[15]。其目标是，实现一个城市范围内的再生水网络(图4)。

图4 悉尼的全城再生水解决方案管理区规模 (资料来源：University of technology Sydney. Report for city of Sydney:recycled water plan[R].2012.)

值得注意的是，即使在降雨量丰富的地区，非传统水源的开发对于水资源的综合管理仍十分重要，新加坡就是一个很好的例子。由于集水面积有限且人口密度大，需水量相对较高，因此，新加坡成为了一个缺水城市。其供水系统的主要特色是新生水方案，非传统的水源包括雨水收集、废水回收再利用、海水淡化。如今，新生水能够满足30 %的用水需求，并且计划在2060年时能满足那时50 %的用水需求。另外，淡化海水能够满足30 %的用水需求。

4 韧性化与智能化

欧美一些大城市的基础设施老化现象严重，很多都已超过100年的历史，应对气候灾害的能力较弱，极端气象灾害给老化的基础设施带来巨大的挑战。提高基础设施的气候韧性，就是要确保关键服务在紧急情况下的连续性，以及服务中断后更快地恢复。

4.1 开展韧性评估与制定韧性设计导则

纽约将准备编制一个区域韧性评估计划，对城市的关键商品，如食品、燃料、原材料和消费品供应链的韧性进行评估；同时，还为防止燃料供应中断，将制定液体燃料的韧性策略。到2018年，要让纽约市所有的交通、市政设施和其他设施都采用标准化的韧性设计导则。正计划实施横跨五个区的绿色基础设施，包括狭长的洼地、雨水花园、透水铺装和屋顶绿化，以减少进入下水道系统的雨水量。纽约已经在实施的基础设施韧性计划，投资超过200亿美元，再加上其他区域合作伙伴的费用，合计将近300亿美元；政府承诺修复受损的或被桑迪飓风摧毁关键基础设施系统，同时，通过来自联邦紧急事务管理署的公共援助拨款计划的数十亿美元的资金，来缓解未来的气候风险，用于投资污水处理厂和泵站的韧性措施，如提升设备和防汛设备、建设挡板，以及安装备用电源，以确保在大风暴的情况下继续服务。

4.2供应源的多样化

以供水设施为例，在保证水源供应方面，是由于不少城市面临水资源短缺局面，为进一步保证满足城市对饮用水的需求，就需要增加水源，比如提高使用再生水和地下水的比例。例如，为提高供水的可靠性，洛杉矶提出大幅提高回收利用废水的计划[16]，这些再生水将用于部分取代饮用水、补充地下水、农业、娱乐、园林绿化、工业，以及改善环境；悉尼也提出，地下水采集将满足30 %的供水需求[6]。东京提出：要构建一个强大的水系统，提供一个可靠的污水处理系统和改进的供水系统，准备应对灾害和突发事件[17]。

伦敦为保障供水安全，有效地提供额外的可持续水资源，减少水供应短缺，促进雨水收集，使用饮用水和中水循环双系统，维护和升级供水基础设施，确保水供应不会对环境产生可能的重大不利影响，禁止工厂抽取地下水。纽约也为维护供水系统的可靠性和韧性制定了一系列措施，例如，启动每年高达1×106美元的补助计划，直到2020年，并鼓励在私人物业内的中水回用。

4.3 多类型设施系统开展智能互联

纽约正通过合作伙伴关系，确定漏洞，提高冗余度，给基础设施的风险提供韧性策略。城市在灾害中发挥作用的能力取决于关键机构的运行、数据的可获取和安全，电信网络的运行。政府还将与无线运营商合作，以确保小区基站的韧性；将继续强化网络基础设施，以抵御与风暴相关的停电和电网中断，以强化城市的支持能力；将建设备份关键应用的数据中心，并将其整合进入其运营计划以保持运行的连续性。

同时，大力推进基础设施系统的智能互联工作，包括智能电网和能源互联网的建设。从传统的集中式变为智能化的分布式，从而将全球的电网变成能源共享网络，极大地提高水、电、气等设施系统的调峰和安全应急能力。例如，东京提出，通过共享能源，努力把东京变成一个智能能源的城市。