低碳导向下的采煤沉陷水域城市设计研究

侯欣杉 胡艺潇 季翔

关键词：低碳导向；采煤沉陷水域；城市设计；优化利用

21 世纪人类面临着巨大的气候挑战，而气候变化多受碳排放的影响，因此全球采取了降低碳排放的重要举措。麦肯锡公司对2030 年前的减排技术成本进行研究评估后发现，低成本的减排技术都集中于建筑和城市领域[1]。作为碳排放的主要载体，我国50% 的城市排放了全国80% 的二氧化碳。面对空前的国际减排压力和庞大的碳排放基数，正处于城市化发展关键时期的我国确立了双碳目标，并决定全面推行低碳建设以按期按量实现减排承诺。传统的城市发展模式如今具有较大的局限性，而新型城市发展模式较前者局限性较小，能够构建绿色低碳、活力安全的城市[2]，因此探索一种适用于新建低碳城市设计的发展模式势在必行。依据现行低碳城市设计的经验，建设用地需具备可供调整优化能源消费结构的清洁能源，如风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、天然气等[3]。宜有一定的可固碳释氧、降低自身碳排放、城市热岛效应与建筑能耗的自然碳汇，当地政策与低碳城市试点政策一致，且城市绿色创新水平较高，愿意为双碳目标采用新技术与新思路[4-6]。而采煤沉陷水域具有低碳能源开发的天然优势，塌陷水体及水生植物的良好利用可增加自然碳汇[7]。采煤沉陷水域大多位于资源型城市，在面对双碳目标时迫切需要进行低碳转型[8]。矿区治理转型的迫切与人地矛盾的加剧催生了利用采煤沉陷水域拓展用地空间的新思路，低碳政策与采煤沉陷水域环境条件的结合诞生了低碳导向的城市设计想法。综上所述，文章从双碳目标、低碳城市设计的发展需求、建设用地需求出发尝试提出一种新的低碳城市设计思路，即采煤沉陷水域低碳城市设计，并进行相关研究。

1 国内外相关研究综述

1.1 低碳导向下的城市设计

当下国内基于低碳导向的城市设计研究重点多聚焦于空间结构、城市形态、城市建设政策与碳排放的关系等方面。刘锐等分析城市的空间结构与碳排放的耦合关系发现，较为紧凑的城市空间结构有利于降低碳排放[9]。陈天等发现在中观层面多方面考虑气候、土地、植被、水体组合的设计，有助于实现城市转型期的低碳生态[10]。彭璟等从政策层面出发进行模型评估与分析发现，推广低碳政策的城市减排效果卓有成效[11]。石龙域、孙静在综合评价城市低碳发展水平后发现低碳导向下的城市设计需协调经济、社会、交通及环境[12]。张小平等指出低碳的城市设计需从减少固定碳源、减少移动碳源、促进自然碳汇三方面构建一条从碳源到碳汇的发展路径[13]。国外关于低碳城市设计的研究早于我国，并在低碳城市设计理论、方法和策略方面有一定的研究。Kim &Young-Hwan 研究证实采用高密度、紧凑的城市开发可以减少碳排放[14]。Jin， Ryu Yoon 等研究国内外水环境规划中关于低碳生态和可持续城市建设的要素确定水是在低碳城市设计中可积极利用的规划元素[15]。Philp， M 研究关注城市设计细节，旨在实现“城市设计—土地利用—交通一体化”，并提出了相应的优化建议[16]。Aj A 等以干旱地区为例表明清洁能源和可再生能源应用于城市设计能实现可持续发展[17]。

1.2 采煤沉陷水域

沉陷水域的治理利用与沉陷区治理相伴而行。国外对沉陷水域的治理始于21 世纪，初始的治理思路是对沉陷水域进行生态恢复与水环境治理[18]。开展了诸如采矿沉陷地对生态环境的影响机制与生态环境恢复策略、土地复垦与其他环境因子对生态恢复的影响等研究[19-20]。此后，在生态学观点影响下开始更多考虑人与自然和谐共生的可持续发展问题，如3S 等技术在沉陷地复垦及生物技术与植被恢复在沉陷地重建中的应用等[21-23]。国外研究侧重于土地复垦，且国外地广人稀，复垦土地无需承担扩张城市的压力，多成为绿地景观。因此，沉陷水域的治理研究多走向生态修复、湿地保护与公共景观的方向，研究重点集中于水环境监测和水质研究等。国外多样的开发模式与立异的规划方式在一定程度上可作为我国采煤沉陷区治理研究的参考依据。

国内采煤沉陷区的治理基于国外的治理经验，结合我国国情，产生了新的利用方式，如表1 所示。初始的采煤沉陷区治理呈点状分布，对沉陷水域无专门研究，治理方式多是生态修复与土地复垦。随着环境保护的入法，修复破损的矿区生态环境得到了重视[24]，沉陷区修复获得了集约增长，也取得了采煤沉陷地的综合修复技术、塌陷预报警系统与建筑抗形变等成果。对沉陷水域的治理也转为水质监测及水环境治理，多与农渔养殖、景观重建相结合。杜建平等深入梳理了煤矿区土地复垦理论技术成果，提出复垦方向科学化、复垦技术生态化、复垦模式综合化，这也是今后煤矿区土地复垦的研究重点[25]。结合我国人地矛盾突出、城市扩张空间不足的情况，贾宁等对沉陷水域进行研究发现，沉陷水域具备转变为建设用地的可能性[26]，同時也可借助沉陷水域自然资源助力双碳目标。

1.3 低碳导向的采煤沉陷水域城市设计相关研究现状

双碳目标下我国迫切需要进行低碳导向的城市设计，研究发现作为矿区废弃地组成的采煤沉陷水域的自然环境有利于低碳城市的建设。储量丰富的清洁能源降低了碳排放，水体可引入建筑减少建筑的碳排放，交通可转变为以新能源为动力，塌陷水体资源可增加自然碳汇。且依靠现有技术，就能支持采煤沉陷水域拓展建设用地。贾宁在提出采煤沉陷水域构建漂浮建设用地的新思路时，已对采煤沉陷水域构建漂浮建设用地进行了必要性和可行性的研究[26]。而文章提出的是在稳沉水域嵌入大体量混凝土从而围护建设用地，技术流程可参考贾宁学者的漂浮城镇与大坝等大体量混凝土的建造方式，沉陷地残余变形可通过注浆技术解决。在拟建区外围设置一圈现浇混凝土挡墙施工围堤，再进行围堰内吹填砂和围堰外侧边坡的防护施工，内部铺填片石基础，最后浇筑混凝土，形成建设用地平台[27]。还可通过钢围堰的使用阻挡堰外的水和土涌入围堰内[28]。主要建造流程拟为钢围堰预制与运输、桩基础施工、围堰的定位与安装、刃脚混凝土的浇筑、搭建吸泥平台、壁舱混凝土浇筑、水下封底混凝土、抽水完成[29]。

从长远和整体的视角来看，沉陷水体将呈良性发展。稳沉水域伴随着沉陷时间的增长，水中浮游生物和植物种类越来越多，对污染物的降解能力也越来越强[30]，生态系统趋于稳定。利用沉陷水域的自然资源进行低碳导向城市设计时，应挖掘出沉陷水域的潜在资源价值，以可持续的发展获取良好的经济、生态和社会效益，为低碳导向的城市设计提供新的思路。

各城市因发展特征不同，存在各自不同的特性，这对在采煤沉陷水域进行低碳导向的城市设计具有一定的意义。因城市的发展支撑与资源禀赋不同，在设立减少碳排放的各种举措时应各有侧重。首先应注意碳排放的影响因素，了解碳排放结构，其次要结合城市设计对碳排放的调整手段，考虑采煤沉陷水域对低碳导向城市设计的影响因素，设定行之有效的减排措施。

2 低碳导向下的采煤沉陷水域城市设计目标与建设原则

2.1 设计目标

研究拟以安徽省淮南市采煤沉陷水域为基地，遵循将淮南市打造成宜游宜业宜居的淮河经济带与文化旅游城市，结合碳中和目标、沉陷水域利用与矿区转型发展的机遇，满足以低碳为导向、沉陷水域增强活力、矿区可持续发展的需求，将低碳导向的城市设计与采煤沉陷区治理相结合，建设集生态园区、文教科研、商务办公和休闲度假等诸多功能于一体的新型体验式低碳创意产业园区，或以点带面辐射沿岸的发展，进而联动外围城市形成发展圈，共同构成区域的发展体系。

淮南沉陷水域良好的山水格局与文化积淀为低碳导向下采煤沉陷水域的城市设计提供了较为优越的自然环境[31]，可使沉陷水域城市设计与水互动，从而构建一个在碳排放、城市布局、绿化景观有综合考虑的创意产业园。与此同时，可带动周边地区，在隔水岸边发展环湖产业园区，并利用沉陷水体构建以水源热泵为主的新型能源供给系统，结合双碳目标与生态文明建设形成低碳导向的采煤沉陷水域城市设计发展模式，协调人与自然的关系，形成良性循环。

2.2 建设原则

按照双碳与可持续发展的要求，将低碳导向下的采煤沉陷水域城市设计与低碳发展相结合，发挥沉陷水域的资源开发潜力和区位优势。通过利用研究区清洁能源实现能源供应转型，应用建筑水屋顶，交通体系也向绿色低碳转型，利用塌陷水体资源形成多维生态网络。

在设计时需从沉陷水域区域资源的特点出发，以低碳为导向，使采煤沉陷水域低碳城市设计各组成之间相互配合、相互协调，创建一个低碳绿色、经济高效、环境友好的城市空间。低碳导向下的采煤沉陷水域的城市设计不仅可以探索低碳导向的城市设计与沉陷水域治理方法的新思路，而且可以推动双碳目标的达成，并加强各类规划的配合，以推动区域的可持续发展。

3 低碳导向下的采煤沉陷水域城市设计策略

城市的碳排放来源于能源生产、能源消费、工业生产，以及农林畜牧等[32]。因此，结合采煤沉陷水域的自然、社会、经济条件与低碳导向的城市设计经验，从减少碳源、增加碳汇的角度提出低碳导向的采煤沉陷水域城市设计方法。

3.1 推动能源供应低碳转型

为加快达到双碳目标，需转变能源系统，低碳城市建设必须在可再生能源和新能源的利用上抓住机会。与传统的城市设计相比，利用采煤沉陷水域进行低碳导向的城市设计具有较强的能源转型优势，在进行城市设计时可利用水能、风能、太阳能、生物质能等清洁能源为城市提供运转所需的能量[33]。研究区沉陷水域面积约100 km2，水资源储备丰富，作为城市可直接利用的清洁能源，沉陷水体四季稳定的温度是很好的热泵热源及空调冷源[34]。如采取相应措施将它构建为水源热泵系统并作为主能源（如图1），以水为载体设置水源热泵机组。冬季采集来自水体的热能，借助热泵系统，将所获取的能量供给室内取暖；夏季将室内排除的热负荷通过敷设在水中的盘管换热，把室内热量释放到水中，以达到调温的目的。城市的节能评价指标将大大提升，运行费用也会有所减少，同时大面积的水域也可作为冷却塔使用进行能量转换，与常规能源利用相比，废物及烟尘的排放可忽略不计。

采煤沉陷水域与风光核能源带地理分布一致，具备可利用的太阳能与风能等清洁能源，沉陷水域所处地带与我国核能风光能源带一致，有可供利用的风能及太阳能，可在适宜位置架设风力发电装置与太阳能光伏发电装置进行能源的收集与转化（如图2），通过光热转换、光电转换和光化学转换，经阳光聚合能量产生热水、蒸汽和电力等。

沉陷水域所在水域蕴含丰富的生物能源是太阳能以化学形式储存在生物质中的能量[26]，也是可再生能源。生物吸收的太阳能以热能或动能等形式进行采集，可将太阳能转换为城市的可用能源，以及固态、液态和气态燃料等。

采煤沉陷水域城市设计中多种清洁能源的利用将推动转变能源的利用方式，区别于传统城市供能，低碳导向下采煤沉陷水域的城市设计如能做到对区域内能源的自产自用，将大大减少能源的碳排放，达到低碳甚至是零碳目标。

3.2 减少建筑碳排放

利用采煤沉陷水域进行的城市设计在建筑层面有它独特的优势，在建筑设计时可将沉陷水域的水体抽取到墙内及屋顶内循环，使建筑内部大幅降温，节省能源[35]。利用绿色植被、太阳能采集薄膜和光伏板组成建筑屋顶，收集和转化能量且有效调节房屋温度，保证室内外能量交换的智能性。屋顶和外墙均设置植被覆盖层，结合雨水收集，形成多功能的高效绿化生态系统，对建筑起到良好的保温、隔热、隔声的作用。

3.3 增加自然碳汇

结合双碳目标及生态文明建设的背景，以资源节约、环境友好为原则，采煤沉陷水域城市设计以绿色低碳为基础，在不影响自然系统循环的情况下，采用现代科技措施减少碳排、优化结构、改善环境，建立水、人、环境之间的密切互动关系，获得持久的发展潜力。协调各方最终创建低碳友好的城市场所，协调人类活动与自然环境的和谐共生，构成“自然—社会—经济”的生态环境系统。

采煤沉陷水域中丰富的塌陷水体资源如得到充分利用，可形成多维生态网络。结合沉陷水域自然资源因地制宜地构建城市绿地系统，作为发挥碳汇功能的主要空间载体，除直接固碳释氧外，不同绿地类型还可以发挥诸如节能降碳等综合性的碳清除作用（表2）。

依照生物和气候规律实现以绿地和水体为主的增汇要素在城市空间内部的合理分布，從而达到有效固碳的过程，本质是从碳循环与能量管理的角度对城市进行“生态修复”。低碳策略则包括保护恢复生态功能以稳定碳汇、整合完善绿地格局以扩大碳汇，以及保育优化生态过程以增强碳汇三个方面。

3.4 发展特色产业并推动区域联合

采煤沉陷水域城市设计可加强生态产业与休闲娱乐服务，优化产业结构，加快城市转型。在依托区域资源发展特色产业的同时辐射周边产业，推动产业结构的调整与转型。

结合低碳、文化、休闲娱乐及采矿工业遗存形成多种主题的产业园区，丰富产业类型，对区域资源进行开发再利用。此外依托沉陷水域特有的自然资源，打造具有特色的旅游产业及城市风貌，形成新型空间体系与城市景观。

淮南市凤台县沉陷水域可依托此城市设计形成竞争优势，如发展得当，可连接南北两城区并推动相邻发展区的建设，加强区域联系。低碳导向的采煤沉陷水域城市设计为低碳城市设计的发展提供了新的视角，同时利用沉陷水域置换出建设用地，缓解了人地矛盾，促进了区域的整体发展。

4 结语

在双碳目标和低碳城市的建设背景下，结合低碳导向的城市设计经验与沉陷水域特点，文章提出在采煤沉陷水域进行低碳导向的城市设计，并进行相关战略与策略的探讨。为使研究更加系统和科学，文章以低碳城市建设的需求为基础，从沉陷水域自身资源与低碳导向的城市设计的关联性入手，综合国内外相关研究，设立建设目标与原则，从而探析低碳导向下的采煤沉陷水域城市设计策略，以期在一定程度上合理推进并创新低碳导向下的城市设计方法，还可为相关研究提供一定参考和借鉴。