2020LA先鋒獎 | 學(xué)科交叉類綜合獎：漂浮圩田社區(qū)——海平面上升情境下的居住系統(tǒng)彈性設(shè)計

應(yīng)對海平面上升的彈性社區(qū)的設(shè)想

由于全球變暖的影響，海平面上升呈持續(xù)上升趨勢。珠三角區(qū)域作為中國乃至東南亞地區(qū)經(jīng)濟最繁榮、城市化程度最高的區(qū)域之一，卻面臨海平面上升威脅，同時也是風(fēng)暴潮高發(fā)區(qū)域，一旦發(fā)生嚴重的海洋災(zāi)害將會帶來不可估量的社會經(jīng)濟損失。

本設(shè)計選取廣州南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)的三民島作為沿海居住系統(tǒng)的典型區(qū)域，嘗試在保留原有居住系統(tǒng)的活動和使用需求的基礎(chǔ)上將整體的居住系統(tǒng)向漂浮居住系統(tǒng)的方向轉(zhuǎn)變，同時將當?shù)鼐用褓囈陨娴暮档剞r(nóng)業(yè)和捕魚業(yè)向漂浮農(nóng)業(yè)和光伏水產(chǎn)養(yǎng)殖的方向轉(zhuǎn)變，形成可持續(xù)發(fā)展的新彈性沿海居住社區(qū)模式，以風(fēng)景園林學(xué)科的角度為沿海居住系統(tǒng)的適應(yīng)性規(guī)劃與設(shè)計提供借鑒。

根據(jù)IPCC的第五次評估報告（AR5），全球氣溫持續(xù)升高、全球海平面不斷上升?；赗CP8.5的情境模擬顯示，至2100年，珠江口海平面相對于2020年上升約1.13米，疊加200年一遇風(fēng)暴潮的影響后洪水高度可達4.2米。由得到的淹沒地圖可知，位于廣州市南部海岸的南沙區(qū)是受到淹沒最為嚴重的區(qū)域。

廣州市作為粵港澳大灣區(qū)的城市之一、經(jīng)濟發(fā)達，這意味著未來城市將會吸引更多人口在廣州定居，且南沙島作為廣州“南拓”戰(zhàn)略、在未來會吸引更多居住人口。加上居住用地是南沙島中最主要的建設(shè)用地，居住人口以農(nóng)業(yè)人口為主，其經(jīng)濟收入水平低、災(zāi)害恢復(fù)力低，對該地區(qū)的居住系統(tǒng)進行彈性恢復(fù)能為廣州市沿海居住系統(tǒng)的彈性規(guī)劃提供重要的參考價值。

^{▲本設(shè)計選取廣州市南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)的三民島作為設(shè)計研究對象}

三民島的居住建筑依附自然地形條件傍水而居的特點顯著，沿河涌兩側(cè)呈帶形自然衍生發(fā)展。建筑沿水而筑，與水關(guān)系密切。河涌水位通過河涌兩端閘門與伶仃洋連接，水位高度受珠江入?？谒虺毕珴q落變化影響，堤壩內(nèi)部土地多低于河涌常水位。

根據(jù)海平面上升高度情景計算公式以及每日的漲落潮情景，至2100年，三民島社區(qū)的堤壩頂部最多會被海水淹沒600mm，依附于地表的排水管道等基礎(chǔ)設(shè)施將無法正常工作，居住用地和生產(chǎn)用地受到極大破壞。

在圩田社區(qū)中，由于堤岸高程比圩田高程高，海平面上升時受到的淹沒情形不同，不同社區(qū)類型受到的損失也不同，因此根據(jù)高程及其社區(qū)功能將設(shè)計場地的居住類型主要分為三大類：堤壩上純居住系統(tǒng)、堤壩內(nèi)純居住型系統(tǒng)和居住公園混合型系統(tǒng)。

^{▲三民島不同年份情境下三種居住形態(tài)的淹沒分析}

目前三民島能源消耗體主要為村落和農(nóng)田兩種類型。村落的能源主要使用構(gòu)成則以電力、煤氣、天然氣和液化石油氣為主，兼有少量沼氣和太陽能等的使用。以三民島上常住人口4.2萬及人均電能使用量 6000kWh 作為數(shù)據(jù)來源計算，三民島每年需消耗252,000,000kwh的電能。

社區(qū)內(nèi)的天然氣、煤氣和沼氣池主要分布在居住社區(qū)的地表。至2050年海平面上升400mm的高水位時，建筑一層全部淹沒，電力系統(tǒng)遭到損壞且災(zāi)后恢復(fù)能力差、難以在短期內(nèi)為居民供電。

^{▲ 當海平面上升時，島上的能源電力系統(tǒng)將受淹遭到破壞}

^{▲居住在三民島的居民以低收入的農(nóng)民為主，為了生存選擇遷居帶來的經(jīng)濟成本更高}

為了能將傳統(tǒng)的圩田景觀永續(xù)并且能讓當?shù)鼐用耖L久安定地生活下去，本設(shè)計結(jié)合2030年、2050年、2100年三個年份的淹沒場景，提出“引水入田”的主要策略，將風(fēng)暴潮帶來的威脅轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源，將傳統(tǒng)的撤退策略轉(zhuǎn)換為適應(yīng)策略，建立海上漂浮光伏設(shè)施驅(qū)動下的漂浮圩田社區(qū)，對社區(qū)的生產(chǎn)和居住功能進行自適應(yīng)的更新。

^{▲“漂浮圩田社區(qū)”設(shè)計理念提出}

設(shè)計策略總體分為3個階段：引入水網(wǎng)-瓦解堤壩-穩(wěn)定生態(tài)。

▼ 第一階段（2030年）

打通東南-西北向水網(wǎng)，拓寬部分主要水路，以便引導(dǎo)地表徑流。由于風(fēng)暴潮多沿著東南季風(fēng)向西北侵襲，三民島原有的東北-西南向的建筑排布受熱帶風(fēng)暴的影響最大，因此居民建筑逐漸沿東南-西北向的水網(wǎng)遷移并沿河分布，建立首層架空的建筑。

▼ 第二階段（2050年）

海水水位逐漸上升，當前的河網(wǎng)密度已不能滿足三民島疏浚、排水的功能。在本階段。逐漸打破島嶼外圍的堤壩，引水入島，用拆除堤壩的原材料改為多孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施，促進貝類吸附生長，原有的旱田生產(chǎn)實現(xiàn)向貝類經(jīng)濟的轉(zhuǎn)變。經(jīng)濟上的振興與灘涂生態(tài)相輔相成。

當海水入侵使得原有的淡水河道鹽度逐漸增強，淡水開始難以獲得，為了改善當前居民區(qū)和農(nóng)業(yè)的淡水需求，房屋屋頂建設(shè)雨水收集系統(tǒng)，為居民的生活用水和農(nóng)業(yè)用水提供淡水。

▼ 第三階段（2100年）

海水水位進一步上升，高架房屋已不能適應(yīng)當前的水位，島上的旱田農(nóng)業(yè)也因為侵襲頻率越來越大的風(fēng)暴潮無法永續(xù)發(fā)展。在這一階段，引入更多的水入田，原有的農(nóng)田改建成光伏場為島嶼提供電力，而光伏場與漁業(yè)兼并發(fā)展，生態(tài)效益與經(jīng)濟效益兼并發(fā)揮。居住房屋在原有的基礎(chǔ)上改造成漂浮的房屋，剩余的部分農(nóng)業(yè)區(qū)往海水蔬菜農(nóng)業(yè)和漁業(yè)方向發(fā)展，為島上的居民提供復(fù)合的經(jīng)濟效益。

^{▲設(shè)計策略總體分為3個階段}

在漂浮結(jié)構(gòu)上，房屋底部界面采用浮力強的橡膠和塑料。在建筑污水處理設(shè)計上，為節(jié)約引入淡水，除水處理系統(tǒng)和屋頂雨水收集外，海水沖廁也會節(jié)約大量淡水。糞便污水處理采用海上化糞池，化糞池漂浮于海上并纜接于建筑的衛(wèi)生間旁邊，污水處理使用缺氧生物反應(yīng)技術(shù)工藝和沉淀技術(shù)工藝，總共經(jīng)過化糞池預(yù)處理、生物處理（厭氧水解反應(yīng)池）、后處理（沉淀池）三道工序才可處理成中水排入海中。

^{▲原有居住建筑有以下組合：屋頂帶庭院單棟住宅、零售貿(mào)易與居住結(jié)合住宅、公共活動空間建筑}

^{▲漂浮結(jié)構(gòu)由固定于地面的3.5米的橡膠護舷樁和浮動平臺組成}

▼ 光伏系統(tǒng)

至2100年，大部分圩田被光伏系統(tǒng)所取代。理論上，廣州市年總輻射量自東南向西北遞減，一般變化在4400～5000MJ／㎡/年，按5000 MJ／㎡/年計算，項目使用250W組件（組件尺寸1650*992mm），系統(tǒng)效率按80%計算。其中，一塊235MW的多晶電池板面積1.65*0.992=1.6368㎡，1MW需要1000000/235=4255.32塊電池，電池板總面積1.6368*4255.32=6965㎡。以組件面積法計算，1MW光伏站發(fā)電量為1.65*0.992*4255*5000*0.28*0.154*0.8≈1,201,251kwh。若要滿足三民島上252,000,000kwh/年的電量需求，則至少需要1,462,970㎡的土地進行發(fā)電。

通過前期的計算和太陽輻射分析，海上漂浮光伏板將主要分布在太陽輻射強的靠近島嶼外圍區(qū)域分布，以發(fā)揮光伏電站的最大性能和效益。

▼ “光漁”養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)

由于三民島地處的南海海域具有上升流、陸地邊界流及淡水的季節(jié)性大量輸入等特征，來自深海的有機物通過上升流的攜帶，對漁場的建立具有更高的初級生產(chǎn)力。光伏設(shè)施下的養(yǎng)殖系統(tǒng)可看作小型海洋牧場，其養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)主要包括漂浮型網(wǎng)箱海魚養(yǎng)殖、堤壩牡蠣礁養(yǎng)殖和網(wǎng)箱牡蠣養(yǎng)殖、漂浮型網(wǎng)箱海帶養(yǎng)殖、漂浮型翡翠貽貝養(yǎng)殖及漂浮型海蝦養(yǎng)殖籠。

^{▲“光漁”系統(tǒng)的建立對提高海岸生態(tài)恢復(fù)力有極大的幫助}

▼牡蠣礁結(jié)構(gòu)

由于三民島缺乏天然海堤的防護，設(shè)計借鑒了牡蠣礁作為天然的海岸帶防護工程所具有的消減波浪能，當海水穿過混凝土多孔結(jié)構(gòu)時，密度不一的泥沙會因為孔度大小不一的空隙重新被自動分類，淤積在不同距離，不同習(xí)性的底棲生物則會密度大小不同的泥沙上繁衍、形成新的生物聚落，如鹽沼濕地的不斷形成。

^{▲牡蠣礁有利于護灘促淤，有效加強應(yīng)對氣候變化的海岸線彈性}

▼漂浮農(nóng)業(yè)

為了保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全，在此提出海水蔬菜的概念：海水蔬菜即可用海水或稀釋海水直接繞灌或者在灘涂鹽堿地上能直接種植的蔬菜，包括一些可供食用的鹽生植物以及具備一定耐鹽能力的普通蔬菜。經(jīng)過篩選，可應(yīng)用于三民島的海水蔬菜主要有冰菜、堿蓬、甘藍、白菜、甜菜、蒲公英、畢氏海蓬子、蘆薈等。

^{▲浮動農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)能夠抵御氣候變化帶來的海水侵襲災(zāi)害、保護島上糧食安全}