Liên Hợp Quốc dự báo sự gia tăng dân số đô thị là 2,5 tỷ người từ năm 2018 đến năm 2050, điều này sẽ đồng thời dẫn đến sự mở rộng đáng kể về độ che phủ đất đô thị^1,2. Việc chuyển đổi cảnh quan thiên nhiên sang đất đô thị tác động đến cả môi trường địa phương và toàn cầu. Hiểu được những tác động này là rất quan trọng để thúc đẩy các chiến lược đô thị hóa bền vững trong tương lai. Ở cấp địa phương, phát triển đô thị dẫn đến việc thay thế cơ sở hạ tầng xanh (tức là cây cối, cây bụi và cỏ), bằng cơ sở hạ tầng màu xám, (tức là đường xá và các tòa nhà). Cơ sở hạ tầng xanh có thể được định nghĩa là “một mạng lưới các khu vực tự nhiên và bán tự nhiên được quy hoạch chiến lược với các đặc điểm môi trường khác được thiết kế và quản lý để cung cấp một loạt các dịch vụ hệ sinh thái”³. Dịch vụ hệ sinh thái là sự đóng góp trực tiếp và gián tiếp của hệ sinh thái đối với phúc lợi của con người⁴. Các dịch vụ này bao gồm một loạt các lợi ích, bao gồm cung cấp các nguồn tài nguyên thiết yếu như thực phẩm và nước ngọt, điều tiết và bảo tồn môi trường thông qua các chức năng như quản lý nước mưa, nâng cao chất lượng đất, giảm mức độ tiếng ồn và điều chỉnh nhiệt độ không khí^5,6,7. Ngoài ra, cơ sở hạ tầng xanh mang lại lợi ích văn hóa, đóng vai trò là không gian cho các hoạt động giải trí và giải trí⁸. Chuyển đổi màu xanh lá cây thành bề mặt màu xám làm tăng tính dễ bị tổn thương của đô thị đối với các mối đe dọa liên quan đến sức khỏe và khí hậu như lũ lụt và nhiệt đô thị^9,10.
Nhu cầu ngày càng tăng đối với các tòa nhà và cơ sở hạ tầng mới, được thúc đẩy bởi đô thị hóa, tác động đến môi trường không chỉ ở cấp địa phương, mà còn ở cấp độ toàn cầu. Năm 2019, sản xuất vật liệu xây dựng, như thép và xi măng, chiếm 11% năng lượng và CO liên quan đến quy trình₂ Emissions¹¹. Sự tăng trưởng liên tục của cổ phiếu xây dựng có thể dẫn đến sự gia tăng lượng khí thải liên quan đến vật liệu xây dựng từ 3,5 đến 4,6 Gt CO₂ EQ năm⁻¹ từ năm 2020–2060¹². Do đó, hậu quả của việc chuyển đổi đô thị vượt xa ranh giới thành phố, nhấn mạnh sự cần thiết phải thực hành phát triển đô thị bền vững.
Một loạt các yếu tố ảnh hưởng đến khí hậu đô thị địa phương và khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu, với các dịch vụ hệ sinh thái đóng một vai trò quan trọng^13,14. Việc cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái phụ thuộc vào loại, quy mô và cách sắp xếp cơ sở hạ tầng xanh, và cũng bị ảnh hưởng bởi khí hậu địa phương, các yếu tố phi sinh thái, như các tòa nhà và đường xá, và các biến số kinh tế xã hội^6,15,16. Ví dụ, các dịch vụ được cung cấp bởi cùng một cấu hình, kích thước và loại cơ sở hạ tầng xanh có thể khác nhau khi khí hậu và cảnh quan thay đổi¹⁶. Do đó, tiến hành đánh giá vị trí cụ thể của các dịch vụ hệ sinh thái ở độ phân giải không gian cao là rất quan trọng để nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến việc cung cấp chúng trong một khu vực nhất định.
Một số lượng đáng kể các nghiên cứu đã tập trung vào việc tìm hiểu cách đô thị hóa tác động đến cơ sở hạ tầng xanh và việc cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái. Một số nghiên cứu đã khám phá tác động của đô thị hóa đối với việc mở rộng đất đô thị^2,17 hoặc sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh^18,19. Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra tác động tiêu cực của tăng trưởng đô thị và mật độ đô thị đối với đa dạng sinh học và cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái^20,21,22 và sự đánh đổi giữa cấu hình không gian của đô thị hóa và cung cấp dịch vụ hệ sinh thái^23,24. Các cuộc điều tra về việc thực hiện các chiến lược cơ sở hạ tầng xanh đã cho thấy tiềm năng của chúng trong việc cải thiện việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái, đồng thời làm nổi bật sự hiệp lực và đánh đổi giữa các dịch vụ này^9,25. Những nghiên cứu này nhấn mạnh sự tương tác phức tạp của các yếu tố định hình môi trường đô thị và vai trò quan trọng của cơ sở hạ tầng xanh trong việc thúc đẩy các thành phố bền vững.
Lựa chọn quy hoạch đô thị cũng ảnh hưởng đến tác động liên quan đến xây dựng công trình. Xây dựng tòa nhà dày đặc làm giảm sử dụng vật liệu và phát thải khí nhà kính so với các khu vực xây dựng thưa thớt²⁶. Các khu vực đô thị dày đặc thường ưu tiên nhà ở cho nhiều gia đình, thường bao gồm các đơn vị nhà ở nhỏ hơn và do đó tiết kiệm tài nguyên hơn so với nhà ở một gia đình. Xây dựng tòa nhà dày đặc cũng liên quan đến việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn trong quá trình vận hành tòa nhà²⁷. Mặt khác, mật độ xây dựng thường dẫn đến doanh thu vật liệu cao hơn do thay thế tòa nhà²⁶ Và, trong trường hợp xây dựng nhà cao tầng, các tòa nhà cũng có xu hướng sử dụng nhiều vật liệu hơn do nhu cầu về các thành phần cấu trúc bổ sung²⁸. Do đó, vị trí và đặc điểm của các tòa nhà đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình các tác động môi trường toàn cầu.
Ngoài các lựa chọn quy hoạch không gian, các chiến lược kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực xây dựng là rất quan trọng để giảm tác động môi trường. Các chiến lược này bao gồm nhiều thực tiễn khác nhau, bao gồm kéo dài tuổi thọ tòa nhà, sử dụng vật liệu xây dựng thay thế, chẳng hạn như vật liệu sinh học hoặc nhẹ, nguồn năng lượng thay thế, tăng hiệu quả vật liệu, thiết kế khả năng tái sử dụng và tái chế, giảm thiểu không gian sàn nhà ở và tăng cường quy trình tái chế^12,26,29. Thực hiện các chiến lược này có thể dẫn đến giảm một nửa lượng phát thải GHG liên quan đến vật liệu so với Đường cơ sở^12,26. Tuy nhiên, một số chiến lược cho thấy sự đánh đổi, chẳng hạn như tác động sử dụng đất đáng kể liên quan đến việc xây dựng nhà gỗ²⁶.
Một số nghiên cứu về tác động của đô thị hóa đối với vật liệu xây dựng đã được tiến hành. Các đánh giá lịch sử về khai thác khoáng sản xây dựng ở cấp độ toàn cầu cũng như các dự báo cho tương lai đã được công bố bởi Hội đồng Tài nguyên Quốc tế, cho thấy mức tăng gấp ba lần trong giai đoạn 1970-2015 và tăng thêm gấp đôi cho đến năm 2050³⁰. Các nghiên cứu rõ ràng về không gian cho thấy chi tiết hơn: bản đồ xây dựng có độ phân giải cao cho phép đánh giá các vật liệu được kết hợp trong chúng, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các cơ hội sử dụng tài nguyên bền vững^26,31. Bản đồ chứng khoán xây dựng lịch sử đã được sử dụng để xem xét kỹ lưỡng các mô hình tăng trưởng đô thị và động lực dự trữ vật liệu liên quan theo thời gian^32,33,34,35. Bản đồ của các tòa nhà hiện tại cũng đóng vai trò là nền tảng để mô hình hóa các động lực trong tương lai để xác định các giải pháp bền vững hơn cho xây dựng tòa nhà^26,29.
Trong khi các nghiên cứu hiện tại cung cấp những hiểu biết có giá trị về các khía cạnh bền vững cụ thể của phát triển đô thị, một cách tiếp cận tích hợp cung cấp cái nhìn sâu sắc về cả tác động địa phương và toàn cầu của đô thị hóa vẫn còn thiếu. Điều này rất quan trọng vì phát triển đô thị tác động đến cả cơ sở hạ tầng xanh và xám; Phân tích các tác động này cùng nhau cung cấp cơ hội để giảm tác động liên quan đến xây dựng các tòa nhà, đồng thời giảm tổn thất hoặc cải thiện tính sẵn có của các dịch vụ hệ sinh thái. Để thu hẹp khoảng cách này, bài viết này nhằm giải quyết câu hỏi sau: Làm thế nào để quy hoạch cơ sở hạ tầng xanh và xám có thể được tối ưu hóa để phát triển đô thị bền vững? Chúng tôi lấy Hà Lan làm nghiên cứu điển hình, một quốc gia đáng chú ý với mật độ dân số cao và những thách thức môi trường độc đáo. Trong khi tập trung vào Hà Lan, chúng tôi cung cấp những hiểu biết và phương pháp tiếp cận có thể chuyển sang các môi trường đô thị khác để tăng cường sự hiểu biết và thực hiện các phương pháp phát triển đô thị bền vững. Giải quyết câu hỏi này rất quan trọng trong bối cảnh xu hướng đô thị hóa quốc tế được dự đoán đến năm 2050^1,36, đã dẫn đến một số sáng kiến và chính sách. Chúng bao gồm Sáng kiến đô thị châu Âu, tập trung vào việc tạo ra các giải pháp sáng tạo cho sự bền vững đô thị³⁷; Luật Phục hồi Thiên nhiên Châu Âu, nhằm mục đích không mất không gian xanh ròng và đặt mục tiêu tăng lên vào năm 2050³⁸; và tham vọng của Thỏa thuận xanh châu Âu hướng tới đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào cùng năm³⁹. Nghiên cứu của chúng tôi cũng phù hợp với các cam kết toàn cầu, chẳng hạn như các mục tiêu của Liên Hợp Quốc cho tương lai đô thị bền vững, làm nổi bật sự liên quan rộng lớn hơn trong công việc của chúng tôi¹. Cam kết của Hà Lan nhằm đạt được tính tuần hoàn và trung hòa khí hậu vào năm 2050 là minh chứng cho những nỗ lực rộng lớn hơn này⁴⁰.
Hình 1 trình bày khung phương pháp. Phân tích của chúng tôi bắt đầu với các chiến lược rõ ràng về không gian để xây dựng và phá hủy tòa nhà từ 2018 đến 2050, như được nêu bởi Cơ quan Đánh giá Môi trường Hà Lan⁴¹. Những chiến lược này dựa trên dự báo tăng trưởng dân số khu vực và các địa điểm ưa thích để xây dựng tòa nhà. Chúng tôi tập trung chủ yếu vào hai cách tiếp cận tương phản: chiến lược dày đặc, tập trung xây dựng trong các khu vực đô thị hiện tại và chiến lược thưa thớt, thúc đẩy phát triển ở các khu vực mật độ thấp như khu nông nghiệp và công nghiệp (Bảng 1). Phân tích của chúng tôi xem xét ý nghĩa của các chiến lược này đối với tác động vật liệu xây dựng, thay đổi sử dụng đất và cung cấp dịch vụ hệ sinh thái. Đầu tiên, chúng tôi phân tích tác động của đô thị hóa đối với các khía cạnh ngoài địa phương: nhu cầu về vật liệu xây dựng chính, phát thải khí nhà kính và sử dụng đất thể hiện liên quan đến khai thác và sản xuất vật liệu xây dựng (Hình. 1a). Cách tiếp cận của chúng tôi kết hợp ba phương pháp xây dựng: thông thường, tuần hoàn và dựa trên sinh học. Những phương pháp này được áp dụng trong khuôn khổ các chiến lược đô thị hóa dày đặc và thưa thớt. Thứ hai, chúng tôi đánh giá các chiến lược đô thị hóa này ảnh hưởng như thế nào đến sự thay đổi sử dụng đất của địa phương và tác động của nó đối với việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái địa phương (Hình. 1b): Tính sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh địa phương, quy định nhiệt độ không khí và khả năng giữ nước mưa (Bảng 2). Những dịch vụ này rất quan trọng để nâng cao chất lượng cuộc sống đô thị và cải thiện khả năng phục hồi trước các thách thức về môi trường và kinh tế xã hội⁴². Trong phân tích dịch vụ hệ sinh thái và sử dụng đất của chúng tôi, chúng tôi tích hợp các chiến lược dày đặc và thưa thớt với hai cách tiếp cận sử dụng đất riêng biệt: Màu xanh lá cây, nhấn mạnh việc phủ xanh rộng rãi xung quanh các tòa nhà và Xám, đặc trưng bởi sự phát triển cơ sở hạ tầng xanh tối thiểu. Trong bước cuối cùng, chúng tôi xác định sự kết hợp hiệu quả nhất giữa các chiến lược xây dựng và sử dụng đất cho từng chỉ số bền vững, làm nổi bật sự hiệp lực và đánh đổi chính (Hình. 1c). Kéo dài giai đoạn từ 2018 đến 2050 và xây dựng dựa trên công việc của van Oorschot et al. (2023)²⁶, nghiên cứu của chúng tôi tích hợp một loạt các chỉ số bền vững để hỗ trợ phát triển đô thị bền vững. Trong các bảng dưới đây (Bảng 1 và 2), các chiến lược đô thị hóa, phương pháp sử dụng đất và lựa chọn vật liệu xây dựng được tóm tắt, cũng như các chỉ số bền vững mà chúng được đánh giá.

Vật liệu xây dựng

Trong phần này, chúng tôi trình bày kết quả sử dụng vật liệu xây dựng giai đoạn 2018-2050, liên quan đến ba chỉ tiêu phi địa phương: sử dụng vật liệu xây dựng chính, CO từ nôi đến cổng₂– Phát thải, và thể hiện việc sử dụng đất. Hình 2 cho thấy kết quả.

Tiềm năng nóng lên toàn cầu liên quan đến vật liệu xây dựng tổng cộng từ 68 đến 127 megaton (Mt) CO₂– Tương đương trong giai đoạn 2018-2050, tùy thuộc vào chiến lược đô thị hóa và lựa chọn vật liệu xây dựng. Hàng năm, điều này có thể được chuyển thành trung bình 2-4 triệu tấn / năm, tương đối thấp so với tác động liên quan đến sưởi ấm không gian, bao gồm 24,7 Mt CO₂-tương đương chỉ riêng trong năm 2018⁴³. Tuy nhiên, khi các tòa nhà dự kiến sẽ giảm đáng kể năng lượng hoạt động do quá trình chuyển đổi năng lượng, việc giải quyết lượng khí thải từ vật liệu ngày càng trở nên quan trọng. Xây dựng dựa trên sinh học nổi bật với nhu cầu thấp nhất đối với vật liệu chính và lượng khí thải nhà kính thể hiện thấp nhất, phần lớn là kết quả của việc thay thế các cấu trúc bê tông bằng gỗ. Tuy nhiên, xây dựng dựa trên sinh học thể hiện tác động sử dụng đất cao đáng chú ý liên quan đến sản xuất gỗ, đạt hơn 16000 km² cho chiến lược Sparse và Biobased, tương đương 40% diện tích bề mặt của Hà Lan. Việc sử dụng đất thể hiện này vượt xa đáng kể so với các tòa nhà thông thường và chiến lược xây dựng hình tròn, nằm trong khoảng từ 4000 đến 7000 km². Nhìn chung, việc xây dựng hình tròn dường như là lựa chọn thuận lợi nhất, dẫn đến việc sử dụng vật liệu sơ cấp thấp hơn cũng như CO thấp hơn₂– Phát thải, không đánh đổi để thể hiện việc sử dụng đất.
Từ góc độ vật liệu xây dựng, ưu tiên các hoạt động xây dựng dày đặc hơn so với các tòa nhà thưa thớt là lựa chọn bền vững hơn (Hình. 2). Trong khi mật độ dày đặc dẫn đến tăng thay thế tòa nhà, do đó làm tăng nhu cầu về vật liệu, các cấu trúc được tạo ra trong môi trường dày đặc hơn thường nhỏ hơn, ưu tiên nhà ở nhiều gia đình hơn nhà ở một gia đình. Cùng với tiềm năng lớn hơn cho việc sử dụng vật liệu thứ cấp, điều này dẫn đến giảm tác động môi trường so với xây dựng tòa nhà thưa thớt. Kết quả không thay đổi giữa chiến lược Xanh và Xám, bởi vì khu vực xung quanh của tòa nhà không ảnh hưởng đến các tác động liên quan đến vật liệu (Bảng 3).

Hình 3a cho thấy ở cấp quốc gia, các vị trí xây dựng không khác nhau về chiến lược dày đặc và thưa thớt. Trong cả hai chiến lược, các hoạt động xây dựng tập trung trong các đô thị đô thị hóa hơn ở phía tây trung tâm của Hà Lan. Điều này phản ánh các dự báo nhân khẩu học được đưa ra bởi Cơ quan Đánh giá Môi trường Hà Lan⁴⁴. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa hai bản đồ cũng rõ ràng. Một số lượng đáng kể các đô thị, đặc biệt là ở phần trung tâm của Hà Lan, thể hiện nhu cầu vật chất cao hơn theo chiến lược Thưa thớt so với chiến lược dày đặc.

Thay đổi mục đích sử dụng đất và bìa đất (LULC)

Phát hiện của chúng tôi cho thấy các tòa nhà chiếm một phần tương đối nhỏ trong tổng diện tích đất chuyển đổi và do đó làm nổi bật tiềm năng tăng trưởng đồng thời trong cơ sở hạ tầng xanh cùng với việc mở rộng diện tích xây dựng cho chiến lược Xanh (Hình. 4). Trong số các chiến lược được xem xét, sự kết hợp Thưa thớt-Xanh nổi lên là hiệu quả nhất trong việc mở rộng diện tích cơ sở hạ tầng xanh, với mức tăng 5% so với năm 2018 (3% đối với Màu xanh lá cây dày đặc). Giá trị cao hơn cho Sparse bắt nguồn từ mật độ xây dựng thấp hơn, dẫn đến diện tích đất biến đổi lớn hơn (Hình. 3b). Trong trường hợp không có tích hợp cơ sở hạ tầng xanh (chiến lược Gray), cơ sở hạ tầng xanh giảm 2% trong chiến lược dày đặc và gần 1% trong chiến lược thưa thớt. Tuy nhiên, cách tiếp cận thưa thớt làm giảm đáng kể đất nông nghiệp, tạo ra sự đánh đổi giữa phát triển đô thị và khu vực nông nghiệp.

Trong cả hai chiến lược dày đặc và thưa thớt, việc xây dựng chủ yếu xảy ra ở miền trung-Tây Hà Lan, dường như tương quan với những thay đổi lớn nhất trong khu vực cơ sở hạ tầng xanh (Hình. 3b). Tuy nhiên, các biến thể trong các mô hình không gian của nhu cầu vật chất và thay đổi sử dụng đất và độ che phủ đất (LULC) cũng có thể nhìn thấy. Điều này là do những thay đổi trong cơ sở hạ tầng xanh bị ảnh hưởng không chỉ bởi tổng diện tích được chuyển đổi, mà còn bởi LULC ban đầu. Ví dụ, các đô thị nơi một khu vực tương đối nhỏ của cơ sở hạ tầng phần lớn màu xám được chuyển đổi thành sự kết hợp của cơ sở hạ tầng màu xám và xanh có thể cho thấy sự gia tăng lớn hơn về cơ sở hạ tầng xanh so với các thành phố nơi một khu vực rộng lớn chủ yếu là màu xanh lá cây được chuyển đổi thành hỗn hợp cơ sở hạ tầng xanh và xám. Tương tự, trong khi hầu hết các đô thị trải qua sự suy giảm cơ sở hạ tầng xanh trong chiến lược Gray, một số đô thị vẫn cho thấy sự gia tăng cơ sở hạ tầng xanh do sự chuyển đổi của các khu vực phi dân cư như đất nông nghiệp hoặc công nghiệp thành các khu vực xây dựng với một lượng nhỏ cơ sở hạ tầng xanh. Các bản đồ cho thấy sự đánh đổi giữa tác động vật chất và sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh: trong khi chiến lược Thưa thớt-Xanh dẫn đến sự gia tăng đáng kể hơn trong cơ sở hạ tầng xanh, chiến lược Dày đặc có lợi hơn về yêu cầu vật liệu xây dựng.

Dịch vụ hệ sinh thái

Việc thiếu tích hợp cơ sở hạ tầng xanh trong xây dựng tòa nhà có liên quan đến việc giảm nguồn cung dịch vụ hệ sinh thái. Đối với các chiến lược Gray, các khu vực mới được xây dựng trải qua sự suy giảm hơn 5% về sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh (trong vòng 1 km² khu vực xung quanh nhà ở) và khả năng giữ nước mưa, với nhiệt độ không khí tăng nhẹ trên 1%, so với mức trung bình của năm 2018. Đối với sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh, tác động rõ rệt nhất trong chiến lược xây dựng thưa thớt, nơi sự thống trị của cơ sở hạ tầng xám và đất nông nghiệp dẫn đến giảm đáng kể 42%. Cả Dense-Grey và Sparse-Gray đều cho thấy khả năng giữ nước mưa giảm gần 50%. Ngược lại, khi đánh giá tổng số tòa nhà (tức là các tòa nhà hiện có cộng với các tòa nhà mới được xây dựng), mức giảm thường ít nghiêm trọng hơn, dưới 5% đối với hầu hết các dịch vụ ngoại trừ tính sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh, cho thấy mức giảm 7% và 5% trong chiến lược dày đặc và thưa thớt, tương ứng. Ngược lại, việc tích hợp cơ sở hạ tầng xanh với xây dựng công trình dẫn đến tăng ròng hoặc ổn định nguồn cung dịch vụ hệ sinh thái so với năm 2018 (Bảng 3). Đối với toàn bộ tòa nhà, những thay đổi nhỏ hơn 5% đối với nhiệt độ không khí và khả năng giữ nước mưa, nhưng vượt quá 5% đối với sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh, cho thấy tác động đáng kể.
So với mức trung bình của năm 2018, chiến lược Sparse-Green dẫn đến sự gia tăng đáng kể gần 60% về khả năng cung cấp cơ sở hạ tầng xanh, cho các khu vực mới được xây dựng. Chiến lược Dense-Green cho thấy sự cải thiện thấp hơn, nhưng đáng kể, gần 40% so với mức trung bình năm 2018. Khi xem xét toàn bộ nguồn cung xây dựng dự kiến cho năm 2050, cách tiếp cận Thưa thớt-Xanh vẫn dẫn đầu với mức tăng khoảng 10% trong cơ sở hạ tầng xanh, theo sát là chiến lược Dense-Green ở mức 8%. Về mặt tuyệt đối, các chiến lược Xanh cho thấy sự gia tăng từ mức trung bình 0,303 km² (trong vòng 1 km² xung quanh nhà ở) vào năm 2018 đến từ 0,328 km² và 0,332 km2.
Việc lựa chọn chiến lược đô thị hóa hiệu quả nhất để làm mát đô thị khác nhau tùy thuộc vào quy mô phân tích. Tập trung vào các khu vực mới được xây dựng từ năm 2018 đến năm 2050, cách tiếp cận Thưa thớt-Xanh là chiến lược được ưu tiên. Phương pháp này làm giảm nhẹ nhiệt độ không khí 0,4%, tương ứng với 0,12 ^oC vào những ngày hè nóng bức, trong khi chiến lược Dense-Green dẫn đến mức tăng nhẹ 0,5%. Sự gia tăng nhiệt độ cho Dense-Green có thể được quy cho việc thay thế một phần cơ sở hạ tầng xanh đô thị bằng cơ sở hạ tầng màu xám. Ngược lại, chiến lược Thưa thớt-Xanh chuyển đổi một phần đáng kể đất nông nghiệp thành cơ sở hạ tầng xanh, dẫn đến giảm nhiệt độ tổng thể. Kết quả thay đổi khi phân tích toàn bộ cổ phiếu xây dựng. Trong bối cảnh rộng lớn hơn, chiến lược Dày đặc nổi lên hiệu quả hơn, cho thấy nhiệt độ không khí giảm nhẹ 0,01%. Hiệu quả cao hơn này là do chiến lược Dense-Green giới thiệu cơ sở hạ tầng xanh ở những khu vực có nhiệt độ tương đối cao, do đó có tác dụng làm mát đáng kể hơn so với chiến lược Thưa thớt-Xanh. Điều quan trọng là phải nhấn mạnh rằng những thay đổi nhiệt độ này là cận biên, một điểm sẽ được mở rộng trong phần thảo luận.
Trong bối cảnh giữ nước mưa, phân tích của chúng tôi cho thấy rằng xây dựng đô thị dày đặc, khi được tích hợp với cơ sở hạ tầng xanh, thể hiện khả năng duy trì cao hơn một chút so với các công trình xây dựng thưa thớt. Chiến lược Dense-Green cho thấy sự gia tăng hơn 20% trong việc giữ nước mưa cho các công trình xây dựng mới, so với mức tăng ít hơn 20% được quan sát thấy trong chiến lược Sparse-Green. Khi xem xét toàn bộ cổ phiếu xây dựng, chiến lược Dense-Green mang lại mức tăng 2,1% trong việc giữ nước mưa, vượt qua mức tăng 1,9% đạt được bởi chiến lược Sparse-Green. Tỷ lệ cải thiện thấp hơn một chút liên quan đến chiến lược Thưa thớt có thể được quy cho việc chuyển đổi một phần đáng kể đất nông nghiệp. Vùng đất này vốn sở hữu khả năng giữ nước mưa hiệu quả, làm giảm tác động tương đối của chiến lược. Hơn nữa, chiến lược Dày đặc được đặc trưng bởi tỷ lệ xây dựng căn hộ cao hơn so với chiến lược thưa thớt. Các loại tòa nhà này sử dụng không gian hiệu quả hơn so với nhà liền kề hoặc nhà riêng lẻ, cho phép tạo ra các khu vực đáng kể để phát triển cơ sở hạ tầng xanh.
Tóm lại, sự đánh đổi tồn tại trong các quyết định quy hoạch không gian cho các dịch vụ hệ sinh thái được nghiên cứu và những sự đánh đổi này có thể thay đổi tùy thuộc vào phạm vi phân tích. Nhìn chung, chiến lược Dense-Green có khả năng là lựa chọn tốt nhất vì nó tích hợp chiến lược cơ sở hạ tầng xanh ở các khu vực có nhu cầu cao, cuối cùng mang lại lợi ích cho dân số lớn hơn.

Đánh giá địa phương về các dịch vụ hệ sinh thái

Hình 5 cho thấy sự thay đổi về LULC, tính sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh, nhiệt độ không khí và khả năng giữ nước mưa từ năm 2018 đến năm 2050 diễn ra ở cấp địa phương, cho thấy một ví dụ trong khu vực Leiden. Hình vẽ nêu bật sự khác biệt giữa các chiến lược Dense-Green và Sparse-Green. Trong chiến lược Dense, trọng tâm chính là chuyển đổi các khu đô thị được xây dựng trong thành phố Leiden. Ngược lại, chiến lược Sparse chủ yếu nhắm vào việc chuyển đổi đất nông nghiệp ở ngoại ô Leiden.

Cả hai chiến lược đều chứng minh sự gia tăng đáng kể về tính sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh (Hình. 5b), với sự gia tăng rõ rệt hơn trong chiến lược thưa thớt, do chuyển đổi chủ yếu là đất nông nghiệp thành cơ sở hạ tầng xanh một phần. Trong chiến lược Dày đặc, một số hoạt động xây dựng được thực hiện ở những khu vực đã có tỷ trọng xanh đáng kể, dẫn đến sự gia tăng nhỏ hơn về cơ sở hạ tầng xanh so với thưa thớt. Trong chiến lược thưa thớt, một phần nhỏ ở phía tây nam của Leiden cho thấy sự giảm sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh do sự chuyển đổi không gian xanh thành khu vực xây dựng một phần.
Trong chiến lược dày đặc, sự thay đổi nhiệt độ không khí cho thấy một mô hình tương tự như sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh (Hình. 5c), với sự giảm rõ rệt nhất ở các khu vực đô thị hóa của Leiden. Sự giảm nhiệt độ không khí lớn nhất trong Leiden được quan sát theo chiến lược Dày đặc, đạt được mức giảm tối đa 0,21 ° C. Ngược lại, chiến lược thưa thớt dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trên một khu vực rộng lớn, mặc dù tích hợp cơ sở hạ tầng xanh vào các dự án xây dựng. Sự gia tăng này chủ yếu là do việc chuyển đổi đất nông nghiệp mát mẻ hơn và không gian xanh thành cơ sở hạ tầng xám một phần. Tuy nhiên, trong chiến lược thưa thớt, một số khu vực đô thị hóa, đặc biệt là những khu vực có khu công nghiệp được chuyển đổi ở Leiden, thể hiện hiệu ứng làm mát. Nhiệt độ cục bộ này tương phản với dữ liệu tổng hợp cho toàn bộ Hà Lan, nhấn mạnh tầm quan trọng của phân tích đa quy mô trong việc hiểu tác động của các chiến lược phát triển đô thị.
Hơn nữa, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy sự thay đổi đáng kể về khả năng giữ nước mưa trên toàn khu vực. Để cải thiện việc giải thích kết quả, chúng tôi đã tổng hợp dữ liệu đến độ phân giải 100 × 100 mét (Hình. 5đ). Các phát hiện tổng hợp phù hợp với xu hướng chung được quan sát trên toàn quốc. Theo chiến lược Dày đặc, khả năng giữ nước mưa tăng rõ rệt, đạt mức tăng tối đa 58% so với năm 2018. Trong chiến lược Sparse, việc chuyển đổi phần lớn đất nông nghiệp và cơ sở hạ tầng xanh thành cơ sở hạ tầng màu xám một phần dẫn đến giảm khả năng giữ nước mưa, với mức giảm tối đa 15,9%.

Khám phá các chiến lược phát triển đô thị bền vững là điều cần thiết để phát triển một môi trường đô thị bền vững nhất có thể. Nghiên cứu này đã xem xét tác động của đô thị hóa, nhấn mạnh các tác động môi trường toàn cầu của việc sử dụng vật liệu xây dựng và tác động đến thay đổi sử dụng đất và các dịch vụ hệ sinh thái tại địa phương, để hiểu cách tối ưu hóa phát triển đô thị cho sự bền vững.
Phát hiện của chúng tôi cho thấy sự phát triển đô thị dày đặc được ưa thích từ góc độ vật liệu xây dựng do việc xây dựng các đơn vị nhà ở nhỏ hơn và tiềm năng tái sử dụng và tái chế cao hơn. Phát triển đô thị dày đặc cũng có khả năng tiết kiệm năng lượng hơn, vì mật độ dân số cao thường tương quan với mức tiêu thụ năng lượng bình quân đầu người thấp hơn²⁷. Khi kết hợp với phát triển cơ sở hạ tầng xanh, phát triển đô thị dày đặc cũng có thể dẫn đến sự gia tăng nguồn cung dịch vụ hệ sinh thái ở những khu vực có nhu cầu cao. Trong khi những lập luận này ủng hộ sự phát triển đô thị dày đặc, phát triển cơ sở hạ tầng xanh ở các khu vực đông dân cư có thể đặt ra những thách thức do nhu cầu cao đối với các dịch vụ liên quan đến cơ sở hạ tầng xám, như nhà ở, mục đích thương mại và giao thông, dẫn đến cạnh tranh sử dụng đất. Ngoài ra, cơ sở hạ tầng ngầm, như đường ống và cáp, có thể làm phức tạp việc triển khai cơ sở hạ tầng xanh, đặc biệt là đối với cây xanh⁴⁵. Do đó, chúng tôi nhận thấy rằng, ngoài việc phát triển cơ sở hạ tầng xanh ở mặt đất, các cách thay thế để thực hiện cơ sở hạ tầng xanh trong các khu vực đô thị, chẳng hạn như mái nhà xanh và mặt tiền, cũng cần được nghiên cứu.
Việc xây dựng các tòa nhà thưa thớt đã phải đối mặt với những lời chỉ trích vì thúc đẩy mở rộng đô thị, do đó làm giảm môi trường sống tự nhiên và đa dạng sinh học, đồng thời tăng phát thải khí nhà kính và chi phí liên quan đến cơ sở hạ tầng giao thông, nước và năng lượng^46,47. Phân tích của chúng tôi chỉ ra rằng việc xây dựng các tòa nhà thưa thớt chủ yếu dẫn đến sự đánh đổi giữa đất nông nghiệp và các khu vực xây dựng, trong khi thiên nhiên được bảo vệ đã bị loại trừ khỏi phân tích. Cần phải nhấn mạnh rằng những kết luận này có giá trị đối với Hà Lan, nơi các khu vực tự nhiên khan hiếm, nhỏ và được bảo vệ tốt, và đất phi văn hóa không có. Trong tình hình như vậy, phát triển đô thị thưa thớt có thể tác động tích cực đến việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái và đa dạng sinh học, khi kết hợp với phát triển cơ sở hạ tầng xanh. Tuy nhiên, để duy trì sản xuất lương thực (một dịch vụ hệ sinh thái quan trọng khác), sự phát triển đô thị thưa thớt có thể vô tình dẫn đến việc chuyển đổi các khu vực khác, có thể giàu đa dạng sinh học, thành đất nông nghiệp. Những lập luận này một lần nữa thúc đẩy phát triển đô thị dày đặc. Rõ ràng, có sự đánh đổi giữa sự phát triển đô thị dày đặc và thưa thớt về vật liệu xây dựng, sử dụng năng lượng, sử dụng đất, dịch vụ hệ sinh thái và đa dạng sinh học. Xem xét những đánh đổi này là rất quan trọng để phát triển đô thị bền vững.
Chúng tôi đánh giá tính sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh là tổng cơ sở hạ tầng xanh trong khu vực 1 km² xung quanh nhà ở. Phương pháp này khác với phân tích bình quân đầu người thông thường về sự sẵn có của không gian xanh và đóng vai trò là một chỉ số rộng về cung cấp dịch vụ hệ sinh thái, trong khi chỉ số bình quân đầu người thường tập trung vào các dịch vụ giải trí²¹. Phát hiện của chúng tôi cho thấy sự gia tăng đáng kể về tổng số cơ sở hạ tầng xanh sẵn có cho các chiến lược Xanh, cho thấy việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái được tăng cường. Thông qua việc dịch những phát hiện của chúng tôi thành các thuật ngữ bình quân đầu người, chúng tôi có thể so sánh với các tài liệu hiện có để cung cấp dịch vụ giải trí. Đến năm 2050, sự sụt giảm khả năng cung cấp cơ sở hạ tầng xanh từ 34 m² bình quân đầu người xuống còn 20 m² trên đầu người đã được quan sát thấy đối với các chiến lược Xanh, xuất phát từ mật độ dân số tăng. Những giá trị này nằm trong phạm vi rộng của không gian xanh sẵn có ở các thành phố châu Âu, dao động từ 2,5 đến 200 m² trên đầu người^48,49. Trong một nghiên cứu gần đây, Liu et al. ²¹ Báo cáo rằng ở khu vực Paris, chỉ đạt được 48% mục tiêu chính sách bình quân đầu người 10 m² trong bán kính 500 mét, làm nổi bật sự chênh lệch với cơ sở hạ tầng xanh không đủ ở các khu vực đông dân cư trái ngược với dư thừa ở những khu vực ít dân cư hơn²¹. Kết quả của chúng tôi phần lớn phù hợp với mô hình này, cho thấy sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh thấp ở các khu vực đô thị (thường dưới 1 m² bình quân đầu người trong vòng 1 km² khu vực xung quanh nhà ở), trái ngược với các khu vực bên ngoài trung tâm đô thị, nơi có sẵn thường vượt quá 10 mét vuông trên đầu người. Tuy nhiên, ở một số khu vực nông thôn, kết quả của chúng tôi cho thấy giá trị bình quân đầu người thấp vì tỷ lệ đất nông nghiệp lớn không được coi là không gian xanh dễ tiếp cận. Sự thay đổi lớn về tính sẵn có của GI, và do đó sự sẵn có của các dịch vụ hệ sinh thái, nhấn mạnh sự cần thiết phải có một số liệu tiêu chuẩn hóa cho sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh để hỗ trợ tính bền vững của đô thị.
Các chiến lược của chúng tôi cho thấy tiềm năng tăng khả năng giữ nước mưa lên tới 2% so với năm 2018. Tại địa phương, sự gia tăng khả năng giữ nước mưa có thể lớn hơn nhiều so với 2%, dẫn đến giảm mạnh phần nước mưa chảy ra khỏi bề mặt, cùng với các chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm liên quan. Mức trung bình 2% là đáng kể, do hơn 600 km² diện tích bề mặt đất đang được chuyển đổi, mang lại tiềm năng đáng kể để giảm nhu cầu xử lý và thoát nước mưa. Để so sánh, một nghiên cứu về chiến lược cơ sở hạ tầng xanh cho Amsterdam đã chứng minh tiềm năng giảm hàng năm 1,4 triệu mét khối khối lượng xử lý nước mưa, giảm chi phí xử lý 1,1 triệu euro mỗi năm²⁵. Trong chiến lược của chúng tôi, tổng diện tích cơ sở hạ tầng xanh được tạo ra có thể cao hơn tới 200 lần so với nghiên cứu nói trên.
Thay đổi nhiệt độ không khí là nhỏ trong kết quả của chúng tôi, với mức giảm trung bình 0,02 ° C trên tổng số tòa nhà và giảm tối đa cục bộ là 0,42 ° C. Những kết quả này phù hợp với các nghiên cứu tương tự về chiến lược xanh hóa^25,50. Tác động nhiệt độ nhỏ có thể được quy cho việc sử dụng đất tương đối nhỏ và thay đổi độ che phủ đất liên quan đến diện tích đất tổng thể của Hà Lan, kết hợp với khoảng cách trộn không khí đáng kể là 500 mét. Về mặt tuyệt đối, các khu vực xây dựng dày đặc cho thấy nhiệt độ cao hơn tới 2 ° C so với khu vực nông thôn. Các nghiên cứu gần đây cho thấy nhiệt đô thị bị ảnh hưởng mạnh bởi mật độ xây dựng^20,51, cho thấy sự ưu tiên phát triển đô thị mật độ thấp để điều chỉnh nhiệt độ tốt hơn. Tuy nhiên, các khu vực đô thị dày đặc, có nhu cầu làm mát lớn hơn, có thể thu được nhiều lợi ích hơn từ việc triển khai cơ sở hạ tầng xanh. Phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng việc tích hợp cơ sở hạ tầng xanh với xây dựng tòa nhà mới là không đủ để đạt được sự làm mát đáng kể, cho thấy cần có các biện pháp xanh bổ sung, thông qua việc tích hợp cơ sở hạ tầng xanh trong các tòa nhà hoặc thông qua việc giảm mật độ xây dựng.
Trong các chiến lược xây dựng được đánh giá, chiến lược dựa trên sinh học cho thấy lượng phát thải khí nhà kính (GHG) thấp nhất. Tuy nhiên, các công trình xây dựng dựa trên sinh học tác động đáng kể đến việc sử dụng đất thể hiện do các yêu cầu đối với canh tác gỗ. Sự phụ thuộc nặng nề của Hà Lan vào nhập khẩu gỗ làm dấy lên lo ngại về tính bền vững của xây dựng dựa trên sinh học. Việc nâng cấp quy mô sản xuất gỗ tại địa phương cũng là một thách thức, do đất đai có sẵn hạn chế và cạnh tranh với nhà ở, nông nghiệp và bảo tồn thiên nhiên⁵². Mishra và cộng sự. ⁵³ Cho thấy sự gia tăng trên toàn thế giới của các tòa nhà bằng gỗ, lên tới 90% các công trình xây dựng mới từ năm 2020 đến năm 2100, là khả thi nếu năng suất đất nông nghiệp tăng gấp đôi⁵³. Việc tăng cường này sẽ cho phép nhiều đất hơn cho lâm nghiệp đồn điền. Tuy nhiên, để đạt được điều này đòi hỏi quản trị toàn cầu mạnh mẽ và lập kế hoạch cẩn thận. Từ góc độ tác động môi trường tổng thể, việc lựa chọn chiến lược xây dựng vòng tròn dẫn đến ít sự đánh đổi nhất. Ưu tiên này trở nên rõ ràng hơn khi mở rộng phân tích sau năm 2050, giai đoạn mà các tòa nhà được xây dựng từ năm 2018 đến năm 2050 sẽ được giải cấu trúc. Thiết kế hình tròn tạo điều kiện tái chế vật liệu và tái sử dụng thành phần, làm cho chúng trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho sự bền vững lâu dài của môi trường xây dựng.
Trong quá khứ, mô hình đô thị hóa đã cho thấy sự đa dạng lớn giữa các vùng miền và thành phố⁵⁴. Với quá trình đô thị hóa đang diễn ra, chúng ta phải đối mặt với cơ hội để định hướng phát triển đô thị theo hướng bền vững. Chúng tôi đã chứng minh làm thế nào quá trình này có thể được hỗ trợ bằng cách định lượng tác động của các chiến lược đô thị hóa đối với các chỉ số bền vững khác nhau. Các chỉ số này liên quan đến việc ra quyết định và lập kế hoạch ở các cấp độ khác nhau. Ở quy mô địa phương, các bản đồ cho thấy những thay đổi tương đối trong việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái có thể được các nhà quy hoạch đô thị sử dụng để phát triển hoặc đánh giá kế hoạch của họ, xác định sự đánh đổi trong việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái và ưu tiên các khía cạnh bền vững. Ở quy mô lớn hơn, các kết quả tác động tổng hợp, như được trình bày trong Bảng 3, tạo điều kiện so sánh các lựa chọn ra quyết định trên các khía cạnh bền vững khác nhau. Các chiến lược và chiến lược xanh hóa để xây dựng tòa nhà thường được xử lý bởi các cơ quan khác nhau^55,56. Nghiên cứu của chúng tôi nhấn mạnh sự cần thiết của một phương pháp lập kế hoạch tích hợp kết hợp những nỗ lực này. Chiến lược quy hoạch ở cấp địa phương cũng cần phải phù hợp với các chính sách cấp cao hơn, ví dụ liên quan đến các khu vực hạn chế đô thị hóa⁵⁷. Các chính sách liên quan đến khí hậu, bao gồm hiệu suất môi trường của các tòa nhà, thường được giải quyết ở cấp độ (liên quốc gia)⁵⁸. Ở cấp quốc gia, những hiểu biết sâu sắc từ nghiên cứu của chúng tôi cung cấp hướng dẫn cho các nhà hoạch định chính sách để xây dựng các chiến lược để tăng cường tính bền vững của các hoạt động xây dựng, ví dụ liên quan đến địa điểm xây dựng, sử dụng vật liệu và thực hành tái chế.
Nghiên cứu này đã điều tra các chiến lược đô thị hóa bền vững trong bối cảnh Hà Lan, nhưng những phát hiện của chúng tôi có liên quan rộng hơn. Phát hiện của chúng tôi nhấn mạnh tầm quan trọng của cách tiếp cận tích hợp đối với phát triển đô thị, nhấn mạnh tính bền vững trong cả cơ sở hạ tầng xanh và xám. Cách tiếp cận này phù hợp với các mục tiêu bền vững do các tổ chức quốc tế như Liên minh châu Âu và Liên Hợp Quốc đặt ra, nhấn mạnh sự liên quan của nó trên các quốc gia và cấp chính sách khác nhau^1,38,39. Tính khả thi của việc triển khai phương pháp của chúng tôi trong các lĩnh vực khác, đặc biệt là ở các khu vực đô thị hóa nhanh chóng như Nam bán cầu, phụ thuộc vào tính sẵn có của dữ liệu. Mặc dù các dịch vụ hệ sinh thái đô thị ở các khu vực này đã được định lượng bằng cách sử dụng dữ liệu nguồn mở như dữ liệu viễn thám và các mô hình như InVEST^59,60, dữ liệu về vật liệu xây dựng ở các khu vực này vẫn còn khan hiếm^61,62. Hơn nữa, dữ liệu không gian có độ phân giải cao cần thiết để mô hình hóa các hoạt động xây dựng và phá dỡ tòa nhà được sử dụng trong nghiên cứu này có lẽ không thể truy cập phổ biến. Một giải pháp tiềm năng cho vấn đề này là dữ liệu che phủ đất dựa trên viễn thám, ngày càng có sẵn ở độ phân giải cao (ví dụ: Sentinel-2 và Landsat). Loại dữ liệu này có thể được triển khai thành các mô hình thay đổi LULC nguồn mở, chẳng hạn như phương pháp dán tường được sử dụng trong nghiên cứu này⁶³, để mô hình hóa động lực của cơ sở hạ tầng đô thị theo thời gian. Mặc dù các nguồn dữ liệu này không cung cấp cùng mức độ chi tiết như các nguồn được sử dụng trong nghiên cứu này, nhưng chúng cung cấp nền tảng tiềm năng để phân tích các chiến lược đô thị hóa bền vững trong các bối cảnh toàn cầu đa dạng.

Hướng nghiên cứu trong tương lai

Chúng tôi bao gồm một loạt các chỉ số bền vững. Phạm vi này vẫn có thể được mở rộng để bao gồm các chỉ số bổ sung, liên quan đến vật liệu xây dựng (ví dụ như phú dưỡng, hình thành vật chất hạt, v.v.) và các dịch vụ hệ sinh thái bổ sung. Ví dụ, các dịch vụ liên quan đến đất, lưu trữ carbon, giảm tiếng ồn, loại bỏ ô nhiễm không khí và các tác động tích cực đến sức khỏe trình bày các dịch vụ hệ sinh thái đô thị quan trọng khác mà các phương pháp định lượng đã được khái niệm hóa hoặc phát triển^7,64,65,66. Điều này sẽ bổ sung vào một cái nhìn tổng quan toàn diện hơn về ý nghĩa bền vững, nhưng cũng làm tăng thêm sự phức tạp trong việc ra quyết định. Để hỗ trợ việc ra quyết định và giải quyết sự đánh đổi vốn có trong việc xem xét một loạt các yếu tố bền vững, phân tích đa tiêu chí (MCA) vẫn có thể được áp dụng. MCA liên quan đến việc bình thường hóa và gán trọng lượng cho các yếu tố bền vững khác nhau. Những trọng số này có thể dựa trên tầm quan trọng nhận thức của từng yếu tố được xác định bởi các bên liên quan¹³.
Sự tương tác giữa kích thước tòa nhà và quy hoạch cơ sở hạ tầng xanh có thể được nghiên cứu thêm. Ví dụ, kích thước xây dựng có ảnh hưởng đến cả thành phần sử dụng đất và vật liệu xây dựng. Một số nghiên cứu cho thấy lượng khí thải GHG cao hơn liên quan đến các tòa nhà lớn và cao so với các cấu trúc thấp tầng^28,67,68. Kích thước tòa nhà cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ địa phương, với các tòa nhà cao hơn thường làm tăng nhiệt đô thị⁵¹. Các tòa nhà thấp tầng để lại ít không gian hơn để tích hợp cơ sở hạ tầng xanh trong môi trường xung quanh tòa nhà. Cơ sở hạ tầng xanh cũng có thể được tích hợp vào tòa nhà thông qua mái nhà và mặt tiền xanh. Sự tương tác giữa kích thước xây dựng, cây xanh công cộng và tư nhân, và mối quan hệ của nó với tiêu thụ vật liệu thể hiện một hướng thú vị cho nghiên cứu trong tương lai.
Để kết luận, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một phân tích chuyên sâu về tác động môi trường của phát triển đô thị, nhấn mạnh sự tích hợp của cơ sở hạ tầng xanh và xám và cách chúng ảnh hưởng đến các tác động liên quan đến xây dựng tòa nhà và các dịch vụ hệ sinh thái. Bất chấp sự tăng trưởng dự kiến của cổ phiếu xây dựng Hà Lan, nghiên cứu của chúng tôi minh họa khả năng đồng thời mở rộng cơ sở hạ tầng xanh lên tới 5% và duy trì hoặc cải thiện việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái so với mức 2018. Phát hiện của chúng tôi cũng nhấn mạnh tiềm năng giảm tác động môi trường thông qua việc sử dụng các thực hành thiết kế tuần hoàn. Phân tích cho thấy sự đánh đổi giữa phát triển đô thị dày đặc và thưa thớt về tác động môi trường và cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái, nhấn mạnh tầm quan trọng của chúng trong việc xác định các chiến lược phát triển đô thị bền vững. Chúng tôi cũng nhận ra các quy mô tác động khác nhau của các dịch vụ hệ sinh thái và vật liệu xây dựng, nhấn mạnh tầm quan trọng của phân tích đa quy mô. Mặc dù tập trung vào Hà Lan, cách tiếp cận của chúng tôi có khả năng áp dụng rộng rãi hơn, đưa ra chiến lược đồng thời giảm tác động môi trường của phát triển đô thị đồng thời cải thiện việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái.

Nghiên cứu của chúng tôi bao gồm một số giai đoạn, mỗi giai đoạn nhằm mục đích tối ưu hóa tiềm năng phát triển đô thị bền vững. Sử dụng mô hình rõ ràng về mặt không gian, chúng tôi đã kết hợp các kịch bản để xây dựng và phá dỡ tòa nhà với cường độ vật liệu để lấy được trữ lượng vật liệu và động lực dòng chảy. Mô hình này cũng kết hợp dữ liệu xây dựng và phá dỡ tòa nhà với các kịch bản sử dụng đất và độ che phủ đất (LULC) để đánh giá những thay đổi trong LULC, tạo cơ sở cho phân tích dịch vụ hệ sinh thái. Với những hiểu biết thu được từ mô hình, chúng tôi đã khám phá các chiến lược để tinh chỉnh các hoạt động xây dựng tòa nhà, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu và cải thiện các dịch vụ hệ sinh thái đồng thời. Phương pháp này được giải thích chi tiết hơn bên dưới và chi tiết mô hình có sẵn trong Phương pháp bổ sung 1.

Tác động vật liệu xây dựng

Chúng tôi đã kết hợp mô hình hóa không gian với phân tích dòng vật liệu để đánh giá động lực dự trữ vật liệu trong lĩnh vực xây dựng của Hà Lan. Phân tích dòng nguyên liệu là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để định lượng các cổ phiếu và dòng chảy vật liệu, động lực học của chúng theo thời gian và tính tuần hoàn của chúng^69,70,71. Chúng tôi đã tính toán trữ lượng vật liệu và động lực dòng chảy thông qua việc dịch các bản đồ xây dựng, được cung cấp về số lượng nhà ở được xây dựng hoặc phá hủy và dấu chân (m²) cho các tòa nhà không phải là nhà ở, đến diện tích sàn hữu ích (m²), cụ thể cho mỗi loại hình xây dựng và nhân các giá trị này với cường độ vật liệu tương ứng của chúng (kg / m²). Chúng tôi đã đánh giá phát thải khí nhà kính liên quan đến sản xuất vật liệu trên cơ sở cơ sở dữ liệu kiểm kê vòng đời EcoInvent phiên bản 3.6⁷² và bổ sung bộ dữ liệu khi cần thiết với các giá trị từ tài liệu khoa học²⁶. Điểm khởi đầu của phân tích của chúng tôi là dữ liệu không gian của cổ phiếu xây dựng Hà Lan vào năm 2018⁷³ và các chiến lược rõ ràng về không gian để xây dựng và phá dỡ các tòa nhà từ năm 2018 đến năm 2050⁴¹. Các chiến lược được xây dựng dựa trên dự báo tăng trưởng dân số khu vực và các địa điểm ưa thích để xây dựng tòa nhà, tập trung vào hai chiến lược riêng biệt: Dày đặc và Thưa thớt. Trong chiến lược Dày đặc, xây dựng công trình ưu tiên khu vực đô thị, trong khi chiến lược Nông thôn nhấn mạnh xây dựng ở những khu vực có mật độ dân số thấp như khu nông nghiệp và công nghiệp. Những chiến lược này đã được trình bày ở độ phân giải 100 x 100 mét, được định lượng theo các đơn vị nhà ở được xây dựng hoặc phá hủy và mét vuông diện tích xây dựng không phải là nhà ở.
Ba chiến lược vật liệu xây dựng đã được đánh giá (Bảng 2): Thông thường, sử dụng các vật liệu truyền thống như kết cấu bê tông và thép; Thông tư, sử dụng các nguyên tắc thiết kế hình tròn, chẳng hạn như khung thép có thể tháo rời và gạch có thể tháo rời cơ học; và Biobased, sử dụng các công trình khung gỗ, mặt tiền bằng gỗ, sàn gỗ nhiều lớp và cách nhiệt và lợp mái dựa trên sinh học. Chúng tôi đề cập đến Phương pháp bổ sung 1 cho cường độ vật liệu. Đối với mỗi chiến lược, chúng tôi đã tính toán nhu cầu vật liệu chính và thể hiện phát thải khí nhà kính liên quan đến vật liệu xây dựng và sử dụng đất thể hiện liên quan đến sản xuất gỗ, sử dụng mô hình được phát triển bởi van Oorschot et al. ²⁶. Bởi vì chiếm đất (m² năm) cao hơn đáng kể đối với gỗ so với các vật liệu khác (van Oorschot et al., ²⁶), chúng tôi tính tổng diện tích đất (m²) cần thiết cho sản xuất gỗ. Với mô hình này, chúng tôi đã đánh giá việc sử dụng vật liệu sơ cấp và thứ cấp thông qua phân tích dòng vật liệu và đánh giá tác động vòng đời.

Thay đổi LULC

Thứ hai, chúng tôi đã phân tích cách xây dựng tòa nhà tác động đến những thay đổi trong LULC. Chúng tôi đã biên soạn một bản đồ LULC bằng cách kết hợp một bản đồ sử dụng đất chi tiết của Hà Lan, Đăng ký địa hình quy mô lớn⁷⁴, với bản đồ bao phủ (độ che phủ đất) của cây, cây bụi và cỏ^75,76,77. Chúng tôi không coi đất nông nghiệp là cơ sở hạ tầng xanh do thành phần không đồng nhất và ngoài việc cung cấp thực phẩm, năng lực cung cấp dịch vụ hệ sinh thái còn hạn chế. Bản đồ kết quả trình bày thông tin chi tiết về sử dụng đất và độ bao phủ cơ sở hạ tầng xanh trên độ phân giải 10 x 10 m. Chúng tôi đã phân biệt giữa 22 lớp LULC (Phương pháp bổ sung 2).
Để phân tích những thay đổi của LULC từ năm 2018 đến năm 2050, chúng tôi đã dịch các chiến lược xây dựng thành dấu chân xây dựng và liên kết chúng với các chiến lược LULC bằng cách sử dụng “mô hình dán tường” (WP) do Lonsdorf và các đồng nghiệp phát triển⁶³. Đối với các chiến lược LULC (xem chi tiết bên dưới), chúng tôi đã xác định các bố cục phù hợp trên bản đồ LULC gốc, cắt khu vực được chỉ định thành một “ô” hình chữ nhật, sao chép ô trong lưới để tạo “hình nền” và chuyển đổi LULC trong mỗi ô hiển thị các hoạt động xây dựng từ năm 2018 đến năm 2050. Chúng tôi đã phân loại dấu chân xây dựng thành ba nhóm dựa trên tỷ lệ của chúng trong mỗi ô lưới 100 × 100 m: dưới 10%, 10-40% và lớn hơn 40%. Phân loại này giới hạn số lượng ô xuống còn ba cho mỗi chiến lược LULC.
Phân tích của chúng tôi liên quan đến hai chiến lược LULC: Xanh lá cây và Xám (Phương pháp bổ sung 2). Chiến lược Xám được đặc trưng bởi ít hơn 5% thảm thực vật thấp (cỏ và cây bụi) trên mỗi ô (100 × 100 mét) và Màu xanh lá cây, được đặc trưng bởi hơn 30% không gian xanh liên tục bao gồm cỏ, cây bụi và cây, trong đó ít nhất 10% cây. Chiến lược Xanh dựa trên quy tắc chung về việc có ít nhất 30% rừng đô thị ở các thành phố và khuyến nghị của Luật Phục hồi Thiên nhiên để có ít nhất 10% độ che phủ của cây trong môi trường đô thị^78,79. Chúng tôi giả định rằng chuyển đổi LULC tương ứng với kích thước ô lưới 100 × 100 m được sử dụng cho dữ liệu xây dựng và phá dỡ tòa nhà. Cho rằng việc xây dựng tòa nhà vốn liên quan đến những thay đổi đối với môi trường xung quanh ngay lập tức, những phát hiện của chúng tôi cung cấp các ước tính chính xác hợp lý. Các chi tiết mô hình hóa được mô tả chi tiết hơn trong Phương pháp bổ sung 2.

Dịch vụ hệ sinh thái

Các bản đồ LULC làm cơ sở để phân tích những thay đổi của LULC ở Hà Lan và khả năng của cơ sở hạ tầng xanh để cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái. Chi tiết mô hình hóa có thể được tìm thấy trong Phương pháp bổ sung 3. Chúng tôi đã định lượng mức độ tổng thể của cơ sở hạ tầng xanh trên khắp Hà Lan dự kiến cho năm 2050, cùng với sự sẵn có của nó cho cư dân. Hơn nữa, chúng tôi đã đánh giá hiệu quả của cơ sở hạ tầng xanh trong việc giảm thiểu nhiệt đô thị và giữ nước mưa. Đối với hai mô hình sau, chúng tôi đã sử dụng mô hình Định giá tích hợp các dịch vụ hệ sinh thái và đánh đổi (InVEST). InVEST là một phần mềm mã nguồn mở được phát triển bởi Dự án Vốn tự nhiên và Đại học Stanford để lập bản đồ và định giá các dịch vụ hệ sinh thái⁸⁰. InVEST kết hợp dữ liệu LULC với thông tin bổ sung để cung cấp giá trị đầu ra cho các dịch vụ hệ sinh thái trong các đơn vị sinh lý và / hoặc kinh tế.
Cơ sở hạ tầng xanh đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức khỏe thể chất và tinh thần^65,66. Sự sẵn có của cơ sở hạ tầng xanh đề cập đến việc đo lường không gian xanh trong một khoảng cách cụ thể, thường là trong các khu dân cư, chủ yếu nhằm đánh giá mức độ của các khu vực xanh có thể tiếp cận²¹. Ở đây, chúng tôi đã tính toán tổng số cơ sở hạ tầng xanh sẵn có trong vòng 1 km² khu vực xung quanh nhà ở như một chỉ số rộng lớn về cung cấp dịch vụ hệ sinh thái.
Nhiều thành phố trải qua các đợt nắng nóng đang tập trung vào việc giảm nhiệt đô thị. Thảm thực vật đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) bằng cách cung cấp bóng râm, thay đổi tính chất nhiệt của thành phố và cung cấp làm mát thông qua thoát hơi nước⁸¹. Điều này có tác động tích cực đến sức khỏe của người dân, giảm tỷ lệ tử vong và bệnh tật, tăng cường sự thoải mái và năng suất, và giảm nhu cầu điều hòa không khí⁸². Ở đây, chúng tôi đã sử dụng mô hình InVEST để tính toán làm mát đô thị. Mô hình làm mát đô thị tính toán, trong số các chỉ số khác, sự thay đổi nhiệt độ không khí dựa trên các yếu tố khác nhau, bao gồm bóng râm, thoát hơi nước, suất phản chiếu và sự gần gũi với các đảo làm mát như công viên. Những thay đổi về nhiệt độ không khí thể hiện một dấu hiệu cho sự làm mát được cung cấp bởi thảm thực vật.
Biến đổi khí hậu dẫn đến hạn hán và các sự kiện mưa dữ dội hơn⁸³. Lớp phủ lớn không thấm nước ở các khu vực đô thị làm tăng nguy cơ ngập lụt ở những khu vực này do mất khả năng xâm nhập, và giảm sự đánh chặn và bốc hơi của cơ sở hạ tầng xanh⁶⁴. Mô hình lưu giữ dòng chảy nước mưa InVEST cung cấp thông tin về lưu giữ dòng chảy. Giữ dòng chảy liên quan đến việc giữ nước mưa bằng đất thấm để tránh gây ô nhiễm sông và đại dương. Mô hình ước tính dòng chảy bề mặt, phần nước mưa không được giữ lại. Mô hình Giữ nước mưa tập trung vào các dịch vụ trong khung thời gian hàng năm thay vì các sự kiện bão và lũ lụt riêng lẻ. Chúng tôi đã sử dụng mô hình này để tính toán những thay đổi về khả năng giữ nước mưa cho các chiến lược đô thị hóa khác nhau.
Chúng tôi đã đánh giá những thay đổi về năng lực dịch vụ hệ sinh thái từ năm 2018 đến năm 2050 theo hai cấp độ: thứ nhất, đối với các khu vực đang được chuyển đổi để xây dựng tòa nhà và thứ hai, cho toàn bộ tòa nhà và môi trường xung quanh (100 x 100 m ô lưới). Ngoài việc phân tích quy mô quốc gia, chúng tôi đã đánh giá hệ sinh thái tại địa phương, điều này rất quan trọng vì việc cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái được phân tích thể hiện phạm vi không gian hạn chế. Tại địa phương, tác động của những thay đổi LULC thể hiện sự thay đổi lớn hơn⁹. Chúng tôi đi 36 km² khu vực trong và xung quanh Leiden như một khu vực nghiên cứu điển hình, bao gồm cả khu vực đô thị được xây dựng dày đặc và một số khu vực xung quanh được đặc trưng chủ yếu bởi đất nông nghiệp.

---