城市屋顶，正在从一个被忽视的“顶棚”，蜕变为城市可持续发展的重要战略空间。想象一下，未来的城市屋顶可能是：

- 绿意盎然的蔬菜园

- 悄然收集雨水的“海绵”

- 源源不断发电的能源站

- 调节城市微气候的生态屏障

近日，支部委员孟凡鑫副教授团队在《Applied Energy》发表题为“Tradeoff optimization of urban roof systems oriented to food-water-energy nexus”的研究论文。该成果得到国家自然基金委管理学部面上项目支持，是以城市蓝绿基础设施为主要抓手，推动食物-能源-水耦合理论指导城市生态管理实践的又一创新性成果。

城市屋顶作为重要的立体空间资源，具备开展蔬菜种植、绿化铺设、光伏发电和雨水收集等活动的空间条件，通过直接提供与食物、能源、水相关的效益，能够改善城市当地食物-能源-水资源的安全性，增强城市生态系统应对不确定性扰动的抵御力。同时，由于城市地区之间存在着频繁的贸易交互活动，城市屋顶系统提供的食物-能源-水效益可以削减城市对边界外资源的调入需求和进口依赖，进而规避食物、能源及水资源产品在城市上游生产供应链上隐含的环境足迹，如能源足迹、水足迹和碳足迹。然而，城市屋顶系统在以食物-能源-水为功能导向开发时，又势必会需要大量资金投入，并引发全生命周期过程的资源环境影响，包括能源消耗、水消耗、碳排放和土地占用等，形成了城市屋顶系统与食物-能源-水-土地-碳等多种资源环境要素之间的权衡互动关系。在资源环境约束趋紧之下，揭示食物-能源-水耦合视角下城市屋顶系统的资源环境效应、提出基于“资源-环境-经济”多目标协同的城市屋顶系统最优开发部署方案，是提升城市韧性及环境可持续性的关键科学问题和管理难题。

图1 城市屋顶系统边界

裸屋顶系统：屋顶光伏+雨水收集；绿色屋顶系统：绿色植被+屋顶光伏+雨水收集；露天种植屋顶系统：作物种植+屋顶光伏+雨水收集

为此，团队以食物生产、光伏发电、植被降温、雨水收集为功能导向，构建了三种不同的城市屋顶系统，分别为裸屋顶系统、绿色屋顶系统和露天种植屋顶系统（图1）。本研究集成地理信息系统、生命周期分析方法及多目标算法等技术，建立了一个城市屋顶系统多维权衡评估与多目标优化方法学模型（图2），并以典型的建筑密集型城市—广东深圳为案例，验证了模型的有效性。该模型涵盖四大模块：基于空间分析的城市屋顶潜力识别、生命周期资源-环境-经济成本核算、城市屋顶系统多尺度效益评估、多目标协同优化的城市屋顶系统规模化开发情景模拟。该模型的建立能够为城市屋顶系统优化的可持续性评估及规模化推广部署策略研究提供技术方法。

图2 城市屋顶系统多维权衡评估框架

研究发现，在城市行政范围内，42.83%和41.56%的建筑屋顶适合进行裸屋顶系统和绿色屋顶系统的开发，露天种植屋顶系统的开发适宜性最低，仅为26.21%。在多目标协同的城市尺度屋顶系统开发情景下，S1（裸屋顶）的水效益最显著，其雨水收集量能够满足2035年深圳市再生水利用目标的82.5%。S2（绿色屋顶）的能源效益最显著，但产生了最高的生命周期影响潜值。而S3（露天种植屋顶）的生命周期影响潜值最低，且食物生产量还能满足104%的城市蔬菜需求。研究结果还表明，深圳市上游食物生产供应链为能源密集型和水密集型，上游能源供应链为碳密集型。因此，S3（露天种植屋顶）可以缓解城市边界外最多的供应链能源足迹和水足迹，而S6（裸屋顶+露天种植屋顶）对规避上游供应链碳足迹的效果最显著。

本研究以食物-能源-水耦合视角为切入点，构建了一套具有普适价值的城市屋顶系统多维权衡评估与多目标优化方法学模型。特别的是，研究团队设计了三种多功能开发的屋顶系统类型，基于屋顶系统的空间潜力、资源环境成本、食物-能源-水效益、以及经济投资之间的权衡关系，开展了城市尺度的屋顶系统开发策略多目标优化。本研究提出如下政策启示：（1）以权衡、关联视角开展城市屋顶系统综合评估与优化，服务生态环境政策制定和规划管理；（2）结合城市自身资源禀赋、贸易结构等，以需求为导向因地制宜开发城市屋顶系统功能；（3）加大以屋顶为主的城市闲置空间开发力度，包括建筑立面、裸地及其他碎片化空间。本研究成果为基于自然解决方案的城市空间利用与韧性提升提供了科学支持，并为推动气候适应型城市构建和区域可持续发展提供了多样化方案。