基于GIS技術(shù)和“匯水小區(qū)”理念的城市雨水景觀(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)

于東飛，喬 木，王云中，劉寶寶

（1. 西安建筑科技大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安美術(shù)學(xué)院建筑環(huán)境藝術(shù)系，陜西 西安 710065；3. 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055）

1 我國(guó)城市雨洪問(wèn)題分析

歷史分析表明，近10年的洪水量級(jí)比起前幾十年并沒(méi)有特別的異常，而水災(zāi)損失卻急劇增加.目前國(guó)內(nèi)城市雨洪問(wèn)題已由個(gè)別年份、極端天氣的特殊狀況，轉(zhuǎn)變成年年可見(jiàn)、甚至是多見(jiàn)的現(xiàn)象，人們生命、財(cái)產(chǎn)遭受?chē)?yán)重威脅，對(duì)城市生態(tài)的詰問(wèn)、對(duì)城市擴(kuò)張的質(zhì)疑、對(duì)排水系統(tǒng)的詬病不絕于耳.根據(jù)相關(guān)研究，雨水降落和蒸發(fā)的自然循環(huán)過(guò)程是自然界保持生態(tài)水平衡的基本過(guò)程.然而，我國(guó)現(xiàn)代城市地表大面積被阻水材料所覆蓋，隨著城市化的快速發(fā)展，這一方面造成了城市區(qū)域生態(tài)學(xué)意義上的“人造沙漠”效應(yīng)，另一面也導(dǎo)致了近年“城市看海、街上劃船”的災(zāi)害情況頻繁出現(xiàn).

在城市雨洪災(zāi)害頻發(fā)的情況下，昆明、重慶、深圳等很多城市紛紛提出將防積水頻率提高到50年一遇，這從直線(xiàn)邏輯來(lái)看似乎正確，然而，當(dāng)管網(wǎng)的防積水頻率由1～3年提高到50年，則意味著這些管網(wǎng)50年才發(fā)揮最大效用一次，使基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的增加不可估量，閑置與浪費(fèi)不言而喻.而美國(guó)1990年在馬里蘭州Prince George開(kāi)發(fā)新居住區(qū)時(shí)修建的第一條真正意義的綠色街道，在每戶(hù)臨街的前院建設(shè)一個(gè)28～37 m2的雨水園，從而完全取代了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化的BMP (Best Management Practices)雨水處理系統(tǒng).通過(guò)建成前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，這條綠色街道可以吸收周邊75%～80%的地表徑流，其最大設(shè)計(jì)能力可以抵御該地區(qū)百年一遇的暴雨災(zāi)害，但它們的造價(jià)僅為BMP系統(tǒng)的1/4[1].類(lèi)似實(shí)踐的明顯優(yōu)勢(shì)以及我國(guó)面臨的城市雨洪災(zāi)害問(wèn)題，使城市生態(tài)雨洪管理成為國(guó)內(nèi)城市研究的熱點(diǎn).

2 國(guó)外城市雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)實(shí)踐與研究

美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等歐美國(guó)家，較早就已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)雨水花園、透水鋪裝、旱溪等方式對(duì)場(chǎng)地和道路進(jìn)行的雨洪管理和利用，考慮了雨水的自然循環(huán)過(guò)程，在控制城市雨水徑流、減少雨洪災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)雨水生態(tài)化利用等方面起到了一定作用.在其研究過(guò)程中提出了低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)(LID-LowImpact Development)及綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施(GSI-Green Stormwater Infraslructure)、水敏性城市設(shè)計(jì)(WSUD-Water Sensitive Urban Design)等生態(tài)雨水管理理念，采取了適時(shí)適地建立雨水花園、減少硬地、增加綠地、恢復(fù)城市水系、恢復(fù)雨水的自然循環(huán)過(guò)程等措施和方法，取得了很好的景觀(guān)和生態(tài)效果[2-4].

圖1 12 000人工廠(chǎng)的生態(tài)停車(chē)場(chǎng)景觀(guān)設(shè)計(jì)Fig.1 A 12 000 factory workers parking lot

2006年被美國(guó)景觀(guān)建筑師協(xié)會(huì)(ALSA)評(píng)選為專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)的波士頓綠色街道的雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)，向人們展示了城市街道雨水管理的生態(tài)理念，堪稱(chēng)城市雨洪控制利用的典范[6](圖2).

圖2 波特蘭市SW第12大道綠色街道景觀(guān)設(shè)計(jì)Fig.2 SW 12th Avenue green street project

2010年建成的唐納德雨水公園是處于繁華市中心、約60 m×60 m的街心綠地，公園地形從南到北逐漸降低，收集來(lái)自周邊街道和鋪地的雨水組成天然水景，重塑并恢復(fù)了這里的生態(tài)系統(tǒng)，在這里人們甚至可以看見(jiàn)魚(yú)鷹潛入水中捕魚(yú).孩子們來(lái)這里玩耍、探索自然奧秘，成人到這里享受自然的芬芳或安靜的冥想.深入的社區(qū)參與和地產(chǎn)調(diào)查顯示，這個(gè)公園是當(dāng)?shù)厝藗儗?shí)現(xiàn)夢(mèng)想和希望的地方[7](圖3).

圖3 唐納德溪水公園Fig.3 Tanner Springs Park

然而，通過(guò)上述著名案例及近年大量美國(guó)景觀(guān)建筑師協(xié)會(huì)雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的分析可見(jiàn)，已有研究與實(shí)踐大多是針對(duì)一處街心公園、一條街道或一個(gè)建筑項(xiàng)目進(jìn)行的雨水生態(tài)化考慮，對(duì)于全面解決城市雨洪問(wèn)題考慮不足.

屋頂雨水收集是研究較早而且較為成熟的城市雨水利用方法，技術(shù)上要求不高，經(jīng)濟(jì)投入也不大，對(duì)于高密度建設(shè)的城市，屋面雨水收集有利于大幅提高降水資源的利用效率，但屋頂雨水收集主要是從經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境工程角度出發(fā)的雨水管理辦法，在雨水生態(tài)循環(huán)與景觀(guān)效果方面的考慮存在嚴(yán)重不足.

今天，城市雨水景觀(guān)應(yīng)該被看做生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，合理恢復(fù)地面雨水下滲，重建地上水與地下水的立體循環(huán)通道，已是廣泛獲得認(rèn)可的城市雨水生態(tài)管理思路，但城市要留住雨水、留在哪兒的問(wèn)題并沒(méi)有得到根本解決，具體的設(shè)計(jì)方法和措施仍處于不斷探索過(guò)程中.

3 基于CIS技術(shù)的“匯水小區(qū)”理論與雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)研究

3.1 “棄其地以為水委”的智慧啟示

中國(guó)歷代在河渠水患治理方面曾總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)，古有“賈讓三策”，提出“疆理土地，必遺川澤之分”(《漢書(shū)·溝洫志》卷29)；又有蘇軾(1032～1101)“禹之所以通水之法”指出“古者河之側(cè)無(wú)居民，棄其地以為水委”[8].從生態(tài)學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，“遺川澤之分”、“棄其地以為水委”等思想，在應(yīng)對(duì)現(xiàn)代城市化帶來(lái)的雨洪災(zāi)害方面仍是不可多得的明智之選.然而城市不同于河道，看不見(jiàn)明確的水跡線(xiàn)，但源于“棄其地以為水委”思想的雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)卻需要有據(jù)可依.

3.2 基于CIS技術(shù)的“匯水小區(qū)”理念的創(chuàng)建

無(wú)論是陳琛的業(yè)績(jī)還是農(nóng)戶(hù)的信任，在我們眼里這些都是他人生中閃亮的一頁(yè)，而在他眼里這些只是普通人最為平凡的履歷。一個(gè)腳印一首歌，陳琛用他的踏實(shí)與真誠(chéng)在農(nóng)資路上一路前行一路放歌。

追究起來(lái)，造成城市洪泛災(zāi)害的根本原因主要是起到吸納作用的土壤、植被大量被硬化表面代替了，場(chǎng)地中原本存在的河湖水系減少了，雨水徑流在滯留無(wú)門(mén)的情況下變得難以控制.因此雨水在城市中的生態(tài)化管理和景觀(guān)化利用必須首先找到自身的高效運(yùn)作方式，通過(guò)科學(xué)的方法找到雨水的匯集區(qū)域和徑流途徑，是城市雨水規(guī)劃和生態(tài)管理的關(guān)鍵.

雨水徑流在跨越自然地理邊界時(shí)往往會(huì)自動(dòng)改變方向，掌握了這一規(guī)律可以使雨水景觀(guān)化和生態(tài)化利用達(dá)到事半功倍的效果，而現(xiàn)代的地理信息系統(tǒng)(GIS)的地理數(shù)據(jù)分析功能及技術(shù)可為雨水管理提供這樣一個(gè)優(yōu)勢(shì)平臺(tái).根據(jù)自然形成的地理邊界(如地形、水體、道路等)，借助ArcGIS的分析，可將城市地理區(qū)域分成若干個(gè)“匯水分區(qū)”，并可針對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行匯水點(diǎn)設(shè)計(jì)及徑流規(guī)劃.

3.2.1 基于GIS的西安城市“匯水小區(qū)”分析

根據(jù)西安城市地形數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS軟件分析得到城市雨水匯聚區(qū)域分析圖(圖4)，由分析圖可見(jiàn)，在符合西安城市東南高西北低的地理特征情況下，地表總體高差變化豐富，形成了更多大小不一的匯水區(qū)域，匯水區(qū)域的大小及詳實(shí)程度與獲取的地形數(shù)據(jù)密切相關(guān).每一處匯水區(qū)域都有自己的低點(diǎn)，即“匯水點(diǎn)”，并在區(qū)域周邊形成脊線(xiàn)作為相鄰“匯水小區(qū)”的分水線(xiàn).研究中，我們將這樣的區(qū)域稱(chēng)為“匯水小區(qū)”.

圖4 借助于GIS軟件得到的西安城市“匯水小區(qū)”分析圖Fig.4 Xi'an city "rainwater zone" derived from GIS software

借助ArcGIS分析可得西安杜陵湖局部區(qū)域主要匯水路線(xiàn)及大小、高差各異的匯水低點(diǎn)，其“匯水小區(qū)”、“匯水點(diǎn)”、“匯水路徑”的位置和范圍可以精確到具體的城市街道和街區(qū)，從而使城市雨水管理告別局部認(rèn)識(shí)及治理的現(xiàn)狀，使雨水景觀(guān)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)有據(jù)可依(圖5～7).

圖5 西安杜陵湖地區(qū)部分區(qū)域GIS匯水路線(xiàn)分析圖Fig.5 Catchment path analysis of Xi'an "Du Ling Lake"

圖6 杜陵湖局部“匯水小區(qū)”分析與規(guī)劃設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Part of Du Ling Lake "rainwater zone" planning schematic diagram

3.2.2 “匯水點(diǎn)”及其匯水量的分析確定

“匯水點(diǎn)”可以選擇城市原有河湖、濕地等水體，也可以選擇建設(shè)“雨水花園”、“雨水濕地”、“城市公園”等.

不同性質(zhì)的用地，徑流系數(shù)有所不同.依據(jù)“匯水區(qū)域”總體規(guī)劃的硬化面積、綠化面積，以及不同表面的徑流系數(shù)和城市降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可分類(lèi)求和計(jì)算，進(jìn)而確定匯水點(diǎn)面積的大小.平均徑流量和最大徑流量決定“匯水點(diǎn)”面積的大小.

式中：V為徑流量，m3；￡n為不同表面的徑流系數(shù)；Sn為“匯水小區(qū)”不同表面的面積，m2；H為月平均降水量或年平均降水量.根據(jù)該公式可計(jì)算“匯水小區(qū)”在一個(gè)月或一年內(nèi)降水產(chǎn)生的徑流量.

例如，西安多年平均降雨量為580.2 mm，根據(jù)西安城市用地平衡表(表1)，計(jì)算可知西安主城區(qū)建設(shè)用地硬化表面年均可產(chǎn)生高達(dá)27 027.5 萬(wàn)m3的徑流量，其存儲(chǔ)點(diǎn)的位置和大小，需根據(jù)“匯水小區(qū)”的面積及用地性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算和確定，在本是低地的地方為雨水匯聚留有余地.

表1 西安主城區(qū)建設(shè)用地平衡表Tab.1 The balance sheet of Xi'an main city construction land

3.2.3 匯水路線(xiàn)的確定

根據(jù)城市總體地形變化，所有高程較高的“匯水小區(qū)”都有著向低處匯水的傾向，因此，根據(jù)水流特征必然會(huì)形成一定的“匯水路徑”.借助于A(yíng)rcGIS軟件，對(duì)西安杜陵湖部分規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行分析，得到如圖5所示的匯水路線(xiàn)圖，杜陵湖是匯水路徑上十分明顯的匯水低點(diǎn)，匯水路線(xiàn)的標(biāo)高是城市的相對(duì)低點(diǎn)(圖5).因此，借助ArcGIS分析得到的城市“匯水路徑”和“匯水小區(qū)”模型，有可能為現(xiàn)代城市生態(tài)雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)的依據(jù)和方法，為雨水生態(tài)化管理提供具有經(jīng)濟(jì)性和可操作性的宏觀(guān)思路.

具體的“匯水路徑”設(shè)計(jì)，可以是城市原有的河渠系統(tǒng)，也可以是視具體情況而建的“雨水旱溪”、“雨水邊溝”、“綠色街道”等，起到引導(dǎo)和控制城市雨水徑流、下滲，串聯(lián)雨水匯水點(diǎn)的作用，達(dá)到減小水流速度、凈化水質(zhì)、減少水體污染的生態(tài)雨水管理目標(biāo).

4 基于分形幾何思想的“匯水小區(qū)”組織形式及“雨水鏈”景觀(guān)系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)雨水由高向低流動(dòng)的特性，“匯水小區(qū)”可以依據(jù)GIS分析劃分為更多“子小區(qū)”，也可能多個(gè)“匯水小區(qū)”聯(lián)合形成更大的匯水區(qū)域，根據(jù)分形幾何的自相似原則和迭代生成原則，這樣的分形關(guān)系可以形成無(wú)窮無(wú)盡的相似與包含關(guān)系，上至無(wú)窮大、下至無(wú)窮小.而在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地上，“匯水小區(qū)”并列、包含、聯(lián)合關(guān)系并存，匯水位置和匯水面積借助匯水線(xiàn)路的串聯(lián)，傾向于由高到底逐漸形成一個(gè)完整的“雨水鏈”(圖8).城市雨水管理利用“匯水小區(qū)”可形成兼顧整體和局部的模式.

因此，基于GIS分區(qū)的城市生態(tài)雨洪管理和雨水景觀(guān)整體性設(shè)計(jì)方法具體可以分為：分區(qū)——分析城市“匯水小區(qū)”，布點(diǎn)——確定區(qū)域匯水點(diǎn)，徑流規(guī)劃——確定匯水路徑，從而可以根據(jù)這些要素，有效考慮利用城市公共空間、交通體系、人工濕地與城市雨水生態(tài)設(shè)計(jì)和綠地公園系統(tǒng)相結(jié)合等方法，在城市中形成存儲(chǔ)、匯聚雨水的自然景觀(guān)，并通過(guò)匯水線(xiàn)路加以銜接，構(gòu)建形成蓄水調(diào)洪、相互聯(lián)系的“雨水鏈”景觀(guān)系統(tǒng).進(jìn)而依托ArcGIS平臺(tái)和整體性雨水景觀(guān)規(guī)劃模式，可以建立起以“匯水小區(qū)”為單位的城市雨水管理數(shù)據(jù)庫(kù)，為城市雨水景觀(guān)化利用提供一種從宏觀(guān)到微觀(guān)綜合整治的科學(xué)依據(jù)及可操作性方法.

圖7 借助ArcGIS得到的杜陵湖區(qū)域局部“匯水路徑”分析圖Fig.7 Duling Lake area "local catchment path"by ArcGIS analysis

圖8 雨水小區(qū)組合示意Fig.8 "Rainwater Zone"combination schematic diagram

5 結(jié)論

調(diào)查顯示，植被良好的土地雨水下滲、蒸騰和徑流分別占降雨總量的50%、40%、10%，而混凝土、瀝青等不透水城市硬化表面雨水徑流系數(shù)可達(dá)0.9，在不透水地面比例高達(dá)70%～100%的城市商業(yè)區(qū)，雨水下滲和蒸發(fā)量迅速下降為降雨總量的5%和20%，地表徑流量則增加至降雨總量的75%[9]，是城市生態(tài)環(huán)境破壞的重要原因.因此，今天的城市雨洪管理建設(shè)，應(yīng)在保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，優(yōu)先考慮雨水的生態(tài)化與景觀(guān)化利用，依據(jù)“GIS”分析、“大數(shù)據(jù)分析”、“分形幾何”等新理念、新方法，逐步探索建立以“匯水小區(qū)”為單位的城市雨水管理模式.首先，在城市景觀(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，倡導(dǎo)根據(jù)GIS數(shù)據(jù)分析的“匯水小區(qū)”及其匯水點(diǎn)、匯水線(xiàn)進(jìn)行雨水區(qū)域性的整體管理與利用，利用城市地理?xiàng)l件引導(dǎo)雨水從高到低的徑流、匯聚過(guò)程，合理恢復(fù)地面雨水下滲，重建地上水與地下水的立體循環(huán)通道.其二，依據(jù)“匯水小區(qū)”概念建立城市雨水管理數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行城市雨水景觀(guān)的整體性規(guī)劃設(shè)計(jì)，使雨水真正成為城市生態(tài)水環(huán)境的一部分，從而推動(dòng)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)從“生態(tài)設(shè)計(jì)”走向“設(shè)計(jì)生態(tài)”的新途徑.其三，借助分形幾何的自相似原則和迭代生成原則，構(gòu)建“匯水小區(qū)”的組織形式及“雨水鏈”景觀(guān)系統(tǒng)，為現(xiàn)代城市生態(tài)雨水景觀(guān)設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)的依據(jù)和方法，為雨水生態(tài)化管理提供具有經(jīng)濟(jì)性和可操作性的宏觀(guān)思路.

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