中美海綿城市建設中的樹木管理比較

車 伍，鮑仁強，趙 楊，趙澤坤

(1.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044;2.北京建筑大學北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構建與風險控制工程技術研究中心，北京 100044；3.北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044； 4.北京雨人潤科生態(tài)技術有限責任公司，北京 100044)

以雨水管理為核心的海綿城市建設已進入到關鍵階段[1-2]，國辦發(fā)〔2015〕75號等文件也提出了海綿城市建設的戰(zhàn)略任務和目標。然而，在試點海綿城市建設中面臨土地空間限制、改造代價高等困難和挑戰(zhàn)。樹木是城市綠地的重要組成部分，也是海綿城市的重要組成單元。充分利用好城市樹木的樹冠來截留雨水，不僅能夠發(fā)揮遮陰降溫、緩解城市熱島效應、凈化空氣等多種生態(tài)功能，還能夠更好地利用地上空間，減少徑流控制設施的規(guī)模和投資，減少綠色雨水設施的占地面積和改造成本，可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

美國對城區(qū)樹木的雨水徑流削減作用的研究開展較早。1986年，Sanders[3]評估了俄亥俄州代頓市(Dayton)樹木對雨水徑流的削減效果，結果表明，城市現(xiàn)有樹木能夠削減7%的雨水徑流量，如果適度增加樹冠覆蓋面積，徑流削減比例可以提升至12%。20世紀90年代末，關于城市樹木和雨水截留關系的研究開始逐漸增多，加利福尼亞州、馬里蘭州、俄亥俄州等地區(qū)相繼開展了針對不同樹種和樹冠覆蓋條件下雨水截留效果的研究，積累了豐富的數(shù)據(jù)資料。Xiao等[4]在加利福尼亞州薩克拉門托(Sacramento)的研究表明，14%樹冠覆蓋率下，能夠截留1.8%的降雨量；Inkil?inen等[5]基于14場降雨觀測，對北卡羅來納州一定樹冠覆蓋率下的某住宅區(qū)進行了分析，發(fā)現(xiàn)可減少19.9%～21.4%的徑流量；在阿肯色州費耶特維爾(Fayetteville)，當樹冠覆蓋率從27%增加到40%時，預計將削減31%的雨水徑流，進而能為該市減少約4 300萬美元的雨水管理成本[6]。美國森林組織(American Forests)利用CITYgreen、i-Tree等模型對30多個主要城市的樹冠覆蓋及其生態(tài)效益進行了分析和評估[7]。2016年以來，美國國家森林局(US Forest Service, USFS)還與綠色基礎設施中心合作，在北卡羅來納州、佛羅里達州等6個州開展試點，研究如何在雨水管理中充分發(fā)揮樹木的功能[8]。

近年來，國內開始有學者對城市樹冠的雨水截留功能進行初步研究和探索。車生泉等[9]利用浸水法對上海市70種常見園林植物的冠層截留能力進行了測定和估算，闊葉喬木的雨水截留容量大致在0.5～2.5 mm之間，針葉喬木為0.85～5.98 mm，而灌木、地被植物的雨水截留容量平均值為2 mm和1.4 mm；游宇等[10]對北京8種喬木在16場降雨中的樹冠截留效果進行的現(xiàn)場實測表明，不同樹種的樹冠削減雨水徑流的效果不同，樹冠覆蓋面積的增加和樹種的合理搭配能夠有效減少雨水徑流量；張磊等[11]利用CITYgreen模型對合肥等3個城市建成區(qū)樹木樹冠的生態(tài)效益進行了評估，削減徑流產(chǎn)生的效益占比最高。盡管如此，如何充分發(fā)揮城市樹冠的作用來有效地截留雨水，國內在意識、基礎研究、樹木的管理和工程實踐等方面都存在明顯不足，阻礙了在海綿城市建設中更好地發(fā)揮樹木的作用。

本文從法規(guī)、專項規(guī)劃、規(guī)范標準三方面分析中美兩國在城市樹木管理中有關雨水管理的相關內容，以認識不足、取長補短，推動海綿城市建設中更高效率地應用樹木、更充分地發(fā)揮城市樹冠的作用，提高海綿城市建設的投資效益。

1 樹木管理法規(guī)對雨水徑流控制的重視

隨著對城市樹木綜合效益研究的不斷深入，美國城市樹木管理的立法除了加強對樹木的保護外，更重視發(fā)揮樹木在削減雨水徑流、改善空氣、節(jié)能固碳等多方面的綜合效益。2008年，聯(lián)邦修訂了《合作林業(yè)援助法》(CooperativeForestryAssistanceAct)，要求開展流域林業(yè)援助項目(Watershed Forestry Assistance Program)，明確將樹木種植作為解決城區(qū)水質問題的途徑之一，并要求聯(lián)邦部門為州與城市樹冠覆蓋面積的提升、樹種的選擇提供技術和資金支持，促進聯(lián)邦部門與州、各地方政府以及非營利組織的合作[12]。

在地方層面上，許多城市相繼頒布或修訂了適用于城市范圍、與聯(lián)邦法具有同樣約束力的樹木管理條例，大多是以提升城市樹冠覆蓋面積為宗旨，進而促進城市樹冠生態(tài)功能的發(fā)揮。查閱美國部分地區(qū)樹木管理條例中與雨水徑流控制相關的內容(表1)，大致具有以下幾個共同點：①明確樹木具有控制雨水徑流的作用；②針對不同用地類型分別規(guī)定樹冠覆蓋指標，并將其作為建設項目審批的前置條件；③要求制定城市樹木管理規(guī)劃，以保證樹木管理的可持續(xù)發(fā)展，為人居環(huán)境的改善發(fā)揮更多作用。除表1列出的城市已經(jīng)完成樹木法規(guī)的修訂外，西雅圖、亞特蘭大、路易斯維爾等城市也在積極推動城市樹木條例的修訂工作，發(fā)揮樹木在環(huán)境、經(jīng)濟、社會等方面的綜合效益。

我國與樹木種植和保護相關的國家法律法規(guī)主要有《城市綠化條例》《城市綠線管理辦法》《中華人民共和國森林法》《中華人民共和國森林法實施條例》《城市古樹名木保護管理辦法》等。從現(xiàn)行法律法規(guī)的內容看，雖然提出了因地制宜、適地適樹、尊重生物多樣性等原則，但往往比較籠統(tǒng)，幾乎沒有直接涉及海綿城市及對雨水徑流控制的內容。比如2017年修訂的《城市綠化條例》第二章第12條規(guī)定“城市公共綠地和居住區(qū)綠地的建設，應以植物造景為主，選用適合當?shù)刈匀粭l件的樹木花草”，對如何更好地發(fā)揮樹木及樹冠的生態(tài)功能重視不足。

表1 美國部分地區(qū)樹木管理條例中與雨水徑流控制相關的內容

樹冠覆蓋率是評估城市樹木雨水削減作用及其效益的關鍵指標之一。目前我國各地城市的綠化法規(guī)中只有玉溪、蚌埠、唐山等少數(shù)城市有喬木覆蓋率的量化要求[13]。從整體來看，我國城市綠化指標仍偏重于對不同類型綠地的綠地率最低值作出規(guī)定，很少明確提出城市樹冠覆蓋率等與園林樹木直接相關的指標并納入法定建設審批和考核中。不可否認，對綠地率的突出強調，在一定發(fā)展階段有其合理性，但在當下城市環(huán)境問題凸顯、綠地空間不足、綠化質量亟待改善以及海綿城市建設重大需求的背景下，應該對如何發(fā)揮城市樹冠的生態(tài)功能、高效種植和管理樹木給予更多關注和更明確的指導。

2 樹木規(guī)劃中的雨水管理

2.1 下墊面及城市樹冠的精細化分析

下墊面和樹冠覆蓋率等數(shù)據(jù)是規(guī)劃的重要基礎。目前，在USFS的協(xié)助下，美國17個州共70余個城市借助高分辨率衛(wèi)星影像,將下墊面分為現(xiàn)有樹冠覆蓋、植被潛在覆蓋、不透水區(qū)域潛在覆蓋以及不適合植樹4種類型，對城市樹冠覆蓋情況及種植潛力開展了調查和分析[14]。表2列舉了美國5個城市的下墊面及樹冠覆蓋評估情況。受氣候條件、降雨量以及城市開發(fā)強度等多因素影響，各城市可用于植樹的土地比例有所不同。不同下墊面條件下樹木的徑流控制效果存在差異，對樹冠覆蓋和下墊面性質的精細化分析，有助于評估城市樹冠對雨水徑流的削減能力，也有助于城市水文的相關分析。

表2 美國5個城市的下墊面及樹冠覆蓋評估

美國許多城市還通過實地調查，統(tǒng)計現(xiàn)有樹種數(shù)量、種植位置、高度、冠幅、健康狀況等，并分析每個地塊的潛在樹木種植量，將這些統(tǒng)計信息繪制成電子地圖供公眾查詢。這類調查大多是由城市綠化部門主導，社會團體、普通民眾組成志愿者來完成。比如，紐約市在1995—2015年，每10年開展一次樹木資源調查，利用專業(yè)公司開發(fā)的TreeCorder應用程序，以街區(qū)為單位，將地理信息技術與現(xiàn)場測量相結合，調查人員能夠方便地記錄樹木的位置、與街道等不透水面的距離等信息，進而獲取精確度較高的樹木調查資料[15]。

城市樹木資源實地調查也是我國樹種規(guī)劃編制的重要依據(jù)，但不足之處主要在于，我國樹木資源調查缺少對城市樹冠覆蓋情況的普遍性調查，更談不上精細化評估。雖然“綠化覆蓋面積”中包含了喬木、灌木、草坪等綠地類型，但使用“樹冠覆蓋面積”更能突出生態(tài)功能較強的喬木。缺少樹冠覆蓋情況的數(shù)據(jù)和精細化分析，對優(yōu)化城市樹木的規(guī)劃和管理，更好地發(fā)揮現(xiàn)有樹木的生態(tài)功能、合理評估現(xiàn)在和將來的城市綠化效益都會形成制約。

對下墊面地表覆蓋現(xiàn)狀進行分析，關系到海綿城市建設徑流系數(shù)取值、模型分析、設施規(guī)模計算等關鍵問題[16]?，F(xiàn)狀用地平衡表計算法、GIS二調數(shù)據(jù)解析法以及遙感影像分析是目前海綿城市建設中比較常用的下墊面分析方法[17]。然而，這些方法并沒有對樹冠覆蓋區(qū)域的性質作出清晰的分類，不同樹冠覆蓋情況下的下墊面徑流系數(shù)取值等問題也有待進一步研究。

2.2 樹冠覆蓋率指標的制定與徑流控制

美國樹木管理規(guī)劃中涉及多項指標[18]，其中與徑流削減聯(lián)系最緊密的是樹冠覆蓋率。表3為美國9個城市樹冠覆蓋率指標，不同城市規(guī)劃期限、實現(xiàn)目標等因氣候條件、城市規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展水平不同而存在差異。各城市設定的規(guī)劃期限大都在15 a以上，這應該是充分考慮了樹木的生長過程，一定程度上也避免為達到提高樹冠覆蓋率的目標急功近利地進行大樹移植等野蠻行為。

表3 美國9個城市樹冠覆蓋率指標

我國目前只有少數(shù)城市的樹木規(guī)劃中明確涉及樹冠覆蓋率指標，如青島提出“到2020年，城區(qū)街道樹冠覆蓋率達到28%，地面停車場喬木樹冠覆蓋率達到30%”[19]?？梢?，大部分城市對樹冠的重要性及其多方面的生態(tài)功能關注不夠。樹冠指標的缺失，顯然會影響城市綠化質量的提升和綜合效益的發(fā)揮。

2.3 樹種選擇、種植方式與徑流的削減

毫無疑問，樹種的選擇會直接影響樹冠的大小，進而影響樹木的綜合效益。除了考慮“適地適樹”、景觀美化、生物多樣性等因素外，美國城市樹木規(guī)劃還特別突出強調基于對樹木特性的研究，根據(jù)場地具體的生態(tài)功能需求，給出適宜的樹種，以實現(xiàn)樹木效益的最大化。比如，在推動樹木在雨水管理中的應用上，哈特福德市(Hartford，CT)《城市樹冠覆蓋評估與種植規(guī)劃》(UrbanTreeCanopyAssessment&PlantingPlan)給出的24種綠化推薦樹種中，就明確說明有21種具有可觀的雨水截留能力[20]。這不僅是基于多年來對樹木截留作用的重視和深入研究，也是執(zhí)行相關法規(guī)中發(fā)揮樹木削減雨水徑流能力的要求。

不同種植方式的樹木對雨水系統(tǒng)的影響各不相同。美國主要城市將樹冠覆蓋率指標細化到各社區(qū)，通過綜合考慮改善空氣、削減徑流、景觀美化等因素，確定優(yōu)先種植區(qū)域，以產(chǎn)生更大的雨水徑流控制效果和投資效益。對于場地尺度種植位置的選擇，則在相關手冊中作出更細致的規(guī)定。以哈特福德市為例，基于對徑流控制優(yōu)先度(runoff priority rating)的分析，該市確定了約3 km2、總計占城區(qū)面積6.2%的土地作為控制雨水徑流的優(yōu)先種植區(qū)域。

我國城市樹種規(guī)劃更多是確定各自城市的基調樹種、骨干樹種和一般樹種，針對不同用地類型或功能提供推薦樹種，包括公園綠地樹種、行道樹樹種和生態(tài)風景林樹種等，基本沒有關注和要求樹木的雨水徑流削減作用。在大力推進海綿城市建設的當下，這明顯暴露出不足。

冠幅大小、葉片形狀、枝葉結構等因素都會影響喬木對雨水的截留能力。研究如何使現(xiàn)狀樹種發(fā)揮出更多功能和更高的效益，新種植的樹木更好地適應城市環(huán)境、滿足不同的功能需求，盡可能地在老城區(qū)、道路與廣場等硬化程度高的區(qū)域優(yōu)先提升樹冠覆蓋面積，不僅能夠充分發(fā)揮樹冠的截留能力，也有利于綠化樹種的選擇和種植向更合理的方向發(fā)展。

2.4 徑流控制與成本效益分析

成本效益分析是科學規(guī)劃和種植方案優(yōu)選的重要手段。在USFS的協(xié)助下，美國地方政府利用成本效益分析對樹木價值進行評估，以促進城市樹木的科學規(guī)劃、種植和管理。這是非常有意義的工作，對我國有很好的借鑒價值。

表4給出了美國7個城市的樹木年均成本效益分析概要。城市樹木產(chǎn)生的效益分為節(jié)能、固碳、改善空氣、削減徑流等環(huán)境效益以及提升房產(chǎn)價值5項能夠量化的內容，成本包括樹木的栽植、修剪、病蟲害防治、移除、行政管理開支以及基礎設施維護費用等。從表4可以明顯看出，樹木截留雨水、減少地表徑流所帶來的收益是非常可觀的。同時，城市間的效益費用比(benefit-cost ratio)也存在差異。究其原因，一方面，樹木種植成本受城市地價、栽植樹種、樹齡結構等多因素影響；另一方面，通過橫向對比各城市相關效益發(fā)現(xiàn)，與空氣質量改善等效益相比，削減雨水徑流產(chǎn)生的效益對總效益有更大的貢獻，這也可能是拉斯維加斯等位于干旱區(qū)的城市效益費用比偏低的原因之一。進而推論，對于規(guī)模較大、降水較豐富的城市，合理增大樹冠覆蓋率帶來的雨水削減以及綜合效益可能會更高。因此，應綜合考慮城市氣候條件、經(jīng)濟發(fā)展水平、樹木維護成本等實際情況，通過成本效益量化分析來優(yōu)化樹木種植方案，規(guī)劃每個城市或區(qū)域的樹冠覆蓋率指標。

目前，我國對城市樹木效益的量化分析明顯不足。結合相關研究成果[9，21-22]粗略估算，各地區(qū)城市樹冠對雨水徑流的削減比例大致在百分之幾到20%多，其上限應該是一個非?？捎^的數(shù)值。具體主要取決于樹冠覆蓋率、樹種及種植方式，以及當?shù)氐慕涤陾l件等。顯而易見，在綠地面積少、改造難度大的高密度城區(qū)，以及硬化面積較大的道路、廣場等

表4 美國7個城市樹木年均成本效益分析

特定匯水面增加樹冠覆蓋率，或采用合理的種植搭配，盡量使樹冠能夠覆蓋更多的不透水面，都可以大幅度提升徑流削減比例，充分發(fā)揮樹冠的作用。這也意味著，在舊城的海綿化改造中，充分發(fā)揮樹冠這方面的潛力，可減少相當比例的灰色或其他綠色設施投資，減少對綠地面積的需求和大規(guī)模改造帶來的其他社會成本，這對于當下海綿城市建設中面臨的改造成本、改造困難和用地等問題具有重要意義[23]。不僅如此，作為一種多功能生態(tài)設施，樹木還能夠產(chǎn)生節(jié)能、固碳、緩解熱島效應、提升房產(chǎn)價值等其他效益。

3 和雨水管理相關的樹木種植規(guī)范標準

相關規(guī)范標準是城市樹木精細化管理的重要支撐，對于促進樹木應用于雨水管理也具有重要的指導意義。USFS、美國環(huán)境保護署(Environmental Protection Agency，EPA)以及專業(yè)協(xié)會發(fā)布的樹木種植手冊和規(guī)范中，涉及許多和雨水管理相關的內容。

2006年，USFS發(fā)布《城市樹冠覆蓋目標設定指南》[24]。該指南中以切薩皮克灣(Chesapeake Bay)為例，詳細闡述了樹冠覆蓋評估技術、目標設定標準以及具體實施策略，指導各城市利用地理信息技術分析城市樹冠覆蓋情況。為進一步推廣樹木在雨水管理中的工程應用，2013年，EPA發(fā)布《將行道樹應用于雨水管理》[25]手冊，包括理念與共識、工程技術、激勵機制等內容，強調種植樹木不只是為了美化環(huán)境，還可以提供雨水削減效益和其他生態(tài)功能。針對種植土壤、空間、坡度、架空線(overhead wire)和地下設施等影響樹木生長的限制因素，EPA又于2016年發(fā)布《雨水樹池技術備忘錄》[26]，推動種植土壤的改良和樹池的改進。這不僅能夠降低土壤壓實度，為樹木根系生長提供更多空間，而且有利于收集和儲存周邊不透水區(qū)域產(chǎn)生的雨水徑流。

在樹種選擇方面，美國流域保護中心(The Center for Watershed Protection)于2006年編制了《城市流域林業(yè)手冊》[27]，涉及林業(yè)、水文、景觀設計、土壤科學等多個專業(yè)。值得注意的是，手冊中明確了樹木對雨水水量、水質的控制效果。在給出的200余種樹種的特性表中，包括和樹木雨水徑流削減能力密切相關的成熟期冠幅、冠形、生長速率等信息。這對設計人員考慮和計算不同樹齡和樹種的雨水截留效果、選擇合適樹種具有很好的指導意義。

對于場地尺度上樹木種植位置的選擇，主要分為種植在草坪等透水面上的樹木和種植在人行道、停車場等不透水面上的樹木。地方政府為鼓勵業(yè)主合理植樹，除了制定法規(guī)來保證一定的樹冠覆蓋面積外，還在相關技術手冊中制定了激勵措施。通過設定樹木種植位置與不透水面的最遠距離(通常在3～8 m之間)，使樹冠能夠覆蓋更多的不透水面。只要滿足樹木合理種植的距離要求，就能申請減少繳納雨水費[28]。

隨著我國海綿城市建設的快速推進以及今后常態(tài)化的發(fā)展需求，給水排水專業(yè)和風景園林等專業(yè)對相關規(guī)范標準進行了修編或新編。但在已有的規(guī)范標準中，尚未將樹木這種普遍存在且重要的綠色基礎設施及其能夠發(fā)揮的徑流削減功能納入其中。規(guī)范標準方面的缺失不利于有效發(fā)揮城市樹冠截留雨水的潛力，不利于更好地發(fā)揮樹木的生態(tài)功能及綜合效益。

4 幾點建議

通過上述比較和分析可見，城市樹木在生態(tài)環(huán)境改善、海綿城市建設中的巨大潛力還有待進一步挖掘。我國可以在以下幾方面進行完善，以更好地推動樹木在海綿城市建設中的應用。

a. 加強相關基礎資料的積累和公開。樹冠是衡量樹木生態(tài)效益的重要指標，對徑流系數(shù)、城市的產(chǎn)匯流也有明顯的影響。而城市下墊面的精細化解析既是評價樹木對徑流削減效果的基礎，也是城市水文和海綿城市產(chǎn)匯流分析的重要基礎。應利用高分辨率遙感影像解譯等技術手段，為獲取高精度樹冠覆蓋及城市下墊面相關數(shù)據(jù)提供支撐；完善城市園林樹木數(shù)據(jù)庫，增加城市樹冠這一重要指標，完善樹木調查資料的電子化管理和分析。此外，還應建立公共數(shù)據(jù)平臺，促進相關基礎資料的公開和共享，為城市樹木的優(yōu)化種植和管理、為海綿城市建設的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

b. 深化樹木削減雨水徑流能力的基礎研究。不同城市的氣候條件、降雨條件、樹種組成、樹齡結構及樹冠覆蓋面特征等都存在差異。相較單層結構而言，不同喬木、灌木、地被植物的合理搭配組成的復層結構，截留效果也不盡相同。我國目前關于城市樹木對雨水徑流控制作用的研究還有較大的局限性，獲取的數(shù)據(jù)難以全面支撐各地城市的推廣應用。因此，應加強對不同地區(qū)樹種、樹冠及雨水截留效果的量化研究和評估，進一步促進各地城市綠化樹種及種植方式的優(yōu)化和科學管理，推動海綿城市建設中充分發(fā)揮樹木的重要海綿作用。

c. 完善相關規(guī)劃和規(guī)范標準。一方面，基于美國城市已有的經(jīng)驗，應將樹冠及對徑流的控制作用納入城市樹木管理規(guī)劃和海綿城市專項規(guī)劃的考量之中，加強規(guī)劃前期詳細的樹木現(xiàn)狀分析和部門間溝通協(xié)作，制定分期規(guī)劃目標，確定樹木的優(yōu)先種植區(qū)域，尤其注意增加不透水面上的樹冠覆蓋，充分發(fā)揮城市樹木的雨水截留潛力和其他生態(tài)功能，獲取更高的投資回報和生態(tài)效益。同時，包括城市樹冠指標的城市樹種規(guī)劃的編制應融入海綿城市、雨水管理的理念，給出雨水截留能力強的推薦樹種及合理化種植方式。為避免種植方案的簡單化和片面性，應注重通過對不同種植搭配方式的成本效益分析來確定優(yōu)選方案。另一方面，對相關的規(guī)范標準進行研究和修訂，為海綿城市建設和更充分發(fā)揮樹冠的綜合效益提供技術支撐。如，將樹冠覆蓋率納入城市綠化考核和評價標準；海綿城市雨水設施的設計計算應合理考慮樹冠的貢獻；種植在綠地中的樹木應盡可能靠近不透水面，更多地發(fā)揮其遮陰、緩解熱島效應和削減徑流等功能。